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1、中级人员超声波讲稿（韩立柱13964121663） 第一章前言：超声波探伤（UT）是目前应用最广泛的五种常规无损探伤（NDT）方法之一,主要用于检测材料内部（埋藏）的不连续性或缺陷。物理基础-机械振动与波动。主要涉及到几何声学和物理声学的一些基本概念和定律。几何声学-反射、折射定律及波形转换；物理声学-波的叠加、干涉、绕射及惠更斯原理。第一节 振动与波动概念：一、振动 周期T- 频率f- T=1/f 谐振动- 阻尼振动- 受迫振动-二、波动 波动- 产生机械波必须具备的两个条件： 波长- 频率- 波速- 波动方程-三、次声波、声波和超声波 次声波- 声波- 超声波- 超声波的四项重要特性（超声
2、波的应用）- 次声波的应用-第二节 波的类型一、据质点的振动方向分类 纵波L- 横波S(T)- 表面波R- 板波-注意不同类型的波在不同介质中的传播特性。二、按波的形状分类 平面波- 柱面波- 球面波-三、按振动的持续时间分类 连续波- 脉冲波-第三节 超声波的传播速度超声波、次声波、声波都是机械波，他们在同一介质中的传播速度相同。超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关。一、固体介质中的声速1、无限大固体介质中的声速P9 ：纵波、横波、表面波三者之间声速的大小关系2、细长棒中的纵波声速 P103、声速与温度、应力、均匀性的关系P10二、液体、气体介质中的声速液体、气体介质中只能传播
3、纵波，不能传播横波和表面波。液体介质中的声速与温度的关系水中声速随温度变化具有特殊性三、声速的测量1、探伤仪测量法(1)按时间刻度(2)按深度刻度2、测厚仪测量法（1）共振式测厚仪（2）脉冲反射式测厚仪3、示波器测量法第四节 波的叠加、干涉、衍射和惠更斯原理一、波的叠加与干涉1、波的叠加原理原理：2、波的干涉定义：干涉波的两种情况：二、驻波定义：两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播是互相叠加而成的波。波节-波幅-相邻两波节或波幅的间距/2,相邻波节和波幅之间的间距/4在界面处产生波节或波幅的条件：三、惠更斯原理和波的衍射1、惠更斯原理：2、波的衍射（绕射）超声探伤灵敏度约为/2第五节
4、 超声场的特征值升压、声强和声阻抗（1）声压超声场中某点瞬间压强与无超声波存在时同一点静压强之差。 即声压 p与频率f成正比（2）声强垂直于超声波传播方向上，单位时间，单位面积通过的声能。 即声强正比于频率（3）声阻抗Z=C（表示介质的声学性质）与材料的种类有关 与波型有关C 与温度有关tCZ质点的振动速度Vm波速C质点的振动频率f=波传播的频率f与Z相关的因素：材料的种类，波型，温度第六节 分贝与奈培一、分贝与奈培的概念贝尔(Bel):= 分贝（dB）:=10，即：（当仪器垂直线性好时）a已知波高为H2=90%和H1=15%，求H2/H1的分贝差？解：b已知波高差6db, 求？解：，H2=H
5、1 即两波高差一倍第七节 超声波垂直入射到界面时的反射和透射一、 单一界面的反射与透射率：在界面两侧的声波，必须符合的两个条件：1、界面两侧的总声压相等2、界面两侧质点振动速度幅值相等图2 纵波垂直入射时波的反射和透射a.声压反射率(Pr/Pe)和透射率t(Pd/Pe) b.声强反射率R(Ir/Ie)和声强透射率T(Id/Ie) T c.边界条件：由力的平衡：PO+Pr=Pt 由于波的连续性，两侧振动速度的振幅相等：r+1=t； R+T=1超声波在钢中传播到底面遇到空气100%反射；超声波从钢传到水中时，88%的声能反射，12%进入水中；耦合剂作用是传播声能，同时在探头和工件间起到润滑作用。二
6、、 薄层界面的反射率与透射率*超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗和薄层介质声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波长之比（d2/2）有关1、均匀介质中的异质薄层（Z1=Z3Z2）r、t计算公式（1.35、1.36）结论：（1）半波透声层-当薄层两侧介质声阻抗相等，薄层厚度为其半波长的整数倍时，超声波全透射，几乎无反射（r0），好像不存在异质薄层一样。 （2）异质薄层厚度等于其四分之一波长的奇数倍时，声压透射率最低，声压反射率最高。 （3）超声波对探测含有气体介质的裂纹等缺陷的灵敏度是很高的。 (4)提高超声波探伤频率对于提高探伤灵敏度是有利的。2、薄层两侧介质不同的双界面（Z1Z
7、3Z2）（1）超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时，若薄层厚度为其半波长的整数倍，通过薄层的声强透射率与薄层的性质无关，好像不存在薄层一样。T=4 Z1Z3/( Z1+Z3)2 （2）超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时，若薄层厚度为其四分之一波长的奇数倍，薄层声阻抗为其两侧介质声阻抗几何平均值时，其声强透射率等于1，超声波全透射。 T=1三、声压往复透射率 T往=4 Z1 Z2/( Z1 +Z2)2在底面全反射的条件下，声压往复透射率与声强透射率在数值上相等。 界面两侧介质的声阻抗差越小，声压往复透射率就越高，反之就越低。 往复透射率高，探伤灵敏度高。第八节 超声波倾斜入射到界面
8、是的反射和折射一、波形转换与反射、折射定律波形转换的定义-a.反射和折射定律： b.纵波斜入射： 图3纵波斜入射时的反射和折射第一临界角（纵波）全反射，第二临界角C（横波）全反射， 因此必须大于才有第一临界角，即工件的纵波声速必须大于斜楔的纵波声速，才能实现纯横波探伤。若C即没有第二临界角，因此第二介质的横波声速必须大于第一介质的纵波声速，才会产生表面波。c.横波入射：当横波入射，全反射时，对应叫第三临界角 III即只有固体才会有第三临界角d.对于有机斜楔探头检测钢工件时：I =2736 II=5748即纵波入射角在27365748实现纯横波探伤实用=3880 K=0.785.07二、声压反射
9、率 倾斜入射时，声压反射率、透射率不仅与介质的声阻抗有关，而且与入射角有关。1、纵波倾斜入射到钢/空气界面的反射 图1.352、横波倾斜入射到钢/空气界面的反射 图1.36三、声压往复透射率图1.38图1.39四、端角反射图1.40 端角反射图1.41 端角反射率结论： 当横波入射角（横波探头的折射角s ）=350550时，端角反射率达100%，即K=tgs=0.71.43时，探伤灵敏度较高。应用于横波探伤焊缝单面焊根部未焊透或裂纹。第九节 超声波的聚焦与发散一、 声压距离公式1、 球面波P=P1/x 声压与距离成反比2、 柱面波P=P1/x1/2 声压与距离的平方根成反比二、 球面波在平界面
10、上的反射与折射1、 单一平界面上的反射 图1.422、 双界面的反射 图1.43双界面的反射：当双界面距离较大时，超声波探头发出的超声波可视为球面波，示波屏上各次底波的高度之比近似符合1：1/2:1/3的规律。3、 单一界面上的折射对于球面波入射到水/钢界面时，其折射波更加发散三、平面波在曲界面上的反射与折射 1、平面波在曲界面上的反射（从入射方向看）凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。2、平面波在曲界面上的折射 折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面两侧的波速有关。对于凹透镜（从入射方向看），当c1 c2时发散；对于凸透镜（从入射方向看），当c1 c2时聚焦，c1 c2时发散
11、；图1.46四、球面波在曲界面上的反射与折射1、球面波在曲界面上的反射（从入射方向看）凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。2、球面波在柱面上的反射 * W反射 图1.48第十节 超声波的衰减定义：一、 衰减的原因波束扩散、晶粒散射、介质吸收扩散衰减-散射衰减-吸收衰减-二、 衰减方程与衰减系数1、 衰减方程公式 1.58 平面波的介质衰减公式 1.59 球面波的衰减（包括扩散衰减和介质衰减）公式 1.60 柱面波的衰减（包括扩散衰减和介质衰减）2、衰减系数只考虑介质的散射和吸收衰减，未涉及扩散衰减。公式 1.611.62（1） 介质的吸收衰减与频率成正比（2） 介质的散射衰减与f,d,F有
12、关，当d时，散射衰减系数与f4、d3成正比。介质晶粒粗大时，引起严重衰减，示波屏出现大量草状回波。铸件、不锈钢超探困难所在。三、衰减系数的测定薄板 厚板： 超声检测总复习1什么是超声波： 人耳听不见（人耳可听见16-20000Hz），即频率大于2万赫兹(2104 Hz)的机械波（声波）2工业超声波探伤频率：1-5M Hza粗晶材料（奥氏体不锈钢，大的锻件，铸件）用1-2 M Hzb细晶材料（薄钢板，薄焊缝）用4-5 M Hz，常用5 M Hzc其它材料：2-3 M Hz 常用2.5 M Hz3金属材料用高频超声波原因a指向性好（即）声能集中，可以传播很远，距离分辨力好，缺陷分辨率高。bf大即小
13、，检测灵敏度高（可达到）（一）超声波的发生及其性质：1、超声波的发生的接收（1）产生条件：a.振动源（波源）晶片振动b.能传播波的介质弹性介质（2）振动和波动的区别：a.振动是物质在平衡位置附近的往复（周期性）运动。b.波动是振动状态或振动能量的传播，不是物质的迁移。（3）压电效应：a. 正压电效应: 交变（拉、压）应力交变电场（接受超声波）b.逆压电效应: 交变电场振动（晶片）（发射超声波）（4）压电晶片：a.常用的压电晶片：石英单晶体、稳定性好、耐高温（550）硫酸锂单晶体、接收性能好锆钛酸铅多晶体、灵敏度高、发射性能好钛酸钡多晶体、发射性能好铌酸锂单晶体、耐高温（1200）b.单晶直探头常用锆钛酸铅
