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1、超声波检测,张东博,概 述,超声波检测(探伤)具有可探测的厚度大、成本低、速度快、对人体无害及对危害较大的平面型缺陷的探测灵敏度的优点。 主要取决于操作人员的责任心，工作时的精神状态和技术高低。,提高自己的技术水平。 (1)掌握超声探伤的基础知识和技术。 (2)掌握与材料及其制造工艺有关的知识。 (3)了解被探工件的结构、几何形状和状态。,超声波检测的特点与应用,1930年,1944年,1946年,美国,英国,脉冲反射式超声波探伤仪,50年代,60年代,德国,高灵敏度和高分辨率的超声波仪器,工业检测领域,超声波检测的特点,=c/f 工作频率为0.45 MHz，可达l050 MHz， 高达100
2、 MHz。 超声波传播时，遇到界面会发生反射；超声波频率愈高，指向性愈好；超声波传播能量大，对材料的穿透力较强。,表面缺陷的检测，超声波法比磁粉法和渗透法的灵敏度要低；但超声波法可以检测表面裂纹的深度。 近年来的研究表明，超声波的声速、衰减、阻抗和散射等待性应用提供了丰富的信息，并且成为超声波广泛应用的条件。,超声波探伤的原理,通过测量信号往返于缺陷的渡越时间，来确定缺陷和表面间的距离；测量回波信号的幅度和发射换能器的位置，来确定缺陷的大小和方位，脉冲反射法或A扫描法。B扫描可以显示工件内部缺陷的纵截面图形，C扫描可以显示工件内部缺陷的横剖面图形。,超声波检测的应用,超声波法适用锻件、轧制件、
3、焊缝和某些铸件，无论是钢铁、有色金属和非金属，都可以采用超声波法进行检验。 超声波法可以无损检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等。,用声速测定法评估灰口铸铁的强度和石墨含量； 用超声衰减和阻抗测定法确定材料的性能； 用超声波衍射和临界角反射法检测材料的机械性能和表层深度； 用棱边波法、表面波法和聚焦探头法对缺陷进行定量的研究； 用多频探头法对奥氏体不锈钢厚焊缝的检测； 用超声测定材料内应力的研究，特殊波型例如用管波模式检测管材的研究。,发展趋势,微型计算机:能够完成数据采集、信息处理、过程控制和记录存储等多种功能。全电脑对话式超声波探伤仪，可在屏幕上同时显示
4、回波曲线和检测数据、存储仪器调整状态、缺陷波形和各种操作功能。 冶金厂钢板、钢带、型材和管材的自动轧制生产线上。,采用自适应网络对不同类型缺陷的波形特征进行识别和分类，噪声信号超声波检测法，超高频超声波检测法，宽频窄脉冲超声波检测法，超声显像法和超声频谱分析法的进展和应用，以及新型声源的研究例如用激光来激发和接收超声的方法和各种新型超声波检测仪器的研究等，都是比较典型和集中的研究方向。,超声场及介质的声参量简介,充满超声波的空间，或在介质中超声振动所波及的质点占据的范围叫超声场。 描述超声场的物理量,声压,声强,声阻抗,质点振动位移,质点振动速度,声压,超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强p1
5、，与没有超声场存在时同一点的静态压强p0之差叫做该点的声压p P=P1-P0,声强I,在超声波传播的方向上，单位时间内介质中单位截面上的声能叫做声强，常用I表示；单位为Wcm2。 引起听觉的最弱声强I0=10-16 Wcm2为声强标准 将某一声强I与标准声强I0之比取常用对数得到二者相差的数量级，称为声强级，用IL表示。声强级的单位为BeL(贝尔)，即，ILlg(II0)。,声阻抗,超声波在介质中传播时，任一点的声压P与该点速度振幅V之比叫做声阻抗 g/(cm2.s) 声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，介质的声阻抗愈大，质点的振动速度就愈小。,超声检测的优点: 1.适用于
6、金属、非金属和复合材料的检测。 2.穿透能力强，对厚大件可进行内部检测。 3.缺陷定位准确。 4.平面型缺陷检出效率高。 5.灵敏度高，可检测内部小尺寸缺陷。 6.检测成本低，速度快。,局限性 1 .对工件中缺陷精确定性和定量需深入研究。 2 .对形状复杂或不规则的工件检测困难。 3 .缺陷的位置、取向和形状对检测结果有影响。 4 .工件材质和晶粒度对检测结果有影响。 5 .检测结果不直观。,声速,在同一种介质中，超声波的波形不同,其传播速度亦各不相同，超声波的声速还取决于介质的特性(如密度、弹性模量等),声速,相速度,群速度,声波传播到介质的某一选定的相位点时，在传播方向上的声速,指传播声波
7、的包络上，具有某种特性(如幅值最大)的点上，声波在传播方向上的速度。,声波在介质中传播的速度,超声波的传播,纵波,横波,表面波,兰姆波,纵波,质点振动方向和传播方向一致的波,纵波,横波,质点振动方向垂直于传播方向的,表面波,质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波,兰姆波,只产生在有一定厚度的薄板内,对称型兰姆波,非对称型兰姆波,若两表面质点振动的相位相反，中部质点以纵波的形式振动,若两表面质点振动的相位相同，中部质点以横波的形式振动,兰姆波可检测板厚及分层、裂纹等缺陷，还可检测材料的晶粒度和复合材料的粘合质量等,兰姆波的声速：群速度和相速度,相速度是以声波
8、(或电磁波)沿行进路线变更相位的速度,群速度是声能(或电磁能)变更的速度,脉冲波是以群速度传播的，是多个不同频率的谐波成分的叠加，即以不同频率和不同振幅的声波同时入射到板中，必然在板中激起不同相速度的板波,连续波则以相速度传播，指持续时间无穷的波动，而脉冲波是指持续时间有限的波动,超声波检测中由探头发射的超声脉冲波，所包含的频率成分决定于激励脉冲的形状、晶片形式和探头结构,超声波在介质中的传播特性,超声波垂直入射到平界面上的反射和透射 超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射 超声场的特征,单一界面,薄层界面,斯涅耳定律,声压反射率与透射率,超声场的指向性和扩散角,指向性与声源直径D和波长的关系,
9、近场区、远场区，声压公式,边界条件,（1）一侧总声压等于另一侧总声压。否则界面两侧受力不等，将会发生界面运动。 (2)两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。,P0+Pr=Pt （P0-Pr）/Z1=Pt/Z2 1+r=t (1-r)/Z1=t/Z2,单一界面,声压反射率,声压透射率,声强反射率,声强透射率,薄层界面,当第一介质、第三介质为同一介质时，对均匀介质中的异质薄层,声压反射率,声压透射率,r和t与d有关系， 薄层厚度愈小，透射率愈大，反射率愈小,非均匀介质中的薄层,声压往复透射率,d=n /2时,d=（2n-1） /4时,d=n /4时,斯涅耳定律,sins/CsL=sins/CsL
10、=sinL/CL1=sinL/CL2=sins/Cs2,纵波斜入射,横波斜入射,倾斜入射 a）纵波入射 b）横波入射,第一临界角,第二临界角,第三临界角,例，纵波倾斜入射到有机玻璃/钢界面时，有机玻璃中CL1=2730m/s，钢中CLs=5900m/s，Cs2=3230m/s。则第一、二临界角分别为？,=arcsinCL1/CL2 =arcsin2730/5900 =27.6 =arcsinCL1/Cs2 =arcsin2730/3230 =57.7,声压反射率与透射率,在斜入射情况下，各种类型的反射波和折射波的声压反射率和透射率，不仅与界面两侧介质的声阻抗有关，而且还与入射波的类型以及入射角
11、的大小有关,超声场的特征,超声场的指向性和扩散角 指向性与声源直径D和波长的关系 近场区、远场区，声压公式,超声波从声源(晶片辐射器)集中成束向前传播，往往集中在与晶片轴线成半扩散角的锥体范围内强烈辐射出去，称为超声场的指向性,指向性与声源直径D和波长的关系,近场区、远场区，声压公式,远场区,当,当,n=0,超声波的衰减： Px=P0e-x 1扩散衰减 2散射衰减 当d时C4F/d f为超声波的频率，d为晶粒直径， 为超声波的波长，F为各向异性系数。,3吸收衰减 a=C1f,超声波换能器,由压电晶片组成，可发射和接收超声波 探头因其结构和使用的波型不同可分为直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探
12、头、可变角探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、喷水探头和专用探头等。,直探头,由压电晶片、吸收块和保护膜组成,斜探头,可发射和接收横波，主要由压电晶片、吸收块和斜楔块组成,可发射和接收表面波。当入射角达到横波临界角时，在工件中便产生表面波 可发射和接收兰姆波(板波)。它也是斜探头的一个特例。当入射角满足下面条件时 sin =Cl/Cp,兰姆波探头,表面波探头,可变角探头,它可以连续改变入射角，以产生纵波、横波、表面波和板波,双晶探头,水浸探头,聚焦探头,可将超声波聚焦成细束(线状或点状)，在焦点处声能集中，可提高检测灵敏度和分辨力。聚焦探头发射纵波、横波、表面波或兰姆波。 将压电晶片做成凹面，
13、发射的声波直接聚焦 声透镜的方法将声束聚焦,超声波探伤仪,A型显示探伤仪 B型显示探伤仪 C型显示探伤仪 连续波探伤仪 调频波探伤仪 多通道超声探伤仪,A型显示探伤仪,由同步电路(触发电路)、时基电路、发射电路、接收电路、探头及示波显示器等组成。 通过缺陷波在荧光屏上横坐标的位置，可以对缺陷定位；通过缺陷波的高度可估计缺陷的大小。,B型显示探伤仪,C型显示探伤仪,连续波探伤仪,它发射对时间而言是连续的且频率不变的超声波。仪器结构比脉冲波探伤仪简单，主要由振荡器、放大器、指示器和探头组成。检测灵敏度较低，可用于某些非金属材料检测。,调频波探伤仪,它周期性发射连续的频率可调的超声波 主要由调频器、
14、振荡器、混频器、低频放大器和探头组成，由电表、耳机、喇叭或频率计指示。 此类仪器现在已很少使用,多通道超声探伤仪,脉冲切换电路主要由多级双稳态电路和“与非”门组成。,自动化超声波检测装置,工件与探头的相对运行有三种方式：探头固定，工件运动；工件固定，探头运动；探头与工件都运动。 自动化探伤多用液浸法，探头应水密。 记录方法包括自动喷标装置在缺陷部位喷标，采用图形识别技术，可对缺陷性质进行在线评定,超声波检测方法,接触法与液浸法 纵波脉冲反射法 横波探伤法 表面波探伤法 兰姆波探伤法 穿透法检测,接触法与液浸法,接触法就是探头与工件表面之间经一层薄的耦合剂直接接触进行探伤的方法。,液浸法,纵波脉
15、冲反射法,横波探伤法,表面波探伤法,兰姆波探伤法,穿透法检测,穿透法检测可以用连续波，也可以用脉冲波 由于缺陷阻止声波通过，在缺陷后形成声影，故又称“声影法”探伤。 穿透检测法灵敏度低，不能检测小缺陷，也不能对缺陷定位，但适合于检测超声衰减大的 材料，同时也避免了盲区,检测条件的选择,；。,了解被检工件的材料特性、外形结构和检测技术要求；,熟悉工件在加工的各个过程中可能产生的缺陷和部位,根据检测目的和技术条件选择合适的仪器和探头，并进行仪器性能的测试,选择检测方法和耦合剂及其探测条件等,检测,分析,对同种材料而言，频率愈高，超声衰减愈大； 对同一频率而言，晶粒愈粗，衰减愈大。 对细晶粒材料，选
16、用较高频率可提高检测灵敏度，因为频率高，波长短。检测小缺陷的能力强，同时频率愈高，指向性愈好，可提高分辨力，并能提高缺陷的定位精度。,缺陷的定位、定量和定性,缺陷的定位,缺陷的定位,缺陷的定量,缺陷的定量就是测定缺陷的大小和数量。缺陷的大小包括缺陷的面积、长度和深度等。 当量法 以底波强度为基础的定量法 以波束指向性为基础的定量法 缺陷声压反射基本公式 AVG曲线定量法 裂纹深度的测量,当量法,它以当量直径或当量面积表示缺陷的大小,以底波强度为基础的定量法,底波百分比法，它是以底波高度为基准，用缺陷波高度与底波高度之比，表示缺陷相对大小的方法。这种方法不能得到缺陷的真实尺寸。 另一种方法是声压比法。缺陷波和底波高度与缺陷反射声压p及底面反射声压p0成正比。,以波束指向性为基础的定量法,适于缺陷面积大于声束截面的情况,在x处入射声压，XN,X6N,在远场中，大平面
