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1、子项目一 超声波检测,超声波检测是利用超声波能在弹性介质中传播，在界面上产生反射、折射等特性来检测材料内部或表面缺陷的检测方法。超声波检测不但检测厚度大，而且灵敏度高，速度快，成本低，能对缺陷准确定位和对缺陷定当量。超声波对人体无害。然而超声波检测，缺陷显示不直观，检测技术难度大，易受主、客观条件的影响，检测结果不便保存。,1,子项目一 超声波检测,超声检测的优点与局限性 优点有： （1）适用于金属、非金属、复合材料等多种材料制件的无损评价； （2）穿透能力强； （3）灵敏度高； （4）可较准确地测定缺陷的深度位置； （5）对大多数超声技术的应用来说，仅需从一侧接近试件； （6）设备轻便，对人
2、体及环境无害，可作现场检测。,2,子项目一 超声波检测,超声检测的主要局限性是： （1）对位于表面和非常近表面的某些缺陷常常难于检测； （2）试件形状的复杂性，对超声检测的可实施性有较大影响； （3）材料的某些内部结构会使小缺陷的检测灵敏度和信噪比变差； （4）对材料及制件中的缺陷作定性、定量表征，需要检验者较丰富的经验,3,项目1 超声波检测的物理基础,学习目标 1.了解机械波。 2.熟悉超声波的分类。 3.掌握超声波的传播特性及衰减原因。,4,一、机械波,1.机械波的产生 振动的传播过程称为波动，现实生活中，我们经常看到水波、声波等在介质中的传播现象，那么机械是如何实现传播的？机械波传播时
3、必要的条件是什么呢？ 产生机械波的必要条件有两个： 1）要有作机械振动的波源，即有一个力使质点在其平衡位置附近作往复运动。 2）要有能传播机械振动的弹性介质。,5,机械振动与机械波是互相关联的，振动是波动的根源，而波动是振动的传播。在机械波传播的过程中，各质点在其平衡位置附近做往复运动，并不随着机械波的传播而向前运动。因此，机械波的传播是振动和能量的传播。 液体和气体也能传播机械波，液体与气体介质中的弹性波是由液体和气体受到压力时的体积收缩和膨胀产生的。,6,2.描述机械波的物理量,（1）周期 在波动过程中，任意一个质点完成一个完整波的传播过程所需的时间称为周期。常用T来表示，单位常用秒（s）
4、。 （2）频率 波动过程中，任意给定在1秒内所通过的完整波的个数，称为波动频率，用表示，单位为赫兹（Hz）。 （3）波长 同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，称为波长，用表示，常用单位为毫米（mm）。 （4）波速 波速是指在单位时间内波在介质中所传播的距离，用C表示，常用单位为米/秒（m/s）。,7,二、超声波,通常把频率低于20Hz的声波称为次声波，而频率高于20kHz的声波称为超声波。 1.超声波的分类 （1）根据质点的振动方向与波传播方向的关系分 1）纵波L。介质质点的振动方向与波的传播方向相平行的波。 2）横波S。介质质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波。 3）表面波R。当
5、介质表面受到交变应力时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波。 4）板波。在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板波。,8,9,（3）根据振动的持续时间分类,1）连续波 波源持续不断地振动所发射的波称为连续波，如图2-7a所示。超声波穿透法检测时常采用连续波。 2）脉冲波 波源振动持续时间很短（通常是微秒数量级）、间歇发射的波称为脉冲波，如图2-7b所示。脉冲波是目前超声检测中广泛采用的波型。,10,2.超声波的特性,（1）指向特性 具有良好的指向性，有利用检测时发现缺陷并对缺陷准确定位。 （2）反射、折射和波型转换的特性 超声波在传播过程中，当遇到两种物质的异质界面时，能在界面上产生反射、折射
6、和波型转换。 （3）穿透特性 超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。 （4）超声波能量高,11,3.超声场的特征值,（1）声压 超声场中某一点在某一时刻的压强P1与没有超声场存在时的静态压强P0之差，称为该点的声压，用P表示。即：P=P1-P0,12,（2）声阻抗,超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗，常用Z表示。即： Z=P/u=cu/u=c 在同一声压P的情况下，声阻抗越大，质点的振动速度u越小；反映，声阻抗越小，质点的振动速度u越大。因此声阻抗可理解为介质对质点振动的阻碍作用。,13,（3）声强,单位时间内
7、垂直通过单位面积的声能称为声强，常用I表示。单位是瓦/厘米2（W/cm2）或焦耳/厘米2秒（J/cm2s）。,14,三、超声波在异质界面的反射、透射、折射与波型转换,1.超声波垂直入射到单一平界面时的反射和透射 当超声波垂直入射到两种介质的界面时，如图2-8所示，一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波（声强为It），波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与反射波相反的方向传播，成为反射波（声强Ir）。,15,界面上反射声压Pr与入射声压P0之比称为界面的声压反射率，用r表示，即r=Pr/P0。 界面上透射声压Pt与入射声压P0之比称为界面的声压透射率，用t表示，即t=Pt/P
8、0。 根据超声波传播的连续性，在界面处的质点应满足如下条件： （1）根据力的平衡原理，界面两侧的总声压相等，故有P0+Pr=Pt （2）界面上质点的振动速度幅值相等，故（P0-Pr）/Z1=Pt/Z2 由上述两边界条件和声压反射率、透射率定义得： 1+r=t （1-r）/Z1=t/Z2,16,17,超声波垂直入射到平界面时，声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。当界面两侧的介质的声阻抗相差越大时，R越大，则射声能越大，透射声能越小。当界面两侧介质的声阻抗相差很小时，反射率几乎等于0，声波近似于全透射，无反射。,18,2. 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射,（1）纵波倾斜入射时的反
9、射和折射 如图2-9所示，当纵波L以一定的入射角度倾斜入射到固/固平界面时，除会形成反射的纵波与折射的纵波外，还会转换出反射的横波与折射横波，超声波的传播方向用波的传播方向与界面的法线的夹角来描述，各种反射波和折射波的传播符合反射、折射定律：,19,第一临界角：如果CL2 CL1，当L增加到一定程度时，L=90，这时所对应的纵波入射角称为第一临界角。 1=arcsin(CL1/CL2) 第二临界角：CS2 CL1，当L增加到一定程度时，S=90，这时所对应的纵波入射角称为第二临界角。 =arcsin(CL1/CS2）,20,（2）横波倾斜入射时的反射与折射,如图2-10所示，当横波S以一定的入
10、射角度倾斜入射到固/固平界面时，除会形成反射的横波与折射的横波外，还会转换出反射的纵波与折射纵波，超声波的传播方向用波的传播方向与界面的法线的夹角来描述，各种反射波和折射波的传播符合反射、折射定律：,21,第三临界角：当S增加到一定程度时，L=90，这时所对应的横波入射角称为第三临界角。,22,四、超声波的衰减特性,1.扩散衰减 超声波在传播过程中，由于声束的扩散，使超声波的声强随距离增加而逐渐减弱的现象称为扩散衰减。扩散衰减仅取决于波阵面的形状，与介质的性质无关。 2.散射衰减 超声波在介质中传播时，遇到晶粒的界面晶界时产生散乱反射引起衰减的现象，称为散射衰减。当材质晶粒度粗大时，散射误减严
11、重。 3.吸收衰减 超声波在介质中传播时，由于介质中质点间的内摩擦（即粘滞性）和热传导引起超声波的衰减，称为吸收衰减或粘滞衰减。 通常所说的介质的衰减是指吸收衰减和散射衰减，不包括扩散衰减。,23,项目2 超声波检测设备器材,学习目标 1.了解超声波检测仪的类型及工作原理。 2.了解超声波检测探头的种类、结构，掌握探头的主要性能参数。 3.掌握超声检测试块的种类及主要用途。,24,一、超声检测仪,1.超声检测仪的分类 （1）按照超声波的连续性，可分为以下三类 1）脉冲波探伤仪。 2）连续波探伤仪。 3）调频波探伤仪。,25,（2）按缺陷的显示方式分,1）A型显示超声波检测仪。 2）B型显示超声
12、波检测仪。 3）C型显示超声波检测仪。,26,（3）按仪器的通道数目分,1）单通道检测仪 这种检测仪是由一个或一对探头单独工作，是目前超声波检测中应用最广泛的仪器。 2）多通道检测仪 这种检测仪是由多个或多对探头交替工作，每一个通道相当于一台单通道检测仪，适用于自动化检测。,27,2.模拟式超声检测仪,（1）A型脉冲反射式模拟式超声波检测仪主要组成 A型脉冲反射式模拟式超声波检测仪的主要组成如图2-15所示。,28,（2）A型脉冲反射式模拟式超声波检测仪器的工作原理,同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路，扫描电路受触发开始工作，产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平偏转板，使电子束发生
13、水平偏转，在荧光屏上产生一条水平扫描线。同时，发射电路受触发产生高频脉冲，施加至探头，激励压电晶片振动，产生超声波，超声波在工件中传播时，遇到缺陷或底面产生反射，反射回的超声波返回探头时，又被探头中的压电晶片将振动转变为电信号，经接收电路放大和检波，加至示波管垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平扫描线的相应位置上产生缺陷回波和底波。,29,（3）模拟式超声波检测仪主要开关旋钮的作用及调整,30,3.数字式超声波检测仪,（1）数字式超声波检测仪的主要组成部分及作用 如图2-17所示，数字式超声波检测仪主要由电源、发射电路、接收电路、微处理器、A/D转换器、显示器等组成。,31,（2）仪器的
14、功能,数字式仪器可提供模拟式仪器具有的所有功能。数字式超声波检测仪可自动按存储的参数重新对仪器进行调整。检测波形的数字化使得仪器可进一步提供波形的记录与存储、波形参数的自动计算与显示（波高、距离等）、距离波幅曲线的自动生成、时基线比例的自动调整以及频谱分析等附加工功能。,32,（3）仪器主要部件名称,33,34,二、探头,1.探头的结构 （1）压电晶片 压电晶片的作用是发射和接收超声波，实现电声能量转换。晶片的性能决定着探头的性能，晶片的尺寸和谐振频率，决定发射声场的强度、距离波幅特性与指向性。 （2）阻尼块 阻尼块是由环氧树脂和钨粉等按一定比例配成的阻尼材料，将其粘附在晶片或楔块后面。阻尼块
15、可以增大晶片的振动阻尼，缩短晶片持续振动时间，使振动着的晶片尽快恢复到静止状态，有利于晶片对反射波信号的接收。阻尼块除了可以起到增大阻尼的作用外，还可以吸收晶片向其背面发射的超声波，同时对晶片也起到支承作用。,35,（3）保护膜 保护膜的作用是保护压电晶片不被磨损或损坏。 （4）斜楔 斜楔是斜探头中为了使超声波以一定的角度倾斜入射到检测面而装在晶片前面的楔块。 （5）电缆线 探头与检测仪间的连接需采用高频同轴电缆，这种电缆可消除外来电波对探头的激励脉冲及回波脉冲的影响，并防止这种高频脉冲以电波形式向外辐射。 （6）外壳 外壳的作用在于将各部分组合在一起，并对进行保护。,36,2.探头的主要种类
16、,（1）直探头 声束垂直于被探工件表面入射的探头称为直探头，可发用于发射和接收纵波。直探头结构如图2-19所示。,37,（2）斜探头,1）横波斜探头。横波斜探头是入射角在第一临界角与第二临界角之间，折射波为纯横波的探头。横波斜探头适宜于检测与检测面成一定角度的缺陷，主要用于焊接接头、管材、锻件的检测。 2）纵波斜探头。纵波斜探头的入射角小于第一临界角，主要利用小角度的纵波进行缺陷检测，在工件中由于波型转换，在工件中同时会产生横波，使用时需注意横波对检测结果的干扰。 3）瑞利波（表面波）探头。表面波探头用于发射和接收表面波，探头的入射角略大于第二临界角，以获得较大强度的表面波。主要用于表面或近表面缺陷的检测。 4）兰姆波探头。兰姆波探头的角度需根据板厚、频率和所选定的兰姆波模式来确定，主要用于薄板中缺陷的检测。,38,39,（3）聚焦探头,根据焦点形状不同分为点聚焦和线聚焦两种，根据耦合方式不同分为水浸聚焦与接触聚焦两种。当声透镜为球面时，所形成的焦点的理想形状是一点，称为点聚焦。当声透镜为柱面时，所形成的焦点为一条线
