《超声波探伤幻灯片课件第二章-超声波探伤物理基础.》由会员分享,可在线阅读,更多相关《超声波探伤幻灯片课件第二章-超声波探伤物理基础.(137页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章 超声波探伤的物理基础 黄新超 河南省锅炉压力容器安全检测研究院 2010年4月 第一章 超声波检测的物理基础 超声波是一种机械波,是机械振动在介质中 的传播。 该章主要涉及几何声学和物理声学的基本定 律和概念。 几何声学:反射定律、折射定律、波形转换 。 物理声学:波的叠加、干涉、衍射等 1 振动与波动 11振动 物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的 运动,称为机械振动. 振动产生的必要条件: 一是,物体一旦离开平衡位置,就会受到回复力的作用;二是 阻力足够小。 全振动:物体受到一定力的作用,离开平衡位置,产生一个位 移;该力消失后,在回复力的作用下,将向平衡位置移动,到
2、 达平衡位置时,它并没有停止,而是越过平衡位置运动到相反 方向的最大位移;然后,再向平衡位置移动。 振动的表示:可用周期和频率表示振动的快慢 ;用振幅表示振动的强弱。 周期T 振动物体完成一次全振动所需要的时 间,称为振动周期.单位:秒(S) 频率f 振动特物体在单位时间内完成全振动的 次数,称为振动频率.单位:赫兹(Hz) 振幅A 振动物体离开平衡位置的最大距离。 简谐振动 最简单最基本的直线振动称为谐振.其 特点是物体受到的回复力大小与位移成正 比,其方向总是指向平衡位置. 图1.1 质点谐振动参考图 质点谐振动等效图 简谐振动方程 质点的水平位移和时间t的关系式: y=Acos(t+)
3、其中:A:振幅,最大水平位移 :圆频 率, =2f=2 / T :初相位,即t=0时质 点的相位 t+:质点在t时刻的相位 简谐 振动方程描述了谐振动物体在任 意时刻的位移情况。 阻尼振动 在机械系统振动时,由于受到摩擦力或其他 阻力的作用,系统的能量会不断损耗,质量 振动的振幅逐渐减小,以至于振动停止。所 以,阻尼振动是一个比较普遍情况,也称为 衰减振动。(不符合机械能守恒) 受迫振动 由于振动系统内部的阻尼作用,能量逐渐消 耗,因初始激发引起的自由振动,将因为能 量逐渐损耗,振动逐渐减弱,以至运动停止 。要维持振动必须由另一系统不断给以激发 ,即不断地补充能量,这种由外加作用维持 的振动,
4、称为强迫振动。 (不符合机械能守恒 ) y=Acos(Pt+) 其中:A:振幅,最大水平位移 P:策动力的圆频 率T :初相位 12波动 振动的传播过程,成为波动。 波动分为机械波和电磁波两大类。 机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。 如水波、声波、超声波等。 电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。如无 线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、 射线等。 超声波是机械波,因此下面只讨论机械波。 物质的弹性模型 弹性介质:这种质点间以弹性力联系在一 起的介质称为弹性介质。一般固体、液体 、气体都可视为弹性介质。 机械波的产生:弹性介质中的一个质点的 振动就会引起邻近质点的振动,邻近质点 的振动
5、又会引起较远质点的振动,于是振 动就以一定的速度由近及远地向各个方向 传播开来,从而就形成了机械波。 机械波:是机械振动在弹性介质中的传播过程. 机械波必须具备以下两个条件: 1)要有作机械振动的波源; 2)能传播机械振动的弹性介质。 振动与波动是互相关联的,振动是产生波动的根 源,波动是振动状态的传播。波动中介质各质点 并不随波前进,只是以交变的振动速度在各自的 平衡位置附近往复运动。 波动是振动状态的传播过程,也是振动能量的传 播过程。这种能量的传播,不是靠质点的迁移来 实现的,而是由各质点的位移连续变化来逐渐传 播出去的 。 机械波的主要物理量 波长 : 单位:mm、m 同一波线上相邻两
6、振动相位相同的质点间的 距离.或者说:沿着波的传播方向,两个相邻的 同相位质点间的距离。 频率 :f 单位:赫兹(Hz) 波动过程中,任一给定点在1秒钟内所通过的 完整波的个数. 波速 :C 单位:m/s km/s 波动中,波在单位时间内所传播的距离称为波 速. C= f 或=C/f 波长与波速成正比,与频率成反比。 当频率一定时,波速愈大,波长就愈长; 当波速一定时,频率愈低,波长就愈长。 2 波的类型 1、根据质点的振动方向分类 根据波动传播时介质质点的振动方向相对于 波的传播方向的不同,可将波动分为纵波、横波 、表面波和板波等. 纵波:介质中质点的振动方向和波的传播方向 平行。用 L 表
7、示,又称压缩波或疏密波。 当介质质点受到交变正应力作用时,质点之 间产生相应的伸缩形变,从而形成纵波。这时 介质质点疏密相间,故纵波又称为压缩波或疏 密波。 凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播 纵波。所以,纵波可以在固体、液体和气体 中传播。 横波:介质中质点的振动方向和波的传播方向垂 直。用S 表示 当介质质点受到交变的剪切应力作用时,产 生切变变形,从而形成横波。只有固体能够承 受剪切应力,液体和气体不能承受剪切应力, 因此,横波只能在固体介质中传播,不能在液 体和气体中传播。 表面波:当介质表面受到交变应力作用时,产生沿介 质表面传播的波。用R表示,表面波是瑞利在1887年 首次提出的
8、,因此,表面波又称瑞利波。 表面波在介质表面传播时,质点作椭 圆运动,椭圆长轴垂直于波的传播方向, 短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可以 视为纵向振动与横向振动的合成,即纵波 和横波的合成。所以,表面波和横波一样 ,只能在固体介质中传播,不能在液体和 气体中传播。 表面波只能在固体表面传播。表面波 的能量随传播深度的增加而迅速减弱。一 般认为,表面波检测只能发现距工件表面 两倍波长深度范围内的缺陷。 各 种 类 型 波 的 比 较 波的类型 质点振动特点传播介质应用 纵波质点振动方向平行于波传播方向固、液、气体介质 钢板、锻件检测 等 横波质点振动方向垂直于波传播方向固体介质 焊缝、钢管检测
9、等 表面波 质点作椭圆运动,椭圆长轴 垂直 波 传播方向,短轴平行于拨传播方 向 固体介质钢管检测等 2、按波的形状分类 波的形状(波形)是指波阵面的形状。 波阵面:同一时刻,介质中振动相位相同的所 有质点所联成的面称为波阵面。 波 前:某一时刻,波动所到达的空间各点联成 的面积称为波前。 波 线:波的传播方向称为为波线。 由以上定义可知,波前是最前面的波阵面。 任意时刻,波前只有一个,而波阵面却有很多 。在各向同性的介质中,波线恒垂直于波阵面 或波前。 据波阵面形状不同,可以把不同波源发出的 波分为平面波、柱面波和球面波。 (1)平面波 波阵面为互相平行的平面的波称为平面波。 平面波的波源为
10、一个平面。 尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的 均匀介质中辐射的波可视为平面波。 平面波波束不扩散,平面波各质点振幅是一个 常数,不随距离而变化。 (2)柱面波 波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。柱面波的波 源为一条线 。 长度远大于波长的线状波源在各向同性的介质中辐 射的波可视为柱面波。柱面波波束向四周扩散,柱 面波各质点的振幅与距离平方根成反比。 (3)球面波 波阵面为同心圆的波称为球面波。球面波的波源 为一点 。 尺寸远小于波长的点波源在各向同性的介质中辐 射的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩 散,球面波各质点的振幅与距离成反比。 实际应用的超声波探头中的波源近似活塞振动,
11、在各向同性的介质中辐射的波称为活塞波。当距 离源的距离足够大时,活塞波类似于球面波。 3、按振动的持续时间分类 根据波源振动的持续时间长短,将波动分为连 续波和脉冲波。 (1) 连续波 波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波。 超声波穿透法检测常采用连续波。 (2) 脉冲波 波源振动持续时间很短(通常是微秒数量级) ,间歇辐射的波称为脉冲波。 目前超声波检测中广泛采用的就是脉冲波。 3 超声波的传播速度 超声波在介质中的传播速度是表征介质声学特性 的重要参数。 超声波、次声波和声波都是机械波,在同一介质 中的传播速度是相同的。 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。 超声波的传
12、播速度与下列因素有关: 1)介质:弹性模量、密度、弹性变形形式、尺寸大 小、均匀性等 2)超声波的波型:如纵波、横波与表面波等 3)温度: 一般固体中的声速随介质温度升高而降低 。 3-1 无限大固体介质中的声速 纵波声速: 横波声速: 表面波声速: E:介质的杨氏弹性模量; :介质的伯松比; :介质密度 G:介质的切变弹性模量 由以上三式可知: 1)固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量等 有关,不同的介质声速不同; 介质的弹性模量愈大,密度愈小,则声速愈大。 2)声速与波的类型有关,在同一种固体介质中, 纵波、横波和表面波的声速各不相同,并存在 如下关系:CLCSCR 对于钢材: CL:C
13、S:CR=1.8 : 1 : 0.9 3-2 细长棒中的纵波声速 CLb 细长棒中(棒径d)纵波的声速与无限 大介质中的纵波声速不同. 3-3 液体、气体介质中声速 B :液体、气体介质的容变弹性模量,表示产生单 位容积相对变化量所需的压强; :液体、气体介质的密度 几乎除水以外的所有液体当温度升高时,容变弹 性模量减小,声速降低。 水是温度在74摄氏度左右时声速达最大值。 3-4 声速测量 探伤仪测量法 测厚仪测量法 示波器测量法 4 波的叠加、干涉、衍射和惠更斯原理 4-1 波的叠加原理 几列波相遇后仍保持自已原有的频率、波长、振动 方向等特性并按原来的传播方向继续前进,好象在 各自的途中
14、没有遇到其他波一样,这就是波的叠加 原理。又称波的独立性原理。 波的迭加现象可以从许多事实观察到,如两石子落 水,可以看到两个以石子入水处为中心的圆形水波 的迭加情况和相遇后两波仍按原来的方向进行传播 的情况。 4-2 波的干涉 两列频率相同,振动方向相同,位相相同或位相 差恒一的波相遇时,介质中某些地方的振动互相 加强,而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消 的现象叫做波的干涉现象。 驻波 两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向 传播时互相叠加而成的波,称为驻波 4-3惠更斯原理 波动是振动状态的传播,如果介质是连续的, 那么介质,中任何质点的振动都将引起邻近质 点的振动,邻近质点的振动又
15、会引起较远质点 的振动,因此波动中任何质点都可以看作是新 的波源。据此惠更斯于1690年提出了著名的惠 更斯原理:介质中波动传播到的各点都可以看 作是发射子波的波源,在其后任意时刻这些子 波的包迹就决定新的波阵面。 利用惠更斯原理可以确定波前的几何形状和波 的传播方向。 惠更斯原理图 4-4 波的衍射 波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时, 能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象, 称为波的衍射或波的绕射。 波的衍射现象是衍射时差法超声检测(TOFD )的物理基础。 波的衍射 波的衍射和障碍物的尺寸Df及波长的相对大小有关 .当Df 时,反射强,绕射弱,几乎全反射;当Df 0,反射声压Pr 和入 射声压 P0同相位,界面上入射波和反射波叠加 形成驻波,合成声压最大Pr P0 水/钢界面:r =0.935 R=0.875 t =1.935 T=0.125 平面波垂直到水/钢界面 (Z2Z1) (2)当Z1 Z2 如钢/水 r = (Z2-Z1) / (Z1+Z2)Z2 如钢/空气 钢/空气界面:r -1 t 0 t r =1 R 1 T 0 R+T=1 表明:当入射波声阻抗远大于透射波介质声阻抗时, 声压反射率趋于1,透射率趋于0,声压几乎全反射, 无透射。 探伤中,探头与工件间如不施加耦合剂,则形成固/ 气界面,超声波无法进入工件。 (4)当Z1Z2