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1、1 第二章 超声波检测技术 1 2 超声波检测技术 2.1 超声波的物理本质 2.2 超声波的分类 2.3 超声场的特征 2.4 超声场在介质中的传播特性 2.5 规则反射体的回波声压 2.6 超声检测仪、探头及试块 2.7 超声波检测方法和通用检测技术 2.8 超声检测技术的应用 2 3 2.4 超声波在介质中的传播 二、超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射 3 4 2.4 超声波在介质中的传播 Z1 Z2 L L 纵波入射 Z1 Z2 S 横波入射 4 5 2.4 超声波在介质中的传播 1、反射 与光的反射不同的是，当介质1为固体时，界面上既产生反射纵波 ，同时又发生波型转换并产生反射横波
2、，即反射后同时产生纵波与横波 两种波型。这时，横波反射角 与纵波入射角之间的关系与光学中的 斯涅耳定律相同，为 5 6 2.4 超声波在介质中的传播 若入射声波为横波，也会产 生同样的现象，这时横波入射 角S与横波反射角 相等。介 质1为固体时纵波反射角与横波 入射角之间的关系为 6 7 2.4 超声波在介质中的传播 2、 折射 折射角与入射角之间的关系符合斯涅耳定律。 折射角相对于入射角的大小和折射波声速与入射波声速的比率有 关。同时，由于纵波声速总是大于横波声速，因此纵波折射角L要大 于横波折射角S。 7 8 2.4 超声波在介质中的传播 3、 临界角 (1) 第一临界角 折射横波 以第一
3、临界角入射时 折射横波 折射纵波 折射纵波 8 9 2.4 超声波在介质中的传播 (2) 第二临界角 折射横波折射纵波 以第二临界角入射时 折射横波 折射纵波 9 10 2.4 超声波在介质中的传播 (3) 第三临界角 第三临界角 = arc sin (cs1/cL1) 入射横波反射横波 反射纵波 折射纵波 折射横波 入射横波 反射横波 反射纵波 折射纵波 折射横波 10 11 2.4 超声波在介质中的传播 4、 斜入射时的声压反射率和透射率 在斜入射情况下，各种类型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，还与入射波 的类型及入射角的大小有关。由于理论计算公式复杂，
4、因 此借助于公式或实验得到几种常见界面的声压反射率和透 射率图，见下图。 11 12 2.4 超声波在介质中的传播 12 13 2.4 超声波在介质中的传播 5、声压往复透射率 超声波倾斜入射时，声压往复透射率等于两次相反方向通过同一 界面的声压透射率的乘积，即 13 14 2.4 超声波在介质中的传播 6、端角反射 P0 Pa 横波斜探头 14 15 2.4 超声波在介质中的传播 三、超声波入射到曲界面上的反射和透射 1、平面波入射到曲界面上的反射 焦距 F 与曲面曲率半径r的关系为 （a）凹面镜（b）凸面镜 15 16 2.4 超声波在介质中的传播 超声波入射时，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面
5、的反射波发散。 16 17 2.4 超声波在介质中的传播 2、平面波在曲面上的透射 平面波入射到曲面上时，其透射波也将发生聚焦或发散。透 射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面两侧介质 的声速有关。 透射后的焦距f为 17 18 2.4 超声波在介质中的传播 由斯涅耳定律，对于凹面，c1c2时发散 ；对于凸面， c1c2时聚焦，c1c2的凸曲面 上时透射波将产生聚焦的原理设计制作的。 20 21 2.5 规则反射体的回波声压 采用当量法确定的缺陷大小称为缺陷的当量尺寸。 前提： 1.超声波在工件中的衰减为零。 2.超声波在规则反射体上的反射损失为零。 3.工件的尺寸足够大，超声波的传
6、播不会受到工件 侧面的影响。 4.以规则反射体上的回波传至探头时的声压作为其 回波声压。 21 22 2.5 规则反射体的回波声压 一、平底孔的回波声压 当 当检测条件（ FS ， ）一定时，平 底孔缺陷的回波声压或波高与平底孔 面积成正比，与距离平方成反比。 22 23 2.5 规则反射体的回波声压 二、长横孔的回波声压 当距离x3N时： 三、短横孔的回波声压 当距离x3N时： 23 24 2.5 规则反射体的回波声压 四、球孔的回波声压 当距离x3N时： 距离相同而直径增加一倍时，球孔 的回波高升高6分贝；直径相同而 距离增加一倍时，球孔的回波高降 低12分贝。 24 25 2.5 规则反
7、射体的回波声压 五、大平底的回波声压 当距离x3N时： 可知，当探测条件（ FS ， ）一定时，大平底面回波 声压与距离成反比，当声压增加一倍，其回波高降低6分贝 。 25 26 2.5 规则反射体的回波声压 上述规则反射体的回波声压公式，均未考虑介质对超声 波的衰减。否则，各公式的最后应乘以衰减因子 六、圆柱形曲底面的回波声压 1实心圆柱体 2.空心圆柱体 26 27 2.6 超声波的检测仪、探头及试块 超声检测设备和器材包括超声波检测仪、探头、试块、 耦合 剂和机械扫查装置等。 T F B 被检工件 超声波探伤仪 探头 27 28 2.6.1 超声波检测仪 超声波检测仪的作用：它的作用是产
8、生电振荡 并加于换能器探头，激励探头发射超声波，同时 将探头送回的电信号进行放大处理后以一定方式显 示出来，从而得到被探测工件内部有无缺陷及缺陷 的位置和大小等信息。 28 29 2.6.1 超声波检测仪 一、超声探伤仪的分类 、按波形特征分类 （1）脉冲波超声波探伤仪 是目前使用最广泛的探伤仪 29 30 2.6.1 超声波检测仪 （2）连续波超声波探伤仪 这类仪器灵敏度低，且不能确定缺陷位置，因而已大多被脉冲波探伤 仪所代替。 （3）调频波超声波探伤仪 只适合检查与探测面平行的缺陷，所以也大多被脉冲波探伤仪所代替 。 30 31 2.6.1 超声波检测仪 2、按缺陷显示方式进行分类 ： （
9、1）A型显示： 可以认为该方式显示的是沿探头 发射声束方向上一条线上的不同 点的回波信息。 图为A型显示原理图，T表示发射 脉冲，F表示来自缺陷的回波，B 表示底面回波。 A型显示的缺点 ：难以判断缺陷的几何形状，缺 乏直观性。 A型显示原理图 31 32 示例示例 直探头缺陷显示 a.无缺陷 b.小缺陷 c. 大缺陷 T B TT B F F 32 33 2.6.1 超声波检测仪 （2）B型显示： B型显示显示的是试件纵断面的一个二维截面图 ，屏幕纵坐标代表探头在探测面上沿一直线移动扫查的位置坐标 ，横坐标是声传播的时间（或距离）。 B型显示原理图 33 34 2.6.1 超声波检测仪 （3
10、）C型显示： C型显示显示的是试件横断面的一个平面投影图 ，探头在试件表面做二维扫查，屏幕的二维坐标对应探头的扫查 位置。探头在每一位置接收的信号幅度以光点辉度表示。 C型显示原理图 34 35 2.6.1 超声波检测仪 3、按声波通道分类： （1）单通道探伤仪： （2）多通道探伤仪： 35 36 2.6.1 超声波检测仪 4、按是否数字化分类：可分为数字式超声波检测仪和模拟式超 声波检测仪 36 37 2.6.1 超声波检测仪 二、A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理 1、仪器主要电路组成: A型脉冲反射式超声波探伤仪电路方框图 37 38 仪器的工作流程 A型脉冲反射式模拟超声波探伤仪
11、的工作过程可参照上图 ，简要说明如下： A型脉冲反射式超声波探伤仪电路方框图 38 39 2.6.1 超声波检测仪 三、探伤仪主要开关旋钮作用及调整 主要技术指标： 扫描范围 脉冲移位 探头零点、分辨率 垂直线性误差 水平线性误差 灵敏度余量 动态范围 39 40 CTS-22CTS-22型超声波探伤仪型超声波探伤仪 面板图面板图 细调衰 减器 增益 脉冲移位 深度微调深度粗调 电源电 压指示 电源开关 发射插座接收插座 工作方式选择 发射强度 粗调衰 减器 抑制 定位 游标 示波管 遮光罩 聚焦 40 41 2.6.1 超声波检测仪 1 1、工作方式选择开关、工作方式选择开关 、“ “双探双
12、探” ”： 双探头一发一收工作，可用一个双晶探头或两个单探头工双探头一发一收工作，可用一个双晶探头或两个单探头工 作。发射和接收探头分别连接到发射和接收插座上。作。发射和接收探头分别连接到发射和接收插座上。 、“ “单探单探” ”（a a 或或 b b）：）： a. a. ：中等发射强度，发射强度不可变。：中等发射强度，发射强度不可变。 b. b. ：可用：可用“ “发射强度发射强度” ”旋钮调节发射强度。仪器灵敏度旋钮调节发射强度。仪器灵敏度 和分辨力同时改变。和分辨力同时改变。 2 2、发射强度旋钮、发射强度旋钮 发射强度旋钮作用是改变仪器发射脉冲功率，从而提高仪发射强度旋钮作用是改变仪器
13、发射脉冲功率，从而提高仪 器灵敏度，从而改变仪器的发射强度。器灵敏度，从而改变仪器的发射强度。 41 42 2.6.1 超声波检测仪 3 3、衰减器、衰减器 衰减器的作用是调节仪器灵敏度和测量回波幅度（改衰减器的作用是调节仪器灵敏度和测量回波幅度（改 变放大电路的放大倍数）。变放大电路的放大倍数）。 调节灵敏度时读数大，灵敏度低；调节灵敏度时读数大，灵敏度低； 测量回波幅度时，读数大，波幅高。测量回波幅度时，读数大，波幅高。 4 4、增益旋钮、增益旋钮 增益旋钮（增益细调旋钮）作用是改变接收放大器的增益旋钮（增益细调旋钮）作用是改变接收放大器的 放大倍数，进而连续改变探伤仪的灵敏度。放大倍数，
14、进而连续改变探伤仪的灵敏度。 42 43 2.6.1 超声波检测仪 5 5、抑制旋钮：、抑制旋钮： 作用是抑制荧光屏上幅度较低或认为不需要显示的杂作用是抑制荧光屏上幅度较低或认为不需要显示的杂 乱反射波，使之不显示。乱反射波，使之不显示。 6 6、深度范围旋钮（深度粗调旋钮）、深度范围旋钮（深度粗调旋钮） 用来粗调荧光屏扫描线代表的探测范围。用来粗调荧光屏扫描线代表的探测范围。 7 7、深度细调旋钮、深度细调旋钮 用来精确调节探测范围。用来精确调节探测范围。 43 44 2.6.1 超声波检测仪 8 8、脉冲移位旋钮、脉冲移位旋钮 调节开始发射脉冲时刻与开始扫描时刻的时间差。调节开始发射脉冲时
15、刻与开始扫描时刻的时间差。 使扫描线上的回波沿扫描线水平移动，但间距不变。用使扫描线上的回波沿扫描线水平移动，但间距不变。用 来进行零位校正。水浸探伤中，用来把水中部分调节到来进行零位校正。水浸探伤中，用来把水中部分调节到 荧光屏外不予显示。荧光屏外不予显示。 9 9、聚焦旋钮、聚焦旋钮 调节电子束聚集程度，使示波屏上波形显示清晰。调节电子束聚集程度，使示波屏上波形显示清晰。 44 45 2.6.1 超声波检测仪 其它仪器还有：其它仪器还有： 1010、频率旋钮（窄带探伤仪）、频率旋钮（窄带探伤仪） 调节放大器带宽，选择探伤频率。调节放大器带宽，选择探伤频率。 1111、水平旋钮、水平旋钮 使扫描线连同其上回波一起左右移动。用来校准零使扫描线连同其上回波一起左右移动。用来校准零 位。位。 1212、重复频率旋钮、重复频率旋钮 改变发射电路每秒发射脉冲的次数。工
