超声波探伤理论知识解读

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1、超声波检测理论培训超声波检测理论培训 理论学习内容理论学习内容 超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最 为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又 造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界 面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面 的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。 目前便携式的脉冲反射式超声波探伤仪大部分是A扫描方式的，所谓A扫描显示方 式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超 声波反射波的幅值

2、。譬如，在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造 成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同 ，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射，反射回来的能量又被探头接受 到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这 个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不 同，反映了缺陷的性质。 第一章超声波检测的物理基础第一章超声波检测的物理基础 我们采用超声波进行探伤，首先要弄明白超声波的物理概念，这是 我们学习超声波探伤学习的第一步。下面我们了解几个概念。 机械振动机械波声波超声波 一、机械振动和机

3、械波 1、机械振动： 物理学术语中机械振动的概念：一般来说，物体或质点在某一平衡位置附 近作往复运动，叫做机械振动，简称振动。 在摩擦力可忽略的情况下，上述振动都是余弦函数（或正弦函数）性质 的，我们称之为谐振动。谐振动时，只有弹力或重力做功，其它力不做 功，符合机械能守恒定律。 谐振动是一种周期性振动，其振动量每隔一固定的时间T就完全重复一 次，时间T称为周期运动的周期，每秒种所完成的周期数即称为频率。 2、机械波：振动的传播过程，称为波动。波动分为机械波和电磁波两 大类。在物理学上可以把物体看作是质点的堆积，振动的质点可引起周 围质点的振动，并逐步向前传播，我们把机械振动在介质中的传播过程

4、 称为机械波； 机械振动在上述弹性体中的传播就称为弹性波（即声波）。它是一种重 要的机械波。 声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点作波源，其次要有传 播振动的弹性介质。 当振动传播时，振动的质点并不随波而移走，只是在自己的平衡位置附 近振动而已，向前传播的只是超声波的能量。 电磁波是交变电磁场以光速在空间传播，完全不同于机械波，如无线电 波、红外线、X射线等。 声波以人的可感觉频率为分界线分为： 超声波，频率大于2万Hz的声波； 次声波，频率小于20Hz的声波； 可闻声波，介于二者之间，三大类。 为什么探伤采用超声波，而不采用次声波或可闻声波？或者说超声波探 伤主要利用了超声波的哪些特

5、性？ 利用了超声波频率高，指向性好；反射性能，遇到障碍物能产生反射、 折射，具有波型转换性能；传播能量大，声能损失小，穿透能力强。 超声波的分类： 1、按声波的连续性分为：连续波（简谐波）和脉冲波（冲击波）； 2、按波动型式（波型）分为：纵波、横波、表面波（瑞利波）、板波 （蓝姆波）； 3、按波传播的形状、波振面的形状（波形）分为：平面波、球面波、 柱面波、活塞波。 下面分别讲述： （1）介质各质点振动持续时间为无穷时所形成的波动为连续波。其中 最重要的特例是各质点都作同频率的谐振动，这种情况下的连续波称为 简谐波（也称为正弦波、余弦波）。 振动持续时间有限（单个或间发） 时所形成的波动称为脉

6、冲波。 根据数学知识，任何周期振动可以分解为许多谐振动之和，对于非周期 性的振动也可以分解为无限多个频率连续变化的谐振动之和。这种把复 杂振动分解为谐振动的方法，称为频谱分析。 实际探伤用的超声波是多个频率超声波的迭加，并非单一的超声波，标 称频率其实是它的中心频率，也就是按能量划分，多个频率中占比最多 的哪个单一超声波的频率。 理论上是将实际探伤的超声波作为单一频率的超声波来研究，也就是理 想状态。所以超声波理论计算与我们实际超声波探伤结果是不一致的。 谐振动、简谐波的表达式： y=Acos（t+） 式中y表示在任意瞬间t时振动的幅度；A是振幅，是y的最大值；（t+ ）是相位角，其中为角频率

7、（角速度），为初始位相角（t=0时的相 位角）。 （2）由于声源在介质中振动方向与波在介质中传播方向可以相同也可 以不同，这就可产生不同类型的声波。 波的传播方向与质点的运动方向一致，这种波称为纵波。纵波在介质中 传播时会产生质点的稠密部分和稀疏部分，故又称为疏密波。 质点的振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波。横波在介质中 传播时介质会相应地产生交变的剪切形变，故又称为剪切波或切变波。 质点作上下振动时产生的横波称为垂直偏振横波（SV波），质点作前后 振动时产生的横波称为水平偏振横波（SH波），如不作特殊说明，一般 横波均指垂直偏振横波（SV波）。 在半无限大固体介质与气体介质的交界面

8、上，质点在平面内作椭圆振动 ，长轴垂直于波的传播方向， 短轴平行于波的传播方向，这种波动称为表面波（瑞利波）。它仅在固 体表面传播，在固体内部深度一般不超过一个波长。利用其特性，可发 现固体表面的缺陷。 如果固体物质的尺寸进一步受到限制而成为板状，当板厚小到某一程度 时，瑞利波就不会存在而只能产生各种类型的板波，蓝姆波是最主要的 一种板波。板厚一定时，传播速度随频率而变，这种现象称为频散。 因为液体和气体中缺乏恢复横向运动的弹性力，所以液体和气体中只能 传播纵波，而固体中可传播任意波型，并且各种波型可同时存在。 学过超声波探伤的人都知道同样波型的超声波在一种介质中的声速一定 ，则频率越大，探伤

9、灵敏度越高；同频率的不同波型超声波，在同一种 介质中声速越小，则探伤灵敏度越高。 即波长越短，越能发现小缺陷，探伤灵敏度就越高。 （3）声波在无限大且各向同性的介质中传播时（为研究方便，我们假 设的理想状态），其形状（亦称为波形）是根据波阵面的形状来区分的 。 波阵面是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所联成的面； 波前是指某一时刻振动所传到的距离声源最远的各点所联成的面。 波线是表示波传播方向的线。 在各向同性介质中波线恒垂直于波阵面； 在任意时刻波前的位置总是确定的，且只能有一个，而波阵面的数目可 以是任意多。 波阵面为平面的波称为平面波。 如不考虑介质吸收波的能量，则声压不随传播距离

10、而变化，即声压为恒 量。 波源为作谐振动的无限大平面，在各向同性的弹性介质中传播。理想的 平面波是不存在的。当声源尺寸远大于波长时，可近似看作平面波。 声源为点状球体时，波阵面是以声源为中心的球面，称为球面波。 声压与传播距离成反比，声强与距声源距离的平方成反比。声压与传播 距离的平方根成反比，声强与距声源的距离成反比。 圆盘形声源发出的波介于球面波与平面波之间，称为活塞波。 这是我们实际探伤中所应用的波，相对超声波波长而言，圆盘形声源尺 寸既不能看成很大，也不能看成很小。 声源为无限长的线状直柱，波阵面是同轴圆柱面的波称为柱面波。 三、超声波的传播特性： 波长：两个振动位相相同点之间的最小距

11、离。 周期：振动量完全重复一次所需要的最小时间间隔。 频率：每秒钟所完成的周期数。 声速：单位时间内波所传过的距离称为这种频率的波在该介质中的传播 速度，简称声速。 声速为波长除以周期的商或波长与频率的积，即C=/T=f。 1、声速影响超声波探伤对缺陷的定位。声速与介质材料的弹性和密度 有关，与超声波波型有关（固体中ClCsCr）。 C=（E/P）0.5 K （P为密度，E为弹性模量，K为材料泊松比有关的常 数，它由波形决定。） 我们要注意以下4点。 （一）超声波的传播速度与介质中质点的振动速度是两个不同的概念， 要注意区分。 （二）一般说纵波声速大的材料，横波声速也大，但是铝纵波声速大于 钢

12、，而横波声速略小于钢，是个特例，计算或回答问题时要特别注意。 （三）固体介质中的声速与介质温度、应力、均匀性有关。一般固体介 质的声速随介质温度的升高而降低；一般应力增加，声速也增加，但增 加缓慢；晶粒细声速大，晶粒粗大声速小。 （四）除水以外的所有液体和气体介质，当温度升高时，超声波的传播 速度降低。水温度低于74时，声速随水温度升高而增加，74时声速 达到最大值，当水温度大于74时，声速随温度升高而降低。 2、超声波场的特征量： 超声波场定义：介质中有超声波存在的区域称为超声场。 描述超声波的重要物理量：声压、声强和声特性阻抗。 声压：在有声波传播的介质中，某一点在某一瞬间所具有的压强与没

13、有声 波存在时该点的静压强之差。声压是个随时间改变的变量，P（t） =Pcos（t+）在实用上，比较二个超声波并不需要对每个时间的 声压都进行比较，只需用其幅值比较即可. 由无衰减的平面余弦行波可推倒出P=cu（为介质密度，c为介质中 超声波的传播声速，u为介质中质点振动速度）。 通常就把声压的幅值简称为声压。 声压的幅值与介质的密度、声速和频率成正比。 声强：在垂直于声波传播方向上，单位面积上在单位时间内所通过的声能 量，或称为声的能流密度。 符号为I， I=P2/2c。 即声强与声压幅值的平方成正比。 声强与超声波的频率平方成正比，因此频率高声能量就大。 声特性阻抗：将介质的密度与声速的积

14、称为介质的声特性阻抗，以符号z 表示。z=c， 声特性阻抗能直接表示介质的声学性质，表示超声场中介质对质点振动的 阻碍作用。 一般材料的声特性阻抗随温度的升高而降低。 声压、声强的分贝表示法： 由于人耳对声音响度的感觉近似地与声强的对数成正比，于是采用对数来 表示这一关系，即贝耳数为两个声波声强之比的常用对数值，也就是 说一个声波比另一个声波高（低）多少贝耳。 贝耳数=lgI1/I2（贝耳） 实际应用时，由于贝耳单位太大，取其十分之一称为分贝，用符号dB表 示。 分贝数=10 lgI1/I2（dB）=20 lgP1/P2（dB） 通常生活中所说的噪声分贝数，是把其声强与标准基准声强（10-16

15、 瓦每平方厘米）带于上式计算得出的， 3、超声波的波动特性： 波的叠加：几列波同时在一种介质中传播时，相遇处质点的振动是各列波 所引起的振动的合成，合成声场的声压等于每列声波声压的矢量和， 这就是声波的叠加原理。 相遇后各列声波仍保持各自原有的特性不变继续前进。 干涉：频率相同、波型相同，相位相同或相位差恒定的两列波叠加，在某 些位置振动始终加强，某些位置振动始终减弱或完全抵消，这种现象 称为干涉。 驻波：两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向彼此相向传播时叠 加而成的波。它是干涉现象的特例。 惠更斯原理：波动起源于波源的振动，波的传播须借助于介质中质点之间 的相互作用。对于连续介质来说，

16、任何一点的振动将引起相邻质点的 振动。所以，波前在介质中达到的每一点都可以看作是新的波源（即 子波源)向前发出球面子波，这就是惠更斯原理。 超声波在传播过程中如果遇到一个障碍物（声阻抗与周围介质不同的物质 ），就可能产生若干现象，这些现象与障碍物的大小有关。 如果障碍物的尺寸比超声波的波长小得多，则它对超声波的传播几乎没有 影响； 如果障碍物的尺寸小于超声波的波长，则波到达这障碍物后将使其成 为新的波源而向四周发射波，如果障碍物的尺寸与超声波的波长近似 ，则超声波将发生不规则的反射、折射和透射，这称为超声波的散射 ； 如果障碍物的尺寸比超声波的波长大得多，则有入射声波的反射和透 射。两者声特性阻抗差别大时，则只有反射无透射，此时在障碍物后 面将形成一个声影区，但声波是一种波动，可绕过障碍物的边缘不按 原