无损检测超声波二级培训教材ppt课件

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1、 1 UT第1章绪论超声检测通常是指工件内部宏观缺陷检测和材料厚度测量 1 1超声检测基础知识1 1 1次声波 声波和超声波它们都是在弹性介质中传播的机械波 同一波形在同一介质中的传播速度是相同的 它们的区别主要在于频率不同 人们日常所听到的各种声音 是由于各种声源的振动通过空气等弹性介质传播到耳膜 引起耳膜振动 牵动听觉神经 使人产生听觉 2 能引起人们听觉的机械波称为声波 其频率为20 20kHz之间 频率低于20Hz的机械波称为次声波 频率高于20kHz的机械波称为超声波 次声波和超声波 人耳是听不到的 用于宏观缺陷检测的超声波 其常用频率为0 5 25MHz 对于钢等金属材料的检测 常

2、用频率为0 5 10MHz 超声波的特点就是频率高 因而使超声波具有一些重要特性 使其能广泛用于无损检测 1 超声波方向性好 超声波频率高 波长短 扩散角小 可以定向发射 犹如手电筒发出的一束光 可在黑暗中找到所需物品一样在被检材料中发现缺陷 2 超声波能量高 超声波的检测频率远高于声波 其声强与频率的平方成正比 3 3 超声波能在异质界面产生反射 折射 衍射和波形转换 在超声检测中 特别是在脉冲反射法检测中 利用了超声波几何声学的一些特点 如在介质中直线传播 遇界面产生反射 折射等 4 超声波穿透能力强 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 在很多金属材料中其穿

3、透能力可达数米 4 1 1 2超声检测工作原理超声检测主要基于超声波在工件中的传播特性 如超声波在通过材料时能量会损失 在遇到声阻抗不同的两种介质的界面时会发生反射等 其主要的工作过程是 5 1 声源产生超声波 并通过一定的方式进入工件 2 超声波在工件中传播并与工件材料及其中的缺陷相互作用 使其传播方向或特征发生改变 3 改变后的超声波通过检测设备接收 并对其进行处理和分析 4 根据接收到的超声波信号特征 评估工件表面及其内部是否存在缺陷及缺陷的特征 通常用来发现缺陷并对其进行评估的基本信息是 6 1 是否存在来自缺陷的超声信号及其幅度 2 回波的传播时间 3 超声波通过材料后的能量衰减 7

4、 第2章超声波探伤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 机械振动与波动是超声波探伤的物理基础 超声波探伤中 主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概念 如几何声学中的反射 折射定律及波型转换 物理声学中波的叠加 干涉 衍射等 8 2 1机械振动与机械波2 1 1机械振动物体 或质点 在某一平衡位置附近作来回往复的运动 称为机械振动 振动是自然界最常见的一种运动形式 9 振动产生的必要条件是 物体一离开平衡位置就会受到回复力的作用 阻力要足够小 物体 或质点 受到一定力的作用 将离开平衡位置 产生一个位移 该力消失后 在回复力作用下 它将向平衡位置运动 并且还要越过平衡

5、位置移动到相反方向的最大位移位置 然后再向平衡位置运动 10 这样一个完整运动过程称为一个 循环 或叫一次 全振动 每经过一定时间后 振动体总是回复到原来的状态 或位置 的振动称为周期性振动 不具有上述周期性规律的振动称为非周期性振动 11 振动是往复的运动 振动的快慢常用振动周期和振动频率两个物理量来描述 振动的强弱用振幅来表征 周期 当物体作往复运动时完成一次全振动所需的时间 称为振动周期 用T表示 常用单位为秒 s 对于非周期性振动 往复运动已不再是周期性的 但周期这个物理量仍然可以反映这种运动的往复情况 频率 振动物体在单位时间内完成全振动的次数 称为振动频率 用f表示 常用单位是赫兹

6、 Hz 1Hz 1次 s 频率和周期互为倒数 T 12 振幅 振动物体离开平衡位置的最大距离 称为振动的振幅 用A标示 1 谐振动 物体 或质点 在受到跟位移大小成正比 而方向总指向平衡位置的回复力作用下的振动 就叫做谐振动 P8 14 弹簧振子的谐振动 弹簧一端固定 质量不计 另一端连接一小球 当小球处于O点时 所受外力为零 弹簧没有变形 小球不受力 该点就是平衡位置 将小球从平衡位置O向右拉到A点 然后释放 小球将左右振动 15 小球振动过程中 其重力与表面支持力始终平衡 假定小球的运动没有任何其他阻力 对振动起作用的只有弹簧作用在小球上的弹力 当小球受到外力作用被拉到O点右侧的A点时 它

7、对平衡位置的位移方向向右 而所受弹力的方向却向左 当小球运动到O点左侧时 位移方向向左 而弹力方向却向右 该弹力的方向总是跟小球对平衡位置的位移方向相反 指向平衡位置 这个弹力就是使小球振动的回复力 16 根据胡克定律 弹簧提供的回复力F的大小与小球相对平衡位置的位移X成正比 F KxK为弹簧的倔强系数 又称劲度系数或弹性系数 反映弹簧的软硬程度 它与弹簧的材料性质 截面积和原长度有关 单位是N m 负号表示回复力与位移方向相反 17 从运动学角度分析 弹簧振子的运动可以用振动图像直观地表示出来 表示振动质点的位移随时间变化的规律 运动学 kinematics 从几何的角度 指不涉及物体本身的

8、物理性质和加在物体上的力 描述和研究物体位置随时间的变化规律的力学分支 下图是以纵轴表示时间 横轴表示质点位移而形成的谐振动图像 18 19 20 谐振动与做匀速圆周运动的质点在X轴上投影的运动特点完全一致 以振幅A为半径作园 质点M沿圆周作匀速运动 质点M的水平位移X和时间t的关系可用下式描述 22 式中 A 振幅 表征振动质点离开平衡位置的最大位移 振动相位 表征振动质点在某一时刻t的位置和质点的运动方向 即 表征质点的运动状态 X 某一时刻的水平位移 23 人们将位移随时间的变化符合余弦 或正弦 规律的振动形式称为谐振动 谐振动的振幅 频率和周期保持不变 其频率为振动系统的固有频率 是最

9、简单 最基本的一种振动 任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成 作谐振动的物体在平衡位置时动能最大 势能为零 在位移最大处势能最大 动能为零 其总能量保持不变 24 2 阻尼振动 谐振动是理想条件下的振动 不考虑摩擦和其它阻力的影响 但任何实际物体的振动 总要受到阻力的作用 由于要克服阻力做功 则振动物体的能量不断减少 这种振幅或能量随时间不断减少的振动 称为阻尼振动 25 3 受迫振动 物体受到周期性变化的外力作用时 产生的振动 受迫振动刚开始时情况很复杂 经过一段时间后达到稳定状态 变为周期性的谐振动 其振动频率与策动力频率相同 振幅保持不变 受迫振动的振幅与策动力的频率有关 当策动力频率

10、与受迫振动物体固有频率相同时 受迫振动的振幅达最大值 这种现象称为共振 超声波探头中的压电晶片在发射超声波和接收超声波时 产生的是受迫振动和阻尼振动 26 在设计探头中的压电晶片时 若使高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率 就会产生共振 这时压电晶片的电声能量转换效率最高 27 2 1 2机械波1 机械波的产生与传播振动的传播过程称为波动 分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 电磁波是交变电磁场在空间的传播过程 28 在介质内部 各质点间以弹性力连接在一起 称为弹性介质 在弹性力的作用下 弹性介质中一个质点的振动就会引起临近质点的振动 邻近质点的振动又会引起较远质点

11、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 产生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 要有能传播机械振动的弹性介质 29 一般固体 液体 气体都可视为弹性介质 液体和气体不能用上述弹性力的模型来描述 其弹性波是在受到压力时体积的收缩和膨胀产生的 30 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 而是按照与波源相同的振动频率在各自的平衡位置上振动 并将能量传递给周围的质点 这种能量的传播 不是靠物质的迁移来实现的 也不是靠相邻质点的弹性碰撞来完成的 而是由各质点的位移连续变化来逐渐传递出

12、去的 因此 机械波的传播不是物质的传播 而是振动状态和能量的传播 31 机械波的传播特点每个质点只在平衡位置附近振动 不向前运动 后面质点重复前面质点的振动状态 有相位落后 所有质点同一时刻位移不同 形成一个波形 振动状态 波形 能量向前传播 33 2 机械波的主要物理量 1 波长 同一波线上相邻两振动相位相同的质点的距离 称为波长 用 表示 波源或介质中任意一质点完成一次全振动 波正好前进一个波长的距离 波长的常用单位为毫米 mm 或米 m 34 2 周期T和频率f 为波动经过的介质质点产生机械振动的周期和频率 机械波的周期和频率只与振源有关 与传播介质无关 波动频率也可定义为波动过程中 任

13、一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数 与该点振动频率数值相同 单位为赫兹 Hz 而波前进一个波长的距离所需要的时间 即为周期 同样可以说 波经历一个完整周期所传播的距离 即为波长 35 3 波速C 波动中 波在单位时间内所传播的距离称为波速 用C表示 常用单位为米 秒 m s 次声波 声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波 在同一介质中的传播速度相同 它们的区别主要在于频率不同 C f或 C f振动的传播速度称为波速 声速 不要把波速与质点的振动速度混淆起来 质点的振动方向与波动的传播方向也不一定相同 36 2 2波的分类2 2 1按波的类型分类 1 纵波 介质中质点的振动方向与波的传播方

14、向相互平行的波 称为纵波 L 凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波 固体介质能承受拉伸或压缩应力 因此固体介质可以传播纵波 液体和气体虽然不能承受拉伸应力 但能承受压应力产生体积的压缩和膨胀 因此液体和气体也可以传播纵波 纵波 质点的振动方向与波的传播方向一致 特征 具有交替出现的密部和疏部 例如 弹簧波 声波 38 2 横波 介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称为横波 用 S 或 T 表示 当介质质点受到交变的剪切应力作用时 产生切变形变 从而形成横波 故横波又称为切变波 只有固体介质才能承受剪切应力 液体和气体介质不能承受剪切应力 因此横波只能在固体介质中传播 不能在液体和

15、气体介质中传播 39 横波 质点振动方向与波的传播方向相垂直 特征 具有交替出现的波峰和波谷 40 3 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 称为表面波 常用 R 表示 表面波在介质表面传播时 介质表面质点作椭圆运动 椭圆长轴垂直于波的传播方向 短轴平行于波的传播方向 椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成 即纵波与横波的合成 因此表面波同横波一样只能在固体介质中传播 不能在液体或气体介质中传播 41 表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱 当传播深度超过两倍波长时 质点的振幅就已经很小了 因此 一般认为 表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度范围内的缺陷 42 4 板

16、波 在板厚与波长相当的薄板中传播的波 称为板波 根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波 1 SH波 水平偏振的横波在薄板中传播的波 薄板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向 相当于固体介质表面中的横波 43 2 兰姆波 分为对称型 S型 和非对称型 A型 对称型兰姆波 薄板中心质点作纵向振动 上下表面质点作椭圆运动 振动相位相反并对称于中心 非对称型兰姆波 薄板中心质点作横向振动 上下表面质点作椭圆运动 相位相同 不对称 44 2 2 2按波的形状分类 波的形状是指波阵面的形状 波阵面 同一时刻 介质中振动相位相同的所有质点所连成的面称为波阵面 波前 某一时刻 波动所到达的空间各点所连成的面为波前 波线 波的传播方向称为波线 波前是最前面的波阵面 是波阵面的特例 任意时刻 波前只有一个 而波阵面却很多 在各向同性的介质中 波线恒垂直于波阵面或波前 45 1 平面波 波阵面为相互平行的平面的波 其波源为一平面 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 其波动方程为 46 2