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1、第二章 超声检测1 利用超声波在介质中传播的声学特性检测金属材料及其工件内部或表面缺陷的方法称为超声检测超声检测2 按显示的方式不同，超声检测分为 A 型（显示缺陷的反射脉冲）型（显示缺陷的反射脉冲） 、B 型（显型（显示工件的垂直截面）和示工件的垂直截面）和 C 型（显示工件的水平截面）型（显示工件的水平截面）三种方法。3 频率高于高于 20000Hz 的声波称为超声波，22.5 MHz 被推荐为焊缝检测的公称频率。4 在焊缝检测中使用的超声波主要有两种类型：纵波（纵波（L） ，横波（，横波（S）纵波可在固体、液体和气体固体、液体和气体介质中传播。横波在没有剪切弹性的液体和气体介质中没有剪切
2、弹性的液体和气体介质中不能传播。5 超声波的声速 C：就给定的波型和材料而言，C 为常量；超声波波长 ； 声速 C（m/s） 、波长 （m）和频率 f（Hz）关系：C=f 记住钢的声学参数：钢 纵波声速 5920m/s 横波声速 3255m/s6 在同一频率下横横波的波长比纵纵波的短短7 重要重要逆压电效应与超声波的发射；压电效应与超声波的接收8 描述超声场的物理量：（1）声压：超声场内某点于某瞬时具有的压强与无超声波扰动时该点的静压强之差称为超声压，简称声压，用符号 P 表示。声压与 C，f 成正比（2）声强：单位时间内通过垂直于垂直于超声波传播方向的单位面积上的声能量称为声强度，简称声强，
3、用符号 I 表示。声强与声压振幅的平方声压振幅的平方成正比，与介质的声阻抗声阻抗成反比。(3)声阻抗介质密度与声速介质密度与声速的乘积称为介质的声阻抗，用符号 Z 表示9 超声波束一般由主声束和副声束构成：主声束的截面大，能量集中，并具有很好的指向性。主声束指向性的好坏由指指向角向角 表征。10 超声波近场，近场长度，远场等概念详见 PDF11纵波声速近场长度：ND2/4 11 指向特性：超声波束向某一方向集中发射的特性。指向特性的优劣由指向角指向角（又称为半扩散角）（又称为半扩散角）表征。指向角越小，超声波束的指向性越好，声能量越集中。12 压电晶片的直径越大，超声波束的指向性越好13 在远
4、场中紧靠近场远场中紧靠近场的一段区域内，声压的幅度与声程基本无关幅度与声程基本无关，这称为超声波束的未扩展区未扩展区。在未扩展区以外，特别在 X3N 以外，声压 P 与声程与声程 X 近似成反比反比。除此之外，远场声压 P 还与探头的面积和起始声压 P0 成正比，与超声波波长 成反比。考选择题！考选择题！14 在传播过程中，超声波遇到不同介质组成的界面会发生反射和透射反射和透射，同时传传播方向播方向和波型波型也可能改变。15 超声波在有机玻璃有机玻璃/耦合介质耦合介质/钢界面钢界面上发生的波型转换过程，由于 CL3CS3CL1，因此 LSL。当 L 增加时，L 和 S 将随之增加。一般称 L9
5、0所对应的所对应的L 为第一临界角，即为为第一临界角，即为LI。当 LLI 时，纵波在耦合介质/钢界面上发生全反射全反射；称称 S90所对应所对应的的 L 为第二临界角，即为LII。就有机玻璃/钢界面而言， LI 27, LII 57.5。在焊缝的超声波检测中，为在钢中得到单一的横波，有机玻璃透声楔的角度（即纵波入射角）应取在 LI 和 LII 之间。16 声压为 Pe 的超声波垂直入射至光滑的无限大界面：无波型转换声压反射率：Rp=Pr/Pe=（Z2-Z1）/（Z2+Z1） 检出缺陷几率越高声压透射率：Dp=Pd/Pe=2Z2 /（Z2+Z1）结论：（1）Z2Z1，Rp0；Dp1 由第一介质
6、进入第二介质。这是超声波检测无法检出声阻抗与焊缝金属很接近声阻抗与焊缝金属很接近的金属夹杂物的原因（2）如果 Z2Z1，超声波在界面上几乎被全反射 Rp1由此可知，在超声波垂直入射超声波垂直入射的条件下，钢中的分层或焊缝中的裂纹被分层或焊缝中的裂纹被检出的几率会很高。17 。在实际的超声检测中，由于探头即发射又接收超声波，因此实用上还应考虑超声波往复透过率超声波往复透过率（即回波声压与发射声压之比）的大小。Ep=4Z1Z2/（Z1+Z2）2 越大越好18 纵波斜入射至耦合界面（即有机玻璃/液体/钢组织的界面）纵波 L 从第二象限入射，折射横波S 位于第四象限。水平轴上标出的EL,s 代表这种情
7、况的往复透过率。由图 28 中可见，EL,s 不仅与两种介质的声阻抗声阻抗有关，而且还取决于纵波的入射角入射角。为了提高声耦合性能，得到较大的往复透过率，就应该使横波折射角 s 取值在 3580之间，其中以 40左右左右的折射角最为有利。19 钢中的横波斜入射至钢/空气界面时将出现反射横波和纵波横波和纵波横波在钢板底面上发生全反射的入射角约在 33.2以上20 端角反射：，检测这种端角缺陷端角缺陷（类似焊缝中的单面未焊透单面未焊透和与焊缝表面垂直的表面裂纹表面裂纹） ，探头的折射角应取在 3555之间，以避免造成这类缺陷的漏检。21 薄层界面在焊缝的超声波检测中，探头与钢之间的耦合层耦合层及焊
8、缝中的大面积裂纹大面积裂纹或钢中的分层等缺陷分层等缺陷均为薄层界面。从改善声耦合状态声耦合状态的角度考虑，相应薄层界面的声压往复透过率声压往复透过率越高越好；而从提高缺陷检出率缺陷检出率的角度考虑，相应薄层界面的声压反射率越高声压反射率越高则越有利。22 薄层界面模型 1：声阻抗为 Z1 的均匀介质中存在声阻抗为 Z2 的大面积薄层这一模型可与焊缝中存在大面积裂纹大面积裂纹或钢中存在分层钢中存在分层的实际情况相对应d 薄层界面的厚度（mm）; 2 薄层界面内超声波的波长（mm）*当当d为为1/42的奇数倍时，的奇数倍时，Rp取极大值；当取极大值；当d为为1/22的整数倍时，的整数倍时，Rp取极
9、小值。取极小值。23 就焊缝中由裂纹形成的薄层界面而言，Z20表示增益，n0表示衰减第二节第二节 超声波检测设备超声波检测设备31 超声波检测设备一般由A型脉冲反射式超声波探伤仪型脉冲反射式超声波探伤仪、探头探头和试块试块组成。32 发射电路 接收电路Y轴以脉冲波形式显示时基电路X轴上扫描，产生时基线33 工作原理：用示波管荧光屏上有无反射波反射波出现，及反射波在时基线上的位置时基线上的位置与波幅的高低波幅的高低来提供有关缺陷的信息。34 与检测工艺有关的仪器性能（1）垂直线性垂直线性示波器荧光屏显示的反射波幅度反射波幅度与经探头转换的电信号幅度电信号幅度成正比的程度称为仪器的垂直线性仪器的垂
10、直线性。垂直线性的优劣直接影响仪器的定量精度定量精度（2）水平线性（时基线性） 示波器荧光屏显示的反射波位置反射波位置与实际的检测距检测距离离成正比的程度称为仪器的水平线性或时基线性水平线性或时基线性。水平线性的优劣直接影响仪器的定位精度定位精度（3）衰减器精度35 探头种类：纵波直纵波直探头和横波斜横波斜探头36 斜探头主要性能：除公称频率公称频率和晶片尺寸晶片尺寸外，斜探头的主要性能还有：（1）声束折射角（K值） 声束折射角的正切称为斜探头的K值（2）斜探头的前沿长度斜探头的声束入射点至探头前端的水平距离称为斜探头的前沿长度（3）声束轴线偏向角探头主声束轴线与晶片中心法线之间的夹角称为声束
11、轴线声束轴线偏向角偏向角。37 仪器与探头组合的系统性能（1）灵敏度余量 （2）分辨力38 试块：标准试块（标准试块（STB试块）试块）和对比试块（对比试块（RB试块）试块）两类39 标准试块标准试块主要用以测定仪器、探头及二者组合的系统性能系统性能，也可用以调节检调节检测范围和灵敏度测范围和灵敏度。对比试块对比试块主要用以调节和校研调节和校研检测范围范围和检测灵敏度灵敏度第三节 焊缝的超声检测技术40 焊缝的超声检测通常采用在探头和检测面之间涂布耦合剂的方式实现直接耦直接耦合合41 当耦合层厚度小于小于超声波在耦合介质中传播的1/4波长波长时，超声波在检测面上的往复透过率往复透过率将随耦合层
12、厚度的减薄而增大减薄而增大，因此“越薄越好越薄越好”也是确定耦合层厚度的一条基本原则。42 若缺陷垂直垂直于入射声束，则宜选用指向性好、声能集中、遇界面反射强烈的高频声束高频声束。而对那些与入射声束斜交的面积型缺陷斜交的面积型缺陷，则宜选用对缺陷取向敏感性较差的低频声束低频声束43 时基线调节范围：水平定位、深度定位和声程定位（1）用荧光屏时基线的刻度值表示反射体到斜探头声束入射点水平距离的方法称为水平定位法。1:1水平定位条件，埋藏深度h：直射法：h=l/K一次反射法：h=2t-l/K t为母材厚度（2）深度定位法用荧光屏时基线的刻度表示反射体到检测面垂直距离的方法称为深度定位法（3）声程定
13、位法用荧光屏时基线的刻度值表示反射体到斜探头声束入射点之间距离（声程）的方法称为声程定位法44 超声波检测的灵敏度是指在最大检测距离上可检出的最小缺陷尺寸最小缺陷尺寸及其反射反射波高度波高度 45 斜探头的扫查方式：（1）单探头扫查A 锯齿形扫查-的纵向缺陷-发现缺陷为目的的初始检测（粗检测）B 平行和斜平行扫查-横向缺陷-初始检测（粗检测）C 以评定缺陷为目的的规定检测（精检测）中，四种基本扫描方式：转角扫查-确定缺陷的取向和区分点状和条状缺陷环绕扫查-有助于缺陷形状，特别是点状缺陷的识别。前后扫查-用这种扫查方式可以估计缺陷的高度。左右扫查-有助于区别点状和条状缺陷，并可以测定缺陷的指示长度（2）双探头扫查列式、交叉式、V型式及K型式等46不能将指示长度指示长度误认为是缺陷的真实长度。真实长度。测定缺陷指示长度的方法主要有两种，即相对灵敏度法相对灵敏度法和绝对灵敏度法绝对灵敏度法。47在A型脉冲反射式超声检测中，仪器荧光屏上的反射信号仅可能提供有关如缺陷位置、形状、取向及指示长度等方面的信息，不能直观显示缺陷的种类不能直观显示缺陷的种类。47距离波幅线曲线距离波幅线曲线是缺陷评定与检测结果分级的依据。距离波幅线曲线：DAC描述反射波波幅随检测距离（l, h或x）变化的关系
