超声波探伤幻灯片课件第二章-超声波探伤物理基础

《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 达平衡位置时，它并没有停止，而

2、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+) 其中：A：振幅，最大水平位移：圆频 率，

3、=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，称为强迫振动。 (不符合机械能守恒 ) y=Aco

4、s(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

5、，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

6、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。

7、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，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

8、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 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）

9、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。 （

10、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， 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

11、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

12、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:CS:CR=1.8 : 1 : 0.93-2 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

13、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

14、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

15、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 Z1 如水/钢r = (Z2-Z1) / (Z1+Z2)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 =1R 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 如钢和焊缝r 0 t 1