超声检测原理

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1、第二章 超声检测2-1 超声检测原理 超声检测是一种利用超声波在介质中传播的 性质来判断工件和材料的缺陷和异常。人耳能听到的声音频率为16Hz20kHz， 超 声是一种看不见、听不到的弹性波。超声检测一般为0.525MHz，常用频率范围 为 0.510MHz。超声波特性(1)在液体和固体介质中长距离传输(虽然在气体 中衰减很快)； (2)超声波能量在传输时有明确的方向性；(3)超声波在一定介质中传输时速度不变；(4)超声波传输通过不同材料界面时，可能会改 变其振动模式。超声检测就是利用超声波来对材料和工件进行 检验和测量。典型的应用，是超声探伤以及材料和工件的物 理性能与力学性能检验。在测量方

2、面，许多非声学特性和某些状态参量 ，例如液位、流量等都可用超声方法测定。超声波应用非常广泛。如超声加工和处理，利 用超声能量来改变物质特性和状态，如超声钻孔 、清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。超声检验与测量之间的关系非常密切，如超声 探伤和超声液位测量，技术原理相仿。超声检测和超声加工处理之间的区别明显，超 声加工往往着重大功率的连续波超声，而超声检 测则太多使用灵敏度高、功率不大的脉冲波。超声加工处理时非常重视一些描述声场强弱的 物理量(如声压、声强、声功率等)的测定。而超声检测则着重描述介质中超声传播特性的 物理量(如声速、声衰减、声阻抗等)的测定。超声波是一种机械振动所产生的波。质点的往

3、复运动称为振动，振动是波动的产 生根源，波动是振动的传播过程。超声波的产生，依赖于作高频机械振动的声源 和弹性介质的传播超声波的传播，包括振动过程和能量传播。 研究超声波传播时，可以将弹性介质看成是 相互间由弹性力联系着的无数质点所组成。当在弹性介质的表面层上施加一个正弦变化的 外力时，由于各质点间有弹性力联系，相邻层 上的质点也将产生振动，一层推动一层，振动 也由近及远地传播。2-1-1 波动的种类与波型波的种类是根据质点振动方向和波动传播方 向的关系来区分，可分为纵波、横波、表面波 和板波，如图所示。(1) 纵波 当介质受到交替变化的正弦拉-压应力作用时 ，质点产生疏密相间的纵向振动，质点

4、振动方 向与波的传播方向一致纵波常用 L 表示，它在介质中传播时，仅使 介质各部分改变体积而不产生转动。任何弹性 介质 (固体、液体和气体)中都能传播纵波。(2) 横波当介质受到交替变化的正弦剪切应力时，质 点产生具有波峰与波谷的横向振动，并在介质 中传播，其振动方向与波的传播方向垂直，这 种波称为横波，也称切变波。横波用符号T或S表示。在介质中传播时，仅 使介质各部分产生形变而介质体积不变。由于液体和气体介质没有剪切弹性，因此不 能传播横波。(3) 表面波 半无限大弹性介质与气体的交界面，受到交 替变化的表面张力作用时，介质表面质点发生 纵向和横向振动，质点绕其平衡位置作椭圆运 动，并作用于

5、相邻质点而在表面传播，这种波 称为表面波，也称瑞利波。表面波常用符号 R 表示，图中表示的是瞬时 的质点位移状态。表面波传播深度约l2个波 长，振幅随深度的增加而迅速减小，当深度达 到两个波长时，振幅降至最大振幅的0.37倍(4) 板波 板状介质受到交 替变化的表面张 力作用，而且板 厚与波长相当， 质点的纵向和横 向振动轨迹也是 椭圆，声场遍布 整个板厚。这种 波称为板波，也 称兰姆波。板波 常用符号 P 表示板波与表面波不同，其传播要受到两个界面的 束缚，从而形成对称型(S型，图2-1d)和非对称 型(A型，图2-1e)两种情况。对称型板波在传播中，质点的振动以板厚为中心 面对称，上下表面

6、上质点振动的相位相反，中心 面上质点的振动方式类似于纵波。非对称型板波在传播中，上下表面质点振动的相 位相同，质点的振动方式类似于横波。2-1-2 声波的波动特性声波的波动特性，主要是指几个波相遇时出 现的干涉、叠加以及衍射现象。(1)波的干涉叠加当几个波在同一介质中传播至某处相遇，则 相遇处质点的振动是各个波所引起的振动的合 成，相遇点上质点的位移是各个波在该点所引 起的位移的矢量和，这就是波的叠加原理。脉冲波由若干正弦波叠加而成，1MHz的脉冲波 是由0.85MHz、1MHz和1.21MHz正弦波叠加而 成的。所以虽然看来脉冲波每个质点的振动没有表示出 同样高度，但它的确是由若干正弦波所组

7、成。为合成某一脉冲，脉冲宽度愈窄，需要数量愈 多的正弦子波，子波具有与中心频率不同的频 率。根据傅利叶分析，脉冲是由某一频谱范围 内的波构成，脉冲愈窄时频谱愈宽。叠加波，若符合相干条件(频率相同，传播方 向一致和有一定的相位关系)，则在空间某些地 方振动始终加强，而在另一些地方则始终减弱或 完全消失，这种现象称为波的干涉。当两个振幅与频率都相同的相干波，在同一直 线上沿相反方向彼此相向传播时，叠加而成的波 称为驻波，驻波是波的干涉现象的特例。当在声波传播方向上的介质厚度恰为半波长的 整数倍时就会产生驻波现象。这种驻波在介质的 厚度方向引起共振，这就是所谓共振法超声检测 的基本原理。(2)波的衍

8、射波在弹性介质中传 播时，如果遇到障 碍物或其它不连续 的情况，而使波阵 面发生畸变的现象 称为波的衍射。任意形状的波在传 播过程中遇到一个 障碍AB时，AB上 有一个宽度大小与 波长相当的狭缝， 穿过狭缝的波是以 狭缝为中心的球形 波，与原来的波阵 面无关。这说明可以把狭缝 看作新的波源。波 前上的所有点，都 可看作产生球面子 波的点源，经过一 段时间后，该波前 的新位置将是这些 子波波前相切的包 迹面，这称之谓惠 更斯原理。惠更斯原理在超 声检测中获得了 广泛应用，不仅 适用于机械波， 同样也适用于电 磁波。它用几何 方法比较广泛地 解决了波的传播 问题。(3)声速、波长和频率声速是声波在

9、介质中传播的速度(c)，波长是 指声波每振动一次所走过的距离()，频率是指 每秒钟声波振动的次数(f)，三者之间的关系声速由介质决定，在各向同性的无限大弹性固 体中，声速可用下式表示式中E-介质的正弹性模量，-介质的密度，K- 常数与波型有关。纵波声速横波声速式中G-介质切变模量，-介质的泊松比。表面波声速纵波速度在气体中每秒为几百米，在液体中 为12km/s，固体中为36km/s。在固体中还有横波，横波的速度约为纵波速 度的一半，表面波速度约为横波速度的0.95某些物质的密度、声速和特性阻抗见表当棒的直径与波长相当时称为细棒，细棒中声 波以膨胀形式传播，称为棒波。当棒的直径 d0.1(波长)

10、时，棒波的速度与泊松比无关， 可表示为总之，介质弹性能越好(E和G越大)、密度越 小，则声波在介质中的传播速度越高。2-1-3 声场及其特征值声场特征常用声压、声强和特性阻抗等特征 值来描述。声压(p)是指声传播时，造成介质中某点的压强 ，单位为帕斯卡(Pa)，1Pa=1N/m2 声波在介质中传播时，介质中每一点的声压 将随时间和距离的变化而改变。声压与介质密度、波速和频率成正比式中 v-质点振动速度上式中当声压 p 不变时，c 越大，质点振 动速度就越小 ，所以c 被称为介质的特性阻 抗，以 z表示。超声检测中，可以到观察荧光屏上出现的反 射波高度，该高度与声压 p 成正比。液体阻抗约为气体

11、的3000倍，固体阻抗约为 液体的30倍。在声场中的某点，在与指定方向垂直的单位 面积上，单位时间内通过的平均声能，称为声 强度，以I表示。声强度与质点位移振幅和质点振动频率的 平方成正比，与质点振动速度振幅的平方成 正比，与声压振幅的平方成正比。超声波的频率很高，其强度远远大于一般 声音，这就是超声波能够用于检测的前提。 在实际超声波检测中，超声波是由一定尺寸的 探头发出的，辐射的是活塞波。离探头很近的地方可认为是平面波，远离探头 的地方则视为球面波。这种声源发射的声波可以认为是由无数个能发 射子波源的声波叠加的结果。探头中心轴线上的声压分布如用平面波理论分 析可得下式 式中a-辐射圆盘半径

12、检测时测得的信号高度与声压成正比，中心轴 上的声压分布如图所示。声压分布分为两个区域，即x时，N值可用下式获得可见，辐射器的直径D愈大、频率愈高(波长 越短)，则近场长度N也就愈长。当xN时称为远场区，此时声压随距离增加而下 降，但只有声程大于3N后，声压与声程才比较符 合反比关系。因此，习惯上以声程大于3N时为远 场区。远场区的声压分布可由下式计算可见，中心轴线上的声压与晶片面积和起始声 压成正比，而与波长和声程成反比。声场中的声压不但随距离x、时间t而变，同时 还随声束的半扩散角而变。半扩散角直接反映 声场中声能集中的程度和几何边界。换 能 器 声场传播方向角半扩散角的大小可按下式计算式中

13、 D-圆形压电晶片的直径a-方形晶片边长换 能 器 声场传播方向角也就是说，半扩散角取决于晶片尺寸和波 长。提高频率和加大晶片尺寸，均可改善超 声的指向性。换 能 器 声场传播方向角辐射器辐射的超声波能量的80%以上集中在主 瓣的声束上，副瓣的能量小，传播距离短，因 此可以认为副瓣束集中在近场区。换 能 器 声场传播方向角超声检测大多采用脉冲波，而在介绍基本理 论时，一般采用连续波。这是由于分析脉冲形状非常复杂，而从实际 应用来说，近似用连续波代替脉冲波，但二者 的声场特性上别很大。由于脉冲波是持续时间很短的波动，所以它 们可能不产生干涉或只产生不完全干涉。脉冲波中脉冲个数对近场区内的声压分布

14、影 响极大。当脉冲个数小于等于6时，近场区声压 明显变得简单，副瓣数目和尺寸减小。2-1-4 超声波在异质界面上的透射、反射和折射所谓异质界面，是指由两种特性阻抗不同的 介质所构成的界面，如气/界面、气/固界面、 液/固界面和不同固体界面等。介质 I介质 II界面超声波从一种介质传播到另一种介质，相对 于异质界面而言，当垂直入射时只有反射和透 射，波的类型(纵波或横波)不发生变化。介质 I介质 II界面当倾斜入射时 除反射波外， 透射波产生干 射，同时伴随 有波型转换。超声波以一定倾角 入射固体界面，反 射波和折射波都分 裂成两种波型，除 原有波型的反射和 折射波外，还存在 不同波型的反射波

15、与折射波。入射纵波(L)除产生 反射纵波(L1)和折射 纵波(L2)外，还产生 反射横波(S1)和折射 横波(S2)，与法线夹 角分别L、L1、 L2、S1和S2这些角度与波速之间 的关系符合反射和折 射定理如下式由于CL=CL1 ，所以L 与L1相等 。对相同介质CLCS，所 以L1大于S1，L2大 于S2即纵波的反射角和折 射角分别大于横波的反 射角和折射角。当波速小的介质入射 到波速大的介质时，折 射角大于入射角，随着 入射角度增大，折射角 也增大。当L增大到LK1时， 使L2等于90o，继续增 大，纵波在界面被完全 反射，介质中只存在 横波，此时纵波入射角 LK1称为第一临界角。当L1

16、继续增大到 LK2时、使S2等 于90o，再增大时横 波也被全反射此时的纵波入射 角LK2称为第二临 界角不同介质具有不同的 临界角，计算公式为超声波入射到特性阻抗不同的界面，一部分能 量透过界面进入另一介质，另一部分反射回原 有介质，从介质I到介质的声压透过率为反射率为式中 Z1、Z2分别为介质I和的特性阻抗从上述公式可见透过率与反射率之间关系为超声检测中常采用同一探头发射和接收超声 波，若把往返两者结合起来考虑，则声压的 往返透过率为当用油耦合剂探测测试件时，在油与钢界面 上的往返透过率约为11%。两种介质的特性阻抗相差很大时(如固体和气 体界面)，超声在界面上几乎全反射，声波既不 能从固体进入气体，也不能从气体进入固体。超声检测时，要保证探头和工件之间完全耦合 ，否则由于气隙的存在影响超声的进入。例如钢的特性阻抗为4.5106(Pa.s)/m，空气的 声阻抗为0.0004106(Pa.s)/m，当超声波传输到 钢与空气的界面时，几乎100%