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1、2018/9/19,超声波检测,2011.11,2018/9/19,第一章 绪论,1.1超声检测的定义及作用 超声检测一般是指超声波与工件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。 特种设备行业中，超声检测通常指宏观缺陷测量和材料厚度测量。 超声检测是五大常规无损检测技术之一。 作用：实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率。 设备维护中不可或缺的手段之一。,2018/9/19,1.2超声检测的基础知识,1.2.1次声波、声波和超声波 机械波是机械振动在弹性介质中的传播。如水
2、波、声波、超声波 声波是在弹性介质中的传播的机械纵波，频率在2020000Hz 频率低于20Hz的声波不能被人听到，称为次声波 频率高于20000Hz的声波人耳也听不到，称为超声波。探伤用超声波频率在(0.510)MHz,2018/9/19,超声波的特点,超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测。 1、 方向性好 超声波具有像光波一样定向束射的特性。 2、穿透能力强 对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。3、能量高 超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。4、遇有界面时，将产生反射、折射和波
3、型的转换。利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。 5、对人体无害。,2018/9/19,1.2.2超声检测工作原理,原理： 1、声源产生超声波，采用一定方式进入工件 2、超声波在工件中传播，与工件材料和其中缺陷相互作用，传播方向或特征被改变 3、改变后的超声波通过检测设备被接收，并对其处理分析 4、根据接收的超声波的特征，评估工件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特征 通常用来发现缺陷和用来评估的基本信息： 1、是否存在来自缺陷的超声波信号及其幅度 2、入射声波与接收声波之间的传播时间 3、超声波通过材料后能量的衰减,2018/9/1
4、9,1.2.3超声检测方法的分类,1、按原理：脉冲反射法、衍射时差法、穿透法、共振法 2、按显示方式：A型显示、超声成像显示 3、按波型：纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法 4、按探头数目：单探头法、双探头法、多探头法 5、按探头与工件的接触方式：接触法；液浸法、电磁耦合法 6、按人工干预的程度：手工检测、自动检测,2018/9/19,1.2.4超声检测的优点和局限性,1、优点 适用于金属、非金属和复合材料等多种材料的无损检测 穿透力强，多较大厚度工件内部缺陷进行检测 缺陷定位较准确 面积型缺陷的检出率高 灵敏度高 检测成本低、速度快、设备轻便、使用方便，对人和环境无害,2018/9/1
5、9,1.2.4超声检测的优点和局限性,2、局限性 对工件中的缺陷进行精确的定性和定量仍需做深入研究 对具有复杂形状或不规则外形的工件检测困难 缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响 工件材质和晶粒度对检测有较大影响 常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，检测结果无直接见证记录,2018/9/19,第二章 超声检测的物理基础,2.1机械振动和机械波 2.1.1机械振动 物体或质点在某一平衡位置附近做来回往复的运动，称为机械振动。 产生的必要条件：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。 振幅：振动物体离开平衡位置的最大距离，A。 周期：当物体作往复运动时完成一次全振动所
6、需要的时间，T（s）。 频率：振动物体在单位时间内完成全振动的次数，f（Hz）1KHz=103Hz 1MHz=106Hz T=1/f,2018/9/19,谐振动,物体（或质点）在受到跟位移大小成正比，而方向总是指向平衡位置的回复力的作用下的振动。 位移随时间的变化符合余弦定理（或正弦）规律的振动形式称为谐振动。 Y=Acos（t+）=2f=2/T 平衡位置势能为零，动能最大，位移最大位置势能最大，动能为零。 只有弹力或重力做功。,2018/9/19,2.1.2机械波,振动的传播过程称为波动。 机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。 必备条件： 1、要有作机械振动的波源 2、要有能传播机械振动
7、的弹性介质,2018/9/19,机械波的主要物理量,1、声速c：单位时间内，超声波在介质中传播的距离；超声波的速度就是声音的速度,即声在空气(15)中的速度是340米/秒,只不过它们的频率不同而已 ；超声波在20 的钢中是5 900米/秒;在铝中的传播速度为5100米/秒。 2、频率f：单位时间内，超声波在介质中任一给定点所通过完整波的个数； 3、波长：声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点之间的距离；,2018/9/19,机械波的主要物理量,4、周期T：声波向前传播一个波长距离时所需的时间； 5、角频率： 其中频率和周期是由波源决定的，声速与传声介质的特性和波型有关。,2018/9/
8、19,2.2 波的类型,2.2.1按波型分类 1、纵波L：介质中质点振动方向和波的传播方向平行的波。 压缩波 疏密波 承受压缩或拉伸 应力即可传播,2018/9/19,2.2.1 按波型分类,2、横波S：介质中质点的振动方向和波的传播方向相互垂直的波。 切变波 剪切波 能承受剪切 应力才能传播,2018/9/19,2.2.1 按波型分类,3、表面波R：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。 瑞利1887年首提，又称瑞利波。介质表面的质点作椭圆运动。椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向，介质质点的椭圆振动可视为纵波与横波的合成。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，
9、因此表面波又称为瑞利波（Rayleigh wave），常用R表示。 如采用表面波探伤只能发现工件的表面缺陷。一般只能发现距离工件表面两倍波长深度范围内的缺陷。,2018/9/19,表面波,2018/9/19,2.2.2 按波形分类,波的形状是指波阵面的形状。 波线： 用波线表示传播的方向 波阵面：将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面 波前：某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面称为波前。 在各向同性介质中波线垂直于波阵面。在任何时刻，波前总是距声源最远的一个波阵面。波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。,2018/9/19,2.2.2 按波形分类,波线、 波前与波阵面 (
10、a) 平面波； (b) 柱面波； (c) 球面波,2018/9/19,2.2.2 按波形分类,根据波阵面的形状(波形)，可将超声波分为平面波、柱面波和球面波等。 平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵面为同轴圆柱面，球面波的波阵面为同心球面。当声源是一个点时，在各向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。 可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。 当声源的尺寸远小于测量点距声源的距离时，可以把超声波看成是球面波。,2018/9/19,2.2.3 按振动的持续时间分类,1、连续波 波源持续不变的振动所辐射的波。 2、脉冲波 波源振动持续时间很短，间歇辐射的波称为脉冲波。 通常是微
11、秒数量级,2018/9/19,2.3 波的叠加、干涉和衍射,2.3.1波的叠加：几列波在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。 相遇后各列波的波长、频率、振动方向和传播方向都保持不变，波的叠加原理或者波的独立性原理。,2018/9/19,2 波的干涉,两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇，介质中某些地方的振动互相加强，而另外一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫波的干涉现象。 A=（A21+A22+2A1A2cos2/）1/2 注意： （1）当=n（n为正数）时，A=A1+A2， （2）当=(2n+1)/2
12、时，A=A1-A2.,2018/9/19,2.3.2 波的绕射,1.惠更斯-菲涅尔原理2.波的绕射（衍射） TOFD成为可能 绕射能使超声波在介质中顺利传播 绕射使小缺陷回波幅度显著下降，造成漏检 超声检测灵敏度约为/2,2018/9/19,2.4 超声波的传播速度,声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型有关，还与介质的密度和弹性模量有关。声速是一个表征介质声学特性的重要参量。 2.4.1固体介质中的声速：纵波、横波和表面波的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的，而与频率无关，不同材料声速值有较大的差异。 在给定的材料中，频率越高，波长越短。,2018/9/19,1.无限大
13、固体介质中的声速,无限大固体介质中的纵波声速：无限大固体介质中的横波声速：,2018/9/19,1.无限大固体介质中的声速,无限大固体介质中的表面波声速： CR= （0.87+1.12）/(1+)CS,E-介质的杨氏弹性模量， MPa ； G-介质的剪切弹性模量， MPa ; -介质的密度 -介质的泊松比 00.5,同一固体介质中，纵波声速CL大于横波声速Cs，横波声速Cs又大于表面波声速CR。对于钢材，CL 1.8Cs，Cs1.1CR。,2018/9/19,1.无限大固体介质中的声速,2. 细长棒中的纵波声速CLb3.声速和温度、应力、均匀性的关系 温度高，声速低 应力增加，声速增加（缓慢）
14、 晶粒细，声速大,2018/9/19,2.4.2 液体、气体介质中的声速,1.声速公式 C=（B/P）1/2 式中B容变弹性模量；P密度 2 .液体介质中声速与温度的关系 水CL=1557-0.0245（74-t）2 其他，温度升高，B减小，声速降低,2018/9/19,2.4.3 声速的测量,1.超声检测仪器测量法 （1）检测仪器按时间刻度 （2）检测仪器按深度刻度 2.测厚仪测量法 （1）共振式测厚仪 （2）脉冲反射式测厚仪 3.示波器测量法,2018/9/19,2.5 超声场的特征值,2.5.1 声压P：当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一
15、瞬时所具有的压强p1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声压，用p表示,单位为帕，Pa，,2018/9/19,2.5 超声场的特征值,2.5.2声阻抗Z 任一点的声压p与该处质点振动速度之比叫声阻抗Z，单位：g/(cm2.s)；kg/(m2.s)。声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，介质的声阻抗越大，质点的振动速度就越小。 实验证明，气体、液体与金属之间的特性声阻抗之比大约为1:3000:8000。 Z=P/V=C 一般材料随温度升高而Z降低。,2018/9/19,2.5 超声场的特征值,2.5.3 声强I：在超声场的传播方向上，单位时间内垂直通过单位面积上
16、的声能叫声强，用I表示，单位W/cm2。 I=cA22/2=ZV2/2=P2/2Z超声波的声强和频率的平方成正比， 同一介质中，超声波的声强和声压成正比。,2018/9/19,2.5 超声场的特征值,2.5.4分贝和奈培 分贝的概念 以引起听觉的最弱声强I0=10-16W/cm2为声强标准，在声学上称为“闻阈”，即f=1000Hz时引起人耳听觉的声强最小值。 将某一声强I与标准声强I0之比取常用对数得到二者相差的数量级，称为声强级，声强级的单位为贝尔B，即=lg(I2/ I1) 贝尔（B） 在实际应用过程中，贝尔这个单位太大，常用分贝（dB）作为声强级的单位。,2018/9/19,2.5 超声场的特征值,2018/9/19,2.5 超声场的特征值,在实际应用过程中，超声波的幅度或强度也用相同的方法即分贝表示，,2018/9/19,2.5 超声场的特征值,目前市售的超声波探伤仪，其示波屏上波高与声压成正比，即任意两点的波高之比等于相应的声压之比，二者的分贝差,
