《无损检测》超声波幻灯片

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1、第2章 超声波检测,本章提要： 超声检测（UT）是利用其在物质中传播、界面反射、折射(产生波型转换)和衰减等物理性质来发现缺陷的一种无损检测方法，应用较为广泛。 按其工作原理不同分为：共振法、穿透法、脉冲反射法超声检测； 按显示缺陷方式不同分为： A型、B型、C型、3D型超声检测； 按选用超声波波型不同分为：纵波法、横波法、表面波法超声检测；,按声耦和方式不同分为： 直接接触法、液浸法超声检测； 本章将重点介绍： 脉冲反射法原理、 直接接触法、 A型显示方式、 纵波法、横波法 超声检测技术。,2.1 超声波检测技术基础,2.1.1 超声波的物理本质 它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性介质中的

2、转播行为。 即超声频率的机械波。 一般地说，超声波频率越高，其能量越大，探伤灵敏度也越高。 超声检测常用频率在 0.510 MHZ。,2.1.2 超声波的产生（发射）与接收 (1) 超声波的产生机理利用了压电材 料的压电效应。 试验发现，某些晶体材料（如石英晶体）做成的晶体薄片，当其受到拉伸或压缩时，表面就会产生电荷；此现象称为正压电效应； 反之，当对此晶片施加交变电场时，晶体内部的质点就会产生机械振动，此现象称为逆压电效应。 具有压电效应的晶体材料就称为压电材料。,压电效应,压电效应图解,(2) 超声波的发射与接收 发射在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电压，由于逆压电效应

3、，晶片中就会产生超声频率的机械振动产生超声波； 若此机械振动与被检测的工件较好地耦合，超声波就会传入工件这就是超声波的发射。,接收若发射出去的超声波遇到界面被反射回来，又会对探头的压电晶片产生机械振动，由于正压电效应，在晶片的上下电极之间就会产生交变的电信号。 将此电信号采集、检波、放大并显示出来，就完成了对超声波信号的接收。 可见，探头是一种声电换能元件，是一种特殊的传感器，在探伤过程中发挥重要的作用。,2.1 超声波检测技术基础,2.1.3 超声波波型的分类 按质点的振动方向与声波的传播方向之间的关系分为： （1）纵波 L 介质质点的振动方向与波的传播方向一致；,（2）横波 S 介质质点的

4、振动方向与波的传播方向垂直；,2.1 超声波检测技术基础,（3）表面波 R介质质点沿介质表面做椭圆运动；又称瑞利波；,2.1 超声波检测技术基础,（4）板波 板厚与波长相当的薄板中传播的超声波，板的两表面介质质点沿介质表面做椭圆运动，板中间也有超声波传播。又称兰姆波；a)对称型 b)非对称型,2.1 超声波检测技术基础,注意！ 液体和气体介质（不能传递切向力） 中，所以只能传播纵波！ 同一介质中，声速的关系有： CL CS CR 同一介质中，声速、波长、频率之间 的关系为： C = f = 常数。,按超声波振动持续时间分为： (1)连续波在有效作用时间内声波不间 断地发射； (2)脉冲波在有效

5、作用时间内声波以脉 冲方式间歇地发射。 注意: 超声波检测过程常采用脉冲波。,2.1.4 超声波的基本性质 (1)具有良好的指向性： 直线传播，符合几何光学定律；象光波一样，方向性好； 束射性，象手电筒的光束一样，能集中在超声场内定向辐射。 声束的扩散角满足如下关系： = arcsin 1.22(/D) (2-1) 可见： 波长越短，扩散角越小， 声能越集中。,2.1 超声波检测技术基础,(2)具有较强的穿透性，但有衰减； 穿透性来自于它的高能量，因为声强正比于频率的平方； 所以，超声波的能量比普通声波大100万倍！可穿透金属达数米！ 衰减性源于三个方面： 扩散、散射、吸收；,(1)扩散衰减

6、声波在介质中传播时，因其波前在逐渐扩展， 从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的 扩散衰减。 它主要取决于波阵面的几何形状， 而与传播介质无关。,2.1 超声波检测技术基础,(2)散射衰减 散射是物质不均匀性产生的。 不均匀材料含有声阻抗急剧变化的界面， 在这两种物质的界面上， 会产生声波的反射、折射和波型转换现象， 必然导致声能的降低。,2.1 超声波检测技术基础,(3)吸收衰减： 超声波在介质中传播时， 由于介质质点间的内摩擦和热传导， 引起的声波能量减弱的现象， 叫做超声波的吸收衰减。,2.1 超声波检测技术基础,（3）只能在弹性介质中传播，不能在真空（空 气近似看成真空）中传播；

7、强调：横波不能在气体、液体中传播！表面波看作是纵波与横波的合成， 所以，也不能在气体、液体中传播！,2.1 超声波检测技术基础,（4）遇到界面将产生： 反射、折射和波型转换现象； （5）对人体无害优于射线的性质。,主声轴,N,近场区长度,N=D2 /4,超声场及 近场区,压电晶片,2.1 超声波检测技术基础,3.24?,2.2 超声波在介质中的传播,2.2.1 超声波在金属中的衰减定律 超声波在金属中主要的衰减原因是散射和扩散；在液体中主要是吸收。 研究表明，超声波在金属中的衰减规律可用下面的关系式表达： PX = P0 e-x (2-2) 衰减系数；dB/m x 声束传播的距离，即声程 m。

8、,(2-2)式表明，超声波的声压在其传播的路径上，呈负指数规律衰减。 这里强调指出：衰减系数为频率f4和晶粒尺寸d3的函数。 所以，对粗晶检测时，应适当降低超声波频率，弥补能量的不足。 研究表明，声压p与超声波探伤仪示波屏上的波高h成正比关系： p1/p2 = h1/h2 (2-3) 实际探测时，超声波探伤仪示波屏上的波高h能够反映声波的衰减状况。,超声波探伤仪示波屏上 波高h的衰减状况,这里，B1 B6代表超声波在工件底面的 6次反射波。波高h依次递减。,T,B1,B2,B6,描述： 超声场的物理量 充满超声波的空间，或在介质中超声振动波所及的“质点占据的范围”叫超声场。 对超声场我们常用：

9、 1.声压、 2.声强、 3.声阻抗、 4.质点振动位移和质点振动速度 等物理量,来描述超声波声场。,2.3 超声波在介质中的传播,(一)声压 超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强 ,与没有超声场存在时，同一点的静态压强之差为该点的声压，用 表示。 单位为 帕,记作1Pa=1N/m2 。 若用 平面余弦波表达式： (2-1),2.3 超声波在介质中的传播,2.3 超声波在介质中的传播,式中： -介质的密度， C-介质中的波速， A-介质质点的振幅， -介质中质点振动的圆频率()， A -质点振动的速度振幅()， T -时间， x-至波源的距离。 且有关系式： 式中： -声压的极大值。,可见：

10、声压的绝对值，与波速、质点振动的速度振幅(或角频率)成正比。 因为超声波的频率高，所以超声波比声波的声压大。,2.3 超声波在介质中的传播,2.3.1.2 声强 在超声波传播的方向上，单位时间内 介质中单位截面上 的声能叫声强。用I表示；单位是 对纵波在均匀的各向同性的固体介质中的传播为例，可以证明平面波传播的声强计算式； (1-2) 注意：上式中有三个部分的概念。,2.3 超声波在介质中的传播,超声波的声强： 、正比于质点振动位移振幅的平方； 、正比于质点振动角频率的平方； 、正比于质点振动速度振幅的平方。 注意： 由于超声波的频率高，其强度(能量)是远远大于 可闻声波 的强度。 例如： 1

11、MHz声波的能量等于100kHz声波能量的100倍，等于lkHz声波能量的100万倍。,2.3 超声波在介质中的传播,2.2 超声波在介质中的传播,2.2.2 超声波在异质界面处产生的各种现象 (1)垂直入射异质界面时的透射、反射及绕射 透射与反射 反射系数 K = W反/ W入100%,w入,常见材料之间的界面反射系数,反射现象的辩证分析 反射现象： 对发射超声波不利 ； 对脉冲反射法接收有利。 影响反射系数K的因素 反射系数K值的大小，决定于相邻介质的声阻抗之差： Z =| Z 2Z 1| Z 越大，K 值越大。 而与何者为第一介质无关。,(一)、在单一界面上 当超声波垂直入射到足够大的光

12、滑平界面时： .在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波。 .在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。 .反射波与透射波的声压(声强)是按一定比例分配。 .分比例由声压反射率(或声强反射率)， 和声压透射率(或声强透射率)来表示。,1、在单一界面上反射波声压与入射波声压之比，称为界面的 声压反射率： 用表示。 式中： Z1- 介质1的声阻抗， Z2-介质2的声阻抗。,2、在单一界面上透射波声压与入射波声压之比，称为界面的 声压透射率： 用t表示： 3、在界面上反射波声强与入射波声强之比，称为 声强反射率： 用R表示：,4、在界面上透射声强与入射声强之比，称为 声强透射率： 用T表示：

13、 说明： 在声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例，仅与界面两侧介质的声阻抗有关.,注意： 在垂直入射时， 介质两侧的声波必须满足两个边界条件： (1)、一侧总声压等于另一侧总声压。 否则界面两侧受力不等，将会发生界面运动。 (2)、两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。,上述的是超声波纵波： 垂直入射到单一平界面上的，声压、声强与其反射率、透射率的计算公式，同样适用于横波入射的情况。,(二)、薄层界面 在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层，可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透射问题。 超声波是由声阻抗为Z1的第一介质，入射到Z1和Z2的交界面。 然后通过声阻抗为Z2的第

14、二介质薄层射到Z2和Z3界面，最后进入声阻抗为Z3的第三介质等。 在有三层介质时，很多情况是： 第一介质和第三介质为同一种介质。,a)钢-水入射 b)水-钢入射,注意： 1、超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与单一的平界面不同， 2、当异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在薄层两侧界面，引起多次反射和透射，形成一系列的反射和透射波。 3、当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时，薄层两侧的各次反射波、透射波就会互相干涉。 4、由于上述原因，声压反射率和透射率的计算比较复杂。,一般说来： 超声波通过异质薄层时： 声压反射率和透射率，不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波长之比(

15、 )有关。,(1)、当一、三介质为同一介质时，对均匀介质中的异质薄层有如下规律性： （反射） 2-21 （透射） 2-22,式中：d2-异质薄层的厚度， -异质薄层的波长， -两种介质的声阻抗之比， 由公式(2-21)(2-22)可知： 当 时(n为正整数)， 。 当 时(n为正整数)，r最高， 。 当 时，即 时，则薄层厚度愈小，透射率愈大，反射率愈小。,(2)、 ，即非均匀介质中的薄层有如下规律性： 例如：晶片保护薄膜工件，或晶片耦合剂工件等情况。 此时 声压往复透射率 为： （2-23）,由上式可知： 当 时(n为正整数)，则有： 即： 超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层， 若薄层厚度等于半波长的整数倍时，通过薄层的声压往复透射率与薄层的性质无关。,当 (n为正整数)，且 时， 则有： 上式表明： 超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层： 1、当 的奇数倍， Z2为 时，或 时，,其声压往复透射率等于1，此即为全透射的情况。 2、当 时，薄层愈薄，声压往复透射率愈大。,关于声阻抗,声阻抗Z表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。 指超声波在介质中传播时，任一点的声压p与该点速度振幅V之比。 定义式: 声阻抗 Z