1 一、超声波探伤物理基础1、超声波是一种机械波 机械振动：物体沿直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动称 为机械振动机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波；如水波、声 波、超声波等产生机械波的条件：（1）要有作机械振动的波源（2）要有能传播机械振动的弹性介质2、波长、波速、频率 1）波长：同一波线上相邻两振动相位相同的质点之间的距离， 符号2）波速：波动在弹性介质中单位时间内所传播的距离，符号C 3）频 率：波动过程中，任一给定点在1秒内能通过的完整波的个数，符 号f三者的关系：C= f 3、次声波、声波和超声波1）次声波：频率低于20Hz的机械波2）声波：频率在20〜20190Hz的机械波3）超声波：频率高于20 KHz的机械波4、超声波的特性1）方向性好， 犹如手电简灯光在黑暗中寻找到所需物品2）能量高3）能在界面 上产生反射折射和波型转换4）超声波穿透能力强5、超声波的类 型a、按质点的方向分类1）纵波：介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波2）横波：介质中质点的振动方向与波的传播方向垂直的波3）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4） 板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波 C、按波的形状分类1）平面波：波阵面为互相平行的平面的波2）柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波3）球面波：波阵面为同心球面的波6、声速 纵波：钢 5900 m/s 铝 6300 m/s 水 1500 m/s 有机玻璃 2700 m/s 空气340 m/s横波：只能在固体中传播 钢3200 m/s 铝3130 m/s 有机 玻璃1120 m/s表面波：声速大约为横波的0. 9倍，纵波的0. 45倍7、超声波垂 直入射到平面上的反射和透射当超声波垂直入射到足够大的光滑平 面时，将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 设入射波声压为P0， 反射声压为Pr , 透射声压为Pt , 其声压反射率r=Pr/P0=(z2-z1) / (z2+z1) 其声压透射率 t=Pt/ P0=2 z2/ (z2+z1)28、超声波斜射到平面上的反射与折射波型转换：当超声波倾斜入射到异质界面时，除了产生与入射波同类型的 反射波和折射波外，还会产生与入射波不同类型的反射波和折射波， 称为波型转换，波型转换只可能在固体中产生。
第一临界角：超声波纵波倾斜入射到异质界面上，若第二介质纵波波速CL2 大于第一介质纵波波速CL1，即CL2〉CL1，则纵波折射角L，即 L〉 L，随着L增加，L也增加当L增加到一定程度时L=90，这时所对应的纵波入射角称为 第一临界角第二临界角：超声波纵波倾斜入射到异质界面上，若第二介质横波波速CS2 大于第二介质纵波波速CL1，即CS2〉CL1，则横波折射角S，即 S〉 L，随着L增加，L也增加当L增加到一定程度时S=90，这时所对应的纵波入射角称为 第二临界角第三临界角：超声波纵波倾斜入射到异质界面上，若第二介质中的横波波速 C，在第一介质中产生反射纵波和横波，由于在同一介质中纵波声 速CL恒大于横波声速CS1，所以纵波折射角恒大于纵波折射角，即 L〉S，随着S的增加L也增加，当S增加到一定角度时，L=90，这时横波入射角称为第三临界角第一，二临界角的物理意义：①当L< I时，第二介质中既有折射纵波也有折射横波②L=I〜II时，第二介质中只有折射横波③当L〉 I时，第二介 质中既无折射横波又无折射纵波例：有机玻璃中， 纵波声速CL1=2700 m/s，钢中纵波CL2=5900m/s， CS2=3230 m/s。
求此有机玻璃横波斜探头纵波入射角的范围？ 解：Sin I/CL1=Sin90 / CL2 Sin 1= CL11/ CL2=2700/5900Sin I=27. 6 Sin II/CL1=Sin90 / CS2 Sin 11= CL11/ CS2=2700/3230 Sin 11=57. 6 第三临界角的物理意义 当S I时第一介质中只存在反射横波，不存在反射纵波9、超声波的衰 减 主要包括扩散衰减、散射衰减和吸收衰减a、扩散衰减：由于波束的扩散引起的衰减随着传播距离的增加，波束截面越 来越大，单位上的能量逐渐减小b、散射衰减：声波传播过程中遇到声阻抗不同的异质界面，产生反射折射和 波型转换c、吸收衰减：超生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 的衰减当工件厚度x3N时，并具有平行底面或圆柱曲底面时x=【20 1og（F/2） -6】/2 x/mm （不考虑底面反射损失）10、 关于纵波发射声场（圆盘声源）圆盘声源轴线上声压分布：波源附近的轴线上声压上下起伏变化，存在着若干个极大极小 值，距波源的距离越近声压极大极小值的点就越密声学上把由于波的干涉在波源附近的轴线上产生一系列声压极 大极小值的区域称为超声波的近场区3近场区长度N=D（超声波是 有探头的电晶片（激波），发出的而这个波源可以看作是由许多发 射声波的子波源组成这些子波波源作同相位，同振幅振动，各自发 出球面子波，并相互叠加长生干涉使一些地方声强互相加强，另一 些地方互相减弱淤超声场的近场长度与波长成反比，与波源面积 成正比超声波频率越高，波长越短超声场的近场长度就越长由于 近场区存在声压极大极小值，处于声压极大值处的较小缺陷可能回 波较高，而处于声压极小值处的较大缺陷可能回波较低，因此超声 波探伤总是尽量避免在近场区定量。
波束半径扩散角=arc sin1. 22 /D70 /D未扩散区与扩散区（未 扩散区用b表示） 当xb=1. 64N，波束可视为直径为D的圆柱 体，波阵面近似于平面，波束并不扩散，因此，这一区域内声场 可视为平面波声场平均声压基本不变，实际探伤中薄板或块状工件 前几次底波高度相差无几就是这个原因X〉b区域内，波束开始扩散，称为扩散区这时主波束可视 为底波直径为D的截头圆锥体， 当x〉3N时，波束按环面波规 律开始扩散11、规则反射体的回波声压（条件x3N） a、平 底孔的回波声压：PC= PxF0/ x=POFF e/PC：平底孔回波声压PO :晶片起好声压F :晶片的面积FC：平底孔面积C :平底孔直径：波长 x压：平底孔至波源的距离b、长横孔的回波声压:PC二 POF/ x (C /8x)C、球孔的回波声球孔直径用举例:PC二 POF/ x d/4xd、大平底回波用2.5MHC 14mm的直探头，锻件，探伤灵敏度为C 3（平底孔当量），d：PB= POFD/2 x 应探测厚度为350mm的问如何用STB GV答:PC2二PO/FDFC2二 PO FDFC2/ PC3=PO/FDFC3二 PO FDFC3/ dB=20 log 10 （PC3/ PC2） =20 log 10【（FC3/ FC2） x=40 log 103150/2350=-7. 8dB 所以应提高 7.8 dB 二、仪器、探头 1、 超声波探伤仪概述2/4 2x2 1/2 -2调节仪器的探伤灵敏度？ 2x2x2C2 2C3 2C2/ x2C3】=40 log 10【（FC3/ FC2） xC2/ xC3】 4①作用：超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，作用是产生振荡并加 于换能器探头，激励探头发射超声波同时将探头送回来的电信号进行 放大通过一定方式显示出来从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷 位置和大小等信息2、仪器分类①按超声波的连续性分类分为A、 脉冲波探伤仪B、连续波探伤仪C、调频波探伤仪。
A、脉冲波探伤仪：仪器通过探头向工件周期性的发射不连续且周期不变的超声波， 根据超声波的传播时间及中度判断工件中的缺陷位置和大小这是目前应用最广泛的探伤仪B、连续波探伤仪：仪器通过探头向工件中发射连续且频率不变的超声波，根据透 过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小C、调频波探伤仪：仪器通过探头向工件中发射连续的频率周期性变化的超声波， 根据发射波和反射波的差频变化情况判断工件中有无缺陷②按缺陷显示方式分类：A型显示探伤仪：是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间， 纵坐标代反射波的幅度B型显示探伤仪：是一种图形显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表 探头的扫查轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表波的传播时间，因而 可以直观的显示出被探工件横-纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度C型显示探伤仪：也是一种图形显示，探伤仪荧光屏的横坐标与纵坐标都是靠机 械扫描来代表探头在工件表面的位置，当探头在工件表面移动时荧 光屏便显示出工件内部缺陷的平面图像边能显示其深度A型脉冲探伤仪几个主要组成部分：同步电路、扫描电路、发射电路、接受电路、显示电路和电 源电路3探头的作用和原理作用：将电能转换成超生能和将超生能转换成电能（产生超生波、接 受超声波） 压电效应：某些晶体受到压力或拉力产生形变时，在晶体的界面上出现电 荷的现象叫正压电效应。
而在电场的作用下，晶体发生弹性形变的现象叫逆压电效应， 正、逆压电效应统称为压电效应逆压电效应产生超声波，正压电效应接受超声波压电晶体的主要性能参数a、压电应变常数d33压电应变常 数表示单位电压产生的形变大小若施加一定电压ua，使高度变化^tr，贝lj：d33=Ata/ua （米/伏） 它反映晶体的逆压电性能，它关系着 晶片的发射灵敏度，d33大，晶体发射性能好，制作单发射超声 波探头，应选用d33较大的压电晶片b、压电电压常数g33压电 电压常数表示单位压力产生的相对形变电压的大小，若施加应力为 p,晶体产生的电压为up，则g33=up/p （伏米/牛顿） 压电电压 常数反映压电晶体的正压电特性，它关系着晶片的接受灵敏度，因 此也称压电接受系数；g33大晶片接受性能好，接受到微弱的超声 波信号就可以产生较高的电压，制作高接的超声波探头，应选用 g33较大的压电晶片A型脉冲反射式超声波探伤仪的工作过程：同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路，扫描 电路受触发开始工作，产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平偏转 板，使电子束发生水平偏转在荧光屏上产生一条水平扫描线与此同时，发射电路受触发产生高频脉冲，加至探头，激励 压电晶片振动，在工件中产生超声波。
超声波在工件中传播，遇到缺陷或底面发生发射，返回探头时， 又被压电晶片转变为电信号，经接受电路放大和检波，加至示波管 垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，5在水平扫描线的相应位 置上，产生缺陷或底波根据缺陷波的位置可以确定缺陷的埋藏深度，根据缺陷波的幅度 可以估算缺陷的当量大小同步电路：又称触发电路，它每秒产生数十至千个脉冲，用来触发探伤仪 其它电路（扫描电路、发射电路等），使之步调一致，有条不紊的 工作扫描电路：又称时基电路，用来产生锯齿波电压，加在示波管水平偏转板 上，使示波管荧光屏上的光点沿水平方向作等速移动，产生一条水 平扫描线（即时基线），（深度粗调、微调、扫描延迟，都是扫描 电路的控制旋钮）发射电路：利用闸流管或可控硅的开关，它产生几百伏至上千伏的电脉冲电脉冲加于发射探头，激励压电晶片振动，使之发射超声波接受电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器组成， 它将来自探头的电信号进行放大、检波，最后加至示波器的垂直偏 转板上，并在荧光屏上显示C、 机电耦合系数k从能量观点出发，压电效应是一种电能 和机械能相互转化的效应，机械能和电能之间耦合强弱用机电耦合 系数k表。