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1、超 声 检 测机电工程学院 石端虎8/14/20241定义及特点定义及特点n定义定义n物体中的传播、反射和衰减物体中的传播、反射和衰减n最重要的检验技术之一最重要的检验技术之一n优点：灵敏度高、设备轻巧、操作方便、检测优点：灵敏度高、设备轻巧、操作方便、检测速度快、成本低、无害、易于实现自动化速度快、成本低、无害、易于实现自动化n缺点：缺陷定性、定量困难，一般无检测记录，缺点：缺陷定性、定量困难，一般无检测记录，受人的影响因素较大。受人的影响因素较大。n发展：超声成象、自动检测技术，计算机信号发展：超声成象、自动检测技术，计算机信号处理与分析识别技术处理与分析识别技术8/14/20242超声检
2、测基本概念基本概念n机械振动（波动）机械振动（波动）n波动波动n波动的特点波动的特点n机械波（水波、声波、超声波）机械波（水波、声波、超声波）n次声波次声波 20Hz 20KHz 20KHzn无损检测无损检测 1 15MHz5MHzn产生机械波的条件产生机械波的条件n要有作机械振动的波源要有作机械振动的波源n要有能传播机械振动的弹性介质要有能传播机械振动的弹性介质8/14/20243超声检测波面波前波线球面波平面波基本概念基本概念8/14/20244超声检测基本概念基本概念n波长波长 ：同一波线上相邻两振动：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离相位相同的质点间的距离n频率频率f f： 波
3、动过程中任一给定点波动过程中任一给定点在一秒钟内所通过的完整的波的在一秒钟内所通过的完整的波的个数个数n波速波速c c： 波动在弹性介质中单位波动在弹性介质中单位时间内所传播的距离时间内所传播的距离8/14/20245超声检测n波的迭加n干涉n振幅、频率、周期不同（复杂）n频率、振动方向相通、相位相同或相位差恒定（简单）n驻波n一种迭加（频率相同、方向相反）n惠更斯原理基本概念基本概念8/14/20246超声检测波的叠加8/14/20247超声检测波的干涉8/14/20248超声检测驻波8/14/20249超声检测惠更斯原理8/14/202410超声检测超声波的产生与接收超声波的产生与接收n超
4、声波的产生超声波的产生n压电效应压电效应n正压电效应正压电效应 n逆压电效应逆压电效应 超声检测基础超声检测基础8/14/202411超声检测超声波探头的组成超声波探头的组成n晶晶片片：钛钛酸酸钡钡、钛酸铅等钛酸铅等n吸吸收收块块：吸吸收收杂杂波波，阻阻尼尼停停振振作作用用n电电感感：提提高高发发射射效率效率n保保护护膜膜：软软膜膜、硬模硬模超声检测基础超声检测基础8/14/202412超声检测超声波检测的基础超声波检测的基础n超声波的发射与接收高频电压探头耦合超声发射异质界面反射回波探头信号超声检测基础超声检测基础8/14/202413超声检测超声波的波型与声学参数超声波的波型与声学参数n超
5、声波的波型超声波的波型n纵波纵波L Ln定义定义波的传播方向与质点振动方向相一致的振动波波的传播方向与质点振动方向相一致的振动波n在固体、液体和气体中传播在固体、液体和气体中传播n产生和接收比较容易产生和接收比较容易 超声检测基础超声检测基础8/14/202414超声检测超声波的波型与声学参数超声波的波型与声学参数n横波横波S Sn定定义义：质质点点的的振振动动方方向向垂垂直直于于波波的的传传播播方方向向的振动波的振动波n只能在固体中传播只能在固体中传播n靠波型转换才能得到横波靠波型转换才能得到横波 超声检测基础超声检测基础8/14/202415超声检测超声波的波型与声学参数超声波的波型与声学
6、参数n表面波表面波R R（瑞利波）（瑞利波）n定定义义：介介质质表表面面作作椭椭圆圆运运动动，椭椭圆圆的的长长轴轴垂垂直直于于波波的的传传播播方方向向，短轴平行于波的传播方向，是纵波与横波的合成短轴平行于波的传播方向，是纵波与横波的合成n只能在固体中产生只能在固体中产生n传播的深度与介质的泊松比有关传播的深度与介质的泊松比有关n由波型转换产生由波型转换产生n只能发现工件表面缺陷只能发现工件表面缺陷 超声检测基础超声检测基础8/14/202416超声检测超声波的波型与声学参数超声波的波型与声学参数n兰姆波（板波）兰姆波（板波）n定定义义：只只产产生生在在一一定定厚厚度度的的薄薄板板内内，在在板板
7、的的两两表表面面和和中中部部都都有有质质点点的的振振动动，声声场场遍遍及及整整个个板板的厚度。的厚度。n对对称称型型两两表表面面质质点点振振动相位相相反动相位相相反n非非对对称称型型两两表表面面质质点点振动相位相相同振动相位相相同 超声检测基础超声检测基础8/14/202417超声检测超声波的波型与声学参数超声波的波型与声学参数n声声压压P P：在在有有声声波波传传播播的的介介质质中中，某某一一点点在在某某一一瞬瞬间间所所具具有有的的压压强强与与没没声声波波存存在在时时该该点点的的静静压压强强P Po o之差，称为声压之差，称为声压n P = P P = P1 1P Po o, P = , P
8、 = cu cu ：介质密度：介质密度; ; c c：介介质质中的声速中的声速; u; u：质点振动速度：质点振动速度n声声强强I: I: 在在垂垂直直声声波波传传播播方方向向，单单位位面面积积上上在在单单位时间内所通过的声能量：位时间内所通过的声能量：n I=P I=P2 2/2/2 c c 超声检测基础超声检测基础8/14/202418超声检测超声波的波型与声学参数超声波的波型与声学参数n声声阻阻抗抗Z Z：介介质质中中某某一一点点的的声声压压与与该该处处质质点点振振动速度的比。动速度的比。nZ=P/u = cZ=P/u = c n声声速速c c：声声波波在在介介质质中中传传播播的的速速度
9、度，取取决决于于介介质的密度和弹性性质质的密度和弹性性质nE E杨杨氏氏弹弹性性模模量量； 泊泊松松比比； 介介质质密密度度超声检测的基础超声检测的基础8/14/202419超声检测超声波的波型与声学参数超声波的波型与声学参数n 分分贝贝：电电声声学学中中计计算算声声压压比比、声声强强比比、电压比、电流比、功率比所用的单位。电压比、电流比、功率比所用的单位。 20lgP1/P2 (dB)n回波的高度回波的高度 声压声压 20lgH1/H2 (dB)n声强与声压的平方成正比声强与声压的平方成正比 10lgI1/I2 (dB)超声检测基础超声检测基础8/14/202420超声检测超声波的声场特性超
10、声波的声场特性n半扩散角半扩散角 ： arcsin1.22 arcsin1.22 /D /D n近场区长度近场区长度N N：N=DN=D2 2/4/4 n未扩散区未扩散区b b：b b 1.64N 1.64N 超声检测基础超声检测基础8/14/202421超声检测超声波的声场特性超声波的声场特性超声检测基础超声检测基础8/14/202422超声检测D/=6D/=6.7超声波的声场特性超声波的声场特性超声检测基础超声检测基础8/14/202423超声检测超声波的声场特性超声波的声场特性超声检测基础超声检测基础8/14/202424超声检测超声波的特点超声波的特点 n具有良好的指向性具有良好的指向
11、性n直线性直线性n直直线线传传播播（类类似似于于光光波波）符符合合光光学学定定律律n声速为常数（固定介质）声速为常数（固定介质）n由传播时间可求得传播距离由传播时间可求得传播距离 t t n束射性（定向辐射）束射性（定向辐射）n能在弹性介质中传播能在弹性介质中传播 n真空真空n空气可视为真空空气可视为真空 超声检测基础超声检测基础8/14/202425超声检测超声波的特点超声波的特点例例 参数：参数：频率频率 f=5MHz, f=5MHz, 声速声速 C CFeFe=5950m/s, =5950m/s, 探头直径探头直径 D=20mm D=20mm。计算：计算： C/f = 5950/5=1.
12、19mmC/f = 5950/5=1.19mm N=D N=D2 2/4/4 =20=202 2/(4/(4 1.19)=84mm1.19)=84mm =arcsin 1.22 =arcsin 1.22 1.19/20 = 4.16 1.19/20 = 4.16 * * 与与N N的关系的关系 超声检测基础超声检测基础8/14/202426超声检测超声波的界面行为超声波的界面行为 n讨论条件：讨论条件：C有2700m/s, C钢5950m/s, C气0n几何光学定律：几何光学定律：超声检测基础超声检测基础8/14/202427超声检测垂直入射垂直入射（部分透射（部分透射, ,部分反射部分反射,
13、 ,无折射无折射) ) n声压反射系数声压反射系数r = Pr/Pi = (Z2-Z1)/(Z2+Z1) n声压透射系数声压透射系数 = P/Pi = 2Z2/(Z1+Z2) = 1+r PiPPrZ1=1C1Z2=2C2超声检测基础超声检测基础8/14/202428超声检测IIIn ： 入射角入射角n ：反射角：反射角n ： 折射折射角角n斜入射斜入射超声检测基础超声检测基础8/14/202429超声检测IIIssnCL1=CL1n = L1n入射角反射角 （同介质中）nCL2 CL1n Ln又CS2 CL2nS CL1, 则 , n当 90度，第第二二介介质质中中只只有有横横波波，这这种现
14、象称为纵波全反射种现象称为纵波全反射。超声检测基础超声检测基础8/14/202432超声检测n临界角和横波产生方法临界角和横波产生方法 n = 90 = 90度时的入射角度时的入射角 称为第一临界角称为第一临界角 1m1m; ;n S S = 90 = 90度时的入射角度时的入射角 称为第二临界角称为第二临界角 2m2m; ;n横波产生横波产生n取取 1m1m 2m2m 超声检测基础超声检测基础8/14/202433超声检测Water 1480m/s声透镜2700m/s超声波在弯曲界面的反射、折射超声波在弯曲界面的反射、折射超声检测基础超声检测基础8/14/202434超声检测超声波在弯曲界面
15、的反射、折射超声波在弯曲界面的反射、折射 超声检测基础超声检测基础平面波入射弯曲界面时的透镜作用8/14/202435超声检测波的绕射及衰减波的绕射及衰减 n超声波的绕射 n定义：波在传播过程中遇到障碍物时，能绕过定义：波在传播过程中遇到障碍物时，能绕过障碍物的边缘继续前进的现象，称为波的绕射。障碍物的边缘继续前进的现象，称为波的绕射。（波的重要特征之一）（波的重要特征之一）n绕绕射射现现象象：其其本本领领取取决决于于障障碍碍物物的的尺尺寸寸D Df f和和波波长长 的相对大小。的相对大小。Df 只反射，无绕射Df 既反射有绕射 超声检测基础超声检测基础8/14/202436超声检测波的绕射及
16、衰减波的绕射及衰减n最小缺陷的尺寸约为最小缺陷的尺寸约为 /2/2n同频率时，横波灵敏度同频率时，横波灵敏度 纵波灵敏度纵波灵敏度n探头频率选择问题探头频率选择问题超声检测基础超声检测基础8/14/202437超声检测超声衰减超声衰减n超声波的衰减超声波的衰减n超超声声波波在在通通过过介介质质后后，其其强强度度发发生生减减弱弱，这这种现象称为。种现象称为。 n原因原因n晶晶界界反反射射：折折射射、反反射、波型转换射、波型转换n吸吸收收：声声源源激激发发产产生生的的晶晶粒粒间间的的摩摩擦擦，吸吸收能量收能量n扩扩散散：传传播播张张角角使使得得单位面积能量减弱单位面积能量减弱 超声检测基础超声检测
17、基础8/14/202438超声检测超声衰减超声衰减n衰减公式：J = Joe-2snJo 入射强度ns 距离n衰减系数n的影响因素：nf（频率）n晶粒度（不锈钢的探伤问题）n各向异性系数F 超声检测基础超声检测基础8/14/202439超声检测超声波检测原理超声波检测原理 n发射超声波发射超声波n传播传播n异质界面异质界面n回波回波n接收接收n放大显示放大显示n始波、伤波、始波、伤波、底波底波超声检测原理与设备超声检测原理与设备8/14/202440超声检测几种扫描方式几种扫描方式 nA A扫描扫描 ( (点）点）nB B扫描扫描 （线）（线）nC C扫描扫描 （面）（面）超声检测原理与设备超
18、声检测原理与设备8/14/202441超声检测超声波检测设备超声波检测设备 n超声波检测仪超声波检测仪n主要电路：主要电路：同同步步电电路路, ,扫扫描描电电路路, ,发发射射电电路路, ,接接收收电电 路路, ,显示电路显示电路, ,辅助电路辅助电路n其他电路：其他电路：DACDAC电电路路：距距离离（深深度度）补补偿偿电电路路, ,闸闸门电路门电路, ,抑制电路抑制电路超声检测原理与设备超声检测原理与设备8/14/202442超声检测超声波检测仪组成超声波检测仪组成8/14/202443超声检测典型设备典型设备超声检测原理与设备超声检测原理与设备8/14/202444超声检测 超声波探头超
19、声波探头 n直探头结构与参数直探头结构与参数 n发射，接收纵波发射，接收纵波n晶片直径，探头频率晶片直径，探头频率 超声检测原理与设备超声检测原理与设备8/14/202445超声检测超声波探头超声波探头n斜探头结构与参数斜探头结构与参数n发射接收横波发射接收横波n晶片直径，探头频率，晶片直径，探头频率，折射角（斜率）折射角（斜率）超声检测原理与设备超声检测原理与设备8/14/202446超声检测 超声波探头超声波探头 超声检测原理与设备超声检测原理与设备8/14/202447超声检测超声波探头超声波探头n聚焦探头结构与参数聚焦探头结构与参数n原原理理：利利用用不不同同介介质质的的界界面面上上产
20、产生生折折射射的的原原理理制制成成。（聚焦透镜，声学透镜）（聚焦透镜，声学透镜）n结构型式：球面镜点焦结构型式：球面镜点焦n柱面镜线焦柱面镜线焦n应应用用：高高精精度度、高高分分辨辨率率检检测，扫描检测等测，扫描检测等n参数：晶片直径，探头频率，参数：晶片直径，探头频率，透镜曲率，焦距，焦柱直径透镜曲率，焦距，焦柱直径等等 超声检测原理与设备超声检测原理与设备8/14/202448超声检测标准试块标准试块 超声检测超声检测超声检测原理与设备超声检测原理与设备8/14/202449超声检测检测的方式与耦合检测的方式与耦合n检测方式检测方式单单收收单单发发2 2个个探探头头，（穿穿透式探伤，串列式
21、探伤）透式探伤，串列式探伤）单单收收发发1 1个个探探头头（反反射射式式检测）检测）双双收收发发二二个个探探头头（各各自自发发、收）收）n耦合方式耦合方式直直接接接接触触式式机机油油、甘甘油油、水玻璃、工业浆糊等水玻璃、工业浆糊等浸液式局部：喷水浸液式局部：喷水 全部：水浸全部：水浸槽槽 直接接触法超声波检测直接接触法超声波检测8/14/202450超声检测8/14/202451超声检测常用检测方法常用检测方法 n垂直入射垂直入射( (纵波纵波) ) n应应用用：缺缺陷陷与与探探测测面面平平行行的的厚厚件件检检测测如如钢钢板板，轴轴类类，铸铸锻件等锻件等n特点：一般有特点：一般有底波底波 直接
22、接触法超声波检测直接接触法超声波检测8/14/202452超声检测检测方法检测方法直接接触法超声波检测直接接触法超声波检测8/14/202453超声检测检测方法检测方法n斜入射（横波）斜入射（横波）n应用：缺陷与探测面应用：缺陷与探测面成一定角度的焊缝检成一定角度的焊缝检测或其他部件检测测或其他部件检测n特点：一般无底波特点：一般无底波 直接接触法超声波检测直接接触法超声波检测8/14/202454超声检测检测方法检测方法直接接触法超声波检测直接接触法超声波检测8/14/202455超声检测检测条件选择检测条件选择 n检验等级nGB1145-89A, B, C 三级 n普通钢结构n压力容器、管
23、道 n核容器直接接触法超声波检测直接接触法超声波检测8/14/202456超声检测检测工艺检测工艺n高等级检测高等级检测n多探头多探头n多探伤面多探伤面n探伤侧（如焊缝探伤侧（如焊缝两侧）两侧）n母材是否检测母材是否检测直接接触法超声波检测直接接触法超声波检测8/14/202457超声检测检测工艺检测工艺n探伤灵敏度选择探伤灵敏度选择n定定义义：在在确确定定的的探探测测范范围围内内的的最最大大声程处发现规定大的缺陷的能力声程处发现规定大的缺陷的能力n100mm100mm处，发现处，发现 2 2平底孔平底孔n灵灵敏敏度度越越高高，发发现现缺缺陷陷能能力力越越强强，但过高噪声增加但过高噪声增加 直
24、接接触法超声波检测直接接触法超声波检测8/14/202458超声检测探头选择探头选择n探头型式探头型式n直探头直探头n斜探头斜探头n聚焦探头等（探测部位）聚焦探头等（探测部位）n晶片直径晶片直径n大直径大直径n小直径（近场区长度）小直径（近场区长度）直接接触法超声波检测直接接触法超声波检测8/14/202459超声检测探头选择探头选择n频率频率 扩散角、近场区长度、穿透深度、分辨力扩散角、近场区长度、穿透深度、分辨力n高频高频n低频低频n入射角入射角 缺陷取向缺陷取向n大角度大角度n小角度小角度n频带频带 回波频谱回波频谱n普通普通n窄脉冲窄脉冲直接接触法超声波检测直接接触法超声波检测8/14
25、/202460超声检测扫描方式扫描方式直接接触法超声波检测直接接触法超声波检测8/14/202461超声检测直探头定位直探头定位nh h伤伤H H工工件件 ( ( S S伤伤屏屏/S/S底屏底屏) )n扫描速度调节扫描速度调节1: n, h1: n, hf f = n = n f fh hf f : : 缺陷深度；缺陷深度； n n：比例；：比例； f f ： 屏幕刻度屏幕刻度 缺陷定位与判别缺陷定位与判别hHS伤S底8/14/202462超声检测斜探头定位斜探头定位缺陷定位与判别缺陷定位与判别8/14/202463超声检测斜探头定位斜探头定位n探头与仪器预调整探头与仪器预调整n入射点调整入射
26、点调整n零位调整零位调整( (必要性必要性) ) 方法方法 1) 1)横通孔横通孔 2)2)利利用用板板的的 端端角角反反射射缺陷定位与判别缺陷定位与判别8/14/202464超声检测斜探头定位斜探头定位缺陷定位与判别缺陷定位与判别8/14/202465超声检测斜探头定位斜探头定位n声程标定声程标定n水平位置标定（投影位置）水平位置标定（投影位置）n深度位置标定深度位置标定缺陷定位与判别缺陷定位与判别8/14/202466超声检测斜探头定位斜探头定位n比例调整：比例调整：1: n1: nn声程调整：按深度、按水平距离声程调整：按深度、按水平距离 方法：方法：n利用利用R100R100、R50R
27、50圆圆n利用端角反射利用端角反射n利用专用试块（横通孔）利用专用试块（横通孔） 缺陷定位与判别缺陷定位与判别8/14/202467超声检测斜探头定位斜探头定位n多次反射波处理多次反射波处理n一次波一次波简单三角计算简单三角计算n二次波二次波利用延长线计算利用延长线计算 缺陷定位与判别缺陷定位与判别8/14/202468超声检测缺陷大小的判别缺陷大小的判别n 当量高度法当量高度法应用：缺陷反射面应用：缺陷反射面 声束声束n 脉冲消失法脉冲消失法n应用：回波变化大的情况应用：回波变化大的情况 缺陷定位与判别缺陷定位与判别8/14/202469超声检测8/14/202470超声检测缺陷性质的判别缺
28、陷性质的判别n工况、材料、加工工艺等工况、材料、加工工艺等n缺陷的大小、方向、位置缺陷的大小、方向、位置n波形特征识别法波形特征识别法n回波上升速度回波上升速度n波根宽度波根宽度n波形包络波形包络n回波下降速度回波下降速度 缺陷定位与判别缺陷定位与判别8/14/202471超声检测超声检测应用超声检测应用1 18/14/202472超声检测超声检测应用超声检测应用2 28/14/202473超声检测B B扫描成像扫描成像n探头移动方式探头移动方式n扫描结果扫描结果n应用应用超声成像超声成像8/14/202474超声检测 C C扫描成像扫描成像扫描方式扫描方式超声成像超声成像8/14/202475超声检测C C扫描检测系统框图扫描检测系统框图扫描机构探头试件计算机控制器探伤仪检测系统检测系统超声成像超声成像8/14/202476超声检测C C扫描检测系统扫描检测系统超声成像超声成像8/14/202477超声检测C C扫描检测图像扫描检测图像超声成像超声成像8/14/202478超声检测8/14/202479超声检测8/14/202480超声检测8/14/202481超声检测8/14/202482超声检测
