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1、超声波探伤超声波探伤1.第一章第一章 超声波检测的物理基础超声波检测的物理基础n n一、波动一、波动n n(一一)振动与波振动与波n n物体或质点在某一平衡位置附近作往复运物体或质点在某一平衡位置附近作往复运动，这种运动状态就叫做机械振动，简称动，这种运动状态就叫做机械振动，简称振动。如果物体或质点作周期性直线振动，振动。如果物体或质点作周期性直线振动，它离开平衡位置的距离与时间可以用正弦它离开平衡位置的距离与时间可以用正弦或余弦函数表示，称为简谐振动。或余弦函数表示，称为简谐振动。n n这是最基本最重要的周期性直线振动。这是最基本最重要的周期性直线振动。2.n n例如钟摆的运动，弹簧振子的运
2、动，以例如钟摆的运动，弹簧振子的运动，以及弦线和一切发声体的运动等。振动和及弦线和一切发声体的运动等。振动和波动是物质的基本运动状态。振动的类波动是物质的基本运动状态。振动的类型很多，除了简谐振动外，还有固有振型很多，除了简谐振动外，还有固有振动、受迫振动、阻尼振动等，这些振动动、受迫振动、阻尼振动等，这些振动都是较为复杂的振动，但基础是简谐振都是较为复杂的振动，但基础是简谐振动，复杂振动可以通过傅利叶分析的方动，复杂振动可以通过傅利叶分析的方法分解为多个简谐振动。所以，在超声法分解为多个简谐振动。所以，在超声检测中，进行有关振动的分析时，常用检测中，进行有关振动的分析时，常用弹簧振子弹簧振子
3、Q作为基本分析模型。作为基本分析模型。3.n n弹簧振子受力振动后，振子弹簧振子受力振动后，振子弹簧振子受力振动后，振子弹簧振子受力振动后，振子Q Q Q Q离开平衡位置位移量离开平衡位置位移量离开平衡位置位移量离开平衡位置位移量X X X X随时间随时间随时间随时间t t t t的变化规律可由下列余弦函数（或正弦函数）描述：的变化规律可由下列余弦函数（或正弦函数）描述：的变化规律可由下列余弦函数（或正弦函数）描述：的变化规律可由下列余弦函数（或正弦函数）描述： n n X=AcosX=Acos（2 2t/T+t/T+） n n或或或或 X=Acos (t+)=Asin (t+ /2) X=A
4、cos (t+)=Asin (t+ /2) （1-21-21-21-2） n n式中，式中，式中，式中，X X X X为为为为t t t t时刻振子时刻振子时刻振子时刻振子Q Q Q Q离开平衡位置的距离；离开平衡位置的距离；离开平衡位置的距离；离开平衡位置的距离；n nA A A A为振幅，表示振子为振幅，表示振子为振幅，表示振子为振幅，表示振子Q Q Q Q在振动过程中的最大位移量；在振动过程中的最大位移量；在振动过程中的最大位移量；在振动过程中的最大位移量；n nT T T T为周期，振子为周期，振子为周期，振子为周期，振子Q Q Q Q在平衡位置附近振动一次所需要的时间；在平衡位置附近
5、振动一次所需要的时间；在平衡位置附近振动一次所需要的时间；在平衡位置附近振动一次所需要的时间；n nf f f f为频率，单位时间内振子为频率，单位时间内振子为频率，单位时间内振子为频率，单位时间内振子Q Q Q Q振动次数，与周期互为倒数，振动次数，与周期互为倒数，振动次数，与周期互为倒数，振动次数，与周期互为倒数，即即即即f=1/Tf=1/Tf=1/Tf=1/T。赫兹（。赫兹（。赫兹（。赫兹（HzHzHzHz）单位为每秒振动一次）单位为每秒振动一次）单位为每秒振动一次）单位为每秒振动一次1 1 1 1兆赫为兆赫为兆赫为兆赫为1MHz1MHz1MHz1MHz；n n（t+t+) ) ) )为
6、相位角，振子为相位角，振子为相位角，振子为相位角，振子Q Q Q Q在振动过程中某一瞬间（在振动过程中某一瞬间（在振动过程中某一瞬间（在振动过程中某一瞬间（t t t t时刻）时刻）时刻）时刻）所处的位置。在所处的位置。在所处的位置。在所处的位置。在t=0t=0t=0t=0时刻的相位角，称为初始相位；时刻的相位角，称为初始相位；时刻的相位角，称为初始相位；时刻的相位角，称为初始相位；n n 为圆频率，为圆频率，为圆频率，为圆频率，表示在秒内的振动周期数表示在秒内的振动周期数表示在秒内的振动周期数表示在秒内的振动周期数? ? ? ? ( ( ( (每振动一次时间为每振动一次时间为每振动一次时间为
7、每振动一次时间为360360360360度度度度) ) ) )。n n 振幅振幅振幅振幅A A A A、周期、周期、周期、周期T T T T、频率、频率、频率、频率f f f f和相位角（和相位角（和相位角（和相位角（t+t+）是描述简谐）是描述简谐）是描述简谐）是描述简谐振动的基本物理参数。振动的基本物理参数。振动的基本物理参数。振动的基本物理参数。4.(二二)波动波动n n波动简称波，它是振动或振荡在物体或空波动简称波，它是振动或振荡在物体或空间中的传播；振动是产生波动的根源。间中的传播；振动是产生波动的根源。n n波动是振动的结果，是物质的基本运动形波动是振动的结果，是物质的基本运动形式
8、之一。式之一。n n波动可分称两大类，一类是机械波，另一波动可分称两大类，一类是机械波，另一类是电磁波。类是电磁波。n n两者有很大的本质区别，不可混淆两者有很大的本质区别，不可混淆。5.区别区别n n机械波是机械振动在机械波是机械振动在弹性介质弹性介质中引起中引起的波动过程。例如水波、声波、超声的波动过程。例如水波、声波、超声波等。波等。n n电磁波则是电磁振荡所产生的变化电电磁波则是电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在场和变化磁场在物体中或空间物体中或空间(如真空如真空)的传播过程，如无线电波、红外线、的传播过程，如无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线等。可见光、紫外线、伦琴射线等。
9、6.1、机械波动的条件、机械波动的条件n n机械波的产生除了需要振动波源，还必须有传播机械波的产生除了需要振动波源，还必须有传播机械波的产生除了需要振动波源，还必须有传播机械波的产生除了需要振动波源，还必须有传播波动的弹性介质。弹性介质是相互间由弹性力连波动的弹性介质。弹性介质是相互间由弹性力连波动的弹性介质。弹性介质是相互间由弹性力连波动的弹性介质。弹性介质是相互间由弹性力连系着的质点所组成的物质，例如超声检测的大量系着的质点所组成的物质，例如超声检测的大量系着的质点所组成的物质，例如超声检测的大量系着的质点所组成的物质，例如超声检测的大量金属及非金属固体工件，自然界中的其他液体和金属及非金
10、属固体工件，自然界中的其他液体和金属及非金属固体工件，自然界中的其他液体和金属及非金属固体工件，自然界中的其他液体和大多数气体等。质点通过相互间弹性联系，就可大多数气体等。质点通过相互间弹性联系，就可大多数气体等。质点通过相互间弹性联系，就可大多数气体等。质点通过相互间弹性联系，就可将振动能传输到足够远，这就是波动过程。将振动能传输到足够远，这就是波动过程。将振动能传输到足够远，这就是波动过程。将振动能传输到足够远，这就是波动过程。n n超声波声波归属于机械振动范畴。因此，产生超超声波声波归属于机械振动范畴。因此，产生超超声波声波归属于机械振动范畴。因此，产生超超声波声波归属于机械振动范畴。因
11、此，产生超声波的声波的声波的声波的条件条件条件条件：(1)(1)要有产生高频机械振动的声源；要有产生高频机械振动的声源；要有产生高频机械振动的声源；要有产生高频机械振动的声源； n n (2) (2)要有传播超声波的弹性介质。要有传播超声波的弹性介质。要有传播超声波的弹性介质。要有传播超声波的弹性介质。7.2、波动方程、波动方程n n描述介质中质点相对于平衡位置的位移随时间变化的方程描述介质中质点相对于平衡位置的位移随时间变化的方程描述介质中质点相对于平衡位置的位移随时间变化的方程描述介质中质点相对于平衡位置的位移随时间变化的方程称为行波的波动方程。波动方程式称为行波的波动方程。波动方程式称为
12、行波的波动方程。波动方程式称为行波的波动方程。波动方程式也可写成也可写成也可写成也可写成：n n y=Acos y=Acos（ t- kx t- kx） (1-3) (1-3)n n波动方程的物理意义：波动方程的物理意义：波动方程的物理意义：波动方程的物理意义：n n(1)(1)当距离当距离当距离当距离x x一定时，位移一定时，位移一定时，位移一定时，位移y y仅为时间仅为时间仅为时间仅为时间t t的函数。这时波动方的函数。这时波动方的函数。这时波动方的函数。这时波动方程表示程表示程表示程表示x x处振动情况；处振动情况；处振动情况；处振动情况；n n(2)(2)当时间当时间当时间当时间t t
13、一定时，位移一定时，位移一定时，位移一定时，位移y y是距离是距离是距离是距离x x的函数。这时波动方程的函数。这时波动方程的函数。这时波动方程的函数。这时波动方程表示某一时刻同一波线上各质点的位移情况；表示某一时刻同一波线上各质点的位移情况；表示某一时刻同一波线上各质点的位移情况；表示某一时刻同一波线上各质点的位移情况；n n(3)(3)当当当当t t和和和和x x都变化时，波动方程表示在任意时刻波线上任意都变化时，波动方程表示在任意时刻波线上任意都变化时，波动方程表示在任意时刻波线上任意都变化时，波动方程表示在任意时刻波线上任意一点的位移情况，一点的位移情况，一点的位移情况，一点的位移情况
14、，k= /ck= /c为波数，波速也称相位速度。为波数，波速也称相位速度。为波数，波速也称相位速度。为波数，波速也称相位速度。8.二、超声波的特性二、超声波的特性n n(一一)声波的种类声波的种类n n超声波是声波的一种，广泛地应用于无损超声波是声波的一种，广泛地应用于无损检测中。声波是在弹性介质中传播的机械检测中。声波是在弹性介质中传播的机械波，其种类按频率范围可以分为四类：波，其种类按频率范围可以分为四类：n n次声波频率在次声波频率在20Hz以下，人耳听不到；以下，人耳听不到；n n声波在声波在20Hz20KHz之间，人耳可闻；之间，人耳可闻； n n超声波超声波20KHz1000MHz
15、，人耳不可闻；，人耳不可闻； n n特超声波在特超声波在1000MHz以上，人耳不可闻。以上，人耳不可闻。 9.适用的频率适用的频率n n超声波探伤常用的频率为超声波探伤常用的频率为 0.25MHz15MHz。n n对金属材料一般频率为对金属材料一般频率为 0.510MHz。n n钢结构焊缝常用频率为钢结构焊缝常用频率为15MHz。n n陶瓷常用频率则为陶瓷常用频率则为2.2510MHz。n n对铸铁、非金属声衰减强烈的粗晶材料，对铸铁、非金属声衰减强烈的粗晶材料， 甚至采用甚至采用25KHz0.25MHz 的频率。的频率。10. (二二)超声波的特性之一超声波的特性之一n n1、束射特性束射
16、特性 n n因为超声波频率较高，波长较短，声束指因为超声波频率较高，波长较短，声束指向性较好，可使超声能量向一个确定的方向性较好，可使超声能量向一个确定的方向集中辐射，所以利用超声波可在被检工向集中辐射，所以利用超声波可在被检工件内部发现缺陷，又便于缺陷定位；件内部发现缺陷，又便于缺陷定位；11.超声波的特性之二超声波的特性之二n n2、反射特性反射特性 n n超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面时会产生反射、透射或折射，这些现象面时会产生反射、透射或折射，这些现象主要由入射角度和不同介质的声学特性决主要由入射角度和不同介质的声学特性决定。例如超声脉冲反射
17、法的基本原理就是定。例如超声脉冲反射法的基本原理就是利用超声波在缺陷与材料间异质界面的反利用超声波在缺陷与材料间异质界面的反射来发现缺陷的；射来发现缺陷的；12.超声波的特性之三超声波的特性之三n n3、传播特性传播特性 n n超声波在弹性介质中传播时，质点振动位超声波在弹性介质中传播时，质点振动位移小、振速高，强度与频率的平方成正比，移小、振速高，强度与频率的平方成正比，因此，其声压和声强远大于因此，其声压和声强远大于声波声波，使得超，使得超声检测具有很强的穿透能力。在大多数介声检测具有很强的穿透能力。在大多数介质中传输能量损失小，传播距离大，在一质中传输能量损失小，传播距离大，在一些金属材
18、料中检测范围可达数米；些金属材料中检测范围可达数米；13.超声波的特性之四超声波的特性之四n n4、波型转换特性波型转换特性 n n超声波超声波斜入射斜入射在两个声速不同的异质界面在两个声速不同的异质界面上容易实现波型转换。纵波、横波、板波、上容易实现波型转换。纵波、横波、板波、表面波都可以通过压电晶片产生的纵波在表面波都可以通过压电晶片产生的纵波在异质界面实现不同波型的转换。异质界面实现不同波型的转换。 横波探伤、表面波探伤就是利用这一转换横波探伤、表面波探伤就是利用这一转换特性的例示。还有反射和折射横波等。特性的例示。还有反射和折射横波等。 因此，波型转换的因此，波型转换的条件是斜入射条件
19、是斜入射。但是在。但是在钢钢/水界面，横波无波型转换。水界面，横波无波型转换。 14.三、超声波的波型三、超声波的波型n n( (一一一一) )纵波纵波纵波纵波L Ln n质点振动方向与波动传播方向相同或互相平行的质点振动方向与波动传播方向相同或互相平行的质点振动方向与波动传播方向相同或互相平行的质点振动方向与波动传播方向相同或互相平行的波型称为纵波。当弹性介质受到交替变化的拉伸、波型称为纵波。当弹性介质受到交替变化的拉伸、波型称为纵波。当弹性介质受到交替变化的拉伸、波型称为纵波。当弹性介质受到交替变化的拉伸、压缩应力作用时，就会产生交替变化的伸长和压压缩应力作用时，就会产生交替变化的伸长和压
20、压缩应力作用时，就会产生交替变化的伸长和压压缩应力作用时，就会产生交替变化的伸长和压缩形变，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又缩形变，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又缩形变，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又缩形变，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又作用于相邻的质点而在介质中传播，受力质点的作用于相邻的质点而在介质中传播，受力质点的作用于相邻的质点而在介质中传播，受力质点的作用于相邻的质点而在介质中传播，受力质点的间距也会相应产生交替的疏密变化，产生纵波。间距也会相应产生交替的疏密变化，产生纵波。间距也会相应产生交替的疏密变化，产生纵波。间距也会相应产生交替的疏密变化，产生纵波。纵波也称为纵
21、波也称为纵波也称为纵波也称为“ “压缩波压缩波压缩波压缩波” ”或或或或“ “疏密波疏密波疏密波疏密波” ”，用，用，用，用L L表示。表示。表示。表示。15.纵波纵波Ln n图2.2.116.(二二)横波横波Sn n 质点振动方向与波动传播方向相互垂直的质点振动方向与波动传播方向相互垂直的波型称为横波。当固体弹性介质受到交变波型称为横波。当固体弹性介质受到交变的剪切应力作用时，产生剪切变形，介质的剪切应力作用时，产生剪切变形，介质质点就会产生相应的横向振动，质点的振质点就会产生相应的横向振动，质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波型动方向与波动的传播方向垂直，这种波型称为横波。因横波是在
22、剪切应力作用下产称为横波。因横波是在剪切应力作用下产生的，故也称生的，故也称剪切波或切变波剪切波或切变波，用，用S表示。表示。17.横波横波Sn n图2.2.218. (三三)表面波表面波 当固体介质表面受到交替变化的应力当固体介质表面受到交替变化的应力 作用时，质点作相应的纵横向复合振动。作用时，质点作相应的纵横向复合振动。这种质点振动所引起的波动传播只在固体这种质点振动所引起的波动传播只在固体介质表面进行，故称表面波。介质表面进行，故称表面波。 换言之，表面波就是当交变的表面张力作换言之，表面波就是当交变的表面张力作 用于固体表面时，产生沿介质表面传播的波。用于固体表面时，产生沿介质表面传
23、播的波。这是著名物理学家瑞利于这是著名物理学家瑞利于1887年首先年首先 提出来的，因此表面波又称为提出来的，因此表面波又称为瑞利波瑞利波。19.介质中的瑞利波介质中的瑞利波n n图2.2.320.表面波检测表面波检测n n表面波通常只能检测距工件表面表面波通常只能检测距工件表面表面波通常只能检测距工件表面表面波通常只能检测距工件表面两倍波长两倍波长两倍波长两倍波长(2)(2)深度深度深度深度以内缺陷。超声波纵波倾斜入射到界面上，且以内缺陷。超声波纵波倾斜入射到界面上，且以内缺陷。超声波纵波倾斜入射到界面上，且以内缺陷。超声波纵波倾斜入射到界面上，且入入入入射角大于第二临界角时射角大于第二临界
24、角时射角大于第二临界角时射角大于第二临界角时，第二介质中既无折射纵，第二介质中既无折射纵，第二介质中既无折射纵，第二介质中既无折射纵波，又无折射横波，在第二介质表面形成表面波。波，又无折射横波，在第二介质表面形成表面波。波，又无折射横波，在第二介质表面形成表面波。波，又无折射横波，在第二介质表面形成表面波。这是表面波探头的设计原理和依据。这是表面波探头的设计原理和依据。这是表面波探头的设计原理和依据。这是表面波探头的设计原理和依据。n n当瑞利波在传播途中碰到棱边时，若棱边曲率半当瑞利波在传播途中碰到棱边时，若棱边曲率半当瑞利波在传播途中碰到棱边时，若棱边曲率半当瑞利波在传播途中碰到棱边时，若
25、棱边曲率半径径径径R R大于大于大于大于5 5倍波长倍波长倍波长倍波长，表面波可不受阻拦地完全通过。，表面波可不受阻拦地完全通过。，表面波可不受阻拦地完全通过。，表面波可不受阻拦地完全通过。当当当当R R逐渐变小时，部分表面波能量被棱边反射；逐渐变小时，部分表面波能量被棱边反射；逐渐变小时，部分表面波能量被棱边反射；逐渐变小时，部分表面波能量被棱边反射；当当当当R(R(波长波长波长波长) )时，反射能量很大。时，反射能量很大。时，反射能量很大。时，反射能量很大。在超声波探伤中在超声波探伤中在超声波探伤中在超声波探伤中利用这种反射特性来检测工件表面和近表面的缺利用这种反射特性来检测工件表面和近表
26、面的缺利用这种反射特性来检测工件表面和近表面的缺利用这种反射特性来检测工件表面和近表面的缺陷，以及用来测定表面裂纹深度等。陷，以及用来测定表面裂纹深度等。陷，以及用来测定表面裂纹深度等。陷，以及用来测定表面裂纹深度等。21.(四四)板波板波n n板波狭义地讲仅指兰姆波。板波狭义地讲仅指兰姆波。n n它是在板厚与波长相当的弹性薄板状固体它是在板厚与波长相当的弹性薄板状固体中传播的声波。中传播的声波。n n即在板中传播的波既有振动方向与板面垂即在板中传播的波既有振动方向与板面垂直的横波直的横波(简称简称SV波波)又含有振动方向与板面又含有振动方向与板面平行的纵波平行的纵波(简称简称P波波)。 22
27、.各种波型的比较各种波型的比较表2.2.1 各种波型的比较n n波型波型波型波型 质点振动特点质点振动特点质点振动特点质点振动特点 传播介质传播介质传播介质传播介质 应用应用应用应用n n纵波纵波纵波纵波 振动方向平行于播向振动方向平行于播向振动方向平行于播向振动方向平行于播向 固、液、气体固、液、气体固、液、气体固、液、气体 钢板、锻件探伤钢板、锻件探伤钢板、锻件探伤钢板、锻件探伤n n横波横波横波横波 振动方向垂直于播向振动方向垂直于播向振动方向垂直于播向振动方向垂直于播向 固体介质固体介质固体介质固体介质 焊缝、钢管探伤焊缝、钢管探伤焊缝、钢管探伤焊缝、钢管探伤n n表面波表面波表面波表
28、面波 质点椭圆运动，质点椭圆运动，质点椭圆运动，质点椭圆运动，n n 长轴垂直播向长轴垂直播向长轴垂直播向长轴垂直播向 固体介质固体介质固体介质固体介质 钢管、薄板探伤钢管、薄板探伤钢管、薄板探伤钢管、薄板探伤n n 短轴平行播向短轴平行播向短轴平行播向短轴平行播向n n板波板波板波板波 对称对称对称对称(S)(S)型型型型n n 上下表面：椭圆运动上下表面：椭圆运动上下表面：椭圆运动上下表面：椭圆运动n n 中心：纵向振动中心：纵向振动中心：纵向振动中心：纵向振动 固体介质固体介质固体介质固体介质( (波长薄板波长薄板波长薄板波长薄板) )薄板薄壁管探伤薄板薄壁管探伤薄板薄壁管探伤薄板薄壁管
29、探伤n n 非对称非对称非对称非对称(A)(A)型上下表面：椭圆运动型上下表面：椭圆运动型上下表面：椭圆运动型上下表面：椭圆运动 中心：横向振动中心：横向振动中心：横向振动中心：横向振动23.主要特征量主要特征量n n 周期、频率、波长、波速为四个特征量。周期、频率、波长、波速为四个特征量。周期、频率、波长、波速为四个特征量。周期、频率、波长、波速为四个特征量。n n令波在一个周期令波在一个周期令波在一个周期令波在一个周期T T T T内所传播的路程为波长，用内所传播的路程为波长，用内所传播的路程为波长，用内所传播的路程为波长，用表表表表示。根据频率示。根据频率示。根据频率示。根据频率f f
30、f f和波速和波速和波速和波速C C C C的定义，四者关系如下：的定义，四者关系如下：的定义，四者关系如下：的定义，四者关系如下：n n C=f=/T (1-4) C=f=/T (1-4) C=f=/T (1-4) C=f=/T (1-4)n n 波动每传播一个波长，波的相位就变化波动每传播一个波长，波的相位就变化波动每传播一个波长，波的相位就变化波动每传播一个波长，波的相位就变化/C=2/C=2/C=2/C=2 ，也即相隔整数倍波长的各点是作同，也即相隔整数倍波长的各点是作同，也即相隔整数倍波长的各点是作同，也即相隔整数倍波长的各点是作同相位振动的。令相位振动的。令相位振动的。令相位振动的
31、。令k=/c=2k=/c=2k=/c=2k=/c=2 /，k k k k称为波数，描称为波数，描称为波数，描称为波数，描述波动的常用物理量。述波动的常用物理量。述波动的常用物理量。述波动的常用物理量。24.四、波形四、波形n n波阵面的形状即波形。波阵面是指波动传波阵面的形状即波形。波阵面是指波动传播过程中某一瞬时振动相位相同的所有质播过程中某一瞬时振动相位相同的所有质点联成的面。某一时刻，最前面的波阵面，点联成的面。某一时刻，最前面的波阵面，也即该时刻波动到达的空间所有的点的集也即该时刻波动到达的空间所有的点的集合称为合称为“波前波前”，这是波阵面的特例。波动，这是波阵面的特例。波动传播方向
32、称为传播方向称为“波线波线”。 若按波阵面的形状若按波阵面的形状来区分可把不同波源激发的超声波分为平来区分可把不同波源激发的超声波分为平面波、活塞波、球面波和柱面波等。面波、活塞波、球面波和柱面波等。25.定义定义n n超声波从声源向四周围传播扩散的过程用超声波从声源向四周围传播扩散的过程用波阵面描述。波阵面描述。n n波线波线：在无限大且各向同性的介质中振动：在无限大且各向同性的介质中振动向各方向传播，其传播方向用波线表示。向各方向传播，其传播方向用波线表示。n n波阵面波阵面：同一时刻介质中振动相位相同的：同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面。所有质点所连成的面。n n波前波前：
33、某一时刻振动传播到达的距声源最：某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面。远的各点所连成的面。26.( (一一) )平面波平面波n n具有相互平行平面状波阵面的超声波为平面波。具有相互平行平面状波阵面的超声波为平面波。具有相互平行平面状波阵面的超声波为平面波。具有相互平行平面状波阵面的超声波为平面波。平面波可以看成为一个无限大的平面声源，在各平面波可以看成为一个无限大的平面声源，在各平面波可以看成为一个无限大的平面声源，在各平面波可以看成为一个无限大的平面声源，在各向同性的弹性介质中作简谐振动所传播的波动。向同性的弹性介质中作简谐振动所传播的波动。向同性的弹性介质中作简谐振动所传播的波
34、动。向同性的弹性介质中作简谐振动所传播的波动。平面波的波阵面与声源平面平行，且沿直线传播平面波的波阵面与声源平面平行，且沿直线传播平面波的波阵面与声源平面平行，且沿直线传播平面波的波阵面与声源平面平行，且沿直线传播时具有良好的方向性。若无吸收，声压不随距离时具有良好的方向性。若无吸收，声压不随距离时具有良好的方向性。若无吸收，声压不随距离时具有良好的方向性。若无吸收，声压不随距离变化。理想的平面波是不存在的，但如果变化。理想的平面波是不存在的，但如果变化。理想的平面波是不存在的，但如果变化。理想的平面波是不存在的，但如果声源截声源截声源截声源截面面面面尺寸比它所产生的波长大得多时，该声源发射尺
35、寸比它所产生的波长大得多时，该声源发射尺寸比它所产生的波长大得多时，该声源发射尺寸比它所产生的波长大得多时，该声源发射的声波可近似地看作是指向一个方向的平面波。的声波可近似地看作是指向一个方向的平面波。的声波可近似地看作是指向一个方向的平面波。的声波可近似地看作是指向一个方向的平面波。若不考虑介质的衰减，平面波声压不随声源距离若不考虑介质的衰减，平面波声压不随声源距离若不考虑介质的衰减，平面波声压不随声源距离若不考虑介质的衰减，平面波声压不随声源距离的变化而变化的变化而变化的变化而变化的变化而变化 。27.平面波平面波28.（二）球面波（二）球面波 具有同心球面状的波阵面的超声波称为球面波。具
36、有同心球面状的波阵面的超声波称为球面波。具有同心球面状的波阵面的超声波称为球面波。具有同心球面状的波阵面的超声波称为球面波。球面波可以看成是点状球体源在各向同性弹性介球面波可以看成是点状球体源在各向同性弹性介球面波可以看成是点状球体源在各向同性弹性介球面波可以看成是点状球体源在各向同性弹性介质中以相同的速度向四面传播声波所致。质中以相同的速度向四面传播声波所致。质中以相同的速度向四面传播声波所致。质中以相同的速度向四面传播声波所致。n n球面波的波源为一点，它的波阵面为球面，见图球面波的波源为一点，它的波阵面为球面，见图球面波的波源为一点，它的波阵面为球面，见图球面波的波源为一点，它的波阵面为
37、球面，见图2.2.72.2.7所示。所示。所示。所示。尺寸远小于波长尺寸远小于波长尺寸远小于波长尺寸远小于波长的点源在各向同性的的点源在各向同性的的点源在各向同性的的点源在各向同性的介质中传播的波可视为球面波。球面波波束向四介质中传播的波可视为球面波。球面波波束向四介质中传播的波可视为球面波。球面波波束向四介质中传播的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩散，当不考虑介质衰减时，球面波各质面八方扩散，当不考虑介质衰减时，球面波各质面八方扩散，当不考虑介质衰减时，球面波各质面八方扩散，当不考虑介质衰减时，球面波各质点的振幅与距离成反比。离源的距离越远，点源点的振幅与距离成反比。离源的距离越远，点
38、源点的振幅与距离成反比。离源的距离越远，点源点的振幅与距离成反比。离源的距离越远，点源的辐射面积也越大，单位面积上的声能（即声强）的辐射面积也越大，单位面积上的声能（即声强）的辐射面积也越大，单位面积上的声能（即声强）的辐射面积也越大，单位面积上的声能（即声强）就越小。即声强与距离平方成反比。就越小。即声强与距离平方成反比。就越小。即声强与距离平方成反比。就越小。即声强与距离平方成反比。29.球面波球面波30.( (三三) )柱面波柱面波 具有同轴圆柱面状的波阵面的超声波称为柱具有同轴圆柱面状的波阵面的超声波称为柱面波。柱面波可以看成是由具有类似无限面波。柱面波可以看成是由具有类似无限长细长柱
39、体的形状的线源，在各向同性无长细长柱体的形状的线源，在各向同性无限大介质中传播所致。限大介质中传播所致。 理想的柱面波是不存在的，当线源长度远远理想的柱面波是不存在的，当线源长度远远大于波长、而大于波长、而其径向尺寸其径向尺寸又比波长小得多又比波长小得多时，此柱形源产生的波动可看成柱面波。时，此柱形源产生的波动可看成柱面波。 31.柱面波柱面波32.小结一小结一n n1、物理基础、物理基础n n1.11.1波动方程与超声特点波动方程与超声特点波动方程与超声特点波动方程与超声特点n n Y=ACOS(2t/T+ )=ACOS(t+ ) Y=ACOS(2t/T+ )=ACOS(t+ )n n 束射
40、性束射性束射性束射性 反射性反射性反射性反射性 传播性传播性传播性传播性 波型转换波型转换波型转换波型转换n n1.21.2超声波传播超声波传播超声波传播超声波传播n n 波阵面和波形波阵面和波形波阵面和波形波阵面和波形 连续波和脉冲波连续波和脉冲波连续波和脉冲波连续波和脉冲波n n 驻波驻波驻波驻波 波型波型波型波型 声速声速声速声速 声强声强声强声强 声阻抗声阻抗声阻抗声阻抗 n n1.31.3超声波衰减超声波衰减超声波衰减超声波衰减n n 扩散扩散扩散扩散 散射散射散射散射 吸收吸收吸收吸收33.小结二小结二n n2.12.1超声场超声场超声场超声场n n圆盘源纵波声场圆盘源纵波声场圆盘
41、源纵波声场圆盘源纵波声场 指向性指向性指向性指向性( (半扩散角，近场长度，非扩散区半扩散角，近场长度，非扩散区半扩散角，近场长度，非扩散区半扩散角，近场长度，非扩散区) )n n声压反射系数声压反射系数声压反射系数声压反射系数 ( (斜入射反射斜入射反射斜入射反射斜入射反射/ /折射折射折射折射临界角临界角临界角临界角) )n n入射角等于反射角；纵波反射角大于横波反射入射角等于反射角；纵波反射角大于横波反射入射角等于反射角；纵波反射角大于横波反射入射角等于反射角；纵波反射角大于横波反射角；液体气体无横波角；液体气体无横波角；液体气体无横波角；液体气体无横波n n2.22.2回波声压和分贝差
42、回波声压和分贝差回波声压和分贝差回波声压和分贝差n n条件条件条件条件 公式公式公式公式 例示例示例示例示计算法；试块法计算法；试块法计算法；试块法计算法；试块法n n不同规则反射体回波分贝差公式不同规则反射体回波分贝差公式不同规则反射体回波分贝差公式不同规则反射体回波分贝差公式34.小结三小结三2.32.3超声波探伤仪超声波探伤仪超声波探伤仪超声波探伤仪n n模拟式模拟式模拟式模拟式n n数字式数字式数字式数字式n n测厚仪测厚仪测厚仪测厚仪n n2.42.4换能器与试块换能器与试块换能器与试块换能器与试块n n划分划分划分划分n n横波、纵波探头（直探头、斜探头）横波、纵波探头（直探头、斜
43、探头）横波、纵波探头（直探头、斜探头）横波、纵波探头（直探头、斜探头）n n标准和对比试块（设计、制造和应用）标准和对比试块（设计、制造和应用）标准和对比试块（设计、制造和应用）标准和对比试块（设计、制造和应用）n nDACDAC曲线制作和使用曲线制作和使用曲线制作和使用曲线制作和使用（适用性、可靠性、比较性等方面）（适用性、可靠性、比较性等方面）（适用性、可靠性、比较性等方面）（适用性、可靠性、比较性等方面）35.小结四小结四3、焊缝超声波探伤、焊缝超声波探伤n n探测面准备；探测面准备；探测面准备；探测面准备；n n换能器选择；换能器选择；换能器选择；换能器选择；n n定位法定位法定位法定
44、位法( (水平、垂直、声程定位法水平、垂直、声程定位法水平、垂直、声程定位法水平、垂直、声程定位法) )；n n定量法定量法定量法定量法( (当量法；测长法当量法；测长法当量法；测长法当量法；测长法) )；n n测长法测长法测长法测长法( (半波高度法；端点峰值法半波高度法；端点峰值法半波高度法；端点峰值法半波高度法；端点峰值法) )。 4 4、超声波探伤在钢构检测中的重要性、超声波探伤在钢构检测中的重要性n n非破坏性的手段非破坏性的手段非破坏性的手段非破坏性的手段n n质量安全的卫士质量安全的卫士质量安全的卫士质量安全的卫士36.复习要点一复习要点一计算计算n nK2K2探头查铝焊缝求深度
45、；焊缝探头查铝焊缝求深度；焊缝探头查铝焊缝求深度；焊缝探头查铝焊缝求深度；焊缝UTUT折射角范围；折射角范围；折射角范围；折射角范围；锻件探伤计算法求缺陷当量；探头半扩散角；锻件探伤计算法求缺陷当量；探头半扩散角；锻件探伤计算法求缺陷当量；探头半扩散角；锻件探伤计算法求缺陷当量；探头半扩散角；底波高度法调节仪器，求分贝数。底波高度法调节仪器，求分贝数。底波高度法调节仪器，求分贝数。底波高度法调节仪器，求分贝数。思考思考n n为什么超声波会在工件中衰减？什么是第一、为什么超声波会在工件中衰减？什么是第一、为什么超声波会在工件中衰减？什么是第一、为什么超声波会在工件中衰减？什么是第一、第二、第三临
46、界角？什么时候纵波入射会产生第二、第三临界角？什么时候纵波入射会产生第二、第三临界角？什么时候纵波入射会产生第二、第三临界角？什么时候纵波入射会产生横波全反射现象？超声检测底波高度法调节仪横波全反射现象？超声检测底波高度法调节仪横波全反射现象？超声检测底波高度法调节仪横波全反射现象？超声检测底波高度法调节仪器应满足的条件是什么？为什么超声纵波直探器应满足的条件是什么？为什么超声纵波直探器应满足的条件是什么？为什么超声纵波直探器应满足的条件是什么？为什么超声纵波直探头在钢中近场长度比水中的短？头在钢中近场长度比水中的短？头在钢中近场长度比水中的短？头在钢中近场长度比水中的短？37.复习要点二复习
47、要点二名词名词 n nUTUT原理；弹性介质；声阻抗；折射现象；原理；弹性介质；声阻抗；折射现象；原理；弹性介质；声阻抗；折射现象；原理；弹性介质；声阻抗；折射现象； UT UT频率；声速；压电晶片；扫查盲区；脉冲波；频率；声速；压电晶片；扫查盲区；脉冲波；频率；声速；压电晶片；扫查盲区；脉冲波；频率；声速；压电晶片；扫查盲区；脉冲波；平面波球面波声压；声强；压电效应平面波球面波声压；声强；压电效应平面波球面波声压；声强；压电效应平面波球面波声压；声强；压电效应。概念概念 n n超声传播条件；不漏检措施；回波微弱；超声传播条件；不漏检措施；回波微弱；超声传播条件；不漏检措施；回波微弱；超声传播
48、条件；不漏检措施；回波微弱；CSK-CSK-IAIA试块；半圆试块；试块；半圆试块；试块；半圆试块；试块；半圆试块；DAC(JB4730)DAC(JB4730)； 声束近场长度；阻尼块；晶片厚度；水声束近场长度；阻尼块；晶片厚度；水声束近场长度；阻尼块；晶片厚度；水声束近场长度；阻尼块；晶片厚度；水/ /钢界面钢界面钢界面钢界面横波。横波。横波。横波。38.五、连续波和脉冲波五、连续波和脉冲波n n根据波源振动的持续时间长短分类，波动根据波源振动的持续时间长短分类，波动主要有两种。主要有两种。n n随时间变化的方式：一种是连续波，另一随时间变化的方式：一种是连续波，另一种是脉冲波。波源振动连续
49、且持续时间为种是脉冲波。波源振动连续且持续时间为无穷的波动，形成连续波，如图所示；无穷的波动，形成连续波，如图所示；n n波源间隙振动，持续时间有限或很短波源间隙振动，持续时间有限或很短(通常通常为微秒数量级为微秒数量级)的波动，且间歇辐射或只在的波动，且间歇辐射或只在一段时间内有振幅的波动，形成脉冲波。一段时间内有振幅的波动，形成脉冲波。39.连续波连续波n n图1-10a40.脉冲波脉冲波n n图1-10b41.频谱分析频谱分析n n超声检测最常用的是脉冲波。一个脉冲波超声检测最常用的是脉冲波。一个脉冲波可分解为多个不同频率的谐振波的叠加。可分解为多个不同频率的谐振波的叠加。主要进行频谱分
50、析。频谱特征量有峰值频主要进行频谱分析。频谱特征量有峰值频率、频带宽度和中心频率。率、频带宽度和中心频率。n n带宽带宽：峰值两侧幅度下降为峰值的一半时：峰值两侧幅度下降为峰值的一半时的两点频率值之间的频率范围。的两点频率值之间的频率范围。-6dB -3dBn n中心频率中心频率：峰值两侧幅度下降的两点频率：峰值两侧幅度下降的两点频率值的算术平均值频率值的算术平均值频率fc 。42.六、超声波的传播六、超声波的传播n n超声波传播的速度就是波动在单位时间内超声波传播的速度就是波动在单位时间内的传播距离，在声学中又称声速。的传播距离，在声学中又称声速。n n声速与传播介质的密度和弹性模量有关。声
51、速与传播介质的密度和弹性模量有关。在超声波检测中，声速是缺陷定位的基础。在超声波检测中，声速是缺陷定位的基础。不同的波型具有不同的声速。不同的波型具有不同的声速。n n( (一一) )无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的声速n n当介质尺寸远远大于超声波波长时，该传当介质尺寸远远大于超声波波长时，该传播介质就可以看成是无限大介质。播介质就可以看成是无限大介质。43.固体声速固体声速n n固体无限大弹性介质中纵波声速公式固体无限大弹性介质中纵波声速公式(1-8)(1-8)n n式中，式中，E E为介质的正弹性模量或杨氏模量；为介质的正弹性模量或杨氏模量；为介质密度；为介质密度；为介质的泊松比
52、，表示介为介质的泊松比，表示介质拉伸时横向相对缩短与相对伸长之比。质拉伸时横向相对缩短与相对伸长之比。n n固体无限大弹性介质中横波声速公式固体无限大弹性介质中横波声速公式(1-(1-10)10)n n式中，式中，G G为介质的剪切弹性模量，表示固体为介质的剪切弹性模量，表示固体介质承受切应力与切应变之比。介质承受切应力与切应变之比。44.声速比声速比n n由于液体和气体的由于液体和气体的G=0，故，故Cs=0。固体无。固体无限大弹性介质中的表面波声速公式限大弹性介质中的表面波声速公式(1-11)n n纵波、横波和表面波均可在固态弹性介质纵波、横波和表面波均可在固态弹性介质中传播，不同波型的声
53、速有较大差异。在中传播，不同波型的声速有较大差异。在同介质中，纵波与横波声速之比和表面波同介质中，纵波与横波声速之比和表面波与横波声速之比为与横波声速之比为n n CL：CS：CR =1.8：1.0：0.9 45.物理意义一物理意义一n n1、固体无限大弹性介质中声速与杨氏、固体无限大弹性介质中声速与杨氏模量模量E或切变模量或切变模量G、介质密度有关。、介质密度有关。n n介质不同，声速不同。介质不同，声速不同。n n介质的弹性性能越强、即介质的弹性性能越强、即E或或G越大，越大，越小，则声速越小，则声速C越大；越大；n n如果频率相同，则在同介质中纵波波如果频率相同，则在同介质中纵波波长最长
54、，横波次之，瑞利波长最短。长最长，横波次之，瑞利波长最短。46.物理意义二物理意义二n n2、材料的泊松比取值范围为、材料的泊松比取值范围为0,1，同一介，同一介质中纵波声速大于横波声速。质中纵波声速大于横波声速。n n同样在同一介质中传播时，纵波速度最快同样在同一介质中传播时，纵波速度最快横波速度次之，表面波速度最慢，即横波速度次之，表面波速度最慢，即CLCSCR。 n n由于缺陷检出能力和分辨能力均与波长有由于缺陷检出能力和分辨能力均与波长有关，一般波长越短，检测灵敏度越高。所关，一般波长越短，检测灵敏度越高。所以，纵波对缺陷的检出能力和分辨率要低以，纵波对缺陷的检出能力和分辨率要低于横波
55、。于横波。47.物理意义三物理意义三n n3、工程中采用的各种钢材，虽然不同种类、工程中采用的各种钢材，虽然不同种类的钢材的屈服极限、强度极限等力学性能的钢材的屈服极限、强度极限等力学性能相差很多，但它们的弹性模量相差很多，但它们的弹性模量E、密度和泊、密度和泊松比相差不多，所以声速也相差不多。松比相差不多，所以声速也相差不多。n n以普通钢材的泊松比以普通钢材的泊松比0.28，代入公式，代入公式,可知钢可知钢中中Cl/Cs=1.8;Cr/Cs=0.92。钢中纵波声速约。钢中纵波声速约为横波声速的为横波声速的(1.8)2倍，瑞利波声速约为其倍，瑞利波声速约为其横波声速的横波声速的0.92倍。这
56、是超声波的一个重要倍。这是超声波的一个重要性质，对于超声检测有其实际意义。性质，对于超声检测有其实际意义。 48.液体、气体介质中的声速液体、气体介质中的声速n n液体、气体介质中的声速公式液体、气体介质中的声速公式n n C=(B/) (1-9)n n由理想气体状态方程式推导出液体和气体由理想气体状态方程式推导出液体和气体介质中的纵波声速公式。介质中的纵波声速公式。Ka为与材料泊松为与材料泊松比、波型有关的常数。对于液体而言是体比、波型有关的常数。对于液体而言是体积弹性模量，对于气体是体积膨胀系数为积弹性模量，对于气体是体积膨胀系数为温度的函数；温度的函数；为定压分子热容量和定容分为定压分子
57、热容量和定容分子热容量的比值；子热容量的比值；R为气体常数；为气体常数；T为绝对为绝对温度；温度；为气体的分子量。为气体的分子量。49.声速随温度升高而降低声速随温度升高而降低n n在液体和气体中的纵波声速是容变弹在液体和气体中的纵波声速是容变弹性模量和密度的函数。弹性模量越大、性模量和密度的函数。弹性模量越大、密度越小，声速就越大。多数介质密密度越小，声速就越大。多数介质密度随温度升高，容变弹性模量减少，度随温度升高，容变弹性模量减少，因而声速随温度升高而降低。因而声速随温度升高而降低。n n但是水例外，温度在但是水例外，温度在74C左右时声速最大，左右时声速最大，当温度低于当温度低于74C
58、时，声速随温度升高而增时，声速随温度升高而增大；当温度高于大；当温度高于74C时，声速随温度升高时，声速随温度升高而降低。而降低。 50.不同温度下水中声速不同温度下水中声速n n水浸法超声探伤以水为耦合介质，水中声水浸法超声探伤以水为耦合介质，水中声速可由下式表示：速可由下式表示：n nCl=15570.0245(74-t)米米/秒秒 (1-12)n n式中式中t为水的温度为水的温度(C)。n n不同温度下水中声速见表不同温度下水中声速见表1-2。n n 表表1-2 不同温度下水中声速不同温度下水中声速n n温度温度(C)10 20 30 40 50 60 70 80n n声速声速(m/s)
59、1448148315101530154415521555155451.( (二二) )波的叠加、干涉及驻波波的叠加、干涉及驻波n n1 1 1 1、波的叠加现象、波的叠加现象、波的叠加现象、波的叠加现象n n在一个介质中某一点有几个声波在同一时刻到达在一个介质中某一点有几个声波在同一时刻到达在一个介质中某一点有几个声波在同一时刻到达在一个介质中某一点有几个声波在同一时刻到达时，该点的振动是各个声波在该点所引起振动的时，该点的振动是各个声波在该点所引起振动的时，该点的振动是各个声波在该点所引起振动的时，该点的振动是各个声波在该点所引起振动的合成，任一时刻该质点的位移是各个声波在这一合成，任一时刻
60、该质点的位移是各个声波在这一合成，任一时刻该质点的位移是各个声波在这一合成，任一时刻该质点的位移是各个声波在这一质点上引起位移的矢量和，这是声波叠加原理。质点上引起位移的矢量和，这是声波叠加原理。质点上引起位移的矢量和，这是声波叠加原理。质点上引起位移的矢量和，这是声波叠加原理。n n各列波相遇之后，每一个波仍保持自己原有的特各列波相遇之后，每一个波仍保持自己原有的特各列波相遇之后，每一个波仍保持自己原有的特各列波相遇之后，每一个波仍保持自己原有的特性（频率、波长、振动方向等）不变，并按自己性（频率、波长、振动方向等）不变，并按自己性（频率、波长、振动方向等）不变，并按自己性（频率、波长、振动
61、方向等）不变，并按自己传播的方向继续前进，如同在各自的传播过途中传播的方向继续前进，如同在各自的传播过途中传播的方向继续前进，如同在各自的传播过途中传播的方向继续前进，如同在各自的传播过途中没有遇到其他波一样，这说明波传播的独立性。没有遇到其他波一样，这说明波传播的独立性。没有遇到其他波一样，这说明波传播的独立性。没有遇到其他波一样，这说明波传播的独立性。因此，又称波的独立性原理。因此，又称波的独立性原理。因此，又称波的独立性原理。因此，又称波的独立性原理。52.相干波源相干波源n n2、波的干涉波的干涉n n 当两列频率相同、振动方向相同、相位当两列频率相同、振动方向相同、相位差恒定（特殊情
62、况是相位相同）的波动在差恒定（特殊情况是相位相同）的波动在介质某些点相遇后，因为波动的叠加，会介质某些点相遇后，因为波动的叠加，会使一些点处的振动始终加强，而在另一些使一些点处的振动始终加强，而在另一些点处的振动始终减弱甚至完全抵消，这称点处的振动始终减弱甚至完全抵消，这称为波的干涉现象。能够产生干涉现象的波为波的干涉现象。能够产生干涉现象的波称为相干波，其波源称为称为相干波，其波源称为相干波源相干波源。53.驻波驻波n n两个振幅相同的相干波在同一直线上沿相两个振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播叠加而成的波，称为驻波。反方向传播叠加而成的波，称为驻波。n n驻波是波的干涉的特例。驻波
63、是波的干涉的特例。n n驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅为零驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅为零处称为波节。相邻波腹和波节的距离为四处称为波节。相邻波腹和波节的距离为四分之一波长，其出现的位置取决于介质的分之一波长，其出现的位置取决于介质的声阻抗，两个相邻波腹或波节之间的距离声阻抗，两个相邻波腹或波节之间的距离为二分之一波长。为二分之一波长。n n超声波的传播方向上的介质厚度恰为二分超声波的传播方向上的介质厚度恰为二分之一波长整数倍时，就能产生驻波现象。之一波长整数倍时，就能产生驻波现象。 54. ( (三三) )惠更斯原理惠更斯原理n n1 1 1 1、惠更斯原理惠更斯原理惠更斯原理惠更斯原
64、理n n1690169016901690年惠更斯在波动的起源和波动在弹性介质中年惠更斯在波动的起源和波动在弹性介质中年惠更斯在波动的起源和波动在弹性介质中年惠更斯在波动的起源和波动在弹性介质中传播的规律研究基础上，得出通过障碍物上小孔传播的规律研究基础上，得出通过障碍物上小孔传播的规律研究基础上，得出通过障碍物上小孔传播的规律研究基础上，得出通过障碍物上小孔所形成新的波动与孔前的波动状态有关的结论。所形成新的波动与孔前的波动状态有关的结论。所形成新的波动与孔前的波动状态有关的结论。所形成新的波动与孔前的波动状态有关的结论。n n著名的惠更斯原理：介质中波动传到的各点都可著名的惠更斯原理：介质中
65、波动传到的各点都可著名的惠更斯原理：介质中波动传到的各点都可著名的惠更斯原理：介质中波动传到的各点都可以看作是发射子波的波源，在其后的每一时刻，以看作是发射子波的波源，在其后的每一时刻，以看作是发射子波的波源，在其后的每一时刻，以看作是发射子波的波源，在其后的每一时刻，这些子波的包络就决定了新的波阵面。利用该原这些子波的包络就决定了新的波阵面。利用该原这些子波的包络就决定了新的波阵面。利用该原这些子波的包络就决定了新的波阵面。利用该原理，通过作图的方式来确定波前的几何形状和不理，通过作图的方式来确定波前的几何形状和不理，通过作图的方式来确定波前的几何形状和不理，通过作图的方式来确定波前的几何形
66、状和不同波源辐射的超声波的传播方向。同波源辐射的超声波的传播方向。同波源辐射的超声波的传播方向。同波源辐射的超声波的传播方向。55.2、波的衍射、波的衍射n n波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，称为绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，称为绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，称为绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，称为波的衍射或波的绕射。波的衍射或波的绕射。波的衍射或波的绕射。波的衍射或波的绕射。n n根据惠更斯原理，缺
67、陷边缘可看作是发射子波的根据惠更斯原理，缺陷边缘可看作是发射子波的根据惠更斯原理，缺陷边缘可看作是发射子波的根据惠更斯原理，缺陷边缘可看作是发射子波的波源，改变波的传播方向，从而使缺陷背后的声波源，改变波的传播方向，从而使缺陷背后的声波源，改变波的传播方向，从而使缺陷背后的声波源，改变波的传播方向，从而使缺陷背后的声影缩小，反射波降低。当障碍物尺寸小于波长时，影缩小，反射波降低。当障碍物尺寸小于波长时，影缩小，反射波降低。当障碍物尺寸小于波长时，影缩小，反射波降低。当障碍物尺寸小于波长时，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检。波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检。波的绕射强，反射弱
68、，缺陷回波很低，容易漏检。波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检。反之，障碍物尺寸大于波长，则反射强，绕射弱，反之，障碍物尺寸大于波长，则反射强，绕射弱，反之，障碍物尺寸大于波长，则反射强，绕射弱，反之，障碍物尺寸大于波长，则反射强，绕射弱，声波几乎全反射。声波几乎全反射。声波几乎全反射。声波几乎全反射。n n对探伤是有利：波的绕射使超声波能顺利地绕过对探伤是有利：波的绕射使超声波能顺利地绕过对探伤是有利：波的绕射使超声波能顺利地绕过对探伤是有利：波的绕射使超声波能顺利地绕过晶粒在介质中传播。晶粒在介质中传播。晶粒在介质中传播。晶粒在介质中传播。n n不利：会使小缺陷回波显著下降，易漏检。
69、不利：会使小缺陷回波显著下降，易漏检。不利：会使小缺陷回波显著下降，易漏检。不利：会使小缺陷回波显著下降，易漏检。56.七、七、超声场的特征值超声场的特征值n n超声场：超声场：超声场：超声场：n n充满超声波的空间；充满超声波的空间；充满超声波的空间；充满超声波的空间；n n超声波：超声波：超声波：超声波：n n在在在在NDTNDT领域，用电脉冲激励超声换能器的压电晶领域，用电脉冲激励超声换能器的压电晶领域，用电脉冲激励超声换能器的压电晶领域，用电脉冲激励超声换能器的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动形成的波动，片，使其产生机械振动，这种振动形成的波动，片，使其产生机械振动，这种振动形成的
70、波动，片，使其产生机械振动，这种振动形成的波动，在与其接触的弹性介质中传播，产生超声波。在与其接触的弹性介质中传播，产生超声波。在与其接触的弹性介质中传播，产生超声波。在与其接触的弹性介质中传播，产生超声波。n n较为完整的概念定义：超声波及其在传播过程中较为完整的概念定义：超声波及其在传播过程中较为完整的概念定义：超声波及其在传播过程中较为完整的概念定义：超声波及其在传播过程中所占据的空间称为超声场。所占据的空间称为超声场。所占据的空间称为超声场。所占据的空间称为超声场。n n超声场的特征值：声压、声强和声阻抗等。超声场的特征值：声压、声强和声阻抗等。超声场的特征值：声压、声强和声阻抗等。超
71、声场的特征值：声压、声强和声阻抗等。 57.( (一一) )声压声压P Pn n在介质中，无超声波传播时介质质点也会在介质中，无超声波传播时介质质点也会有压强。如比重为有压强。如比重为 的液体介质中，液面下的液体介质中，液面下h处，会有压强处，会有压强P0h 。这称为静压强。这称为静压强。n n声压是声波传播过程中介质质点在交变振声压是声波传播过程中介质质点在交变振动的某一瞬时所受压强动的某一瞬时所受压强P1与静压强与静压强P0之差之差即即 P=P1- P0n n声压是声波传播过程中所形成的附加压强，声压是声波传播过程中所形成的附加压强，它相对于无超声波传播时介质质点的静压它相对于无超声波传播
72、时介质质点的静压强而言。声压的单位是帕斯卡。强而言。声压的单位是帕斯卡。 58.声压幅值声压幅值n n通常把声压振幅简称为通常把声压振幅简称为“声压声压”，并使它与，并使它与A型脉冲反射式探伤仪示波屏上回波高度建型脉冲反射式探伤仪示波屏上回波高度建立一定的线性关系，通过比较不同反射体立一定的线性关系，通过比较不同反射体的回波高度比较其声压。的回波高度比较其声压。n n由由P= c v可知，介质中某点的声压幅值与可知，介质中某点的声压幅值与介质密度、声速和质点振动速度介质密度、声速和质点振动速度v成正比。成正比。 59.( (二二) )声强声强n n定义单位时间内在垂直于声波传播方向的定义单位时
73、间内在垂直于声波传播方向的单位面积上所通过的声能量为声强。单位面积上所通过的声能量为声强。n n声强也称声强度，以声强也称声强度，以“I”表示。表示。n n对于简谐波也常将一周期中能流密度的平对于简谐波也常将一周期中能流密度的平均值作为声强。均值作为声强。n n平均声强与频率的平方成正比。声强的单平均声强与频率的平方成正比。声强的单位为瓦每平方米。位为瓦每平方米。 60.分贝分贝n n声强级声强级 = lg(I= lg(I1 1 1 1/I/I2 2 2 2 ) ) n n声强级的单位为贝尔声强级的单位为贝尔(Bel)(Bel)。工程上因为贝。工程上因为贝尔的单位比较大，应用时将其缩小尔的单位
74、比较大，应用时将其缩小1010倍后倍后以分贝为单位，用符号以分贝为单位，用符号dBdB表示：表示： n n =10lg(I=10lg(I1 1 1 1/I/I2 2 2 2 ) )61.声强级声强级n n通常说某处的噪声为多少分贝，就是相对通常说某处的噪声为多少分贝，就是相对标准声强而言。各种声音和超声波分贝值标准声强而言。各种声音和超声波分贝值如树叶沙沙声约如树叶沙沙声约10dB；说话声约；说话声约50dB；大；大炮声约炮声约100dB；超声波为；超声波为200dB等。等。n n待定声强与标准声强之比的常用对数就是待定声强与标准声强之比的常用对数就是声强的声强级。声强的声强级。 62.回波声
75、压和波高回波声压和波高n n当超声波探伤仪具有较好的放大线性当超声波探伤仪具有较好的放大线性(垂直垂直线性线性)时，两个反射体的回波声压和与它们时，两个反射体的回波声压和与它们各自在示波屏上形成的回波高度成正比。各自在示波屏上形成的回波高度成正比。常用声压比常用声压比(波高比波高比)对应的对应的dB值见表值见表2.2.5。n n表表2.2.5 常用声压比常用声压比(波高比波高比)对应的对应的dB值值n nP1/P2(H1/H2)P1/P2(H1/H2)10 5 4 3.2 2 1.1 1n ndB 20 14 12 10 6 1 0 63.换算关系换算关系n n奈培是两个同量纲的量之比值取奈培
76、是两个同量纲的量之比值取奈培是两个同量纲的量之比值取奈培是两个同量纲的量之比值取e e为底自然对数为底自然对数为底自然对数为底自然对数( (分贝则以分贝则以分贝则以分贝则以1010为底的常用对数为底的常用对数为底的常用对数为底的常用对数) )后的单位，以后的单位，以后的单位，以后的单位，以NpNp表表表表示。即示。即示。即示。即=ln (P2/P1) =ln (H2/H1) (1-)=ln (P2/P1) =ln (H2/H1) (1-)n n分贝和奈培的换算关系为分贝和奈培的换算关系为分贝和奈培的换算关系为分贝和奈培的换算关系为n n 1Np=8.68dB 1dB=0.115Np 1Np=8
77、.68dB 1dB=0.115Npn n例示：示波屏上一波高例示：示波屏上一波高例示：示波屏上一波高例示：示波屏上一波高80mm80mm，另一波高，另一波高，另一波高，另一波高20mm20mm，问前者比后者高多少分贝和奈培？问前者比后者高多少分贝和奈培？问前者比后者高多少分贝和奈培？问前者比后者高多少分贝和奈培？n n解：解：解：解：=20lg(H2/H1 ) =20lg(80/20 ) =12(dB)=20lg(H2/H1 ) =20lg(80/20 ) =12(dB)；n n则则则则=0.11512=1.38(Np)=0.11512=1.38(Np)。64.( (三三) )声阻抗声阻抗n
78、n在声压的表达式在声压的表达式在声压的表达式在声压的表达式P= P= c vc v中，若同一声压，中，若同一声压，中，若同一声压，中，若同一声压， c c越大，越大，越大，越大，则则则则v v越小；反之，声阻抗越小，质点振动速度越大。越小；反之，声阻抗越小，质点振动速度越大。越小；反之，声阻抗越小，质点振动速度越大。越小；反之，声阻抗越小，质点振动速度越大。cc称为介质声阻抗，是介质本身的性质，表示介称为介质声阻抗，是介质本身的性质，表示介称为介质声阻抗，是介质本身的性质，表示介称为介质声阻抗，是介质本身的性质，表示介质对质点振动的阻碍作用，用质对质点振动的阻碍作用，用质对质点振动的阻碍作用，
79、用质对质点振动的阻碍作用，用“Z”“Z”表示。声阻抗能表示。声阻抗能表示。声阻抗能表示。声阻抗能直接表示介质的声学特性，不同介质的声阻抗相直接表示介质的声学特性，不同介质的声阻抗相直接表示介质的声学特性，不同介质的声阻抗相直接表示介质的声学特性，不同介质的声阻抗相差很大。超声波在不同介质的分界处的行为与相差很大。超声波在不同介质的分界处的行为与相差很大。超声波在不同介质的分界处的行为与相差很大。超声波在不同介质的分界处的行为与相关介质的声阻抗有密切的关系。关介质的声阻抗有密切的关系。关介质的声阻抗有密切的关系。关介质的声阻抗有密切的关系。n n常用液体介质的密度及声阻抗和常用固体介质的常用液体
80、介质的密度及声阻抗和常用固体介质的常用液体介质的密度及声阻抗和常用固体介质的常用液体介质的密度及声阻抗和常用固体介质的声阻抗分别见表。气体、液体、金属之间特性阻声阻抗分别见表。气体、液体、金属之间特性阻声阻抗分别见表。气体、液体、金属之间特性阻声阻抗分别见表。气体、液体、金属之间特性阻抗之比接近于抗之比接近于抗之比接近于抗之比接近于1 1：30003000：80000 80000 。65.轴对称超声场轴对称超声场n n 超声场中不同点的声压变化，就用每点超声场中不同点的声压变化，就用每点处的声压幅值代表该点的声压。介质中没处的声压幅值代表该点的声压。介质中没有异质物体存在时，各点的声压（幅值）
81、有异质物体存在时，各点的声压（幅值）主要由该点的位置决定。因为圆形平面晶主要由该点的位置决定。因为圆形平面晶片是典型的辐射声源，在各向同性介质中片是典型的辐射声源，在各向同性介质中产生的超声场具有轴对称特点，所以主要产生的超声场具有轴对称特点，所以主要讨论晶片辐射的纵波轴对称超声场。讨论晶片辐射的纵波轴对称超声场。66.超声的近场区超声的近场区n n超声波探头的中心轴线上的与声源相距超声波探头的中心轴线上的与声源相距超声波探头的中心轴线上的与声源相距超声波探头的中心轴线上的与声源相距x x点的声压点的声压点的声压点的声压方程：方程：方程：方程： (1-39) (1-39)n n式中，式中，式中
82、，式中，P0P0为声源的起始声压；为声源的起始声压；为声源的起始声压；为声源的起始声压；n n D D为圆形平面晶片的直径；为圆形平面晶片的直径；为圆形平面晶片的直径；为圆形平面晶片的直径；n n 为超声波在介质中波长。为超声波在介质中波长。为超声波在介质中波长。为超声波在介质中波长。n n圆平面晶片辐射声源的中心轴线上的声压分布，圆平面晶片辐射声源的中心轴线上的声压分布，圆平面晶片辐射声源的中心轴线上的声压分布，圆平面晶片辐射声源的中心轴线上的声压分布，在距声源较近处，由于压电晶片上的各个点辐射在距声源较近处，由于压电晶片上的各个点辐射在距声源较近处，由于压电晶片上的各个点辐射在距声源较近处
83、，由于压电晶片上的各个点辐射源到轴线上同一点的声波的相位差会引起声波的源到轴线上同一点的声波的相位差会引起声波的源到轴线上同一点的声波的相位差会引起声波的源到轴线上同一点的声波的相位差会引起声波的干涉现象而使得瞬时声压存在着若干个周期性的干涉现象而使得瞬时声压存在着若干个周期性的干涉现象而使得瞬时声压存在着若干个周期性的干涉现象而使得瞬时声压存在着若干个周期性的极大值和极小值，这使得不同的点上的声压变化极大值和极小值，这使得不同的点上的声压变化极大值和极小值，这使得不同的点上的声压变化极大值和极小值，这使得不同的点上的声压变化很大，由该区域的回波信号无法正确获取缺陷的很大，由该区域的回波信号无
84、法正确获取缺陷的很大，由该区域的回波信号无法正确获取缺陷的很大，由该区域的回波信号无法正确获取缺陷的有关信息。该区域被称为超声近场区。有关信息。该区域被称为超声近场区。有关信息。该区域被称为超声近场区。有关信息。该区域被称为超声近场区。 67.近场区长度近场区长度Nn n声声压压幅幅值值取取极极值值最最大大的的x x，这这个个x x就就是是近近场场区长度区长度N N。n n当当D2D2，有，有N=(D-)/4=D/4N=(D-)/4=D/4n n远场区超声波声压与声程有较明确关系。远场区超声波声压与声程有较明确关系。n n当声程较大时，声压与声程反比关系。当声程较大时，声压与声程反比关系。 对
85、对示示波波屏屏上上的的超超声声波波幅幅值值的的变变化化的的分分析析，可可以以得得到到结结构构内内部部缺缺陷陷的的大大小小、位位置置的的明明确的信息，实现对结构内部缺陷的检查。确的信息，实现对结构内部缺陷的检查。 n n 68.声束指向性声束指向性n n表征声源辐射场特征的另一个重要特性是表征声源辐射场特征的另一个重要特性是声束的指向性。声束的指向性。n n声源向一个确定的方向集中辐射超声波束声源向一个确定的方向集中辐射超声波束的性质就是声源的声束指向性。声束指向的性质就是声源的声束指向性。声束指向性反映了声场中声能的集中程度和几何边性反映了声场中声能的集中程度和几何边界。超声探伤要求定量定位所
86、用的超声场界。超声探伤要求定量定位所用的超声场必须具有良好的声束指向性。必须具有良好的声束指向性。n n主声束的边界与声源轴线的夹角就称为半主声束的边界与声源轴线的夹角就称为半扩散角，通常用扩散角，通常用表示。表示。 69.半扩散角半扩散角n n若声束半扩散角越小，则超声波的辐射能若声束半扩散角越小，则超声波的辐射能量越集中，声束指向性就越好，对缺陷的量越集中，声束指向性就越好，对缺陷的定位精度越高，对不同缺陷分辨力及检测定位精度越高，对不同缺陷分辨力及检测的灵敏度也越高。的灵敏度也越高。n n直径为直径为D D的圆形晶片激发波长为的超声波时的圆形晶片激发波长为的超声波时的半扩散角表示为的半扩
87、散角表示为=70/D(=70/D(度度) )n n边长为边长为a的正方晶片激发波长为超声波时的的正方晶片激发波长为超声波时的半扩散角表示为半扩散角表示为 =57/a(=57/a(度度) )70.非扩散区非扩散区bn n在波源附近存在着这样一个区域，声波并没有扩在波源附近存在着这样一个区域，声波并没有扩在波源附近存在着这样一个区域，声波并没有扩在波源附近存在着这样一个区域，声波并没有扩展，声束可以看成是一个圆柱体，离波源不同距展，声束可以看成是一个圆柱体，离波源不同距展，声束可以看成是一个圆柱体，离波源不同距展，声束可以看成是一个圆柱体，离波源不同距离处的平均声压基本不变，就称为非扩散区。离处的
88、平均声压基本不变，就称为非扩散区。离处的平均声压基本不变，就称为非扩散区。离处的平均声压基本不变，就称为非扩散区。n n非扩散区是一个圆柱形区域，其长度非扩散区是一个圆柱形区域，其长度非扩散区是一个圆柱形区域，其长度非扩散区是一个圆柱形区域，其长度b=1.67Nb=1.67N或或或或1.64N1.64N，NN为近场区长度。在非扩散区（为近场区长度。在非扩散区（为近场区长度。在非扩散区（为近场区长度。在非扩散区（xbxb），），），），超声波的波阵面为平面，形成平面波声场，其声超声波的波阵面为平面，形成平面波声场，其声超声波的波阵面为平面，形成平面波声场，其声超声波的波阵面为平面，形成平面波声场
89、，其声压不随与声源的距离的变化而变化。压不随与声源的距离的变化而变化。压不随与声源的距离的变化而变化。压不随与声源的距离的变化而变化。n n当当当当xbxb时，超声波声束扩展；当时，超声波声束扩展；当时，超声波声束扩展；当时，超声波声束扩展；当x3Nx3N时，超声波时，超声波时，超声波时，超声波声束以球面波传播。声束以球面波传播。声束以球面波传播。声束以球面波传播。 71.超声场的扩散超声场的扩散 n n图1-3472.例题：例题：n n用用用用2.5MHz2.5MHz直径直径直径直径20mm20mm的纵波探头探伤，求在钢和的纵波探头探伤，求在钢和的纵波探头探伤，求在钢和的纵波探头探伤，求在钢
90、和水中近场长度、半扩散角和未扩散区长度多小？水中近场长度、半扩散角和未扩散区长度多小？水中近场长度、半扩散角和未扩散区长度多小？水中近场长度、半扩散角和未扩散区长度多小？n n解：已知声速，钢中解：已知声速，钢中解：已知声速，钢中解：已知声速，钢中5900m/s5900m/s，水中，水中，水中，水中1480m/s1480m/s，n n则则则则 钢钢钢钢=5.9/2.5=2.36mm=5.9/2.5=2.36mm； 水水水水=1.48/2.5=0.6mm=1.48/2.5=0.6mmn n近场长度近场长度近场长度近场长度 n n钢中钢中钢中钢中 N=(2020)/(42.36)=42.4mm N
91、=(2020)/(42.36)=42.4mm；n n水中水中水中水中N=400/(40.6)=167mmN=400/(40.6)=167mmn n半扩散角半扩散角半扩散角半扩散角 钢中钢中钢中钢中 =(702.36)/20=8.26 =(702.36)/20=8.26 n n 水中水中水中水中 =(700.6)/20=2.1 =(700.6)/20=2.1n n未扩散区长度未扩散区长度未扩散区长度未扩散区长度 钢中钢中钢中钢中 b=1.67N=1.6742.4=70mm b=1.67N=1.6742.4=70mm； n n 水中水中水中水中 b=1.67N=279mm b=1.67N=279m
92、m73.产生超声波的其他方法产生超声波的其他方法n n电动力学法电动力学法n n磁致伸缩法磁致伸缩法n n机械法即冲击或摩擦机械法即冲击或摩擦n n热效应法热效应法 或激光超声或激光超声n n静电法静电法n n其他其他74.八、超声波的衰减八、超声波的衰减n n（一）（一）（一）（一）衰减原因：衰减原因：衰减原因：衰减原因：超声波在均匀介质中的衰减主要超声波在均匀介质中的衰减主要超声波在均匀介质中的衰减主要超声波在均匀介质中的衰减主要有以下三个原因：（有以下三个原因：（有以下三个原因：（有以下三个原因：（1 1）声束扩散；（）声束扩散；（）声束扩散；（）声束扩散；（2 2）介质颗）介质颗）介质
93、颗）介质颗粒引起的散射；（粒引起的散射；（粒引起的散射；（粒引起的散射；（3 3）介质对波动能量的吸收。）介质对波动能量的吸收。）介质对波动能量的吸收。）介质对波动能量的吸收。n n扩散衰减扩散衰减扩散衰减扩散衰减与传播介质无关，衰减程度由波形和传与传播介质无关，衰减程度由波形和传与传播介质无关，衰减程度由波形和传与传播介质无关，衰减程度由波形和传播距离确定。播距离确定。播距离确定。播距离确定。n n平面波声束不扩散，声强、声压不随传播距离的平面波声束不扩散，声强、声压不随传播距离的平面波声束不扩散，声强、声压不随传播距离的平面波声束不扩散，声强、声压不随传播距离的变化而变化，无扩散衰减。变化
94、而变化，无扩散衰减。变化而变化，无扩散衰减。变化而变化，无扩散衰减。n n球面波声强与传播距离的平方成反比，声压则与球面波声强与传播距离的平方成反比，声压则与球面波声强与传播距离的平方成反比，声压则与球面波声强与传播距离的平方成反比，声压则与传播距离成反比。传播距离成反比。传播距离成反比。传播距离成反比。n n柱面波则声强与传播距离成反比，声压与传播距柱面波则声强与传播距离成反比，声压与传播距柱面波则声强与传播距离成反比，声压与传播距柱面波则声强与传播距离成反比，声压与传播距离的平方根成反比。离的平方根成反比。离的平方根成反比。离的平方根成反比。75.( (二二) )衰减系数衰减系数 n n设
95、设Px为距声源为距声源x处的声压；处的声压； P0为声源的辐为声源的辐射声压；射声压；为衰减系数，包括散射和吸收为衰减系数，包括散射和吸收衰减，表示单位厚度介质对超声波的衰减，衰减，表示单位厚度介质对超声波的衰减，单位为单位为dB/mm。 Px= P0 0exp(- xx)n n衰减系数的测定衰减系数的测定n n材料衰减的测定方法有相对比较法和绝对材料衰减的测定方法有相对比较法和绝对法两种。法两种。n n多块试样测定法、多次脉冲反射法多块试样测定法、多次脉冲反射法76.例例1：n n厚度为厚度为厚度为厚度为200mm200mm的钢件，测得第五次底面回波与第的钢件，测得第五次底面回波与第的钢件，
96、测得第五次底面回波与第的钢件，测得第五次底面回波与第二次底面回波高度二次底面回波高度二次底面回波高度二次底面回波高度dBdB差为差为差为差为Vmn=14dBVmn=14dB，求试样的，求试样的，求试样的，求试样的衰减系数？衰减系数？衰减系数？衰减系数？n n解：试样的衰减系数解：试样的衰减系数解：试样的衰减系数解：试样的衰减系数n n=(Vm-n-20lgn/ m)/2(n-m)T=(Vm-n-20lgn/ m)/2(n-m)Tn n=(14dB-20lg5/2)/1200=(14dB-20lg5/2)/1200n n=0.005(dB/mm)=0.005(dB/mm)n n对于厚度大于对于厚
97、度大于对于厚度大于对于厚度大于200mm(200mm(要求要求要求要求T3N)T3N)的板材，考虑到的板材，考虑到的板材，考虑到的板材，考虑到扩散衰减，在大平底面、上下互相平行、不沾油扩散衰减，在大平底面、上下互相平行、不沾油扩散衰减，在大平底面、上下互相平行、不沾油扩散衰减，在大平底面、上下互相平行、不沾油污、测试处无缺陷的条件下，可以根据第一、二污、测试处无缺陷的条件下，可以根据第一、二污、测试处无缺陷的条件下，可以根据第一、二污、测试处无缺陷的条件下，可以根据第一、二次底波次底波次底波次底波B1B1、B2B2高度来测定衰减系数高度来测定衰减系数高度来测定衰减系数高度来测定衰减系数 =(2
98、0lg B1/ =(20lg B1/ B2-6)/2T B2-6)/2T 式中，式中，式中，式中，T T为工件的厚度。为工件的厚度。为工件的厚度。为工件的厚度。77.例例2：n n厚度为厚度为400mm的钢件，在相同探测条件下，的钢件，在相同探测条件下，测得底波一次回波测得底波一次回波100%，二次回波，二次回波20%，求，求该钢件衰减系数？全程衰减量？该钢件衰减系数？全程衰减量？n n解：钢件的衰减系数解：钢件的衰减系数n n =(20lg B1/ B2-6)/2Tn n=(20lg100/20-6)/2400n n=(14-6)/800=0.01dB/mm78.例例3：n n用用2.5MH
99、z直探头探测厚度为直探头探测厚度为200mm的饼形的饼形锻件，测得底波高锻件，测得底波高B1=80%，B2=35%。若。若不计底面反射损失，求锻件的衰减系数？不计底面反射损失，求锻件的衰减系数？n n解：锻件的衰减系数解：锻件的衰减系数n n=(20lg B1/ B2)-6/2Tn n=(20lg 80/35)-6/2200n n =0.003 dB/mm79.例例4：n n用用5MHz直探头探测厚度为直探头探测厚度为15mm的钢板，的钢板，测得底波高测得底波高B1=80%，B5=40%。若每次底。若每次底面反射损失为面反射损失为1.2 dB，求钢板的衰减系数？，求钢板的衰减系数？n n解：钢
100、板的衰减系数解：钢板的衰减系数n n =(20lg B1/ B5)-4/2Tn n=(20lg 80/40-41.2/2(515-15)n n=1.22/260n n=0.01 dB/mm80.九九、超声波发射声场与回波声压超声波发射声场与回波声压n n( (一一) )超声平面波在大平界面垂直入射超声平面波在大平界面垂直入射n n超声波在异质界面上的反射、透射和折射超声波在异质界面上的反射、透射和折射规律是超声波探伤的重要物理基础。规律是超声波探伤的重要物理基础。n n当超声波垂直入射于两种介质的分界面时，当超声波垂直入射于两种介质的分界面时，一部分能量反射回第一种介质内部，形成一部分能量反射
101、回第一种介质内部，形成反射波，不考虑能量的损耗时，可认为其反射波，不考虑能量的损耗时，可认为其余的能量穿透分界面进入第二种介质继续余的能量穿透分界面进入第二种介质继续传播，称为透射波。反射波和透射波声能传播，称为透射波。反射波和透射波声能的分配由两种介质的声阻抗决定。的分配由两种介质的声阻抗决定。 81.超声波垂直入射单一平面界面超声波垂直入射单一平面界面n n1、反射、透射定律的声压和声强、反射、透射定律的声压和声强n n Pi+Pr=Ptn n定义反射波、入射波的声压之比为声压反定义反射波、入射波的声压之比为声压反射率射率Rp，透射波、入射波的声压之比为声，透射波、入射波的声压之比为声压透
102、射率压透射率Dp；反射波、入射波的声强之比；反射波、入射波的声强之比为声强反射率为声强反射率Ri，透射波、入射波的声强，透射波、入射波的声强之比为声强透射率之比为声强透射率Di。 82.声压声压(强强)反射率反射率 声压声压(强强)透射率射率 能量守恒能量守恒n nRp=Z2-Z1/Z2+Z1Rp=Z2-Z1/Z2+Z1n nDp=2Z2/Z2+Z1Dp=2Z2/Z2+Z1n nRI=Z2-Z1/Z2+Z1I=Z2-Z1/Z2+Z1n nDI=4Z2Z1/Z2+Z1DI=4Z2Z1/Z2+Z1n n P PI I I I+D+DI I I I=1 1+R=1 1+RP P P P=D=DP P
103、 P P83.两个条件两个条件n n当超声波垂直入射到两种声阻抗不同的大当超声波垂直入射到两种声阻抗不同的大平界面上时，声压或声强的分配比例，仅平界面上时，声压或声强的分配比例，仅与两侧声阻抗有关。与两侧声阻抗有关。n n在界面两侧声波，必须符合两个条件：在界面两侧声波，必须符合两个条件： n n(1)界面两侧的总声压相等，即达到力的平界面两侧的总声压相等，即达到力的平衡：衡：Pi+Pr=Pt ；n n(2)界面两侧的质点振动速度幅值相等，且界面两侧的质点振动速度幅值相等，且声强满足能量守恒定律声强满足能量守恒定律: R RI I I I+D+DI I I I=1=1。84.(二二)斜入射的反
104、射、折射和波型转换斜入射的反射、折射和波型转换n n1 1 1 1、纵波、横波的斜入射、纵波、横波的斜入射、纵波、横波的斜入射、纵波、横波的斜入射n n超声平面波以一定的倾斜角入射到异质界面上产超声平面波以一定的倾斜角入射到异质界面上产超声平面波以一定的倾斜角入射到异质界面上产超声平面波以一定的倾斜角入射到异质界面上产生反射和折射，遵循反射和折射定律。同时，超生反射和折射，遵循反射和折射定律。同时，超生反射和折射，遵循反射和折射定律。同时，超生反射和折射，遵循反射和折射定律。同时，超声波在一定条件下界面上还会产生波型转换现象，声波在一定条件下界面上还会产生波型转换现象，声波在一定条件下界面上还
105、会产生波型转换现象，声波在一定条件下界面上还会产生波型转换现象，这种现象在垂直入射时不会发生。由于气态和液这种现象在垂直入射时不会发生。由于气态和液这种现象在垂直入射时不会发生。由于气态和液这种现象在垂直入射时不会发生。由于气态和液态的介质不能传播横波，因此，斜入射时的波型态的介质不能传播横波，因此，斜入射时的波型态的介质不能传播横波，因此，斜入射时的波型态的介质不能传播横波，因此，斜入射时的波型转换现象还与界面两侧介质的状态有关。转换现象还与界面两侧介质的状态有关。转换现象还与界面两侧介质的状态有关。转换现象还与界面两侧介质的状态有关。n n设超声波纵波以入射角倾斜入射到分界面。一部设超声波
106、纵波以入射角倾斜入射到分界面。一部设超声波纵波以入射角倾斜入射到分界面。一部设超声波纵波以入射角倾斜入射到分界面。一部分超声波在界面上的反射，返回介质分超声波在界面上的反射，返回介质分超声波在界面上的反射，返回介质分超声波在界面上的反射，返回介质1 1 1 1。在这部分。在这部分。在这部分。在这部分超声波中，既有纵波，又有横波。还有一部分超超声波中，既有纵波，又有横波。还有一部分超超声波中，既有纵波，又有横波。还有一部分超超声波中，既有纵波，又有横波。还有一部分超声波通过该界面折射进入介质声波通过该界面折射进入介质声波通过该界面折射进入介质声波通过该界面折射进入介质2 2 2 2。同样在这部分
107、超。同样在这部分超。同样在这部分超。同样在这部分超声波中，也是既有纵波，又有横波，如图声波中，也是既有纵波，又有横波，如图声波中，也是既有纵波，又有横波，如图声波中，也是既有纵波，又有横波，如图2.2.242.2.242.2.242.2.24。85.纵波斜入射纵波斜入射 n n图图2.2.242.2.24n n反射纵波和横波的反射角反射纵波和横波的反射角反射纵波和横波的反射角反射纵波和横波的反射角L L L L和和和和ssss 、折射纵波和、折射纵波和、折射纵波和、折射纵波和横波的折射角横波的折射角横波的折射角横波的折射角L L L L和和和和ssss与纵波和横波分别在第一、与纵波和横波分别在
108、第一、与纵波和横波分别在第一、与纵波和横波分别在第一、第二介质中的声速第二介质中的声速第二介质中的声速第二介质中的声速C C L1L1L1L1CsCs1 1C CL2L2L2L2和和和和CsCs2 2之间满足如下反之间满足如下反之间满足如下反之间满足如下反射、折射定律：射、折射定律：射、折射定律：射、折射定律：n n sinsin L/L/L/L/C C L1=L1=L1=L1= sin sinL/L/L/L/C C L1=L1=L1=L1= sin sinL/L/L/L/C CL2= L2= L2= L2= sinsins/s/s/s/CsCs2 286.横波斜入射横波斜入射n n同样，超声
109、波横波以入射角倾斜入射到分界面时，同样，超声波横波以入射角倾斜入射到分界面时，同样，超声波横波以入射角倾斜入射到分界面时，同样，超声波横波以入射角倾斜入射到分界面时，有有有有n n sin sin L/L/L/L/C sC s1 1= = = = sin sinL/L/L/L/C C L1=L1=L1=L1= sin sinL/L/L/L/C CL2= L2= L2= L2= sinsins/s/s/s/CsCs2 2n n从式中可见，如果是纵波入射，反射波中的纵波从式中可见，如果是纵波入射，反射波中的纵波从式中可见，如果是纵波入射，反射波中的纵波从式中可见，如果是纵波入射，反射波中的纵波的反
110、射角等于入射角，反射横波的反射角小于入的反射角等于入射角，反射横波的反射角小于入的反射角等于入射角，反射横波的反射角小于入的反射角等于入射角，反射横波的反射角小于入射角；如果是横波入射，反射波中的纵波的反射射角；如果是横波入射，反射波中的纵波的反射射角；如果是横波入射，反射波中的纵波的反射射角；如果是横波入射，反射波中的纵波的反射角大于入射角，横波的反射角等于入射角。角大于入射角，横波的反射角等于入射角。角大于入射角，横波的反射角等于入射角。角大于入射角，横波的反射角等于入射角。 即横即横即横即横波反射声束总是位于纵波反射声束与法线之间。波反射声束总是位于纵波反射声束与法线之间。波反射声束总是
111、位于纵波反射声束与法线之间。波反射声束总是位于纵波反射声束与法线之间。n n另横波折射角也总是位于纵波折声束与法线之间。另横波折射角也总是位于纵波折声束与法线之间。另横波折射角也总是位于纵波折声束与法线之间。另横波折射角也总是位于纵波折声束与法线之间。87.2 2、波型转换、波型转换n n在反射波和折射波中，除了有和入射超声在反射波和折射波中，除了有和入射超声波同类型的超声波外，还有不同类型的超波同类型的超声波外，还有不同类型的超声波，即入射的纵波会产生反射和折射的声波，即入射的纵波会产生反射和折射的纵波和横波，入射的横波也会产生反射和纵波和横波，入射的横波也会产生反射和折射的纵波和横波。这称
112、为波型转换现象。折射的纵波和横波。这称为波型转换现象。但是应该注意到，由于液态和气态介质不但是应该注意到，由于液态和气态介质不能传播横波，所以不是任何情况下反射波能传播横波，所以不是任何情况下反射波和折射波都有波型的转换。和折射波都有波型的转换。88.举例举例n n(1)(1)界面波型转换界面波型转换界面波型转换界面波型转换: :介质介质介质介质1 1为固体为固体为固体为固体2 2为液体，纵波入射为液体，纵波入射为液体，纵波入射为液体，纵波入射在介质在介质在介质在介质2 2中没有折射横波；中没有折射横波；中没有折射横波；中没有折射横波；n n(2)(2)介质同介质同介质同介质同(1)(1)，横
113、波入射介质，横波入射介质，横波入射介质，横波入射介质2 2只有折射的横波；只有折射的横波；只有折射的横波；只有折射的横波；n n(3)(3)介质介质介质介质1 1为液体，为液体，为液体，为液体，2 2为固体，纵波入射在介质为固体，纵波入射在介质为固体，纵波入射在介质为固体，纵波入射在介质1 1中只中只中只中只有反射纵波；在入射角较小且介质有反射纵波；在入射角较小且介质有反射纵波；在入射角较小且介质有反射纵波；在入射角较小且介质1 1声阻抗较大下，声阻抗较大下，声阻抗较大下，声阻抗较大下，才可能有折射纵波和折射横波；才可能有折射纵波和折射横波；才可能有折射纵波和折射横波；才可能有折射纵波和折射横
114、波；n n(4) (4) 两介质均液体，只纵波入射两介质均液体，只纵波入射两介质均液体，只纵波入射两介质均液体，只纵波入射, ,反反反反/ /折射均纵波；折射均纵波；折射均纵波；折射均纵波；n n(5) (5) 两种介质均固体，入射波为纵波横波，反射波两种介质均固体，入射波为纵波横波，反射波两种介质均固体，入射波为纵波横波，反射波两种介质均固体，入射波为纵波横波，反射波折射波中既有纵波又有横波。折射波中既有纵波又有横波。折射波中既有纵波又有横波。折射波中既有纵波又有横波。n n声波从固体斜射至空气在固体中存在反射纵波和声波从固体斜射至空气在固体中存在反射纵波和声波从固体斜射至空气在固体中存在反
115、射纵波和声波从固体斜射至空气在固体中存在反射纵波和( (或或或或) )横波。横波。横波。横波。89.3 3、临界角临界角纵波第一临界角纵波第一临界角n n如果超声波纵波的声束倾斜入射到两种介如果超声波纵波的声束倾斜入射到两种介质的交界面上，并且纵波在第二介质中的质的交界面上，并且纵波在第二介质中的波速大于第一介质，相应地纵波的折射角波速大于第一介质，相应地纵波的折射角必定大于纵波的入射角，并且折射角会随必定大于纵波的入射角，并且折射角会随着入射角的增大而单调地增大。着入射角的增大而单调地增大。90.纵波第一临界角定义纵波第一临界角定义：n n纵角波斜入射使固体中纵角波斜入射使固体中L L L
116、L =90 =90的纵波入的纵波入射射L L L L称为纵波第一临界角称为纵波第一临界角 n n LK1=arcsinCLK1=arcsinCLK1=arcsinCLK1=arcsinCL1L1L1L1/C/C/C/CL2L2L2L2 n n物理意义：如果入射角大于第一临界角，物理意义：如果入射角大于第一临界角，纵波在界面全反射，第二介质中就没有纵纵波在界面全反射，第二介质中就没有纵波传播，只存在折射横波。波传播，只存在折射横波。n n这种纵波全反射的现象出现的条件为这种纵波全反射的现象出现的条件为C C C CL2L2L2L2CCCCL1L1L1L191.纵波第二临界角定义纵波第二临界角定义
117、：n n纵波倾斜入射时使得折射横波折射角纵波倾斜入射时使得折射横波折射角ss=90的入射角为纵波第二临界角的入射角为纵波第二临界角.n n LK2=arcsinCLK2=arcsinCLK2=arcsinCLK2=arcsinCL1L1L1L1/Cs/Cs/Cs/Cs2 2 2 2 n n入射角大于纵波第二临界角时，入射纵波入射角大于纵波第二临界角时，入射纵波声束的变型横波不传入第二介质，产生横声束的变型横波不传入第二介质，产生横波全反射的现象，第二介质中既无折射纵波全反射的现象，第二介质中既无折射纵波，又无折射横波，在第二介质的表面形波，又无折射横波，在第二介质的表面形成表面波。成表面波。
118、92.横波第三临界角横波第三临界角:n n超声波横波倾斜入射时，产生的反射超声超声波横波倾斜入射时，产生的反射超声波中既有横波也有纵波。波中既有横波也有纵波。n n因为在同一介质中纵波波速总是大于横波因为在同一介质中纵波波速总是大于横波波速，故纵波的反射角总是大于入射角，波速，故纵波的反射角总是大于入射角，并且入射角增大时纵波的反射角也会增加。并且入射角增大时纵波的反射角也会增加。将横波斜入射至固将横波斜入射至固/气界面并产生纵波全反气界面并产生纵波全反射射L L L L90的横波入射角称为第三临界角。的横波入射角称为第三临界角。 93.例示：例示：n已知材料纵波声速已知材料纵波声速6260m
119、/s，n第三临界角第三临界角29.5求其横波声速？求其横波声速？n解：解：Cs=6260sin29.5n=62600.4924n=3083m/s94. (三三)曲面透镜的超声波聚焦和发散曲面透镜的超声波聚焦和发散n n设透镜曲率半径为设透镜曲率半径为R，n n水中焦距为水中焦距为F，n n介质介质1和介质和介质2的声速分别为的声速分别为C1和和C2， 则焦距或曲率半径为则焦距或曲率半径为 n n F=RC1/(C1-C2) n n 或或 R=F(C1-C2)/C195.平面波在介质弯曲面的会聚与发散平面波在介质弯曲面的会聚与发散 (a)(a)96.例示例示：n n若声透镜材料为环氧树脂，水中焦
120、距若声透镜材料为环氧树脂，水中焦距为为150mm，求其球面曲率半径，求其球面曲率半径R多少？多少？n n解：已知解：已知C1=2730m/s，C2=1480m/s，F=150mm，n n且且R=F(C1-C2)/C1=0.4578Fn n则则 Rn n=F(C1-C2)/C1n n=150(2730-1480)/2730=68.68mm97.十、规则异质体对超声波的反射十、规则异质体对超声波的反射n n( (一一) )大平面大平面( (底面底面) ) 对超声波的反射对超声波的反射n n超声探伤中大平面是典型规则反射面。超声探伤中大平面是典型规则反射面。设声源为圆形晶片，直径为设声源为圆形晶片，
121、直径为D D，大平底，大平底面面B B与声源的距离为与声源的距离为XBXB，探头上接收到，探头上接收到的返回声压相当于传播了的返回声压相当于传播了2XB2XB声程的超声程的超声波的声压：声波的声压：n n PB B=P0 0 D/4D/4(2XB B) )98.(二二)平底孔对超声波的反射平底孔对超声波的反射n n假设在均匀介质中，在远场区有一个距探假设在均匀介质中，在远场区有一个距探头晶片头晶片X的圆形平底孔反射体，其直径为的圆形平底孔反射体，其直径为 (D) ，从声源出发传播到平底孔底面，从声源出发传播到平底孔底面上的入射声压为：上的入射声压为：n n P =P0 0 D/4D/4X 99
122、.(三三)球形孔对超声波的反射球形孔对超声波的反射n球形孔洞表面的入射声压为球形孔洞表面的入射声压为 n n Pd d =P0 0 Dd/4Dd/4Xd (4 4Xd ) n n从外表面检测的底面反射回波声压为从外表面检测的底面反射回波声压为n n PR R =P0 0 D/8D/8XR R(d/D)n n从内表面检测的底面反射回波声压为从内表面检测的底面反射回波声压为 n n Pr =P0 0 D/8D/8Xr(D/d)100.规则反射体回波声压公式规则反射体回波声压公式n n不同距离大平底回波分贝差不同距离大平底回波分贝差不同距离大平底回波分贝差不同距离大平底回波分贝差=20lg(X=20
123、lg(X2 2/X/X1 1) )n n同距不同平底孔回波分贝差同距不同平底孔回波分贝差同距不同平底孔回波分贝差同距不同平底孔回波分贝差=40lg(=40lg(1 1/ /2 2) ) 同径异距平底孔回波分贝差同径异距平底孔回波分贝差同径异距平底孔回波分贝差同径异距平底孔回波分贝差=40lg(X=40lg(X2 2/X/X1 1) )n n同距异径长横孔回波分贝差同距异径长横孔回波分贝差同距异径长横孔回波分贝差同距异径长横孔回波分贝差=10lg(=10lg(1 1/ /2)2) 同径异距长横孔回波分贝差同径异距长横孔回波分贝差同径异距长横孔回波分贝差同径异距长横孔回波分贝差=30lg(X=30
124、lg(X2 2/X/X1 1) ) n n同距同长度异径短横孔贝差同距同长度异径短横孔贝差同距同长度异径短横孔贝差同距同长度异径短横孔贝差=10lg(=10lg(1 1/ /2)2) 同径异距短横孔回波分贝差同径异距短横孔回波分贝差同径异距短横孔回波分贝差同径异距短横孔回波分贝差=30lg(X=30lg(X2 2/X/X1 1) )n n同距异径球孔回波分贝差同距异径球孔回波分贝差同距异径球孔回波分贝差同距异径球孔回波分贝差=20lg(d=20lg(d1 1/d/d2 2) )n n同径异距球孔回波分贝差同径异距球孔回波分贝差同径异距球孔回波分贝差同径异距球孔回波分贝差=40lg(X=40lg
125、(X2 2/X/X1 1) ) 101.一、概述1、仪器的作用2、仪器的分类第二章第二章 仪器、探头和试块仪器、探头和试块第一节第一节 超声波探伤仪超声波探伤仪 102.n n脉冲波脉冲波n n连续波连续波n n调频波调频波n nA型显示型显示n nB型显示型显示n nC型显示型显示n n单通道单通道n n多通道多通道按超声波的连续性分类按超声波的连续性分类按显示方式分类按显示方式分类按通道分类按通道分类103.104.二、超声波探伤仪工作原理二、超声波探伤仪工作原理 n nA型显示探伤仪型显示探伤仪 同步电路同步电路发射电路发射电路扫描电路扫描电路接收接收放大电路放大电路电电 源源TBF10
126、5.n n主要组成部分及作用主要组成部分及作用 同步电路：同步电路：扫描电路：扫描电路：发射电路：发射电路：接收电路：接收电路：显示电路：显示电路：电源：电源：106.同步电路同步电路产生数十至数千个脉冲，产生数十至数千个脉冲，触发探伤仪扫描电路和发射电路触发探伤仪扫描电路和发射电路107.扫描电路扫描电路产生锯齿波电压，加在示波管水平偏转板上产生锯齿波电压，加在示波管水平偏转板上108.发射电路发射电路 产生几百至上千伏的电脉冲，加于发产生几百至上千伏的电脉冲，加于发射探头，激励压电晶片振动，发射超声波射探头，激励压电晶片振动，发射超声波109.接收电路接收电路 由衰减器、射频放大器、检波器
127、和视频由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器等组成放大器等组成110.n n主要控制旋钮及功能主要控制旋钮及功能 工作方式选择工作方式选择工作方式选择工作方式选择发射强度发射强度发射强度发射强度衰减器衰减器衰减器衰减器增益增益增益增益深度范围深度范围深度范围深度范围脉冲位移脉冲位移脉冲位移脉冲位移( (延迟延迟延迟延迟) )抑制抑制抑制抑制111.n数字探伤仪的特征与应用数字探伤仪的特征与应用 常用的常用的A扫描数字超声仪，稳定性好，扫描数字超声仪，稳定性好，使用方便使用方便112.第二节第二节 测厚仪测厚仪 n n测厚仪的工作原理、种类和应用测厚仪的工作原理、种类和应用 共振式共振式可测厚
128、度下限小，精度较高可测厚度下限小，精度较高脉冲反射式脉冲反射式是目前常用的测厚仪是目前常用的测厚仪兰姆波式兰姆波式应用较少应用较少113.超声仪器使用要点超声仪器使用要点n n(1) 开启电源开启电源 (2) 工件测厚工件测厚n n(3) 测入射点测入射点 (4) 测折射角测折射角n n(5) 扫描比例扫描比例 (6) DAC曲线曲线n n(7) 粗探在先粗探在先 (8) 细探在后细探在后n n(9) 指示长度指示长度 (10) 平行检查平行检查n n(11)校准两点校准两点 (12) 关机清场关机清场114.第三节第三节 探头探头 n n探头的作用、原理探头的作用、原理 一、压电效应一、压电
129、效应某些晶体材料在交变某些晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效拉压应力作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。反之，当晶体材应称为正压电效应。反之，当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。正、逆压电的效应称为逆压电效应。正、逆压电效应通称为压电效应。效应通称为压电效应。115.二、压电材料主要性能二、压电材料主要性能n n压电应变常数压电应变常数d33n n压电电压常数压电电压常数g33n n介电常数介电常数n n机电耦合系数机电耦合系数Kn n机械品质因子机械品质因子m n n频率常数频率常数Nn n居里温度居里温度Tc d
130、d3333= (m/V)= (m/V) tt U U g g3333= (Vm/N)= (Vm/N) UpUp p p =C =C t t A A K K = = 转换的能量转换的能量输入的能量输入的能量 mm = = E E贮贮E E损损N=tfN=tfo o=C=CL L/2/2116.超声波探头对晶片的要求超声波探头对晶片的要求机电耦合系数机电耦合系数机电耦合系数机电耦合系数K K较大，以便获得较高的转换效率；较大，以便获得较高的转换效率；较大，以便获得较高的转换效率；较大，以便获得较高的转换效率；机械品质因子机械品质因子机械品质因子机械品质因子 mm较小，以便获得较高的分辨率和较较小，
131、以便获得较高的分辨率和较较小，以便获得较高的分辨率和较较小，以便获得较高的分辨率和较小的盲区；小的盲区；小的盲区；小的盲区；压电应变常数压电应变常数压电应变常数压电应变常数d d3333和压电电压常数和压电电压常数和压电电压常数和压电电压常数g g3333较大，以便获较大，以便获较大，以便获较大，以便获得较高的发射、接收灵敏度；得较高的发射、接收灵敏度；得较高的发射、接收灵敏度；得较高的发射、接收灵敏度；频率常数频率常数频率常数频率常数NN较大，介电常数较大，介电常数较大，介电常数较大，介电常数 较小，以便获得较高的较小，以便获得较高的较小，以便获得较高的较小，以便获得较高的频率；频率；频率；
132、频率；居里温度居里温度居里温度居里温度TcTc较高，声阻抗较高，声阻抗较高，声阻抗较高，声阻抗Z Z适当适当适当适当117.三、探头种类三、探头种类 和结构和结构n n直探头直探头n n斜探头斜探头 n n表面波探头表面波探头 n n双晶探头双晶探头n n聚焦探头聚焦探头n n高温探头高温探头 、电磁探头、电磁探头118.探头种类探头种类 和结构和结构119.探头种类探头种类 和结构和结构120.探头种类探头种类 和结构和结构121.探头种类探头种类 和结构和结构n n聚焦探头的焦距聚焦探头的焦距F F = c1r/(c1-c2)=nr/(n-1) n=c1/c2 对于有机玻璃声透镜和水对于有
133、机玻璃声透镜和水对于有机玻璃声透镜和水对于有机玻璃声透镜和水 F=2.2r F=2.2r 实际焦距实际焦距实际焦距实际焦距 F=F L(c F=F L(c3 3/c/c2 2-1)-1)122.基本频率基本频率探头型号的组成探头型号的组成晶片尺寸晶片尺寸探头种类探头种类特征特征晶片材料晶片材料2.5P20Z2.5P20Z5P65P66K2.56K2.5123.第四节第四节 试块试块 n n试块的用途试块的用途 1. 1.确定探伤灵敏度确定探伤灵敏度2. 2.测试仪器和探头的性能测试仪器和探头的性能3. 3.调整扫描速度调整扫描速度4. 4.评判缺陷的大小评判缺陷的大小124.n n试块的试块的
134、 分类分类1. 按试块来历分按试块来历分a)a)标准试块标准试块b)b)参考试块参考试块2. 按试块上人工反射体分按试块上人工反射体分a)a)平底孔试块平底孔试块b)b)横孔试块横孔试块c)c)槽形试块槽形试块125.n nIIW（荷兰试块）（荷兰试块）国内外常用试块126.国内外常用试块IIW2（牛角试块）127.n nGB/T11345-89标准采用的试块有：标准采用的试块有：CSK-A CSK-A CSK-A RB-1 、2 、3 JG/T203-2007标准采用的试块有：标准采用的试块有：CSK-B CSK-A RB-1 CSK-ICi CSK-ICj JB/T4730.3-2005标
135、准采用的标准试块有：标准采用的标准试块有：（1）钢板用标准试块：）钢板用标准试块：CB、CB（2）锻件用标准试块：）锻件用标准试块：CS、CS、CS（3）焊接接头用标准试块：）焊接接头用标准试块：CSK-A 、 CSK-A、 CSK-A、CSK-A128.129.130.131.132.对比试块对比试块n n对比试块是用于检测校准的试块；对比试块是用于检测校准的试块；n n对对比比试试块块的的外外形形尺尺寸寸应应能能代代表表被被检检工工件件的的特特征征，试试块块厚厚度度应应与与被被检检工工件件的的厚厚度度相相对对应应。如如果果涉涉及及到到两两种种或或两两种种以以上上不不同同厚厚度度部部件件焊焊
136、接接接接头头进进行行检检测测时，试块的厚度由其最大厚度来确定。时，试块的厚度由其最大厚度来确定。133.第五节第五节 仪器和探头的性能及其测试仪器和探头的性能及其测试 n n仪器的性能及其测试仪器的性能及其测试 1. 1.水准线性水准线性2. 2.垂直线性垂直线性3. 3.动态范围动态范围4. 4.衰减器精度衰减器精度 134.1. 1.水准线性水准线性 = 100%amax0.8b135.2. 2.垂直线性垂直线性 3. 3.D=（ d1 + d2 ）136. 3. 3.动态范围动态范围动态范围动态范围4. 4. 将满幅度将满幅度将满幅度将满幅度100%100%某波高用衰减器衰减到刚能识某波
137、高用衰减器衰减到刚能识某波高用衰减器衰减到刚能识某波高用衰减器衰减到刚能识别的最小值时所需衰减别的最小值时所需衰减别的最小值时所需衰减别的最小值时所需衰减的的的的dBdB值值值值5. 5. * *这时抑制为这时抑制为这时抑制为这时抑制为0 04. 4.衰减器精度衰减器精度 任意相邻任意相邻任意相邻任意相邻1212dBdB误差误差误差误差1 1 1 1dBdB 可以用直探头探测试块内同声程的可以用直探头探测试块内同声程的可以用直探头探测试块内同声程的可以用直探头探测试块内同声程的2 2和和和和 4 4平平平平底孔，用衰减器将回波其调至同一高度，此时底孔，用衰减器将回波其调至同一高度，此时底孔，用
138、衰减器将回波其调至同一高度，此时底孔，用衰减器将回波其调至同一高度，此时衰减器的调节量与衰减器的调节量与衰减器的调节量与衰减器的调节量与1212dBdB的查值即为衰减器误差的查值即为衰减器误差的查值即为衰减器误差的查值即为衰减器误差137.n nJG/T203-2007对仪器的规定对仪器的规定n nJB/T4730.3-2005对仪器的规定对仪器的规定138.n n探头的性能及其测试探头的性能及其测试1. 1.入射点入射点2. 2.K值值3. 3.声束轴线偏离与双峰声束轴线偏离与双峰4. 4.声束特性声束特性139.入射点与入射点与K值测定值测定140.声束轴线偏离与双峰测定声束轴线偏离与双峰
139、测定141.142.n n仪器和探头的综合性能及其测试仪器和探头的综合性能及其测试1. 1.灵敏度余量灵敏度余量2. 2. 指仪器最大输出时，使规定发射体达指仪器最大输出时，使规定发射体达基准波高所需衰减的衰减总量基准波高所需衰减的衰减总量143.n n仪器和探头的综合性能及其测试仪器和探头的综合性能及其测试2. 2.盲区与始脉冲宽度盲区与始脉冲宽度始脉冲宽度与灵敏度有关始脉冲宽度与灵敏度有关始脉冲宽度与灵敏度有关始脉冲宽度与灵敏度有关144.n n仪器和探头的综合性能及其测试仪器和探头的综合性能及其测试3. 3.分辨力分辨力A、B、C不能分开时不能分开时 F=(91-85)a/(a-b)=6
140、a/(a-b)A、B、C能分开时能分开时 F=(91-85)c/a=6c/a145.n n仪器和探头的综合性能及其测试仪器和探头的综合性能及其测试3. 3.分辨力分辨力4. 4. X=20lgh1h2146.n n仪器和探头的综合性能及其测试仪器和探头的综合性能及其测试4. 4.信噪比信噪比5. 5. 显示屏上有用的最小缺陷信号幅显示屏上有用的最小缺陷信号幅度与无用的噪声杂波幅度度与无用的噪声杂波幅度之比之比147.JG/T203-2007对探伤仪、探头和系统性对探伤仪、探头和系统性能的规定能的规定（1）探伤仪性能探伤仪性能 a）工作频率：工作频率：0.5MHz10MHz b）垂垂直直线线性性
141、：在在荧荧光光屏屏满满刻刻度度的的80%范范围围内呈线性，误差不大于内呈线性，误差不大于5% c）水平线性：误差不大于水平线性：误差不大于1% d）衰衰减减器器：80dB以以上上连连续续可可调调，步步进进级级每每档档不不大大于于2dB，精精度度为为任任意意相相邻邻12dB误误差在差在1dB以内，最大累计误差不大于以内，最大累计误差不大于1dB148.JG/T203-2007对探伤仪、探头和系统性对探伤仪、探头和系统性能的规定能的规定（2）探头探头 a）晶晶片片面面积积一一般般不不应应大大于于500mm2，且且任任一边长原则上不大于一边长原则上不大于25mm b）单单斜斜探探头头声声束束轴轴线线
142、水水平平偏偏离离角角不不应应大大于于2，主声束垂直方向不应有明显的双峰，主声束垂直方向不应有明显的双峰149.JG/T203-2007对探伤仪、探头和系统性对探伤仪、探头和系统性能的规定能的规定（3 3）超声探伤仪和探头的系统性能超声探伤仪和探头的系统性能超声探伤仪和探头的系统性能超声探伤仪和探头的系统性能 a a）在在在在达达达达到到到到所所所所探探探探工工工工件件件件的的的的最最最最大大大大检检检检测测测测声声声声称称称称时时时时，其其其其有有有有效效效效灵灵灵灵敏度余量应不小于敏度余量应不小于敏度余量应不小于敏度余量应不小于10dB10dB b b）仪仪仪仪器器器器和和和和探探探探头头头
143、头的的的的组组组组合合合合频频频频率率率率与与与与公公公公称称称称频频频频率率率率误误误误差差差差不不不不得得得得大大大大于于于于10%10% c c）仪仪仪仪器器器器和和和和直直直直探探探探头头头头组组组组合合合合的的的的始始始始脉脉脉脉冲冲冲冲宽宽宽宽度度度度（在在在在基基基基准准准准灵灵灵灵敏敏敏敏度下）度下）度下）度下） 对于频率为对于频率为对于频率为对于频率为5MHz5MHz的探头，宽度不大于的探头，宽度不大于的探头，宽度不大于的探头，宽度不大于10mm10mm 对于频率为对于频率为对于频率为对于频率为2.5MHz2.5MHz的探头，宽度不大于的探头，宽度不大于的探头，宽度不大于的探
144、头，宽度不大于15mm15mm d d）直探头的远场分辨力应不小于直探头的远场分辨力应不小于直探头的远场分辨力应不小于直探头的远场分辨力应不小于30dB30dB 斜探头的远场分辨力应不小于斜探头的远场分辨力应不小于斜探头的远场分辨力应不小于斜探头的远场分辨力应不小于6dB6dB150.探伤技术分类：探伤技术分类：原理分脉冲反射法、穿透法、共振法原理分脉冲反射法、穿透法、共振法显式分显式分A、B、C型显示型显示波型分纵波法、横波法、表面波法波型分纵波法、横波法、表面波法探头分单斜法、双探头法、多探头法探头分单斜法、双探头法、多探头法耦合分接触法、液浸法耦合分接触法、液浸法射角分直射声束法、斜射声
145、束法射角分直射声束法、斜射声束法第三章第三章 超声波探伤通用技术超声波探伤通用技术151.第一节第一节 超声波探伤方法超声波探伤方法 n n按原理分类按原理分类脉冲反射法脉冲反射法穿透法穿透法共振法共振法152.缺陷回波法缺陷回波法153.底波高度法底波高度法154.多次底波法多次底波法155.穿透法穿透法156.纵波法纵波法 横波法横波法157.探头并列法探头并列法158.n n按波形分类按波形分类纵波法纵波法横波法横波法表面波法表面波法板波法板波法爬波法爬波法159.n n按探头数目分类按探头数目分类单探头单探头双探头双探头多探头多探头160.n n按探头接触方式分类按探头接触方式分类直接
146、接触法直接接触法液浸法液浸法161.第二节第二节 仪器与探头的选择仪器与探头的选择 n n仪器选择仪器选择 探测要求探测要求 现场条件现场条件162.n n探头选择探头选择 根据工件结构形状、加工工艺和技术要求根据工件结构形状、加工工艺和技术要求进行选择进行选择 探头型式探头型式频率频率晶片尺寸晶片尺寸K值值163.第三节第三节 耦合与补偿耦合与补偿 n n耦合剂耦合剂流动性、粘度、附着力适当，易清洗；流动性、粘度、附着力适当，易清洗；声阻抗高，透声性好；声阻抗高，透声性好；价格便宜价格便宜;对工件无腐蚀，对人无害，不污染环境；对工件无腐蚀，对人无害，不污染环境；性能稳定，不易变质，能长期保存
147、。性能稳定，不易变质，能长期保存。164.n常用耦合剂有常用耦合剂有 机油、水、水玻璃、甘油、浆糊等机油、水、水玻璃、甘油、浆糊等165.n n影响耦合剂的主要因素影响耦合剂的主要因素耦合层厚度的影响耦合层厚度的影响 /4的奇数倍时，透声效果差的奇数倍时，透声效果差 /2的整数倍或很薄时，透声效果好的整数倍或很薄时，透声效果好166.n n影响耦合剂的主要因素影响耦合剂的主要因素表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响 一般一般R0不高于不高于6.3m耦合剂声阻抗、工件表面形状的影响耦合剂声阻抗、工件表面形状的影响167.n n表面耦合损耗的测定和补偿表面耦合损耗的测定和补偿168.n n表面耦合损耗
148、的测定和补偿表面耦合损耗的测定和补偿169.第四节第四节 探伤仪的调节探伤仪的调节 n n扫描速度调节扫描速度调节170.n n扫描速度调节扫描速度调节1. 1.声程调节法声程调节法2. 2.水平调节法水平调节法3. 3.深度调节法深度调节法171.n n探伤灵敏度调节探伤灵敏度调节1. 1.试块调整法试块调整法2. 2.工件底波调整法工件底波调整法（x3N时）时）3. 3. 4. 4. =20lg =20lg PB 2xPF Df2172.第五节第五节 缺陷位置的测定缺陷位置的测定 n n纵波直探头探伤纵波直探头探伤 xf=ntfn n表面波探伤表面波探伤 xf=ntf173.n n横波探伤
149、平面时横波探伤平面时按声程调节按声程调节 lf=xfsin df=xfcos 二次波时二次波时 df=2T-xfcos按水平调节按水平调节 lf=xf df=lf/K 二次波时二次波时 df=2T-lf/K按深度调节按深度调节 lf=Kxf df=xf 二次波时二次波时 df=2T-xf 174.n n横波探伤周向圆柱曲面时横波探伤周向圆柱曲面时外圆周向探测外圆周向探测 H=R- (Kd)2+(R-d)2 L= = tg-1R R Kd180 180 R-d175.内圆周向探测内圆周向探测 h= (Kd)2+(r-d)2- r l=tg-1r r Kd 180 180 r-d176.n n最大
150、探测厚度最大探测厚度 Tm/D (1- )1 K2 1+K2177.第六节第六节 缺陷大小的测定缺陷大小的测定 常用的定量方法：常用的定量方法： 当量法、测长法、底波高度法当量法、测长法、底波高度法178.n n当量法当量法当量比较法当量比较法 将工件中的自然缺陷回波与试块上的人工将工件中的自然缺陷回波与试块上的人工 缺陷回波进行比较来对缺陷定量缺陷回波进行比较来对缺陷定量 x40mm）常用垂直）常用垂直板面入射的纵波探伤法板面入射的纵波探伤法薄板（薄板（ 6mm）常用板波探伤法）常用板波探伤法197.板材超声波探伤板材超声波探伤接触法接触法198.水浸法水浸法 可以减少近场区的影响可以减少近
151、场区的影响 自动探伤自动探伤199.板材超声波探伤板材超声波探伤n n探头选择探头选择频率频率直径直径结构形式结构形式200.板材超声波探伤板材超声波探伤n n探头选择201.板材超声波探伤板材超声波探伤n n扫查方式选择扫查方式选择根据用途和要求不同选择根据用途和要求不同选择全面扫查全面扫查列线扫查列线扫查边缘扫查边缘扫查格子扫查格子扫查202.203.板材超声波探伤板材超声波探伤n n检测范围调整检测范围调整 根据板厚确定，一般是根据板厚确定，一般是 30mm以下，以下，B10，即即300mm 3080mm，B5，即，即400mm204.板材超声波探伤板材超声波探伤n n灵敏度调整灵敏度调
152、整阶梯试块法（阶梯试块法（CBI）平底孔试块法（平底孔试块法（CBII）底波法底波法205.板材超声波探伤板材超声波探伤206.板材超声波探伤板材超声波探伤207.板材超声波探伤板材超声波探伤208.板材超声波探伤板材超声波探伤n n缺陷的测定与记录缺陷的测定与记录209.板材超声波探伤板材超声波探伤210.板材超声波探伤板材超声波探伤n n缺陷的评定方法211.板材超声波探伤板材超声波探伤212.复合钢板超声波探伤复合钢板超声波探伤n n常见缺陷常见缺陷 脱层脱层n n探伤方法探伤方法 与钢板基本相同与钢板基本相同213.n n缺陷判别缺陷判别两种材料声阻抗相近时两种材料声阻抗相近时214.
153、n n缺陷判别缺陷判别两种材料声阻抗相差较大时两种材料声阻抗相差较大时215.管材超声波探伤管材超声波探伤n n常见缺陷常见缺陷无缝钢管：裂纹、折叠、夹层无缝钢管：裂纹、折叠、夹层焊接管：裂纹、气孔、夹渣、未焊透焊接管：裂纹、气孔、夹渣、未焊透锻轧管：裂纹、白点、重皮锻轧管：裂纹、白点、重皮216.n n小口径管探伤小口径管探伤1. 1.接触法接触法管材超声波探伤管材超声波探伤217.管材超声波探伤管材超声波探伤2. 2.水浸探伤水浸探伤3. 3. 偏心距范围的两个条件偏心距范围的两个条件l l纯横波纯横波l l横波探测内壁横波探测内壁 R xrCL1 CL1CL2 CS2218.管材超声波探
154、伤管材超声波探伤219.锻件与铸件超声波探伤锻件与铸件超声波探伤 锻件超声波探伤n n常见缺陷常见缺陷1. 1.铸造缺陷：缩孔残余、疏松、夹杂、裂纹铸造缺陷：缩孔残余、疏松、夹杂、裂纹铸造缺陷：缩孔残余、疏松、夹杂、裂纹铸造缺陷：缩孔残余、疏松、夹杂、裂纹2. 2.锻造缺陷：折叠、白点、裂纹锻造缺陷：折叠、白点、裂纹锻造缺陷：折叠、白点、裂纹锻造缺陷：折叠、白点、裂纹3. 3.热处理缺陷：裂纹热处理缺陷：裂纹热处理缺陷：裂纹热处理缺陷：裂纹220.n n探伤方法221.222.223.224.n n探测条件选择 探头探头探头探头 耦合剂耦合剂耦合剂耦合剂 扫查方式扫查方式扫查方式扫查方式 材质
155、衰减系数的测定材质衰减系数的测定材质衰减系数的测定材质衰减系数的测定 试块试块试块试块 探伤时机探伤时机探伤时机探伤时机225.n n扫描速度和灵敏度调节扫描速度和灵敏度调节226.n n缺陷位置和大小测定缺陷位置和大小测定当量法当量法Bf=20lg =20lg +2(xf-xB)Bf=20lg =20lg 2(xf-xB)PB 2xf2Pf Df2xBPB 2xf2Pf Df2xB227.6dB测长法测长法Lf = (R - xf)Lf = (r + xf)LRLr228.n n缺陷回波的判别1. 1.单个缺陷回波单个缺陷回波2. 2.分散缺陷回波分散缺陷回波3. 3.密集缺陷回波密集缺陷回
156、波4. 4.游动回波游动回波5. 5.底面回波底面回波229.n n非缺陷回波分析非缺陷回波分析1. 1.三角反射波三角反射波2. 2.迟到波迟到波3. 3.610反射波反射波4. 4.轮廓回波轮廓回波230.n n质量级别的评定质量级别的评定231.铸件超声波探伤铸件超声波探伤n n常见缺陷气孔、缩孔、夹杂、裂纹232.n n铸件探伤特点铸件探伤特点1. 1.透声性差透声性差2. 2.声耦合查声耦合查3. 3.干扰杂波干扰杂波多多233.n n探测条件选择探测条件选择 探头探头 试块试块 探测表面与耦合剂探测表面与耦合剂 透声性测试透声性测试 铸钢件内外层划分铸钢件内外层划分234.n n灵
157、敏度灵敏度n n质量级别的评定质量级别的评定235.第七章第七章 焊缝超声波探伤焊缝超声波探伤236.焊接加工及常见缺陷焊接加工及常见缺陷n n常用的焊接方法常用的焊接方法n n接头形式接头形式n n坡口形式坡口形式手工电弧焊、埋弧自动焊、手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊和电渣焊气体保护焊和电渣焊对接、角接、搭接和对接、角接、搭接和T型型接头接头V、U、K、I、X237.焊缝中常见缺陷焊缝中常见缺陷 气孔气孔 夹渣夹渣 未焊透未焊透 $未熔合未熔合 $裂纹裂纹238.对接焊缝超声波探伤对接焊缝超声波探伤n n检测条件选择检测条件选择 1. 检测面的修正检测面的修正 1.25P 0.75P P
158、=2KT 239.检测条件选择检测条件选择2.探头探头K值（角度）值（角度）使声束能扫查到整个焊缝（检测区）截面使声束能扫查到整个焊缝（检测区）截面使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直保证有足够的探伤灵敏度保证有足够的探伤灵敏度 a+b+l0 TK K 240.检测条件选择检测条件选择 条件允许时，应尽量用较大条件允许时，应尽量用较大K K值探头值探头241.检测条件选择检测条件选择3. 检测频率检测频率 一般为一般为2.55MHz对于板厚较小的焊缝，可采用较高的频率对于板厚较小的焊缝，可采用较高的频率对于板厚较大，衰减明显的焊缝，应选用对于板厚较大，衰减明
159、显的焊缝，应选用较低的频率较低的频率242.检测条件选择检测条件选择4.探测方向的选择探测方向的选择纵向缺陷探测纵向缺陷探测横向缺陷探测横向缺陷探测243.n扫描速度的调节扫描速度的调节声程法声程法水平法水平法深度法深度法244.1.距离距离波幅曲线绘制波幅曲线绘制 245.246.247.n扫查方式扫查方式常用的扫查方式常用的扫查方式锯齿形扫查锯齿形扫查前后扫查前后扫查左右扫查左右扫查转角扫查转角扫查环绕扫查环绕扫查平行或斜平行扫查平行或斜平行扫查248.n扫查方式扫查方式249.n扫查方式扫查方式250.n n缺陷位置的测定（定位）缺陷位置的测定（定位）声程定位法声程定位法 lf=xf s
160、in df=xf cos水平定位法水平定位法 df=lf/K深度定位法深度定位法 lf=Kdf df=xfdf=2T - xf cosdf=2T -lf/Kdf=2T - xf251.n n缺陷大小的测定（定量）缺陷大小的测定（定量）缺陷波幅的测定缺陷波幅的测定 缺陷最高回波达到基准时的缺陷最高回波达到基准时的dB值值缺陷指示长度的测定缺陷指示长度的测定 6dB法、端点法、端点6dB法、绝对灵敏度法法、绝对灵敏度法252.n n焊缝质量评级焊缝质量评级253.254.管座角焊缝和管座角焊缝和T型焊缝探伤型焊缝探伤n n结构特点和探测方法结构特点和探测方法255.管座角焊缝和管座角焊缝和T型焊缝
161、探伤型焊缝探伤256.管座角焊缝和管座角焊缝和T型焊缝探伤型焊缝探伤257.奥氏体不锈钢焊缝超声波探伤奥氏体不锈钢焊缝超声波探伤n n组织特点组织特点晶粒粗大、组织不均、有明显的各向异性晶粒粗大、组织不均、有明显的各向异性n n探测条件的选择探测条件的选择波型波型纵波纵波探头角度探头角度纵波斜探头纵波斜探头频率频率较低频率较低频率 0.52.5MHz探头种类探头种类窄脉冲探头、聚焦探头窄脉冲探头、聚焦探头258.缺陷性质与伪缺陷波的判别缺陷性质与伪缺陷波的判别n n缺陷性质的估判缺陷性质的估判 气孔气孔 夹渣夹渣 未焊透未焊透 未熔合未熔合 裂纹裂纹259.n n缺陷性质的估判缺陷性质的估判 仪器杂波仪器杂波 探头杂波探头杂波 耦合剂反射波耦合剂反射波 焊缝表面沟槽反射波焊缝表面沟槽反射波 焊缝上下错位引起的反射波焊缝上下错位引起的反射波 其他其他260.
