超声波探伤课件

1、超声检测,董金华,IBCC,160816,第一章,概论,1.1,无损检测的定义,无损检测技术,Non-Destructive Testing,简称,NDT,是第,二次世界大战后迅速发展起来的一门新兴的、多学科综合,应用的工程科学,此项技术是在不改变及损伤被检对象的各种性能,其中包,括物理性能、化学性能、几何形状,表面状态,等,的前提,下，采用多种适用的方法对被检对象进行检测，以确定其,质量，即确定该被检对象的实际使用性能是否能满足事先,设计的需要，以及确定其某些特性，如几何尺寸、所使用,的材料、表面状况、均匀性、密度等,常规无损检测方法,五大常规无损检测,射线检测,RT,超声检测,UT,磁粉检

2、测,MT,渗透检测,PT,涡流检测,ET,磁粉、渗透和涡流统称为表面检测,第二章,超声波检测的物理基础,超声波是一种机械波，是机械振动在介质中,的传播,该章主要涉及几何声学和物理声学的基本定律,和概念,几何声学：反射定律、折射定律、波形转换,物理声学：波的叠加、干涉、衍射等,1,振动与波动,1,1,振动,物体,或物体一部分）在某一中心位置两侧所做的往复周期,性的运动,称为,机械振动，常常简称为震动,振动产生的必要条件,一是，物体一旦离开平衡位置，就会受到回复力的作用；二是阻,力足够小,全振动：我们把从某一震动状态出发，又回到该震动状态所,发生的震动称为一次全震动,回复力：能够使震动物体回到平衡

3、位置的力,振动的表示：可用周期和频率表示振动的快慢,用振幅表示振动的强弱,周期,T,振动物体完成一次全振动所需要的时间,称为振动周期,单位：秒,S,频率,f,振动特物体在单位时间内完成全振动的,次数,称为振动频率,单位：赫兹,Hz,振幅,A,振动物体离开平衡位置的最大距离,1,T,f,简谐振动,物体在受到大小跟位移成正比而方向恒,相反的合外力作用下的运动,简谐振动动能和势能相互转化，总机,械能守恒,质点谐振动等效图,图,1.1,质点谐振动参考图,简谐振动方程,质点的水平位移和时间,t,的关系式,y=Acos,t,其中,A,振幅，最大水平位移,圆频率,2,f=2,T,初相位，即,t=0,时质点的

4、相位,t,质点在,t,时刻的相位,简谐振动方程描述了谐振动物体在任意,时刻的位移情况,阻尼振动,在机械系统振动时，由于受到摩擦力或其他阻,力的作用，系统的能量会不断损耗，质量振动,的振幅逐渐减小，以至于振动停止。所以，阻,尼振动是一个比较普遍情况，也称为衰减振动,不符合机械能守恒,受迫振动,由于振动系统内部的阻尼作用，能量逐渐消耗,因初始激发引起的自由振动，将因为能量逐渐,损耗，振动逐渐减弱，以至运动停止。要维持,振动必须由另一系统不断给以激发，即不断地,补充能量，这种由外加作用维持的振动，称为,强迫振动,不符合机械能守恒,y=Acos(Pt,其中,A,振幅，最大水平位移,P,策动力的圆频率,

5、T,初相位,1,2,波动,振动的传播过程，成为波动,波动分为,机械波,和,电磁波,两大类,机械波,是机械振动在弹性介质中的传播过程。如,水波、声波、超声波等,电磁波,是交变电磁场在空间的传播过程。如无线,电波、红外线、可见光、紫外线,X,射线,射线,等,超声波是机械波，因此下面只讨论机械波,物质的弹性模型,弹性介质,这种质点间以弹性力联系在一,起的介质称为弹性介质。一般固体、液体,气体都可视为弹性介质,机械波的产生,弹性介质中的一个质点的,振动就会引起邻近质点的振动，邻近质点,的振动又会引起较远质点的振动，于是振,动就以一定的速度由近及远地向各个方向,传播开来，从而就形成了机械波,机械波,是机

6、械振动在弹性介质中的传播过程,机械波必须具备以下两个条件,1,要有作机械振动的波源,2,能传播机械振动的弹性介质,振动与波动是互相关联的，振动是产生波动的根源,波动是振动状态的传播。波动中介质各质点并不随,波前进，只是以交变的振动速度在各自的平衡位置,附近往复运动,波动是振动状态的传播过程，也是振动能量的传播,过程。这种能量的传播，不是靠质点的迁移来实现,的，而是由各质点的位移连续变化来逐渐传播出去,的,机械波的主要物理量,波长,单位,mm,m,同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距,离,或者说：沿着波的传播方向，两个相邻的同相,位质点间的距离,频率,f,单位：赫兹,Hz,波动过程中,任一给

7、定点在,1,秒钟内所通过的完,整波的个数,波速,C,单位,m/s km/s,波动中,波在单位时间内所传播的距离称为波速,C,f,或,C,f,波长与波速成正比，与频率成反比,当频率一定时，波速愈大，波长就愈长,当波速一定时，频率愈低，波长就愈长,声波的种类,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,波，其种类按频率范围可以分为三类,次声波频率在,20Hz,以下，人耳听不到,声波在,20Hz,20KHz,之间，人耳可闻,超声波在,20KHz,以上，人耳不可闻,适用频率,超声波探伤常用的频率为,0.5MHz10MHz,对钢等金属材料的检验，常用的频率为,15MHz,

8、2,波的类型,1,根据质点的振动方向分类,根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波,的传播方向的不同,可将波动分为纵波、横波,表面波和板波等,纵波,介质中质点的振动方向和波的传播方向平,行。用,L,表示，又称压缩波或疏密波,当介质质点受到交变正应力作用时，质点之间,产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。这时介质,质点疏密相间，故纵波又称为压缩波或疏密波,凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵,波。所以,纵波可以在固体、液体和气体中传,播,横波,介质中质点的振动方向和波的传播方向垂直,用,T,表示,当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产,生切变变形，从而形成横波。只有固体能够承受,剪切应力，液体和气

9、体不能承受剪切应力，因此,横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体,中传播,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。用,R,表示，表面波是瑞利在,1887,年首次,提出的，因此，表面波又称瑞利波,表面波在介质表面传播时，质点作椭圆,运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短,轴平行于波的传播方向。椭圆运动可以视,为纵向振动与横向振动的合成，即纵波和,横波的合成。所以,表面波和横波一样,只能在固体介质中传播，不能在液体和气,体中传播,表面波只能在固体表面传播。表面波的,能量随传播深度的增加而迅速减弱。一般,认为,表面波检测只能发现距工件表面两,倍波长深度范围内的缺陷,板波,我

10、们把在板厚与波长相当的薄板中,传播的波称为板波,各,种,类,型,波,的,比,较,波的类型,质点振动特点,传播介质,应用,纵波,质点振动方向平行于波传播方向,固、液、气体介质,钢板、锻件检测等,横波,质点振动方向垂直于波传播方向,固体介质,焊缝、钢管检测等,表面波,质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直波,传播方向，短轴平行于拨传播方向,固体介质,钢管检测等,2,按波的形状分类,波形（波的形状,是指波阵面的形状,波阵面,同一时刻，介质中振动相位相同的所有,质点所联成的面称为波阵面,波,前,某一时刻，波动所到达的空间各点联成,的面积称为波前,波,线,波的传播方向称为为波线,由以上定义可知，波前是最前面的波阵

11、面。任,意时刻，波前只有一个，而波阵面却有很多。在,各向同性的介质中，波线恒垂直于波阵面或波前,据波阵面形状不同，可以把不同波源发出的,波分为平面波、柱面波和球面波,1,平面波,波阵面为互相平行的平面的波称为平面波。平,面波的波源为一个平面,尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的,均匀介质中辐射的波可视为平面波,平面波波束不扩散，平面波各质点振幅是一个常,数，不随距离而变化,x,y,A,cos,t,c,2,柱面波,波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。柱面波的波,源为一条线,长度远大于波长的线状波源在各向同性的介质中辐,射的波可视为柱面波。柱面波波束向四周扩散，柱,面波各质点的振幅与距离平方根成

12、反比,A,x,y,cos,t,c,x,3,球面波,波阵面为同心圆的波称为球面波。球面波的波源为,一点,尺寸远小于波长的点波源在各向同性的介质中辐射,的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩散,球面波各质点的振幅与距离成反比,实际应用的超声波探头中的波源近似活塞振动，在,各向同性的介质中辐射的波称为活塞波。当距离源,的距离足够大时，活塞波类似于球面波,A,x,y,cos,t,x,c,3,按振动的持续时间分类,根据波源振动的持续时间长短，将波动分为连续,波和脉冲波,1,连续波,波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波,超声波穿透法检测常采用连续波,2,脉冲波,波源振动持续时间很短（通常是微秒数量级,

13、间歇辐射的波称为脉冲波,目前超声波检测中广泛采用的就是脉冲波,3,超声波的声速,超声波在介质中的传播速度（声速）是表征介质声,学特性的重要参数,超声波的传播速度与下列因素有关,1,介质：弹性模量、密度、弹性变形形式、尺寸大小,均匀性等,2,超声波的波型：如纵波、横波与表面波等,3,温度,一般固体中的声速随介质温度升高而降低,4,应力：一般固体的应力增加，声速缓慢增加,3-1,无限大固体介质中的声速,纵波声速,横波声速,E,1,C,L,1,2,1,E,C,S,2,1,0,87,1,12,G,C,R,1,表面波声速,E,介质的杨氏弹性模量,介质的伯松比,介质密度,G,介质的切变弹性模量,由以上三式

14、可知,1,固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量等有,关，不同的介质声速不同,介质的弹性模量愈大，密度愈小，则声速愈大,2,声速与波的类型有关，在同一种固体介质中，纵,波、横波和表面波的声速各不相同，并存在如下,关系,C,L,C,S,C,R,对于钢材,C,L,C,S,C,R,1.8 : 1 : 0.9,3-2,细长棒中的纵波声速,C,Lb,细长棒中,棒径,d0.1,纵波的声速与无,限大介质中的纵波声速不同,C,L,E,3-3,液体、气体介质中声速,C,B,B,液体、气体介质的容变弹性模量，表示产生单位,容积相对变化量所需的压强,液体、气体介质的密度,几乎除水以外的所有液体当温度升高时，容变弹,

15、性模量减小，声速降低,水是温度在,74,摄氏度左右时声速达最大值,4,波的叠加、干涉、衍射和惠更斯原理,4-1,波的叠加原理,几列波相遇后仍保持自已原有的频率、波长、振动方,向等特性并按原来的传播方向继续前进，好象在各自,的途中没有遇到其他波一样，这就是波的叠加原理,又称波的独立性原理,可以看到两个以石子入水处为中心的圆形水波的迭加,情况和相遇后两波仍按原来的方向进行传播的情况,波的迭加现象可以从许多事实观察到，如两石子落水,4-2,波的干涉,两列频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差,恒一的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强,而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫,做波的干涉现象

16、,驻波,两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传,播时互相叠加而成的波，称为驻波,4-3,惠更斯原理,波动是振动状态的传播，如果介质是连续的，那,么介质，中任何质点的振动都将引起邻近质点的,振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动,因此波动中任何质点都可以看作是新的波源。据,此惠更斯于,1690,年提出了著名的惠更斯原理,介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波,的波源，在其后任意时刻这些子波的包迹就决定,新的波阵面,利用惠更斯原理可以确定波前的几何形状和波的,传播方向,惠更斯原理图,4-4,波的衍射,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

17、波的衍射或波的绕射,波的衍射现象是衍射时差法超声检测,TOFD,的物理基础,波的衍射,波的衍射和障碍物的尺寸,D,f,及波长,的相对大小有关,当,D,f,时,反射强,绕射弱,几乎全反射,当,D,f,时,反,射弱,绕射强,缺陷回波很低,容易出现漏检,超声波探伤的灵敏度约为,2,在频率相同的条件下,横波的检测灵敏度高于纵波的检,测灵敏度,相同介质中,提高工作频率可以检出较小的缺陷,衍射对探伤有利的方面,由于波的衍射,使超声波产生晶粒绕射顺,利地在介质中传播,由于波的衍射,可以采用衍射波检测缺陷,衍射对探伤不利的方面,由于波的衍射,使一些小的缺陷回波显著,下降,以致造成漏检,5,超声场的特征值,超声

18、场：充满超声波的空间或超声振动所,波及的部分介质,超声场具有一定的形状和大小，只有当,缺陷位于超声场内时，才有可能被发现,超声场的特征值主要有：声压、声强和声,阻抗,p,P,P,0,5-1,声压,定义,超声场中某一点在某一时刻所具有的压强,P,1,与没有超声波存在时的静态压强,P0,之差,称为,该点的声压,P=P,1,P,0,声压的单位,帕斯卡,Pa,微帕斯卡,Pa,声压公式,超声场中,t,时刻,离振源距离,x,点的声压,P=,c A,sin,t-x/c,P,m,sin,t-x/c,声压的幅值,P,m,c A,c,质点的振动速度,A=2,f A,质点的振动速度和波速,c,不同,声压的幅值与介质

19、的密度、声速和频率成正比,超声波探伤仪示波屏上的波高与声压成正比,2,p,W,a,I,c,0,S,2,c,0,0,5-2,声阻抗,超声场中任一点的声压与该处质点振动,速度之比称为,声阻抗,Z=P,c,由,P / Z,不难看出，在相同声压下,Z,增加，质点的振动速度,下降，因此，声,阻抗,Z,可以理解为介质对质点振动的阻碍,作用,声阻抗的大小等于介质的密度与波速的,乘积,一般材料的声阻抗随温度升高而降低,5-3,声强,I,单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强,1,2,2,1,2,P,2,2,2,I,cA,Z,2,cA,f,2,2,2,Z,2,由以上公式可知,1,声强与频率,f,的平方成正比，

20、超声波的频率远大,于声波，因此，超声波的声强远远大于声波的声,强。这是超声波用于检测的重要原因,2,在同一介质中，声强与声压的平方成正比，与声,阻抗成反比,大炮的声强,已经震耳欲聋，超声波的声强,可达,比大炮的声强高出,9,个数量级,6,分贝,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如树叶沙沙声约,10dB,说话声,约,50dB,大炮声约,100dB,超声波为,200dB,等,声强级,待定声强与标准声强之比的常用对数就是声强的,声强级,L,I,lg(I1/I2,声强级的单位为贝尔,Bel,工程上因为贝尔的单位比较,大，应用时取其,1/10,称为分贝，用符号,dB

21、,表示,在超声波检测中，当超声波探伤仪的垂直线性较,好时，仪器示波屏上的波高与回波声压成正比。这,时有,20lgP,2,P,1,20lgH,2,H,1,dB,这里声压基准,P1,或波高基准,H1,可以任意选取,当,H2/H1,1,时,0 dB,说明两波高相等时，二,者的分贝差为零,当,H2/H1,2,时,6 dB,说明,H2,为,H1,的两倍时,H2,比,H1,高,6 dB,当,H2/H1,1/2,时,6 dB,说明,H2,为,H1,的,1/2,时,H2,比,H1,低,6 dB,分贝用于表示两个相差很大的量之比显得很,方便，特别是在超声波检测中应用更广泛。例,如示波屏上两波高的比较就常常用,d

22、B,表示,例,1,示波屏上一波高为,80,另一波高为,20,问前者比后者高多少,dB,解,20lgH2/H1,20lg80/20,12,dB,答：前者比后者高,12dB,用分贝值表示反射波幅度的相互关系，不,仅可以简化运算，而且在确定基准波高以,后，可直接用仪器衰减器的读数表示缺陷,波相对波高。因此，分贝概念的引用对超,声检测有很重要的实用价值,7,超声波垂直入射到界面时的反射与透射,7,1,单一平界面的反射与透射,P0,I0,Z1,Pr,Ir,第一介质,Z2,Pt,It,第二介质,声压反射率,r = P,r,P,0,声压透射率,t = P,t,P,0,界面两侧的声波必须满足以下两个条件,1,

23、界面两侧的总声压相等,P,r,P,0,P,t,2,界面两侧质点振动速度幅值相等,0,r,t,由,P/Z,P,0,P,r,/ Z,1,P,t,Z,2,Z,Z,2,1,由以上两个条件可得,r,Z,1,Z,2,1,r = t,1-r) / Z,1,t / Z,2,2,Z,2,t,Z,1,Z,2,声强反射率,Z,2,Z,1,I,r,2,R= = r = (,Z,1,Z,2,I,0,2,声强透射率,I,t,T=,I,0,t,r =1,T+R=1,4Z,1,Z,2,Z,1,Z,2,2,下面讨论几种常见界面上声压和声强的,反射和透射情况,以上讨论的超声波纵波垂直入射到第一平界面上的声压,声强反射率和透射率公

24、式同样适用于横波入射的情况，但,必须注意的是在,横波入射到固体,液体或固体,气体界面上,横波全反射。因为横波不能在液体和气体中传播,探伤中，探头与工件间如不施加耦合剂，则形成固,气界,面，超声波无法进入工件,7,2,声压往复透射率,在超声波单探头检测中，探头兼作发射和接收超,声波。探头发出的超声波透过界面进入工件，在,固,气界面产生全反射后再次通过同一界面被探头,接收。这时探头接收到的回波声压,Pa,与入射波声,压,P,0,之比，称为,声压往复透射率,T,往,P,0,P,a,Z,1,P,t,P,t,Z,2,Z,空气,0,P,4,Z,Z,a,P,t,P,a,1,2,T,往,2,P,Z,Z,0,P

25、,0,P,t,2,1,1,往复透射率高，探伤灵敏度高，反之，探伤灵敏,度低,2,声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关,与从何种介质入射到界面无关,3,界面两侧的介质声阻抗相差愈小，声压往复透射,率就愈高，反之就愈低,8,超声波斜入射到界面时的反射与折射,8,1,波型转换与反射、折射定律,波型转换,当超声波斜入射的界面时，除产生同种类型的,反射和折射外，还会产生不同类型的反射和折射,几何光学三定律,1,在均匀介质中光线沿直线传播,2,入射角反射角；入射线、反射线、折射线在同一平,面内,sin,c,1,3,入射角和折射角,满足,n,n,c,2,sin,n,折射率,sin,sin,C,C,1,2

26、,纵波入射,L,L,Z1,S,L,S,L,Z2,S,L,S,L,根据反射、折射定律,L,s,sin,sin,sin,sin,sin,s,L,L,C,C,C,C,C,L,1,L,1,S,1,L,2,S,2,同一介质中纵波的声速不变,因此,L,同一介质中纵波的声速大于横波的声速,S,L,因此,L,L,S,第一临界角,当,C,L2,C,L1,时,L,L,随着,L,增大,L,也增大,当,L,90,时，所对应的纵波入射角,1,si,n,si,n,L,L,C,C,L,1,L,2,C,L,1,1,arcsin,C,L,2,第二临界角,si,n,si,n,s,L,C,C,L,1,S,2,C,L,1,arcsi

27、,n,C,S,2,1,当纵波入射角小于第一临界角时，第二,介质中既有纵波又有横波,2,当纵波入射角介于第一临界角和第二临,界角时，第二介质中只有横波，没有纵波,这就是常用横波斜探头的制作原理,3,当纵波入射角大于等于第二临界角时,第二介质中即没有纵波也没有横波，这是,其介质的表面存在表面波，这就是常用表,面波探头的制作原理,横波入射,S,S,Z1,Z2,s,L,L,L,S,横波入射,反射、折射定律,第三临界角,sin,sin,s,C,C,S,1,L,1,L,1,当横波入射角增大到一定程度，反射纵波沿着,界面传播，这时所对应当横波入射角为第三临界,角,C,S,1,arcsin,III,C,L,1

28、,当横波入射角大于等于第三临界角时，第一介,质中只有反射横波，没有反射纵波，即横波全反,射,8,2,端角反射,端角反射,超声波在两个平面构成的直角内,的反射叫做端角反射,9,超声波聚焦与发散,超声波是一种频率很高波长很短的机械波,当超声波入射到曲界面上时，与可见光入射到曲,界面上的情况相似，具有聚焦和发散的特性。而,且，由于超声波在界面上会产生波型转换，因此,超声波的聚焦与发散更为复杂。为了便于讨论,这里不考虑波型转换存在。超声波在遇到曲界面,时的聚集与发散，与入射波的波形，曲界面两侧,的声速等因素有关，存在多种可能性。下面就超,声波检测中经常遇到的情况，作简单的介绍,9,1,声压距离公式,1,平面波,平面波不扩散，而是相互平行，因此,声压不随距离而扩散,2,球面波,球面波的波振面为同心球面，超声场中,某一点的声压与该点至波源的距离成反比,P,0,P,X,