UT二级船级社超强笔记

1、刘 英 和 个 人 介 绍北京英超利达电子仪器销售中心：技术总监 天津市思维奇工程检测技术有限公司：副懂事长天津市无损检测人员考核委员会： 委 员中国机械工程学会无损检测分会： ndt高级人员中国锅炉压力容器检验协会： ndt高级人员主要从事的工作内容： 超声波探伤仪、测厚仪、探头的研制、生产、销售，无损检测工程。 办公电话：北京 01081530950 传真津 02262095518 传真 02262083119手机二章 超声波探伤的物理基础 超声波是一种机械波,机械振动与波动是超声波探伤的物理基础.超声波探伤中,主要涉及到几何声学和物理

2、声学中的一些基本定律和概念.如:几何声学中的反射、折射定律及波型转换. 物理声学中波的叠加、干涉、绕射及惠更斯原理等.第一节 振动与波动 一.振动 1.振动的一般概念 机械振动:物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往返周期性的运动.可以直接觉察到的振动现象-弹簧振子的运动,钟摆的运动和汽缸中活塞运动等.难以觉察到的振动现象- 一切发声物体的运动以及超声波波源的运动. 振动是往复、周期性的运动,振动的快慢常用振动周期和振动频率两个物理量来描述. 周期t振动物体完成一次全振动所需要的时间单位为秒(s) 频率f振动物体在单位时间内完成全振动的次数,单位为赫兹(hz),1赫兹表示1秒钟内完成1次全振

3、动. 超声波探伤中，最常使用的频率范围为0、5-10mhz。 2.谐振动: 最简单最基本的直线振动称为谐振动. 质点m的水平位移y和时间t的关系可用谐振方程来描述. y=acos(wt+j) a-振幅 w-圆频率 w=2pf=2p/t j-初相位,既t=0时质点m的相位. 谐振动的特点是:物体受到的回复力大小与位移成正比,其方向总是指向平衡位置(符合机械能守衡).3.阻尼振动:振幅或能量随时间不断减少的振动称阻尼振动.y=ae-btcos(wt+j)b-阻尼系数:w-阻尼振动的圆频率 w0为物体的固有频率.谐振动是无阻尼振动,其振幅与周期不变,阻尼振动的振幅不断减少,而周期却不断增大阻尼振动受

4、到阻力作用,不符合机械能守恒.探头中压电晶片在发射超声波时,一方面在高频电脉冲激励下产生受迫振动,另一方面在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用,因此,又是阻尼振动.压电晶片在接收超声波时同样产生受迫振动和阻尼振动.二.波动1 机械波的产生与传播振动的传播过程,称为波动.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.机械波的产生和传播参见模型图.产生机械波必须具备的两个条件:(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.振动是产生波动的根源,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,不是靠物质的迁移来实

5、现的,也不是靠相邻质点的弹性碰撞来完成的,而是由各质点的位移连续变化来逐渐传递出去的. 2.波长、频率和波速(1).波长l:同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离,称为波长.波源或介质中任意一质点完成一次全振动,波正好前进一个波长的距离.(2).频率f:波动过程中,任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数.(3).波速c:波动中,波在单位时间内所传播的距离称为波速l=c/f.3.波动方程:y=acoswt三.次声波、声波和超声波1 次声波、声波和超声波的划分.次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波,在同一介质中的传播速度相同,频率不同.声波频率在20-20000hz之间,次声波频

6、率低于20hz,频率高于20000hz的机械波称为超声波.2 超声波的应用:超声波探伤所用频率在0.5-10mhz之间,对金属材料的检验常用频率为1-5mhz.超声波是频率很高,波长很短的机械波,由此决定了超声波具有一些重要特性.指向性好,能量高,能在界面上产生反射,折射和波型转换、穿透能力强.第二节 波的类型一. 据质点的振动方向分类:根据波动传播时介质质点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.1. 纵波l-介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的波,称纵波.2. 横波s-介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波,称横波.3. 表面波r-当介质表

7、面受到交变应力作用时,产生沿介质表面传播的波.表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱,一般认为,表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷.4. 板波-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 波的传播方向 固、液、汽体 钢板、锻件探伤横波 固体 焊缝、钢管表面波 质点作椭圆运动,椭圆长轴垂直波传播方向,短轴平行于波传播方向,既纵波与横波的合成.二. 按波的形状分类: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所联成的面称为波前.波线:波的传播

8、方向称为波线.由以上定义可知,波前是最前面的波阵面,是波阵面的特例.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-平面波的波源为一平面,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.如:13´13晶片.2. 柱面波-柱面波的波源为一条线.长度远大于波长的线状波,波源在各向同性的介质中辐射的波可视为柱面波.如:线聚焦探头晶片.3. 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,如:点聚焦探头晶

9、片.三. 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-波源持续不断振动,所辐射的波称为连续波.2. 脉冲波-波源振动持续时间很短.第三节 超声波的传播速度超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关.对特定的介质,弹性模量和密度为常数.所以声速也是常数.一. 固体介质中的纵波、横波与表面波.固体介质可传播纵波、横波、表面波,但声速各不相同.1. 无限大固体介质(尺寸远大于波长)中的声速.式中e-介质的扬氏弹性摸量.g-介质的切变弹性摸量. r-介质的密度. s-介质的泊松比 以上三式说明:固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量等有关,介质的弹

10、性模量越大,密度越小,声速越大.声速还与波的类型有关,在同一介质中,cl>cs>cr.2. 声速与温度的关系:在固体介质中温度升高,声速下降.二. 液体、气体介质中的声速:1. 由于液体和气体只能承受压应力,不能承受剪切应力,因此,液体和气体介质中只能传播纵波,不能传播横波和表面波.2. 液体介质中的声速与温度的关系:除水以外的所有液体,当温度升高时,声速降低.唯有水例外,温度在740c左右时声速最大.低于740c是随温度升高声速增加,温度高于740c随温度升高,声速降低. 第四节 波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理.波的迭加-几列波在同一介质中传播,相遇处质点的振动是各列波引起振动

11、的合成.该质点的位移是各列波引起位移的矢量合几列波相遇后,各自原有的频率、波长、振动方向保持不变,并按原来的传播方向继续传播.二.波的干涉-两列频率相同,振动方向相同,相位相同或相位差恒定的波相遇时,介质中某些地方的振动互相加强,而另一些地方的震动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象.由于波的干涉,使超声波源附近出现声压极大极小值.一. 惠更斯原理和波的衍射1. 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.2波的衍射(绕射):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.第五节 超声场的特征值

12、超声场:充满超声波的空间或超声振动所波及到的部分介质. 一. 声压p-超声场中某一点在某一时刻所具有的压强p1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=-rcawsinw(t-x/c)由上式可知,超声场中某一点的声压随时间和该点至波源的距离按正弦函数周期性的变化(探伤仪屏幕上的波高与声压成正比).二. 声阻抗z-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/m=rcm/m=rc r-材料密度,c波速在同一声压下,z增加,质点的振动速度下降.三. 声强i-单位时间内垂直通过单位面积的声能.平均声强为:i=(1/2)pca2w2=(1/2)zm2=(1/2)(p2/

13、z) (w=2pf)由以上公式可知:超声波传播过程中,总能量周期性地变化,时而达最大,时而为零.被检物体不断地接收和放出能量.超声波的能量是一层接一层地传播出去的.由于超声波的声强与频率平方成正比,而超声波的频率远大于可闻声波.因此,超声波的声强也远大于可闻声波的声强.这是超声波能用来探伤的重要原因.第六节 分贝与奈培一. 分贝与奈培的概念通常规定引起听觉的最弱声强为i1=10-16瓦/厘米2(既0db)作为声强的标准,另一声强i2与标准声强i1之比的常用对数称为声强级,单位为贝尔=lgi2/l1,实际应用贝尔太大,故常取1/10贝尔既分贝(db)来做单位,=10lgi2/l1(db). =2

14、0lgp2/p1=20lgh2/h1,基准声压p1或波高h1可以任意选取.若对p2/p1或h2/h1取自然对数,则其单位为奈培(np) 1np=8.68db 1db=0.115np第七节 超声波垂直入射到界面时的反射和透射一. 单一平界面的反射率与透射率界面上反射波声压pr与入射波声压p0之比称为界面的声压反射率既r=pr/p0。界面上透射波声压pt与入射波声压p0之比称为界面的声压透射率,既t=pt/p0在界面两侧的声波,必须符合下列两个条件:1. 界面两侧的总声压相等,既p0+pr=pt.2. 界面两侧质点振动速度相等,既(p0-pr)/z1=pt/z2结合上述两个条件声压反射率r和透射率

15、t分别为:r=pr/p0=(z2-z1)/(z2+z1) t=pt/p0=2z2/(z2+z1) z1和z2两种介质的声阻抗;界面上反射波声强ir与入射波声强i0之比称为声强反射率,r=(z2-z1)/(z2+z1)2,界面上透射波声强it与入射波声强io之比称为声强透射率,t=4z1z2/(z2+z1)2.（声压往复透射率）以上各式说明超声波垂直入射到平界面上时,声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关.(1).当z2>z1时,r=pr/p0=(z2-z1)/(z2+z1)>0,反射波声压pr与入射波p0同相位.界面上反射波与入射波叠加,合成声压振幅增大为p0+pr.例:

16、超声波垂直入射到水/钢界面z1=0.15´106克/cm2s z2=4.5´106克/cm2s则r=pr/p0=(z2-z1)/(z2+z1)=0.935t=pt/r0=2z2/(z2+z1)=1.935， r=r2=0.875 ， t=4z1z2/(z2+z2)2=0.125计算说明:声压反射率r=0.935,声压透声率t=1.935,粗略地看t>1似乎违反能量守恒,其实,因为声压是力的概念,而力只会平衡,不会守恒,只有能量才会守恒.事实上,从声强方面看,r+t=1,说明符合能量守恒(声强是能量的概念).(2).当z1>z2时,r=pr/p0=(z2-z1)/

17、(z2+z1)<0,既反射波声压pr与入射波声压p0相位相反,反射波与入射波合成声压振幅减小.例:超声波垂直入射到钢/水界面,z1=4.5´106克/cm2s,z2=0.15´106克/cm2s,则:r=(z2-z1)/(z2+z1)=-0.935 t=2z2/(z2+z1)=0.065,r=r2=0.875,t=1-r=0.125.计算说明:超声波垂直入射到钢/水界面时,声压透射率很低,声压反射率很高,声强反射率与透射率与超声波垂直入射到水/钢界面相同.由此可见,超声波垂直入射到某界面时的声强反射率与声强透射率与从何介质入射无关,而声压透射率与反射率则相反.(3).

18、当z1>>z2时(如钢/空气),z1=4.5´106克/cm2s,z2=0.00004´106克/cm2s,则:r=pr/p0=(z2-z1)/(z2+z1)»-1 t=pt/p0=2z2/(z1+z2)»0 r=r2»1 t=1-r=0计算表明,当入射波介质声阻抗远大于透射波介质声阻抗时,声压反射率趋于-1,透射率趋于0,既声压几乎全反射,无透射.探伤中,探头和工件间如不施加偶合剂,则形成固/气界面,超声波无法进入工件.(4).当z1»z2时,界面两侧介质的声阻抗近似相等时,r=(z2-z1)/(z2+z1)»

19、0 t=1,说明超声波垂直入射到两种声阻抗相差很小的介质组成的界面时,几乎全透射,无反射.第八节 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射一. 波形转换与反射、折射规律超声波倾斜入射到界面时,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波,这种现象称为波形转换.1.纵波斜入射:纵波斜入射到固/固界面时,除产生反射纵波l¢和折射纵波l¢¢外,还。会产生反射横波s¢和折射横波s¢¢,如图一各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律.见图一图 一sinal/cl1=sina¢l/cl1=sina¢s/cs1=sin

20、bl/cl2=sinbs/cs2 (1).第一临界角a1:当图一al增加到一定程度时,bl=900,这时所对应的纵波入射角al称为第一临界角,用a1表示a1=arcsincl1/cl2,见图二。 图 二(2).第二临界角a:当图一al增加到一定程度时,bs=900,这时对应的纵波入射角al称为第二临界角,用a表示a=arcsincl1/cs2,见图三. 图 三由a和a的定义可知:a 当al<a时,第二介质中既有折射纵波l¢¢又有折射横波s¢¢,既纵波斜探头制作原理.b 当al=aa时,第二介质中只有折射横波s¢¢,没有折射纵波l

21、¢¢既常用横波探头制作原理.c 当al³a时,第二介质中既无折射纵波l¢¢,又无折射横波s¢¢,只在介质表面存在表面波r,既表面探头制作原理. 用有机玻璃做楔块,横波探头al=27.6057.70,表面波探头al³57.70,纵波斜探头al<27.60.2.横波倾斜入射:横波倾斜入射,同样存在第一、第二临界角,但在实际探伤中无实际意义不再讨论.二.声压反射率:超声波倾斜入射时,声压反射率、透射率不仅与介质的声阻抗有关,而且与入射角有关(理论计算复杂不分析).三.声压往复透射率:超声波倾斜入射,如折射波全反射,

22、探头接收到的回波声压pa与入射波声压p0之比称为声压往复透射率,用t=pa/p0.四. 端角反射:超声波在两个平面构成的直角内的反射叫端角反射.第九节 超声波的聚焦与发散一. 声压距离公式:1. 球面波声压距离公式:p=p1/x球面波声场中的某处质点的振幅与该点至波源的距离成反比,而声压又与振幅成正比.式中p1-距离为单位1处的声压，x-某点至波源的距离.2. 柱面波声压距离公式:柱面波的声压与距离的平方根成反比.p1-距离为单位1处的声压.二.球面波在平界面上的反射与折射:1. 单一的平界面上的反射:球面波入射到平界面上,其反射波仍为球面波,且波源与入射波源对称.反射波声压为p=rp1/x

23、r-声压反射率,p1-距离为单位1处的声压,x-为从虚波源0算起的距离.2. 双界面的反射:(不研究)3. 单一平面上的折射:球面波入射到平界面上时,其折射波不再是严格的球面波了,如c1<c2,其折射波更加发散.折射波声压:p=tp1/x,p1-距离为单位1处的声压,t-声压透射率,x-从折射波源o¢算起的距离.三.平面波在曲界面上的反射与折射:1. 平面波在曲界面上的反射:平面波入射到曲界面上时,其反射波将发生聚焦或发散，凹曲面的反射波聚焦,凸曲面的反射波发散.2. 平面波在曲界面上的折射:平面波入射到曲界面上时,其折射波也将发生聚焦或发散,折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹、

24、凸有关,而且与界面两侧介质的波速有关,对于凹透镜,当c1<c2时聚焦,当c1>c2时发散,对于凸透镜,当c1>c2时聚焦,当c1<c2时发散.四.球面波在曲界面上的反射和折射:1. 球面波在曲界面上的反射:球面波入射到曲界面上,其反射波将发生聚焦或发散,凹曲面的反射波聚焦,凸曲界面的反射波发散.2. 球面波在曲界面上的折射:球面波入射到曲界面上,其折射波同样会发生聚焦和发散,折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹、凸有关,而且与界面两次介质的波速有关,对于凹透镜,当c1<c2聚焦,当c1>c2时发散,对于凸透镜,当c1<c2发散,当c1>c2聚焦.第十

25、节 超声波的衰减超声波在介质中传播时,随着距离增加,超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减.一.衰减的原因:主要原因是波束扩散,晶粒散射和介质吸收.1.扩散衰减:超声波在传播过程中,由于波束的扩散,使超声波的能量随距离增加而逐渐减弱的现象称为扩散衰减,扩散衰减仅取决于波阵面的形状,与介质的性质无关,平面波波阵面为平面,波束不扩散,不存在扩散衰减.柱面波波阵面为同轴圆柱面,波束向四周扩散,球面波波阵面为同心球面,波束向四面八方扩散,存在扩散衰减.2.散射衰减:超声波在介质中传播时,遇到声阻抗不同的界面,产生散乱反射引起衰减的现象,称为散射衰减.散射衰减与材质的晶粒密切相关,当材质晶粒粗大时,散射

26、衰减严重.3.吸收衰减:超生波在介质中传播时,由于介质中质点间内摩擦和热传导引起超声波的衰减,称吸收衰减.通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减,不包括扩散衰减.二.衰减方程与衰减系数:1. 衰减方程:平面波不存在扩散衰减,只存在介质衰减,其声压衰减方程为:px=p0e-ax,球面波与柱面波既存在扩散衰减,又存在介质衰减,声压衰减方程分别为:球面波-px=p1e-ax/x,柱面波-p1-至波源的距离为单位1处的声压.2. 衰减系数:衰减系数只考虑了介质的散射和吸收衰减,未涉及扩散衰减,对于金属材料等固体介质而言,介质衰减系数a等于散射衰减系数as和吸收衰减系数aa之和.a=aa+as aa=

27、c1f c2fd3f4 d<l f各向异性系数 as=c3fdf2 d=l c1,c2,c3,c4常数 c4f/d d>l d介质晶粒直径.由公式可知,频率对衰减系数影响很大,在实际探伤中,当介质晶粒粗大时,应采用较低频率,介质晶粒细小,采用较高频率.三.衰减系数的测定:1. 薄板工件衰减系数的测定:a=(20lgbm/bn-d)/2(n-m)x d-反射损失,每次反射损失约(0.51.0)db2. 厚板或粗圆柱体衰减系数的测定:a=(20lgb1/b2-6-d)/2x d-反射损失第十一节 超声波发射声场与规则反射体的回波声压一纵波发射声场圆盘波源辐射的纵波声场1. 波源轴线上声

28、压分布p»p0fs/lx,圆盘波源轴线上的声压与距离成反比,与波源面积成正比.(1).近场区:波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大值极小值的区域,称为超声场的近场区.波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度n=d2/4l,近场区探伤定量是不利的,处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低,而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高,这样就容易引起误判,甚至漏检,因此,应尽可能避免近场区探伤定量.(2).远场区:波源轴线上至波源的距离x>n的区域称为远场区.远场区轴线上的声压随距离增加单调减少,当x>3n时,声压与距离成反比,远场区声压轴线上不会出现声压极大极小

29、值. 所以纵波探伤时,利用声束的范围应在³3n.2.波速指向性和半扩散角由图可知:(1).超声场中至波源充分远处同一横截面上各点的声压是不相同的,以轴线上的声压为最高.实际探伤中,只有当波束轴线垂直于缺陷时,缺陷回波最高就是这个原因.(2),圆盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角q0以内.半扩散角q0=70l/ds(度).(3).半扩散角q0以外的声场声压很低,超声波的能量主要集中在半扩散角q0以内.半扩散角限制了波束的范围.2q0以内的波束称为主波束,只有当缺陷位于主波束范围时,才容易被发现.以确定的扩散角向固定的方向辐射超声波的特性称为波束指向性.由q0=70l/ds可知,增加ds

30、和f, q0将减小,改善了波束指向性,使超声波的能量更集中,提高了探伤的灵敏度,但由n=d2s/4l可知,增加ds和f,n增加,对探伤不利,要综合考虑ds和f对q0及n的影响,合理选择ds和f,在保证探伤灵敏度的前提下,尽可能减少n的长度.3.波束未扩散区:超声波波源辐射的超声波是以特定的角度向外扩散出去的,但并不是从波源开始扩的,而是在波源附近存在一个未扩散区b,b»1.64n.4.超声场截面声压分布:(1).横截面声压分布:(2).纵截面声压分布波源附近纵截面上声压分布十分复杂，探伤用不到不分析.二.矩形波源辐射的纵波声场:同样存在近场区和未扩散区.近场区内声压分布复杂,理论计算

31、困难,通过对远场区的分析可知,矩形波源辐射的纵波声场与圆盘波源不同,矩形波源有两个不同半扩散角,其声场为矩形.q0=57l/2b(度) q0=57l/2a(度)矩形波源的近场长度为n=fs/pl.三.近场区在两种介质中的分布:实际探伤中,有时近场区分布在两种不同的介质中,某一种介质中剩余的近场区长度n为n=d2s/4l-lc1/c2.四.实际声场与理想声场比较:理想声场是液体介质,波源作活塞振动,辐射连续波等理想条件形成的,实际声场是固体介质,波源非均匀激发,辐射脉冲波形成的,它与理想声场是不完全相同的.两种声场在远场区轴线上声压分布基本一致.在近场区,两种声场存在明显区别,实际声场轴线上声压

32、虽然也存在极大极小值,但波动幅度比较理想声场小得多,同时极值点的数量明显减少.这是因为理想声场是连续波,实际声场是脉冲波,且波持续时间很短.波源各点辐射的声波在声场中某点产生不完全干涉或不产生干涉,使实际声场近场区轴线上声压变化幅度小于理想声场,极值点减少.实际声场的波源是非均匀激发,波源中心振幅大,边缘振幅小,产生的干涉要小于均匀激发的理想波源.实际声场一般是固体介质，产生的叠加干涉要小于理想声场,二 横波发射声场（一）.假想横波波源（二）.横波声场的结构1. 波束轴线上的声压:由于波的干涉,同样存在近场区和远场区,当x³3n时,横波声场波束轴线上的声压为p=kfscosb/l2x

33、cosa,既波束轴线上的声压与波源面积成正比,与至假想波波源的距离成反比,类似纵波声场.2. 近场区长度:n=fscosb/pl2cosa,横波声场的近场区长度和纵波声场一样,与波长成反比,与波源面积成正比.横波声场中,第二介质中的近场区长度n=n-l2=fscosb/pl2cosa-l1tga/tgb.cosb/cosa、tga/tgb与k值的关系材质k值1.01.52.02.53有机玻璃cosb/cosa0.880.780.680.60.52聚峰0.830.7040.60.510.44有机玻璃tga/tgb0.750.660.580.500.44聚峰0.620.520.440.380.33

34、3.半扩散角:声束的对称性与纵波声场有所不同,声束上半扩散角q上大于下半扩散角q下,横波声束的指向性比纵波好,横波能量更集中一些,因为横波波长比纵波短.三聚焦声源发射声场聚焦声场的形成当焦距f大于或等于近场区长度n时,几乎没有聚焦作用,因此,焦距应选在近场区长度以内,否则,就失去了聚焦的意义.四规则反射体的回波声压当量法:是指在同样的探测条件下,当自然缺陷回波与某人工规则反射体回波等高时,则该人工反射体的尺寸就是此自然缺陷的当量尺寸.一. 平底孔回波声压:pf=p0fsff/l2x2fs探头波源的面积 ff平底孔缺陷的面积任意两个距离直径不同的平底孔回波声压之比为:hf1/hf2=pf1/pf

35、2=d2f1x22/d2f2x21二者回波分贝差为:d1.2=20lgpf1/pf2=20lgd2f1x22/d2f2x21=40lgdf1x2/df2x11.df1=df2 x2=2x1时,d12=40lg2=12db,说明:平底孔直径一定,距离增加一倍,其回波下降12db.2.当x1=x2 df1=2df2时,d12=40lg2=12db.说明:平底孔距离一定,直径增加一倍,其会波升高12db.二.长横孔回波声压:任意两个距离、直径不同的长横孔回波分贝差为:d12=20lgpf1/pf2=10lgdf1x32/df2x311.当df1=df2,x2=2x1时,d12=30lgx2/x1=3

36、0lg2=9db说明:长横孔直径一定,距离增加一倍,其回波下降9db.当x1=x2 df1=2df2 d12=10lg2df2/df2=10lg2=3db说明:长横孔距离一定,直径增加一倍,其回波上升3db.三.短横孔(长度明显小于波束截面尺寸)回波声压:超声波在短横孔上的反射回波声压为:pf=(p0fslf/lc2c)任意两个距离、长度和直径不同短横孔的回波分贝差为:12=20lgpf1/pf2=10lglf21x42df1/lf22x41df21. 当df1=df2,lf1=lf2,x2=2x1时,12=20lgpf1/pf2=10lglf21x42df1/lf22x41df2=40lg2

37、=12db.说明:短横孔直径和长度一定,距离增加一倍,其回波下降12db.当df1=df2, x1=x2 lf1=2lf2时,12=20lgpf1/pf2=20lg2=6db.说明:短横孔直径和距离一定,长度增加一倍,其回波上升6db.3.当x1=x2 lf1=lf2 df1=2df2,12=20lgpf1/pf2=10lg2df2/df2=10lg2=3db.说明:短横孔长度和距离一定,直径增加一倍,其回波升高3db. 短横孔的分析有问题.四.球孔回波声压pf»p0fsdf/lx4x=p0fsdf/l4x2任意两个直径、距离不同的球孔的回波分贝差为:12=20lgpf1/pf2=2

38、0lgdf1x22/df2x211.当df1=df2,x2=2x1时, 12=20lgpf1/pf2=40lg2=12db说明:球孔直径一定,距离增加一倍,其回波下降12db.2.当x1=x2,df1=2df2时, 12=20lgpf1/pf2=20lg2=6db说明:球孔距离不变,直径增加一倍,其回波上升6db.五. 大平底面回波声压:pb=p0fs/2lx两个不同距离的大平底面回波分贝差为: 12=20lgpb1/pb2=20lgx2/x1,当x2=2x1时, 12=20lgpb1/pb2=20lg2=6db.说明:大平底面距离增加一倍,其回波下降6db.六. 圆柱曲底面回波声压:1. 实

39、心圆柱体:实心圆柱凹曲底面的回波声压为pb=p0fs/2lx.说明:实心圆柱体回波声压与大平底面回波声压相同.2. 空心圆柱体:外圆探伤空心圆柱体凸柱曲底面的回波声压为说明外圆探伤空心圆柱体,其回波声压低于同距离大平底回波声压.因为凸柱面反射波发散.内圆探伤圆柱体,凹柱曲底面的回波声压为说明内圆探伤圆柱体,其回波声压大于同距离大平底回波声压,因为凹柱面反射波聚焦.五avg曲线avg曲线是描述规则反射体的距离,回波高及当量大小之间关系的曲线，按通用性分为通用avg和实用avg,据波形不同分为纵波avg和横波avg,据反射体不同,分为平底孔avg和横孔avg.一. 纵波平底孔avg曲线1. 通用a

40、vg通用avg曲线虽然通用性较好,但使用中要进行归一化换算,不太方便,为此引入了适用于特定探头的专用avg曲线,常称实用avg曲线.2. 实用avg曲线以横坐标表示实际声程,纵坐标表示规则反射体相对波高,用来描述距离、波幅、当量大小之间的关系曲线,称为实用avg曲线.实用avg曲线中x³3n部分,可由理论公式计算得到,还可由实测cs-试块得到或由通用avg进行转换得到,但x<3n的区域只能通过实测得到.因为实用avg曲线是由特定探头实测和计算得到的,因此实用avg曲线也只能适用于特定探头.在实用avg曲线中要注明探头的尺寸和频率.二.横波平底孔avg曲线1. 通用avg 2.实

41、用avg上述平底孔avg曲线应用在锻件探伤.焊缝探伤一般用直径、波高与距离之间关系的距离波幅曲线,是通过实测得到的,它是实用avg曲线的特例.第三章 仪器探头试块第一节 超声波探伤仪 一.仪器的作用:由发射电路激励探头振荡发射超声波.同时由接收放大电路将探头送回的电信号进行放大,再由显示器显示出回波,根据回波在显示器上的水平位置及幅度确定缺陷在工件中的位置大小.二.仪器的分类:1.根据脉冲波的性质分类(1).目前广泛应用的是脉冲式（连续式）,间断发射,频率不变的探伤仪.(2).脉冲式,连续发射,频率不变的测厚仪.(3).调頻波探伤仪以被脉冲波探伤仪取代. 2.按缺陷显示方式分类:(1).a显波

42、形显示,仪器显示屏横坐标代表声波传播的时间,纵坐标代表反射波的幅度.(2).b显图象显示,可直观的显示出被检工件中任一纵截面上缺陷的分布及深度. (3).c显图象显示,可直观的显示出被检工件中缺陷的平面图象,显示不出缺陷的深度.3.按通道分:(1).只有两个探头插座的为单通道.(2).有两个以上探头插座的为多通道.(3).现在市场上多通道仪器是多通道吗?4按信号处理分：（1）模拟式仪器。（2）数字式仪器。(检测速度快、精度高、可靠性高稳定性好、可记录)三.各部分电路的作用:1. 电源电路为其它电路提供工作电压,可进行ac-dc,dc-dc转换,一般的仪器工作电压有:(1).dc+600v激励探

43、头振荡.(2).dc+12v,dc-12v为接收放大电路提供工作电压.(3).dc+80v为显示器提供垂直与偏转电压（模拟仪器有）. (4).dc+9000千伏为电子枪发射的电子加速,轰击屏幕,点亮荧光物质. (5).dc+5v供数字电路用(数字仪器有).2.同步电路:不停的发射脉冲,触发其它电路工作,起到的是协调指挥作用.3.扫描电路:产生锯齿波电压,加在显示器水平偏转板上,产生一条水平扫描时基线,面板上的深度粗调、细调、扫描延迟旋钮都控制扫描电路.4.接收电路:由放大器、衰减器、检波器组成,要求具有105(十万倍)的放大能力,直接影响探伤仪器五项重要指标.5.显示电路:显示器由电子枪、水平

44、、垂直、偏转系统及荧光屏组成.(平板显示器没有电子枪).6.发射电路:r0发射强度旋钮,为什么不能轻易调节此旋钮.r0大,发射强度高, r0小,发射强度低,影响探头的分辨力.四.各旋钮开关的作用及调整(以模拟机22型为例):1. 1-2探头插座.(什么时候通用)2. 钮3工作方式选择,控制自发自收或一发一收.3. 钮4控制发射强度（数字机无此钮）.4. 钮5、6调探伤灵敏度和回波幅度,读数大,灵敏度低,读数小,灵敏度高.5. 钮7抑制旋钮,抑制杂波,影响仪器的垂直线性和动态范围,容易漏掉小缺陷,最好不用(数字机无此钮).6. 钮8增益微调旋钮,改变放大器的放大倍数,进而改变探伤仪的灵敏度,一般

45、不动.7.钮9、10深度范围粗、细调旋钮(确切应称作检测范围调节旋钮),调节的目的是使反射波的间距与反射体的距离成一定比例. 8.钮11延迟旋钮或称脉冲移位旋钮,调节该旋钮可使回波位置在扫描线上左、右移动,回波间距保持不变.9.钮12聚焦旋钮,作用是调节电子束的聚焦程度,使显示的回波清晰(数字机无此钮).五.仪器的工作过程: 同步电路产生加至扫描电路,扫描电路产生(锯齿波电压)加显示器的水平偏转板,使电子束发生水平偏转,荧光屏上产生一条水平扫描线.同步电路产生加至发射电路,发射电路产生高频高压窄脉冲加至探头,使压电晶片振动产生超声波.超声波在工件中传播,遇缺陷或工件底面发生反射,返回探头,被压

46、电晶片转变为电信号,经接收放大电路放大、检波,加至显示器垂直偏转板,电子束发生垂直偏转,根据反射回波在水平扫描线上的位置,确定缺陷的埋藏深度,根据反射回波的幅度估算缺陷当量的大小.六.数字机与模拟机操作比较:模拟机:1.距离校准(扫描速度调节). 2.k值校准. 3.曲线制作. 4.确定探伤灵敏度.数字机:1.距离校准. 2.k值校准. 3.曲线制作. 4.确定探伤灵敏度. 5.确定检测范围.七.选择数字机注意的问题: 1.显示器.2.采样频率:s=(1x512.0xv)/2f,式中f采样频率,512.0-分辨率, 纵波或横波声速.s-一屏显示最小范围.3.操作步骤.(用试块的哪个部位校k值合

47、适) 八.仪器的五项重要指标:垂直线性,水平线性,信噪比,灵敏度,动态范围.九.仪器保养.第二节 超声波探头 也称超声换能器,其电-声转换是可逆的.一.以构造分类1.直探头: 单晶纵波直探头 双晶纵波直探头2.斜探头: 单晶横波斜探头a1<al<a 双晶横波斜探头 单晶纵波斜探头 al<a1为小角度纵波斜探头 al在a1附近为爬波探头3.带曲率探头: 周向曲率 4.聚焦探头: 点聚焦 径向曲率 线聚焦5.表面波探头:(当纵波入射角大于或等于第二临界角,折射角度等于900形成表面波).表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。 二.以压电晶体分类: 三.压电材料的主要性

48、能参数:1.压电应变常数d33: d33=dt/u在压电晶片上加u这么大的应力,压电晶片在厚度上发生了dt的变化量,d33越大,发射灵敏度越高(82页最下一行错)。 2.压电电压常数g33: g33=up/p在压电晶片上加p这么大的应力.在压电晶片上产生up这么大的电压,g33越大,接收灵敏度越高。 3.介电常数e: e=ct/ac电容、t极板距离(晶片厚度)、a极板面积(晶片面积); c小e小充、放电时间短.频率高。 4.机电偶合系数k: 表示压电材料机械能(声能)与电能之间的转换效率。 对于正压电效应:k=转换的电能/输入的机械能。 对于逆压电效应:k=转换的机械能/输入的电能。 晶片振动

49、时,厚度和径向两个方向同时伸缩变形,厚度方向变形大,探测灵敏度高,径向方向变形大,杂波多,分辨力降低,盲区增大,发射脉冲变宽。因此小晶片探头不宜做成低频的.下两图为9x9k2,5mhz和2.5mhz 探头信噪比的比较. 声 速: 3240 m/s 工件厚度: 16.00mm 探头频率: 2.500mc探头k值: 1.96 探头前沿: 7.00mm 坡口类型: x坡口角度: 60.00 对焊宽度: 2.00mm 补 偿: -02 db判 废: +05db 定 量: -03db 评 定: -09 db焊口编号: 0000 缺陷编号: 1. 检测日期: 05.03.09声 速: 3240 m/s 工

50、件厚度: 16.00 mm 探头频率: 5.00 mc探头k值: 1.95 探头前沿: 7.00 mm 坡口类型: x坡口角度: 60.00 对焊宽度: 2.00 mm 补 偿: -02 db判 废: +05 db 定 量: -03 db 评 定: -09 db焊口编号: 0000 缺陷编号: 1. 检测日期: 05.03.095.机械品质因子qm: qm=e贮/e损,压电晶片谐振时,贮存的机械能与在一个周期内(变形、恢复)损耗的能量之比称损耗主要是分子内摩擦引起的. qm大,损耗小,振动时间长,脉冲宽度大,分辨力低. qm小,损耗大,振动时间短,脉冲宽度小,分辨力高. 6.频率常数nt:nt

51、=tf0,压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数,晶片材料一定,厚度越小,频率越高. 7.居里温度tc: 压电材料的压电效应,只能在一定的温度范围内产生,超过一定的温度,压电效应就会消失,使压电效应消失的温度称居里温度(主要是高温影响).四.探头型号(应注意的问题) 1横波探头只报k值不报频率和晶片尺。 2双晶探头只报频率和晶片尺寸不报f(菱形区)值。 例：用双晶直探头检12mm厚的板材，翼板厚度12mm的t型角焊缝，怎样选f（菱形区）值？ 五.应用举例:1.斜探头近场n=a´b´cosb/plcosa. =cs/¦.直探头近场n=d2/4l. =cl/

52、6;.2.横波探伤时声束应用范围:1.64n-3n. 纵波探伤时声束应用范围:³3n. 双晶直探头探伤时,被检工件厚度应在f菱形区内.3.k值的确定应能保证一次声程的终点越过焊缝中心线，与焊缝中心线的交点到被检工件内表面的距离应为被检工件厚度的三分之一.4.检测16mm厚的工件用5p 9×9 k2、2.5p9x9k2、2.5p13x13k2那一种探头合适(聚峰斜楔) 以5p9x9k2探头为例. (1).判断一次声程的终点能否越过焊缝中心线?(2).利用公式：n(工件内剩余近场长度)=n(探头形成的近场长度)n(探头内部占有的近场长度) =axbxcos/xxcosltg/t

53、g,计算被检工件内部占有的近场长度。a 查完善后的教材38页表:材料k值1.01.52.02.53有机玻璃cosb/ cosa0.880.780.680.60.52聚砜cosb/ cosa0.830.7040.60.510.44有机玻璃tga /tgb0.750.660.580.50.44聚砜tga /tgb0.620.520.440.380.33cosb/cosa、tga/tgb与k值的关系查表可知cos/cos=0.6, tg/tg=0.44, 计算可知=41.35°.b =cs/=3.24/5=0.65mmc参考图计算可知：tg=l1/4.5, l1=tg41.35°x4.5=0.88x4.5=3.96mm.cos=2.5/l2, l2=2.5/cos41.5°=2.5/0.751=3.33mm,l=l1+l2=7.3mm, ltg/