超声检测原理实用教案

1、 超声检测是一种利用(lyng)超声波在介质中传播的性质来判断工件和材料的缺陷和异常。 人耳能听到的声音频率为16Hz20kHz， 超声是一种看不见、听不到的弹性波。 超声检测一般为0.525MHz，常用频率范围为 0.510MHz。第1页/共86页第一页，共87页。超声波特性(1)在液体和固体(gt)介质中长距离传输(虽然在气体中衰减很快)； (2)超声波能量在传输时有明确的方向性；(3)超声波在一定介质中传输时速度不变；(4)超声波传输通过不同材料界面时，可能会改变其振动模式。第2页/共86页第二页，共87页。 超声检测就是利用超声波来对材料和工件进行检验和测量。 典型的应用，是超声探伤以

2、及材料和工件的物理性能与力学性能检验。 在测量方面，许多非声学特性(txng)和某些状态参量，例如液位、流量等都可用超声方法测定。 超声波应用非常广泛。如超声加工和处理，利用超声能量来改变物质特性(txng)和状态，如超声钻孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。第3页/共86页第三页，共87页。 超声检验与测量之间的关系非常密切，如超声探伤和超声液位测量，技术原理相仿。 超声检测和超声加工处理之间的区别明显，超声加工往往着重大功率的连续波超声，而超声检测则太多使用灵敏度高、功率不大的脉冲(michng)波。 超声加工处理时非常重视一些描述声场强弱的物理量(如声压、声强、声功率等)的测定。 而超声

3、检测则着重描述介质中超声传播特性的物理量(如声速、声衰减、声阻抗等)的测定。第4页/共86页第四页，共87页。 超声波是一种机械振动所产生的波。 质点(zhdin)的往复运动称为振动，振动是波动的产生根源，波动是振动的传播过程。 超声波的产生，依赖于作高频机械振动的声源和弹性介质的传播 超声波的传播，包括振动过程和能量传播。 第5页/共86页第五页，共87页。 研究超声波传播时，可以将弹性介质看成是相互间由弹性力联系着的无数质点所组成。 当在弹性介质的表面层上施加(shji)一个正弦变化的外力时，由于各质点间有弹性力联系，相邻层上的质点也将产生振动，一层推动一层，振动也由近及远地传播。第6页/

4、共86页第六页，共87页。2-1-1 波动的种类与波型 波的种类是根据质点振动方向和波动传播方向的关系来区分，可分为(fn wi)纵波、横波、表面波和板波，如图所示。第7页/共86页第七页，共87页。(1) 纵波 当介质受到交替变化的正弦拉-压应力作用时，质点产生疏密相间的纵向振动，质点振动方向与波的传播(chunb)方向一致第8页/共86页第八页，共87页。 纵波常用 L 表示，它在介质中传播时，仅使介质各部分改变体积而不产生转动。任何弹性介质 (固体(gt)、液体和气体)中都能传播纵波。第9页/共86页第九页，共87页。(2) 横波 当介质受到交替变化的正弦剪切应力时，质点产生具有波峰与波

5、谷的横向振动，并在介质中传播，其振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为(chn wi)横波，也称切变波。第10页/共86页第十页，共87页。 横波用符号T或S表示。在介质中传播时，仅使介质各部分产生形变而介质体积不变。 由于液体和气体介质没有剪切弹性(tnxng)，因此不能传播横波。第11页/共86页第十一页，共87页。(3) 表面波 半无限大弹性介质与气体的交界面，受到交替变化的表面张力作用时，介质表面质点(zhdin)发生纵向和横向振动，质点(zhdin)绕其平衡位置作椭圆运动，并作用于相邻质点(zhdin)而在表面传播，这种波称为表面波，也称瑞利波。第12页/共86页第十二页，共87页。

6、 表面波常用符号 R 表示，图中表示的是瞬时的质点(zhdin)位移状态。表面波传播深度约l2个波长，振幅随深度的增加而迅速减小，当深度达到两个波长时，振幅降至最大振幅的0.37倍第13页/共86页第十三页，共87页。(4) 板波 板状介质受到交替变化的表面张力作用，而且板厚与波长相当，质点(zhdin)的纵向和横向振动轨迹也是椭圆，声场遍布整个板厚。这种波称为板波，也称兰姆波。板波常用符号 P 表示第14页/共86页第十四页，共87页。板波与表面波不同，其传播要受到两个界面的束缚，从而(cng r)形成对称型(S型，图2-1d)和非对称型(A型，图2-1e)两种情况。第15页/共86页第十五

7、页，共87页。对称型板波在传播中，质点的振动以板厚为中心面对称，上下表面上(min shn)质点振动的相位相反，中心面上(min shn)质点的振动方式类似于纵波。第16页/共86页第十六页，共87页。非对称型板波在传播中，上下表面质点振动(zhndng)的相位相同，质点的振动(zhndng)方式类似于横波。第17页/共86页第十七页，共87页。2-1-2 声波的波动特性 声波的波动特性，主要是指几个波相遇时出现的干涉、叠加以及衍射(ynsh)现象。(1)波的干涉叠加 当几个波在同一介质中传播至某处相遇，则相遇处质点的振动是各个波所引起的振动的合成，相遇点上质点的位移是各个波在该点所引起的位移

8、的矢量和，这就是波的叠加原理。第18页/共86页第十八页，共87页。脉冲(michng)波由若干正弦波叠加而成，1MHz的脉冲(michng)波是由0.85MHz、1MHz和1.21MHz正弦波叠加而成的。第19页/共86页第十九页，共87页。所以虽然看来脉冲波每个质点的振动没有表示出同样高度，但它的确(dqu)是由若干正弦波所组成。第20页/共86页第二十页，共87页。为合成某一脉冲，脉冲宽度愈窄，需要数量愈多的正弦子波，子波具有与中心频率(pnl)不同的频率(pnl)。根据傅利叶分析，脉冲是由某一频谱范围内的波构成，脉冲愈窄时频谱愈宽。第21页/共86页第二十一页，共87页。叠 加 波 ，

9、 若 符 合 相 干 条 件 ( 频 率 相 同 ， 传 播(chunb)方向一致和有一定的相位关系)，则在空间某些地方振动始终加强，而在另一些地方则始终减弱或完全消失，这种现象称为波的干涉。 当两个振幅与频率都相同的相干波，在同一直线上沿相反方向彼此相向传播(chunb)时，叠加而成的波称为驻波，驻波是波的干涉现象的特例。当在声波传播(chunb)方向上的介质厚度恰为半波长的整数倍时就会产生驻波现象。这种驻波在介质的厚度方向引起共振，这就是所谓共振法超声检测的基本原理。第22页/共86页第二十二页，共87页。(2)波的衍射波在弹性介质中传播时，如果遇到障碍物或其它不 连 续 的 情 况(qn

10、gkung)，而使波阵面发生畸变的现象称为波的衍射。第23页/共86页第二十三页，共87页。任意(rny)形状的波在传播过程中遇到一个障碍AB时，AB上有一个宽度大小与波长相当的狭缝，穿过狭缝的波是以狭缝为中心的球形波，与原来的波阵面无关。第24页/共86页第二十四页，共87页。这说明可以把狭缝看作新的波源。波前上的所有(suyu)点，都可看作产生球面子波的点源，经过一段时间后，该波前的新位置将是这些子波波前相切的包迹面，这称之谓惠更斯原理。第25页/共86页第二十五页，共87页。惠更斯原理在超声检测中获得了广泛应用，不仅适用于机械波，同样也适用于电磁波。它用几何方法(fngf)比较广泛地解决

11、了波的传播问题。第26页/共86页第二十六页，共87页。(3)声速、波长和频率(pnl) 声速是声波在介质中传播的速度(c)，波长是指声波每振动一次所走过的距离()，频率(pnl)是指每秒钟声波振动的次数(f)，三者之间的关系第27页/共86页第二十七页，共87页。声速由介质决定，在各向同性的无限大弹性固体中，声速可用下式表示式中E-介质的正弹性模量(tn xn m lin)，-介质的密度，K-常数与波型有关。第28页/共86页第二十八页，共87页。纵波(zn b)声速横波声速式中G-介质切变模量，-介质的泊松比。表面波声速第29页/共86页第二十九页，共87页。 纵波(zn b)速度在气体中

12、每秒为几百米，在液体中为12km/s，固体中为36km/s。 在固体中还有横波，横波的速度约为纵波(zn b)速度的一半，表面波速度约为横波速度的0.95第30页/共86页第三十页，共87页。某些物质(wzh)的密度、声速和特性阻抗见表第31页/共86页第三十一页，共87页。 当棒的直径与波长相当(xingdng)时称为细棒，细棒中声波以膨胀形式传播，称为棒波。当棒的直径d0.1(波长)时，棒波的速度与泊松比无关，可表示为 总之，介质弹性能越好(E和G越大)、密度越小，则声波在介质中的传播速度越高。第32页/共86页第三十二页，共87页。2-1-3 声场及其特征值 声场特征常用声压、声强和特性

13、阻抗等特征值来描述。 声压(p)是指声传播时，造成介质中某点的压强(yqing)，单位为帕斯卡(Pa)，1Pa=1N/m2 声波在介质中传播时，介质中每一点的声压将随时间和距离的变化而改变。第33页/共86页第三十三页，共87页。声压与介质密度、波速和频率成正比式中 v-质点振动速度 上式中当声压 p 不变时，c 越大，质点振动速度就越小 ，所以(suy)c 被称为介质的特性阻抗，以 z表示。第34页/共86页第三十四页，共87页。 超声检测中，可以到观察荧光屏上出现的反射波高度，该高度与声压 p 成正比。 液体阻抗约为气体的3000倍，固体阻抗约为液体的30倍。 在声场中的某点，在与指定方向

14、垂直的单位面积上，单位时间内通过的平均声能，称为(chn wi)声强度，以I表示。第35页/共86页第三十五页，共87页。 声强度与质点位移振幅和质点振动频率的平方成正比，与质点振动速度振幅的平方成正比，与声压振幅的平方成正比。 超声波的频率很高，其强度远远大于一般声音，这就是(jish)超声波能够用于检测的前提。 第36页/共86页第三十六页，共87页。 在实际超声波检测中，超声波是由一定尺寸的探头发出的，辐射的是活塞波。 离探头很近的地方可认为是平面波，远离探头的地方则视为球面波。 这种声源(shn yun)发射的声波可以认为是由无数个能发射子波源的声波叠加的结果。第37页/共86页第三十

15、七页，共87页。 探头中心轴线上的声压分布如用平面波理论分析可得下式 式中a-辐射(fsh)圆盘半径第38页/共86页第三十八页，共87页。检测时测得的信号高度与声压成正比，中心(zhngxn)轴上的声压分布如图所示。第39页/共86页第三十九页，共87页。声压分布分为(fn wi)两个区域，即x时，N值可用下式获得 可见，辐射器的直径D愈大、频率愈高(波长(bchng)越短)，则近场长度N也就愈长。第43页/共86页第四十三页，共87页。当xN时称为远场区，此时声压(shn y)随距离增加而下降，但只有声程大于3N后，声压(shn y)与声程才比较符合反比关系。因此，习惯上以声程大于3N时为

16、远场区。第44页/共86页第四十四页，共87页。 远场区的声压(shn y)分布可由下式计算 可见，中心轴线上的声压(shn y)与晶片面积和起始声压(shn y)成正比，而与波长和声程成反比。第45页/共86页第四十五页，共87页。声场中的声压不但随距离x、时间(shjin)t而变，同时还随声束的半扩散角而变。半扩散角直接反映声场中声能集中的程度和几何边界。换能器声场传播方向角第46页/共86页第四十六页，共87页。半扩散角的大小可按下式计算(j sun)式中 D-圆形压电晶片的直径 a-方形晶片边长换能器声场传播方向角第47页/共86页第四十七页，共87页。也就是说，半扩散角取决于晶片尺寸

17、和波长。提高(t go)频率和加大晶片尺寸，均可改善超声的指向性。换能器声场传播方向角第48页/共86页第四十八页，共87页。辐射(fsh)器辐射(fsh)的超声波能量的80%以上集中在主瓣的声束上，副瓣的能量小，传播距离短，因此可以认为副瓣束集中在近场区。换能器声场传播方向角第49页/共86页第四十九页，共87页。 超声检测大多采用脉冲波，而在介绍基本理论时，一般采用连续(linx)波。 这是由于分析脉冲形状非常复杂，而从实际应用来说，近似用连续(linx)波代替脉冲波，但二者的声场特性上别很大。第50页/共86页第五十页，共87页。 由于脉冲(michng)波是持续时间很短的波动，所以它们

18、可能不产生干涉或只产生不完全干涉。 脉冲(michng)波中脉冲(michng)个数对近场区内的声压分布影响极大。当脉冲(michng)个数小于等于6时，近场区声压明显变得简单，副瓣数目和尺寸减小。第51页/共86页第五十一页，共87页。2-1-4 超声波在异质界面上的 透射、反射和折射 所谓异质界面，是指由两种特性阻抗不同的介质(jizh)所构成的界面，如气/界面、气/固界面、液/固界面和不同固体界面等。介质 I介质 II界面第52页/共86页第五十二页，共87页。 超声波从一种介质传播(chunb)到另一种介质，相对于异质界面而言，当垂直入射时只有反射和透射，波的类型(纵波或横波)不发生变

19、化。介质 I介质 II界面第53页/共86页第五十三页，共87页。当倾斜入射时除反射波外，透射波产生干射，同时伴随(bn su)有波型转换。第54页/共86页第五十四页，共87页。超声波以一定倾角入射固体界面，反射波和折射波都分裂成两种波型，除原有波型的反射和折射波外，还存在(cnzi)不同波型的反射波与折射波。第55页/共86页第五十五页，共87页。入 射 纵 波 ( z n b)(L)除产生反射纵波(zn b)(L1)和折射纵波(zn b)(L2)外，还产生反射横波(S1)和折射横波(S2)，与法线夹角分别L、L1、L2、S1和S2第56页/共86页第五十六页，共87页。这些角度与波速之间

20、的关系符合(fh)反射和折射定理如下式第57页/共86页第五十七页，共87页。 由于CL=CL1 ，所以L与L1相等(xingdng) 。 对相同介质CLCS，所以L1大于S1，L2大于S2 即纵波的反射角和折射角分别大于横波的反射角和折射角。第58页/共86页第五十八页，共87页。 当波速小的介质入射到波速大的介质时，折射角大于入射角，随着(su zhe)入射角度增大，折射角也增大。 当L增大到LK1时，使L2等于90o，继续增大，纵波在界面被完全反射，介质中只存在横波，此时纵波入射角LK1称为第一临界角。第59页/共86页第五十九页，共87页。 当L1继续增大到LK2时、使S2等于90o，

21、再增大时横波也被全反射 此时(c sh)的纵波入射角LK2称为第二临界角第60页/共86页第六十页，共87页。不同(b tn)介质具有不同(b tn)的临界角，计算公式为第61页/共86页第六十一页，共87页。超声波入射到特性阻抗不同的界面(jimin)，一部分能量透过界面(jimin)进入另一介质，另一部分反射回原有介质，从介质I到介质的声压透过率为反射率为式中 Z1、Z2分别为介质I和的特性阻抗第62页/共86页第六十二页，共87页。从上述公式可见透过率与反射率之间关系为超声检测中常采用同一探头发射和接收超声波，若把往返两者结合起来考虑，则声压(shn y)的往返透过率为 当用油耦合剂探测

22、测试件时，在油与钢界面上的往返透过率约为11%。第63页/共86页第六十三页，共87页。 两种介质的特性阻抗相差很大时(如固体和气体界面)，超声在界面上几乎全反射，声波既不能从固体进入气体，也不能从气体进入固体。 超声检测时，要保证探头和工件(gngjin)之间完全耦合，否则由于气隙的存在影响超声的进入。第64页/共86页第六十四页，共87页。 例如钢的特性阻抗为4.5106(Pa.s)/m，空气的声阻抗为0.0004106(Pa.s)/m，当超声波传输到钢与空气的界面时，几乎100%被反射(fnsh)。 钢中有气隙存在时很容易被发现，而钢试件中的非金夹杂物，由于它的特性阻抗与基体比较接近，因

23、此其反射(fnsh)波比较弱。第65页/共86页第六十五页，共87页。当探头与钢试件之间存在空气时，超声波基本上不能透入钢中，采用机油为耦合剂时，约有16%的发射声压(shn y)进入钢中，已足够了。第66页/共86页第六十六页，共87页。可把超声波看作和光线一样是直线传播，用几何光学理论来探讨超声波的曲面反射和折射规律。当平面波入射到曲界面(jimin)时，超声的透射情况如图第67页/共86页第六十七页，共87页。曲界面对相邻介质中的透射波所起作用，就如光学上聚焦(jjio)透镜和发散透镜一样，要考虑界面的弯曲方向和两种介质的声速比。第68页/共86页第六十八页，共87页。聚焦声透镜，是超声

24、检测中提高(t go)检测灵敏度的有效途径。超声波检测用的聚焦透镜往往采用平凹面的型式，如图所示第69页/共86页第六十九页，共87页。聚焦探头通常用有机玻璃或环氧树脂作声聚焦透镜，透镜与晶片接触的面仍为平面，而声透视(tush)面为凹曲面。 第70页/共86页第七十页，共87页。当与声透镜(tujng)凹曲面接触的第二介质的声速c2小于透镜(tujng)中声速c1时、透射声波具有聚焦作用，透镜(tujng)的凹面曲率半径为第71页/共86页第七十一页，共87页。在环氧透镜水浸聚焦的情况(qngkung)下，r可近似为第72页/共86页第七十二页，共87页。当聚焦声束射入工件时，工件中的焦点深

25、度如图所示，并可根据下列公式(gngsh)进行计算式中、f及 H图中已标明，c1、c2分别为水中和工件中的声速。第73页/共86页第七十三页，共87页。2-1-5 超声波传播中的衰减 超声波传播过程中遇到障碍物，就可能产生(chnshng)若干现象，这些现象与障碍物的大小有关。 如果障碍物的尺寸比超声波的波长小得多，则它们对超声波的传播几乎没有影响。 如果障碍物的尺寸与超声波的波长近似，其声阻抗与周围介质不同，则超声波将发生不规则反射、折射和透射。 第74页/共86页第七十四页，共87页。 这些(zhxi)现象都是波的散射，是造成超声波在介质传播时、随着传播距离的增加其能量逐渐减弱的主要因素，

26、称为衰减。 其它两种造成超声波衰减的因素是由于声束传播时扩散和由于介质的吸收。 在多晶体金属材料中，散射是造成超声波衰减的主要原因。第75页/共86页第七十五页，共87页。 散射现象主要取决于材料(cilio)内部组织、超声波波长和散射体的形状。 当组织为粗晶(如铸态组织、奥氏体焊缝等)或组织中有大量第二相时，特别是当它们的尺寸与超声波波长相当时，散射现象特别严重。 第76页/共86页第七十六页，共87页。 超声散射时产生的不规则反射波和折射波现象，在荧光屏上表演为林状回波(或草状回波)干扰信号，使信噪比下降，降低检测灵敏度。 工件(gngjin)表面粗糙度也对衰减产生影响，采用的超声波频率愈

27、高时散射愈严重。第77页/共86页第七十七页，共87页。 吸收是由于介质的粘滞(zhn zh)性造成的质点之间的摩擦引起的，它使一部分能量转变为热能。 吸收与介质粘滞(zhn zh)系数、导热系数及频率的某次方成正比，与声速三次方和密度成反比。 超声波在液体和气体中的衰减主要是吸收。 有机玻璃等高分子材料的声速和密度较小，粘滞(zhn zh)系数较大，吸收也很强烈。 而一般金属材料对超声波吸收较小，与散射衰减比几乎可以忽略。第78页/共86页第七十八页，共87页。 为消除吸收造成的能量减弱，可增强发射电压和增益以及适当降低频率。 消除散射则比较困难，此时不但使传播能量减弱，而且产生许多所谓的林状反射波，它也随着发射电压和增益的增强而增大。较好的办法是降低频率，但这就限制了小缺陷的检出。 目前已研制出各种新型超声换能器、新型超声探伤仪以及计算机信号处理等技术来减少(jinsho)和消除散射的影响。第79页/共86页第七十九页，共87页。 超声波