超声波应用讲义课件

1、超 声 检 测机电工程学院 石端虎Monday, August 1, 20221定义及特点定义物体中的传播、反射和衰减最重要的检验技术之一优点：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。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Monday, August 1, 20222基本概念机械振动（波动）波动波动的特点机械波（水波、声波、超声波）次声波 20KHz无损检测 15MHz产生机械波的条件要有作机械振动的波源要有能传播机械振动的弹性介质Monday, August 1, 20223波面波

2、前波线球面波平面波基本概念Monday, August 1, 20224基本概念波长 ：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离频率f： 波动过程中任一给定点在一秒钟内所通过的完整的波的个数波速c： 波动在弹性介质中单位时间内所传播的距离Monday, August 1, 20225波的迭加干涉振幅、频率、周期不同（复杂）频率、振动方向相通、相位相同或相位差恒定（简单）驻波一种迭加（频率相同、方向相反）惠更斯原理基本概念Monday, August 1, 20226波的叠加Monday, August 1, 20227波的干涉Monday, August 1, 20228驻波Monday,

3、August 1, 20229惠更斯原理Monday, August 1, 202210超声波的产生与接收超声波的产生压电效应正压电效应 逆压电效应 超声检测基础Monday, August 1, 202211超声波探头的组成晶片：钛酸钡、钛酸铅等吸收块：吸收杂波，阻尼停振作用电感：提高发射效率保护膜：软膜、硬模超声检测基础Monday, August 1, 202212超声波检测的基础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Monday, August 1, 202213超声波的波型与声学参数超声波的波型纵波L定义波的传播方向与质点振动方向相一致的振动波

4、在固体、液体和气体中传播产生和接收比较容易 超声检测基础Monday, August 1, 202214超声波的波型与声学参数横波S定义：质点的振动方向垂直于波的传播方向的振动波只能在固体中传播靠波型转换才能得到横波 超声检测基础Monday, August 1, 202215超声波的波型与声学参数表面波R（瑞利波）定义：介质表面作椭圆运动，椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向，是纵波与横波的合成只能在固体中产生传播的深度与介质的泊松比有关由波型转换产生只能发现工件表面缺陷 超声检测基础Monday, August 1, 202216超声波的波型与声学参数兰姆波（板波）定义：只

5、产生在一定厚度的薄板内，在板的两表面和中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度。对称型两表面质点振动相位相相反非对称型两表面质点振动相位相相同 超声检测基础Monday, August 1, 202217超声波的波型与声学参数声压P：在有声波传播的介质中，某一点在某一瞬间所具有的压强与没声波存在时该点的静压强Po之差，称为声压 P = P1Po, P = cu ：介质密度;c：介质中的声速; u：质点振动速度声强I: 在垂直声波传播方向，单位面积上在单位时间内所通过的声能量： I=P2/2c 超声检测基础Monday, August 1, 202218超声波的波型与声学参数声阻抗Z：介质中某一

6、点的声压与该处质点振动速度的比。Z=P/u = c声速c：声波在介质中传播的速度，取决于介质的密度和弹性性质E杨氏弹性模量；泊松比；介质密度超声检测的基础Monday, August 1, 202219超声波的波型与声学参数 分贝：电声学中计算声压比、声强比、电压比、电流比、功率比所用的单位。 20lgP1/P2 (dB)回波的高度声压 20lgH1/H2 (dB)声强与声压的平方成正比 10lgI1/I2 (dB)超声检测基础Monday, August 1, 202220超声波的声场特性半扩散角：arcsin1.22 /D 近场区长度N：N=D2/4 未扩散区b：b1.64N 超声检测基础

7、Monday, August 1, 202221超声波的声场特性超声检测基础Monday, August 1, 202222D/=6D/=6.7超声波的声场特性超声检测基础Monday, August 1, 202223超声波的声场特性超声检测基础Monday, August 1, 202224超声波的特点 具有良好的指向性直线性直线传播（类似于光波）符合光学定律声速为常数（固定介质）由传播时间可求得传播距离 t 束射性（定向辐射）能在弹性介质中传播 真空空气可视为真空 超声检测基础Monday, August 1, 202225超声波的特点例 参数：频率 f=5MHz, 声速 CFe=595

8、0m/s, 探头直径 D=20mm。计算：C/f = 5950/5=1.19mm N=D2/4=202/(41.19)=84mm =arcsin 1.22 1.19/20 = 4.16* 与N的关系 超声检测基础Monday, August 1, 202226超声波的界面行为 讨论条件：C有2700m/s, C钢5950m/s, C气0几何光学定律：超声检测基础Monday, August 1, 202227垂直入射（部分透射,部分反射,无折射) 声压反射系数r = Pr/Pi = (Z2-Z1)/(Z2+Z1) 声压透射系数 = P/Pi = 2Z2/(Z1+Z2) = 1+r PiPPrZ

9、1=1C1Z2=2C2超声检测基础Monday, August 1, 202228III： 入射角：反射角： 折射角斜入射超声检测基础Monday, August 1, 202229IIIssCL1=CL1 = L1入射角反射角 （同介质中）CL2 CL1 L又CS2 CL2S CL1, 则 , 当 90度，第二介质中只有横波，这种现象称为纵波全反射。超声检测基础Monday, August 1, 202232临界角和横波产生方法 = 90度时的入射角称为第一临界角1m;S = 90度时的入射角称为第二临界角2m;横波产生取 1m 2m 超声检测基础Monday, August 1, 2022

10、33Water 1480m/s声透镜2700m/s超声波在弯曲界面的反射、折射超声检测基础Monday, August 1, 202234超声波在弯曲界面的反射、折射 超声检测基础平面波入射弯曲界面时的透镜作用Monday, August 1, 202235波的绕射及衰减 超声波的绕射 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。（波的重要特征之一）绕射现象：其本领取决于障碍物的尺寸Df和波长的相对大小。Df 只反射，无绕射Df 既反射有绕射 超声检测基础Monday, August 1, 202236波的绕射及衰减最小缺陷的尺寸约为/2同频率时，横波灵敏

11、度 纵波灵敏度探头频率选择问题超声检测基础Monday, August 1, 202237超声衰减超声波的衰减超声波在通过介质后，其强度发生减弱，这种现象称为。 原因晶界反射：折射、反射、波型转换吸收：声源激发产生的晶粒间的摩擦，吸收能量扩散：传播张角使得单位面积能量减弱 超声检测基础Monday, August 1, 202238超声衰减衰减公式：J = Joe-2sJo 入射强度s 距离衰减系数的影响因素：f（频率）晶粒度（不锈钢的探伤问题）各向异性系数F 超声检测基础Monday, August 1, 202239超声波检测原理 发射超声波传播异质界面回波接收放大显示始波、伤波、底波超声

12、检测原理与设备Monday, August 1, 202240几种扫描方式 A扫描 (点）B扫描 （线）C扫描 （面）超声检测原理与设备Monday, August 1, 202241超声波检测设备 超声波检测仪主要电路：同步电路,扫描电路,发射电路,接收电 路,显示电路,辅助电路其他电路：DAC电路：距离（深度）补偿电路,闸门电路,抑制电路超声检测原理与设备Monday, August 1, 202242超声波检测仪组成Monday, August 1, 202243典型设备超声检测原理与设备Monday, August 1, 202244 超声波探头 直探头结构与参数 发射，接收纵波晶片直

13、径，探头频率 超声检测原理与设备Monday, August 1, 202245超声波探头斜探头结构与参数发射接收横波晶片直径，探头频率，折射角（斜率）超声检测原理与设备Monday, August 1, 202246 超声波探头 超声检测原理与设备Monday, August 1, 202247超声波探头聚焦探头结构与参数原理：利用不同介质的界面上产生折射的原理制成。（聚焦透镜，声学透镜）结构型式：球面镜点焦柱面镜线焦应用：高精度、高分辨率检测，扫描检测等参数：晶片直径，探头频率，透镜曲率，焦距，焦柱直径等 超声检测原理与设备Monday, August 1, 202248标准试块 超声检测

14、超声检测原理与设备Monday, August 1, 202249检测的方式与耦合检测方式单收单发2个探头，（穿透式探伤，串列式探伤）单收发1个探头（反射式检测）双收发二个探头（各自发、收）耦合方式直接接触式机油、甘油、水玻璃、工业浆糊等浸液式局部：喷水 全部：水浸槽 直接接触法超声波检测Monday, August 1, 202250Monday, August 1, 202251常用检测方法 垂直入射(纵波) 应用：缺陷与探测面平行的厚件检测如钢板，轴类，铸锻件等特点：一般有底波 直接接触法超声波检测Monday, August 1, 202252检测方法直接接触法超声波检测Monday,

15、 August 1, 202253检测方法斜入射（横波）应用：缺陷与探测面成一定角度的焊缝检测或其他部件检测特点：一般无底波 直接接触法超声波检测Monday, August 1, 202254检测方法直接接触法超声波检测Monday, August 1, 202255检测条件选择 检验等级GB1145-89A, B, C 三级 普通钢结构压力容器、管道 核容器直接接触法超声波检测Monday, August 1, 202256检测工艺高等级检测多探头多探伤面探伤侧（如焊缝两侧）母材是否检测直接接触法超声波检测Monday, August 1, 202257检测工艺探伤灵敏度选择定义：在确定的

16、探测范围内的最大声程处发现规定大的缺陷的能力100mm处，发现2平底孔灵敏度越高，发现缺陷能力越强，但过高噪声增加 直接接触法超声波检测Monday, August 1, 202258探头选择探头型式直探头斜探头聚焦探头等（探测部位）晶片直径大直径小直径（近场区长度）直接接触法超声波检测Monday, August 1, 202259探头选择频率 扩散角、近场区长度、穿透深度、分辨力高频低频入射角 缺陷取向大角度小角度频带 回波频谱普通窄脉冲直接接触法超声波检测Monday, August 1, 202260扫描方式直接接触法超声波检测Monday, August 1, 202261直探头定位

17、h伤H工件 ( S伤屏/S底屏)扫描速度调节1: n, hf = nfhf : 缺陷深度； n：比例； f ： 屏幕刻度 缺陷定位与判别hHS伤S底Monday, August 1, 202262斜探头定位缺陷定位与判别Monday, August 1, 202263斜探头定位探头与仪器预调整入射点调整零位调整(必要性) 方法 1)横通孔 2)利用板的 端角反射缺陷定位与判别Monday, August 1, 202264斜探头定位缺陷定位与判别Monday, August 1, 202265斜探头定位声程标定水平位置标定（投影位置）深度位置标定缺陷定位与判别Monday, August 1,

18、 202266斜探头定位比例调整：1: n声程调整：按深度、按水平距离 方法：利用R100、R50圆利用端角反射利用专用试块（横通孔） 缺陷定位与判别Monday, August 1, 202267斜探头定位多次反射波处理一次波简单三角计算二次波利用延长线计算 缺陷定位与判别Monday, August 1, 202268缺陷大小的判别 当量高度法应用：缺陷反射面 声束 脉冲消失法应用：回波变化大的情况 缺陷定位与判别Monday, August 1, 202269Monday, August 1, 202270缺陷性质的判别工况、材料、加工工艺等缺陷的大小、方向、位置波形特征识别法回波上升速度波根宽度波形包络回波下降速度 缺陷定位与判别Monday, August 1, 202271超声检测应用1Monday, August 1, 202272超声检测应用2Monday, August 1, 202273B扫描成像探头移动方式扫描结果应用