《无损检测》课件2 超声检测

1、超声波检测的基础知识材料科学与技术学院 陈照峰1.2 超声场及介质的声参量1.3 超声波在介质中的传播特性1.4 圆形压电晶片产生的声场 在工业超声检测中应用的表面波主要是指超声波沿介质表面传递，而传声介质的质点沿椭圆形轨迹振动的瑞利波（Rayleigh Wave，简称R波）， 瑞利波在介质上的有效透入深度只有一个波长的范围，因此只能用于检查介质表面的缺陷，不能像纵波与横波那样深入介质内部传播，从而可以检查介质内部缺陷。 只在固体中传播。表面波 Surface WaveNanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 一种由纵波与横波叠加合成，以特定频率被封闭在

2、特定有限空间时产生的制导波（guide Wave）。 在工业超声检测中，主要利用兰姆波来检测厚度与波长相当的薄金属板材，因此也称为板波（Plate Wave）。 兰姆波在薄板中传递时，薄板上下表面层质点沿椭圆形轨迹振动，而薄板中层的质点将以纵波分量或横波分量形式振动，从而构成全板振动，这是兰姆波检测的显著特征。兰姆波 Lamb WaveNanjing Univ. Aeronautics & Astronautics声压：某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时同一点的静态压强之差叫作该点的声压。声强：在超声波传播的方向上，单位时间内介质中单位截面上的声能叫声强。 分贝：将某一声强I与标准

3、声强Io之比取常用对数得到二者相差的数量级，称为声强级，单位用贝尔，十分之一为分贝。超声场的基本物理量Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics声阻抗：超声波在介质中传播时，任一点的声压与该点速度振幅之比叫声阻抗。声速：声波在介质中的传播速度声衰减系数：超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加能量逐渐减弱的现象叫做超声波的衰减。 在传声介质中，单位距离内某一频率下声波能量的衰减值叫做该频率下该介质的衰减系数。介质的基本物理量Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics (1)扩散衰减 ：声波在介质中传播时，因其波前在逐渐

4、扩展，从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的扩散衰减。它主要取决于波阵面的几何形状，而与传播介质无关。 (2)散射衰减：散射是物质的不均匀性产生的。不均匀材料含有声阻抗急剧变化的面，在这两种物质的界面上，将产生声波的反射、折射和波型转换现象，必然导致声能的降低。声衰减的方式Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics (3)吸收衰减 超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦和热传导引起的声波能量减弱的现象，叫做超声波的吸收衰减。声衰减的方式Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 超声波在无限大介质中传播时，将

5、一直向前传播，并不改变方向。但遇到异质界面(即声阻抗差异较大的异质界面)时，会产生反射和透射现象。即有一部分超声波在界面上被反射回第一介质，另一部分透过介质/界面进入第二介质。 超声波垂直入射到足够大光滑平面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波。在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。超声波的反射和透射Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics单一界面 反射波与透射波的声压(声强)是按一定比例分配的。这个分配比例由声压反射率(或声强反射率)和声压透射率(或声强透射率)来表示。 垂直入射时，介质两侧的声波边界条件： 一侧总声压等于另一侧总

6、声压。否则界面两侧受力不等，将会发生界面运动。 两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics纵波与横波的区别 固体介质中，纵波垂直入射到单一平界面上的声压、声强与其反射率、透射率的计算公式，同样适用于横波入射的情况。必须注意；在固液、固/汽界面横波将发生全反射。这是因为横波不能在液体和气体中传播。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层，这些都可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透射问题。薄层界面介质1介质3介质2 进入薄层内的超声

7、波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射，形成一系列反射和透射波。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics当介质1和介质3相同时声压反射率声压透射率Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics当介质1和介质3不同时声强透射率（1）（2）Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics超声波倾斜入射到平界面上 当声波沿倾斜角到达固体介质的表面时，由于介质的界面作用，将改变其传输模式(例如从纵波转变为横波，反之亦然)。传输模式的变换还导致传输速率的变化。斯涅耳定律 讨论超声波倾斜入射到界面上时、

8、各种类型反射波和折射波的传播方向。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics临界角 第一临界角：当纵波入射角等于第一临界角，第二介质中只存在折射横波。第二临界角：当纵波入射角等于第二临界角，第二介质中既无折射纵波，又无折射横波，只产生表面波。第三临界角：当纵波入射角等于九十度时，介质中只存在反射横波。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics斯涅耳其人1591-1626，荷兰莱顿人，数学家和物理学家，曾在莱顿大学担任过数学教授。大约是在1621年，斯涅耳通过实验确立了开普勒想发现而没有能够发现的折射定律。当时斯涅耳注意

9、到了水中的物体看起来象漂浮的现象，并试图揭开其中的奥秘。由此便引出了他对折射现象的研究。 斯涅耳的这一折射定律（也称斯涅耳定律）是从实验中得到的，未做任何的理论推导，虽然正确，但却从未正式公布过。只是后来惠更斯和伊萨克沃斯两人在审查他遗留的手稿时，才看到这方面的记载。首次把折射定律表述为今天的这种形式的是笛卡儿，他没做任何的实验，只是从一些假设出发，并从理论上推导出这个定律的。笛卡儿在他的屈光学（1637）一书中论述了这个问题。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 反射波：超声波入射时，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。反射波波阵面的形状取决于

10、曲界面的形状。超声波在曲界面上的反射和透射 （1）界面为球面，具有焦点。 （2）界面为柱面时，具有焦轴。反射波波阵面为柱面，凹柱面上的反射波好像是从实焦轴发出的柱面波，凸柱面上的反射波好象是从虚焦轴发出的柱面波。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 透射波：超声平面波入射到曲界面上时，其透射波同样会产生聚焦或发散，不仅与曲界面的(凹、凸)曲率有关，而且与两种介质的声速有关。 超声平面波入射到c1c2的凹曲面和c1c2的凸曲面上时，其透射波聚焦；超声平面波入射到clc2的凸曲面和c1c2的凹曲面上时，其透射波将发散。超声波在曲界面上的反射和透射Nanj

11、ing Univ. Aeronautics & Astronautics 超声检测中使用的超声波探头，其主要部件是用压电材料做的压电晶片，在压电晶片的两表面涂有导电银层作为电极，致使晶片表面上各点部具有相同的电位。将晶片接于高频电源时，晶片两面便以相同的相位产生拉伸或压缩效应，发射超声波的晶片恰如活塞作往复运动一样辐射出声能。 一般当作圆形活塞声源处理。圆形压电晶片声场Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 声场因晶片大小、振动频率和传播介质的不同而使声压和声能产生不同的分布状况。 圆形活塞声源轴线上的声压是声程x的正弦函数。由于正弦函数最大值为1，所

12、以声压最大值为2p；正弦函数最小值为0，声压最小值也为0。 最后一个声压最大值至声源的距离N称为近场长度。在声场中，称xN的区域为声源的近场区。在声场中，xN时的区域为远场区。在远场区，声压随距离增加而减小。近场区、远场区和指向性Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 在近场区内，由于声源表面上各点辐射至被考察点的波程差大，所引起的声压振幅差和相位差也大，且它们彼此互相干涉，结果使近场区的声压分布十分复杂，出现很多极大值与极小值，因此在近场区内如有缺陷存在，其反射波极不规则，对缺陷的判断十分困难。近场区不利于缺陷判断近场区截面声压分布(黑色部分为波峰)Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics声场的指向性 在声场中沿中心轴线声压最大，形成声场的主瓣，即主声束。在近场区声压交替出