超声波物理基础课件

1、超 声 波 检 测 下一页在线超声波探伤一、超声波检测物理基础二、超声检测仪器、探头和试块 三、超声波检测的通用技术目 录结束第一章 超声波检测物理基础第一节 机械振动和机械波一、机械振动一个物理量的值在观测时间内不停地经过极大值和极小值的周期变化，这种变化状态称为振动。如果振动量是个力学量，如位移、角位移等，所作的振动称之为机械振动。如图11。1、表征振动的参数周期T：完成一次全振动所需的时间，常用单位秒(s)。频率f：单位时间内完成全振动的次数，单位为赫兹(Hz)。1Hz1次/秒秒1；1MHz106Hz。 图11 弹簧的振动 平摆的振动2、振动方程最简单最基本的直线振动称为谐振动，任何复杂

2、的振动都可视为多个谐振动的合成。描述谐振动质点M位移y与时间t关系的谐振动方程如下： yAcos(t) （11）式中：y为振动幅度在任一瞬间时t的数值； A为振幅，是y的最大值； 角频率(角速度)，2f； 初始相位角，即t0时质点M的相位； (t)质点M在t时刻的相位。可用图12来进一步说明物体谐振动时，位移是时间的正弦或余弦函数。图12二、机械波和声波1、机械波的形成机械振动在介质中的传播称为机械波，机械振动在弹性体中的传播称之为弹性波（声波）。图13是弹性体的模型，可用来说明机械波的形成。产生机械波的两个条件：作机械振动的波源；传播振动的介质。图1-34、波动方程如图24所示，当振动从O点

3、传播到B点时，B点开始振动。由于振动从O点传播到B点需要时间x / c，因此B点的振动滞后于O点x / c秒，即B点在t时刻的位移等于O点在(tx / c)时刻的位移： （13）式中：k波数，k/ t2/；xB至O点的距离。波动方程式（13）描述了波线上任意一点在任意时刻的位移情况。图145、连续波、简谐波和脉冲波连续波：介质各质点振动持续时间为无穷的波动，见图15a。简谐波：介质各质点都作同频率的谐振动的连续波。脉冲波：介质各质点振动持续时间有限的的波动，见图15b。图15 连续波与脉冲波第二节 超声波的传播一、波的类型纵波：介质中质点振动方向与波的传播方向一致的波，一般用L表示，图17。横

4、波：介质中质点振动方向与波的传播方向向垂直的波，一般用S表示，图18。 图17 纵波图18表面波：当固体弹性介质表面受到交替变化的表面张力作用时，介质表面的质点就产生相应纵向振动和横向振动，其结果导致质点作这两种振动的合成振动，即绕其平衡位置作椭圆轨迹的振动，这种振动的传播形成表面波，是一种沿固体表面传播的波。图19。由于液体和气体不能产生剪切应变，故不能传播横波和表面波，只能传播纵波图19由于液体和气体不能产生剪切应变，故不能传播横波和表面波，只能传播纵波二、波形(指波的形状)波形中波线、波前和波阵面的概念，图110。波线：波动的传播方向。波前：某一时刻振动传播到最前沿的各质点的轨迹。波阵面

5、：在同一时刻介质中振动的相位相同的所有轨迹。 图110 波线、波前、波阵面第三节 声波的波动特性一、波的叠加当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。几列波相遇后仍保持自己原有的频率、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，这就是波的迭加原理，又称波的独立性原理。波的迭加现象可以从许多事实观察到，如两石子落水，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的传播情况。又如乐队合奏或几个人谈话，人们可以分辨出各种乐器和各人的声音，这些都可以说明波

6、传播的独立性。二、波的干涉当两个频率相同，振动方向相同、相位相同或相位差恒定的波在介质某点相遇后，会使一些点处的振动始终加强，而在另一些点处的振动始终减弱或完全抵消，这种现象称为波的干涉。这两束波称为相干波，波源称为相干波源。如图111，点波源S1、S2分别在M点引起的振动为：点M的合振幅为：yAcos (t) 式中：A1、A2S1、S2在M点引起的振幅； AM点的合振幅；波长； 波程差，=x2x1。（1-6）图111 （2）驻波波线上波节和波腹的位置是特定的，相邻两波节或波腹的间距可用下述方法求得。对于波节处cos2x0有2x(2n+1)2波节的位置：x(2n+1)4于是相邻两波节的间距为：

7、x2(n+1)+14一(2n+1)42同理可得相邻两波腹的间距也等于2。由于波节与波腹相间出现，所以相邻波节与波腹的距离为4。由此可见，对于两端固定的弦线，只有当弦线长度等于半波长2的整数倍时，才能形成驻波。这就是超声波探头中压电晶片(波源)的设计依据。(3)形成驻波时，在界面处产生波节还是波腹与两种介质的疏密程度有关，当波从波疏介质垂直入射到波密介质，又从波密介质反射回到波疏介质时，在界面反射处产生波节；反之，则在界面反射处产生波腹。如超声波垂直入射到水钢界面，就会在水钢界面处形成位移波节；超声波垂直入射到钢水界面，就会在钢水界面处形成位移波腹。图 112 驻波四、惠更斯原理如前所述，波动是

8、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。图112是其例证。惠更斯原理在超声检测中获得了广泛的应用。如图113所示，一个作活塞式振动的压电晶片，振动面上各点以速度c向外辐射超声波，设在t时刻的波前为S1，在tt时刻的波前为S2，具体画法如下，先以Sl面上各点为中心，以ct为半径，画出许多球形子波，再柞相切于各子波的波前的包迹面，就得新的

9、波前S2。 图113 按惠更斯原理从子波画出新的波前图112 障碍物的狭缝成为新的波源第四节 声场及其特征量充满声波的空间称为声场。声场特征量有声压、声阻抗、声强。声压：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，称为该点的压强P。PP1P0根据动量原理和波动方程可导出：P cAcos(t)cv （18）式中：介质密度；v介质质点振动速度；c波速。声压P的绝对值与介质密度、波速c、角频率成正比，而2f，所以声压也和频率f成正比。超声波检测中测量的量值就是声压。声压的单位是压强的单位：Pa(帕斯卡)声阻抗：超声场中任意点的声压与该点振动速度之比，Zp / vc

10、v / vc （19）由vp / Z可看出，声压不变，v与Z成反比，Z，v声强：在垂直于声波传播方向的单位面积上，单位时间内通过的平均能量，称为声强度，简称声强，用符号I表示，单位：瓦/2。 （110）声强与声压的平方成正比。声强级及单位：声强I1与标准声强I0之比的常用对数称为声强级，单位：贝尔 ILlg(I1/I0) （Bel，贝尔） （111）标准声强是听觉的最小声强：I01016瓦/2实际使用嫌贝尔太大，取其1/10，称为分贝dB IL10lg(I1/I0) dB （112）因声强与声压的平方成正比，故式（112）可写为： IL10lg(P12/P22)20lg(P1/P2) （113

11、）第五节 波速声波在介质中传播的速度称为波速，又称声速。波速的大小取决于波型和传播介质特性，其一般表达式为： （114）式中：E正弹性模量；介质密度；K与材料泊松比有关的常数。一、液体的纵波波速如前所述，液体介质只能传播纵波，其纵波波速为： （115）式中：cl纵波波速；Ka介质的体积弹性模量；介质密度。 二、无限大固体介质的纵波波速 （116）式中：cl纵波波速；E介质的杨氏弹性模量；介质的泊松比。三、无限大固体介质的横波波速 （117）式中：ct横波波速；G介质的剪切弹性模量；介质密度。四、半无限大固体介质中的表面波波速当泊松比在00.5的范围内，其近似式为： （118）在同一固体介质中c

12、l / ct2；对钢而言cl / ct1.8，cr / ct0.92。因此，在固体介质中，clctcr。这一性质在超声检测中有其实际意义。 1、介质对反射、透射的影响Z2Z1以水/钢界面为例，如图115所示：从而可知，反射声压、透射声压与入射声压都是同相位。Z2Z1以钢/水界面为例，如图216所示：从而可知，反射声压与入射声压相位相反，透射声压相位与入射声压仍相同。图115 图116从钢入射至水的界面两边声压分布Z1Z2 例：钢空气界面，此时Z1(钢)46106kg/m2s,Z2(空气)0.0004106kg/m2s，则声压反射率为： rp(0.000446)/ 0.000446 1声压透射率

13、为：tP1rp1(1)0结果表明，在这种情况下声波全反射。Z1Z2rp (Z2Z1 )/ (Z2Z1) 0 tP1rp101例如普通碳钢焊缝的母材金属和焊缝金属声阻抗仅相差1，在焊缝探伤时，超声波从母材金属射入焊缝金属，其m0.99，则声压反射率为： rp ( 1m )/ (1m )(10.99)/ (10.99) 0.005 声压透过率为： tP1rp10.0051结果表明，在这种情况下声波全透射。3、薄层双平界面（1）Z1Z3Z2 ，如图117所示，当薄层厚度很小时，通过薄层的声压反射率和透射率可由式125和式126表示。 (1-25) (1-26)式中：d2异质薄层厚度；2异质薄层中的波

14、长；mZ1/Z2 上两式说明:当d2n2/2（n1、2、3），即d2等于2/2的整数倍时，r0，t1，如工件中有一缺陷（例如钢板中的夹层），其厚度刚好为2/2的整数，超声波就探不出来。当d2(2n1)2/4，即d2等于2/4的奇数倍时， rrmax，ttmin，超声波反射率最高，透射率最低，有利于缺陷的检出。当d2/2、Z2一定时，Z1，mZ1/Z2，r，t，这说明大的工件检测灵敏度高。总的说来，超声波垂直入射到薄层时，其声压反射率、透射率不仅与两种介质的声阻抗Z1、Z2有关，而且与d2/2有关。（2）Z1Z2Z3 这种情况下的声强透射率T可由下式描述： (1-27) 由上式可知：当d2n2/

15、2（n1、2、3）或d20时， T4 Z1Z3/ (Z1Z3)2 (1-28)当d2(2n1)2/4，即d2等于2/4的奇数倍，且Z2(Z1Z3)1/2时这说明在这种条件下，声强透射率与薄层无关，好像不存在薄层。 (1-29)这一点对于探头保护膜的设计很重要。为了使保护膜透声良好，选择材料时，应使其声阻抗满足Z保护膜(Z晶片Z工件)1/2，且厚度应设计为保护膜/4的奇数倍 第七节 超声波倾斜入射到界面的反射和透射一、 倾斜入射到界面的反射、折射和波型转换1、纵波倾斜入射(如图118a所示)，当纵波L倾斜入射到固/固界面时，会同时产生反射纵波L、反射横波S、折射纵波L”和折射横波S”。它们的反射

16、角或折射角遵守斯涅耳定律，由下式表示： (1-30)式中：cL1、cS1分别为第一介质中的纵波、横波波速；cL2、cS2分别为第二介质中的纵波、横波波速；L、L分别为纵波入射角、反射角；L、S分别为纵波、横波折射角；S横波反射角。 上式表明，所有入射角、反射角或折射角的正切与所在介质相应波速之比都相等。就反射而言，因在同一介质中，故纵波反射角等于纵波入射角。纵波倾斜入射会产生反射横波和折射横波，这种现象通常称之为波型转换。（波型转换是一个很重要的概念）图218 声波倾斜入射示意图2、横波倾斜入射如图118b所示，当横波S倾斜入射到固/固界面时，同样会产生反射纵波L、反射横波S、折射纵波L”和折

17、射横波S”。它们的反射角或折射角同样遵守斯涅耳定律，由下式表示: (1-31)式中：S横波入射角。其余符号同式130。横波倾斜入射时同样会超生波型转换。图118 声波倾斜入射示意图二、临界角1、第一临界角由式130及图119a可以看出，当cL2cL1时，则LL，随着L的增加，L也跟着增加。当L增加到一定程度时，L90如图120a所示，这时所对应的纵波入射角称之为第一临界角，用1表示，这时在第二介质中只有横波存在。 (1-32)图119 临界角示意图2、第二临界角图119 临界角示意图由式130及图119a可以看出，当cS2cL1时，则S2L1，随着L1的继续增加，S也跟着增加。当L继续增加到一

18、定程度时，S290如图119b所示，这时所对应的纵波入射角称之为第二临界角，用2表示。 (1-33)这时在第二介质中即无纵波也无横波，开始在界面出现表面波。3、第三临界角 由式131及图119b可以看出，因cL1cS1，则LS，随S增加，L也增加。当S继续增加到一定程度时，L90如图120c所示，这时所对应的横波入射角称之为第三临界角，用3表示。 (1-34)在这种情况下第一介质中只存在反射横波。在实际的横波斜探头探伤中，入射到工件中的横波斜射到与探测面平行的底面，对底面的横波入射角都大于第三临界角，故不会出现反射纵波；如射到不平行探测面的反射面上，则横波入射角有可能小于第三临界角，从而出现反

19、射纵波与反射横波同时存在的情况，如图1-20所示示例。图120 横波入射产生变形纵波示例三、倾斜入射到界面的反射率、折射时的往复透过率 前面只谈到了声波倾斜入射反射波和折射波的方向，而在各方向的声压或往复透射率怎么样，也应是我们关注的问题。1、倾斜入射到钢空气界面的反射率 图121是一个极坐标图，经线表示角度，纬线表示声压反射率。该图表示的是纵波入射到钢/空气时的情况。随着纵波入射角从0逐渐增加，纵波声压反射率从1.0逐渐下降；而在60与70之间纵波声压反射率达到极小值；纵波入射角继续增大，纵波声压反射率又随之增大直到1.0。图121右边的图是表示的横波反射率的变化。随着纵波入射角从0逐渐增加

20、，横波声压反射率逐渐增加，大约在横波反射角达到25左右时，横波声压反射率达到极大值（注意横波反射角小于纵波入射角）。该极大值与纵波反射率的极小值基本上是相对应的，即反射纵波声压进入极小值的区域，其能量大部分给予了反射横波。 图121图122表示的是横波入射到钢/空气时的情况。随着横波入射角从0逐渐增加，横波声压反射率从1.0逐渐下降；而在20与30之间横波声压反射率达到极小值；横波入射角继续增大，横波声压反射率继续随之增大，当横波反射角S33.2时横波声压反射率等于1.0。图122右边的图是表示的纵波反射率的变化。随着横波入射角从0逐渐增加，纵波声压反射率逐渐增加，直到达到第三临界角（注意纵波

21、反射角大于横波入射角），纵波声压反射率可达到4.0以上。这时与横波反射率的极小值基本上是相对应的，即反射横波声压进入极小值的区域，其能量大部分给予了反射纵波。 图1222、倾斜入射到水/钢、有机玻璃/钢界面的往复透过率实际超声波探伤中横波斜探头探伤时，超声波往复透过同一探测面，因此声压往复透过率更具实际意义。如图123所示，超声波倾斜入射，其折射波垂直射到一反射面上产生全反射。探头接收到的回波声压Pa与入射声压P0之比称为声压往复透射率,用T表示，TPa/ P0。图124为纵波斜入射至水/钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系图。图上表明，当纵波入射角小于14.5(第一临界角)时，折射纵波往复

22、透射率不超过13，折射横波往复透射率小与6。当纵波入射角为14.527.27(第二临界角)之间时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波往复透射率最高不到20。 图123斜入射声压往复透射率示意图图124水/钢界面声压往复透射率 图125为纵波斜入射至有机玻璃/钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系图。图中表明，当纵波入射角小于27.6(第一临界角)时，折射纵波往复透射率小于25，折射横波往复透射率小与10。当纵波入射角为14.527.27(第二临界角)之间时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波往复透射率最高不超过30，最高往复透射率时所对应的纵波入射角约为30，横波折射角约为37

23、。 从图上还可看出，折射角在3550之间往复透射率比较高，更大的折射角往复透射率相对较低。 图125有机玻璃/钢界面声压往复透射率四、端角反射 (图126端角反射示意图)超声波在两个平面构成的直角内的反射称为端角反射，如图126所示。在端角反射中超声波经历了两次反射，如不考虑波型转换，第二次反射回波与入射波互相平行，回波声压Pa与入射波声压P0之比称为端角反射率，用T端表示，即T端Pa/ P0。 图127为钢空气界面上钢中的端角反射率与入射角（指声束射至端角平面的角，如图127中的）的关系图。图127(a)是纵波入射端角的情况，端角反射率大都很低，这是因为纵波在端角的两次反射中分离出较强的横波

24、。图127(b)是横波入射端角的情况，入射角等于30或60附近时，端角反射率最低。入射角在3555之间时，端角反射率达100。也就是说，横波斜探头的折射角S为3555（KtgS0.71.43）之间时，探测类似端角的缺陷（例如焊缝中的未焊透）灵敏度较高，S55（K1.5）灵敏度较低。 从图127还可看出，对端角的入射角在0或90附近时，无论是纵波还是横波，端角反射率理论上都是很高的。但实际上由于边界效应，探测灵敏度并不一定高。 图126端角反射示意图图127 端角反射率与入射角的关系第八节 声波在曲面上的聚焦和发散一、平面波在曲面上的反射和折射1、平面波在曲面上的反射:当平面波入射到曲界面上时，

25、其反射波将发生聚焦或发散，如图128。反射波的聚焦或发散与曲面的凹凸(从入射方向看)有关。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。平面波入射到球面时，其反射波可视为从焦点发出的球面波。在曲面轴线上距曲面顶点x处的反射波声压Px为： (1-35)式中：f焦距，fr2，(r为曲率半径)；x轴线上某点至顶点的距离; P0顶点处入射波声压； “土”“”用于发散，“一”用于聚焦。平面波入射到柱面时，其反射波可视为从焦轴发出的柱面波。在曲面轴线上距曲面顶点x处的反射波声压Px为:(式中字母含义同1-35)。 (1-36)图128 平面波在曲界面上的反射2、平面波在曲面上的透射 平面波入射到曲界面上时，其折

26、射波也将发生聚焦或发散，如图129。这时折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面两侧介质的波速有关。对于凹透镜，当c1c2时聚焦，当c1c2时发散；对于凸透镜，当clc2时聚焦，当clc2时发散。图129 平面波在曲界面上的透射平面波入射至球面透镜时，其折射波可视为从焦点发出的球面波，曲面轴线上距曲面顶点x处的折射波声压Px为： （138） 式中：t声压透射率； f焦距；“土”“”用于发散，“一用于聚焦。fr(1一c2c1)r(1一1n) （139）式中：nc1/c2 平面波入射到柱面透镜，其折射波可视为从焦轴发出的柱面波。轴线上x处的折射波声压Px为: (式中字母含义同1-38)

27、实际探伤用的水浸聚焦探头就是根据平面波入射到clc2的凸透镜上，折射波发生聚焦的特点来设计的，如图130，这样可以提高探伤灵敏度。通常用有机玻璃或环氧树脂作声透镜，晶片与透镜接触的声入射面为平面，其焦距按式139计算。当声射线离开镜面后，汇聚于轴线上距镜面f处附近，由于波在焦点附近的干涉结果，声束并非聚焦为一个“点” ，而是一个具有一定大小的椭球，形成一个聚焦区域。图130 使用聚焦探头示意图二、球面波在曲面上的反射和透射1、球面波在曲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，如图131。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。(1)球面波在球面上的反射波，可视为从像点发出的球

28、面波。轴线上距顶点为x处的反射波声压Px为： (1-40) (2)球面波在柱面上的反射波，既不是单纯的球面波，也不是单纯的柱面波，而是近似为两个不同的柱面波叠加。轴线上距顶点为x处的反射波声压为： (1-41) 以上两式中 P1a球面顶点处入射波声压； f焦距，fr2； a球面顶点至波源的距离；“土”“”用于发散， “一用于聚焦。图131 球面波在曲界面上的反射 (3)球面波在实心圆柱体中的反射采用超声波径向探伤大型实心圆柱形锻件时，如图132，类似于球面波在凹柱面上的反射，反射波聚焦于像点。以xa，fa4代入(141)式取“一”得到圆柱面上入射点处的反射回波声压： P柱 P1/2a P平 （

29、142）这说明实心圆柱体曲底面反射与同距离平底面反射，二者在入射点处的反射回波声压理论值是相同的。实际上，由于柱面耦合不良（接触面小）其回波一般都低于平底面回波。(4)球面波在空心圆柱体中的反射采用超声波径向探伤大型空心圆柱形锻件时，如图133，类似于球面波在凸柱面上的反射，反射波发散。以 x=a，fr/2代入式（141）取“”得到圆柱面上入射点处的反射回波声压：这说明入射点处空心圆柱体的反射声压总是低于同距离的平底面的反射声压。这是由于凸曲面反射波发散的结果。另外还可看出，当圆柱体外径(2R)一定，内孔径直径(2r)增加时，其反射回波升高。图132实心圆柱体反射波声压图133 空心圆柱体反射

30、波声压2、球面波在曲面上的透射球面波入射到曲界面上，当其发生透射时，其折射波同样会发生聚焦和发散，如图134。轴线上距顶点x处的折射波声压为：（式中：c2/c1透射介质与入射介质波速之比。）球形界面：柱形界面： 图134 球面波在曲界面上的折射第九节 超声波的衰减 超声波在介质传播时，随着传播距离的增大声压逐渐减弱的种现象称为衰减。一、衰减的原因1、由声束扩展引起的衰减 在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声束不断扩展增大，因此单位面积上的声能(或声压)随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。 扩散衰减仅取决于波阵面的几何形状而与传播介质的性质无关。在远离声源的声场中，球面波

31、的声压P与至声源距离a成反比(即P1/a)，而柱面波则为P(1/a)1/2。对于平面波，声能(或声压)不随传播距离而变化，不存在扩散衰减。2、由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中有外来杂质、金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，声能被消耗，声强（或声压）被减弱，这种衰减称为散射衰减。3、由介质的吸收引起的衰减 超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声

32、能的损耗，以及由于分子弛豫造成的吸收，这些就是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。二、衰减规律和衰减系数1、衰减规律对于平面余弦波来说，声压衰减规律可用下式表示： PP0e2s （246）式中：P0入射到材料界面上时的声压； P超声波在材料中传播一段距离s后的声压； 衰减系数。 需要指出的是，对于大多数固体和金属介质来说，通常所说的超声波的衰减，即由(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减s和吸收衰减a，它们与被检材料的材质有关,故称为材质衰减。而不包括仅与波阵面形状有关的扩散衰减如果考虑衰减的扩散部分，则在距声源（晶片）中心轴线上某一距离处(s3N)，可将衰减公式写成： （1-47）式中：衰减

33、系数，sa ；A声源（晶片）面积；波长；s距声源距离。吸收衰减系数a 可表示为： ac1f（c1与晶粒大小和各向异性无关的常数）；f超声波频率。散射衰减系数s 根据晶粒大小（d）与波长（）之比分为三种情况： d ：s = c4F/d式中：c2、c3、c4常数；F各向异性因子；d晶粒直径。上述表明，材质衰减与超声频率有关，频率f，则，反之亦然。三、衰减系数的实用测量方法1、对于薄材料： （148）式中：材料的单程衰减系数；m、n底波的反射次数；Bm、Bn第m、n次底波高度；每一次反射的损失(一般为0.51.0dB)；T工件厚度。2、对于厚工件 (20lgB1/B26)/ 2T （149） 式中：

34、B1、B2第1、2次底波高度；6扩散衰减引起的分贝差；反射损失；T工件厚度。第十节 超声场超声波分布的空间称为超声场。一、超声波产生原理简介 原则上，凡是能将其他形式能量转换成超声的能量，都可以用来产生超声波。但在超声检测中，目前应用最多的是利用某些晶体或多晶陶瓷，例如石英、锆钛酸铅、铌酸锂等，的压电效应来获得超声波。 在压电晶体某一方向(如厚度方向)施加应力，使其应变，晶体两面这时会分别产生正、负电荷，形成电场，这种效应称为正压电效应；在压电晶体的某一方向施加电场，晶体两面这时会产生应变，这种效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称压电效应。如在晶体两面施加高频交变电压，晶体就会相应地伸长或缩

35、短，产生机械振动，从而通过弹性介质辐射出高频声波。二、纵波超声场纵波圆盘声源在声束轴线上声压的分布根据叠加原理和波的干涉理论，声束轴线上任何一点处的声压等于声源上各点辐射的声压在该点的迭加，如图135所示。由于压电晶片上各点到达该点的距离不同，叠加时有相位差，因而在整个声束轴线上出现有声压极大值和声压极小值的起伏。如果声源发出的波为连续简谐波，且不考虑衰减，则圆盘形纵波声源在声束轴线上瞬时的声压分布可由式（150）表示，按该式得出的声束轴线上瞬时的声压分布曲线如图136所示。公式（150）： 式中：P0声源的起始声压；P声束轴线上距声源距离为a处的声压；D晶片直径；波长；a距声源距离。图135

36、 圆盘源轴线上声压推导图图136 从图137和式150可知，声束轴线上声压随距离的变化规律是一个正弦周期函数，在N区(近场)内瞬时声压Pa在02P0(声压幅值)内变化，有几个极大极小值。只有当传播距离a(声程)大于N值时，声压随a的增加呈单调下降，只有当a6N时，Pa与a的关系才符合Pa1/a，即距离增加一倍，声压下降一半。最后一个极小值在N/2处。1、近场距离(长度)声束轴线上最后一个声压极大值点至声源的距离称为近场距离或近场长度以N表示。根据数学原理，可从式(150)推导出：式中：A晶片面积；D晶片直径；波长。当晶片直径D远大于波长时，4可忽略不计，则N可由公式表达 (1-51)对方形晶片

37、，把方晶片的面积，代入式151算出近场长度: (1-51)式中：a、b分别为方形晶片的两个边长。F晶片面积。 距离小于N的范围称为近距离声场，简称近场；距离大于N的范围称为远距离声场, 简称远场。图137中还表示出了球面波声压曲线(图中虚线所示曲线)。可以看出，在远场中，在距离a3N时，圆盘源轴线上的声压与球面波的声压之间的差别已甚小，a6N时，已基本符合球面波规律，即：P1/a；a2N时，误差近乎为10，a1.6N时，误差约为15。 图1372、轴线声压的简化计算当a3N时，式147可近似地简化为： （153）式中：Fs声源面积。式153表明，当a3N时，圆盘源轴线上的声压与距离成反比，与声

38、源面积成正比，符合球面波规律。3、近场区在二种介质中的分布 在实际工作中，有时近场区分布于两种不同的介质中，如图138。此时需要了解近场在两种介质中的分布，特别是在被检测工件内近场的长度。 如果超声场全部在第一介质中，近场值为N1FS / ()D2f / (4c1)（c1为第一种介质的声速）；如果超声场全部在第二介质中，近场值为N2FS / ()D2f / (4c2)（c2为第二种介质的声速）。设声波先经厚度为l1的第一种介质再进入第二种介质，见图138，则可将第一种介质的厚度L1折合成第二种介质的长度L1，则：N N2L1 N2L1 c1/ c2 - L1 c1/ c2 （154） 图138

39、4、指向性 同样根据叠加原理，声源辐射场内任一点的声压也可以用声源上各点辐射声压在该点叠加来计算，如图139。 图140用直角坐标和极坐标表示了在远场，垂直于声束轴线的某一截面的声压分布情况。图中说明，超声波能量主要集中在声束轴线附近，两侧的声压很低并略有起伏，对应Y3.83、7.02、10.17的位置出现零值。将Y3.83的第一零值至晶片中心的连线与声束轴线形成的夹角定义为指向角，（也称半扩散角），其值可由下式求出：=sin1(1.22/ D) 1.22/ D (弧度) （155a） 70/ D (弧度) （155b ）式中：波长；D晶片直径。对于方形晶片其值可由下式求出：=sin1(/ a

40、(或b) / a(或b) (弧度) （156a） 57/ a(或b)(度) （156b） 式中：a、b方晶片的边长。图139 远场中任意一点声压推导图图140 圆盘源声束指向性 关于非扩散区，人们一般将距晶片距离为b的一段，超声能量未溢出以晶片面积为底的圆柱体称为非扩散区，如图141所示。按几何关系可求出：圆盘源声束指向性 b1.64N （157）三、假想横波波源目前常用的横波探头，是使纵波倾斜入射到界面。横波斜探头超声场面上，通过波型转换来获得横波的。当入射角在第1临界角和第2临界角之间时，纵波全反射，第二介质中只有折射横波。横波探头辐射的声场由第一介质中的纵波声场与第二介质中的横波声场两部

41、分组成，两部分声场是弯折的，如图142所示。为了便于对横波声场的描述并象纵波那样处理其计算，特将第一介质中的纵波波源转换为轴线与第二介质中横波波束轴线重合的假想横波波源，这时整个声场可视为由假想横波波源辐射出来的连续的横波声场。 当实际波源为圆形时，其假想横波波源为椭圆形，椭圆的长轴等于实际波源的直径DS，短轴为 D S DS cos/ cos （158） 式中横波折射角； 纵波入射角。 图141 非扩散区示意图图142 引入假想源的横波声场四、横波声场声束轴线上的声压 横波声场同纵波声场一样由于波的干涉存在近场区和远场区。当声程x3N时，横波声场声束轴线上的声压为：P KFs cos/(S2

42、 a cos) （159） 式中； K系数；Fs波源的面积；s2第二介质中横波波长； a轴线上某点至假想波源的距离。由式（159）可知，横波声场中，当x3N，时，波束轴线上的声压与波源面积成正比；与至假想波源的距离成反比，类似纵波声场。1、近场长度横波声场近场长度为: N Fs cos/(S2 cos) （260）式中：N近场长度，从假想声源算起。横波声场的近场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为： N NL2 Fs cos /S2 cos L1 tg / tg （261）式中：Fs波源面积；S2介质中横波波长；L1入射点至波源的距离；L2入

43、射点至假想波源的距离。 为便于计算，教材中将采用有机玻璃做楔块的斜探头，探测钢时的cos/ cos和tg/ tg比值与K值的关系，列了对照表，见表11。 cos/cos和tg/tg与K值的关系 表11K值10152025cos/cos08807806806tg/tg075066058052、指向性： 横波声场的扩散角与纵波声场不同，对于圆盘源，在入射平面内，两个指向角并不对称，而是上指向角大于下指向角，即上下，如图143。在通过轴线与入射平面垂直的平面内，指向角是对称的，指向角为： = sin1(1.222/ D) 702/ D （262） 式中：2第二介质(钢)中的波长； D晶片尺寸。图14

44、3 斜探头(2MHz、12、60)在钢中的指向角第十一节 远声场中规则反射体的反射规律 在前面已讨论了超声波入射到大平面上的行为，而实际超声检测中缺陷的尺寸相对较小，形状各异，现讨论几种典型理想化界面的情况。一、超声波的散射和衍射 超声波在传播过程中如果遇到一个障碍物，就可能产生反射、散射和衍射等现象，这些现象的发生不仅与声阻抗有关，还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，见图144a。如果障碍物的尺寸小于超声波的波长，则波到达这障碍物后，根据惠更斯原理，将使其成为新的波源而向四周发射波，见图144b。如果障碍物的尺寸与超声波的波长近似，

45、其声阻抗与周围介质不同，则超声波将发生不规则的反射、折射和透射。 如果障碍物的尺寸比超声波的波长大得多，且声阻抗与周围介质的声阻抗差别很大，则在障碍物界面上发生超声波的反射而无透射，此时在障碍物后面将形成一个声影区。但是根据惠更斯原理，声波可绕过障碍物的边缘不按原来的方向而折向障碍物后面传播，即所谓衍射(绕射)。声影区也因此随着离障碍物的距离的增则逐渐缩小，到一定的距离后声影区消失。，见图144 c。图144二、远声场中规则反射体的反射1、远声场中的声压当声程S3N时，其声场可看成球面波，声束轴线上的声压P可用式（153）描述，也可写为： （163） 式中：P0声源的声压； DS声源直径；波长

46、；2、大平底面的反射： 大平面是常见的规则反射面，如工件平底面等。处于远声场中的大平底面为B，它距声源的距离为SB，见图145根据式(163)，则入射到大平底面B上的入射声压为： 大平底面反射到晶片上的返回声压为PB，若把大平底面看作镜面反射，那么探头上接收的返回声压，相当于传播了2SB声程远处。假想晶片D上接收到的声压，PB可由下式求得： (1-64) 图1453、圆盘形反射体的反射：如图146所示，离探头晶片距离S处有一直径为的平底孔底面反射体(1时，用一次波测定，如图212b；当K1时，用二次波测定，如图212c。这是因为K值较小时，一次波声程短，往往在近场区内，测试误差大。探头主声束偏

47、离，将会影响对缺陷的定位和判别。图2122、双峰平行移动探头，同一反射体产生两个波峰的现象称为双峰，这是波束分叉引起的。直探头和斜探头都可能出现双峰，下面以斜探头为例说明之。斜探头双峰常用横孔试块来测定，如图213a。探头对准横孔，并前后移动，当示波屏上出现图213b所示的双峰包络线时，说明探头具有双峰。探头主声束出现双峰，也会影响对缺陷的定位和判别。3、斜探头前沿长度斜探头主声束轴线与探测面的交点称为入射点。斜探头入射点至探头前边沿的距离称为斜探头的前沿长度。测定探头的入射点和前沿长度是为了便于对缺陷定位和测定斜探头折射角(K值)。将斜探头放在IIW试块上，如图214的A位置，前后移动探头，

48、使半径R100圆柱曲底面回波达最高，此时R100圆柱曲底面圆心所对应的斜楔底面的点就是该探头的入射点。这时探头的前沿长度L0为： L0RM (27) 式中M是试块前边缘至探头前沿的距离。图2134、斜探头折射角(K值)：斜探头的折射角(K值)对于缺陷的定位非常重要，必须准确测试。斜探头的折射角(K值)常用IIW试块或CSKIA试块上的50和1.5横孔来测定，如图214。当探头置于B位置时，可测定s为3560(K0.71.73)；探头置于C位置时，可测定s为6075(K1.733.0)；探头置于D位置时，可测定s为7580(K3.735.67)。 下面以C位置为例说明斜探头的折射角(K值)的测试

49、方法。探头对准试块上50横孔，前后移动探头找到最高回波，此时可从探头入射点所对应的刻度读出s或K值。为获得较准确的值，找到最高回波时，测出探头前边沿至试块端头的距离L，则有下式： 式中：L0探头的前沿长度。 值得注意的是：测定斜探头的折射角(K值)也应在近场区以外进行。因为近场区内，声束轴线上的声压不一定是最高点，测试误差大。图214 L35l0K stg1K (28) 30三、超声波检测仪器和探头组合的主要性能1、仪器与探头组合的分辨力仪器与探头组合的分辨力是指在示波屏上区分相邻两缺陷的能力。能区分的相邻两缺陷的距离愈小，分辨力就愈高。影响分辨力的主要因素有晶片的Qm值和发射强度等。Qm值大

50、，发射强度大，分辨力低，反之亦然。仪器与直探头组合分辨力的测定抑制至“0”，探头置于CSK1A试块上如图215所示，左右移动探头，使示波屏上出现85、91、100三个台阶的反射回波A、B、C。当A、B、C三个波不能分开时如图216a)，则分辨力F为： （） （29）c当A、B、C三个波能分开时如图216b)，则分辨力F为： （） （210）一般要求分辨力F6mm。图215直探头分辨力的测试图216直探头分辨力的测试波形图仪器与斜探头组合分辨力的测定斜探头置于CSKIA试块上，如图217a所示，对准50、44、40三个台阶孔，示波屏上便出现三个反射波。平行移动探头并调节仪器，使50、44圆弧面回

51、波等高，如图217b，其波峰为hl，波谷为h2则其分辨力X为： （dB） (211)实际测试时，用衰减器将h1衰减到h2，其衰减量N为分辨力，即XNdB。一般要求X6dB。图2172、仪器与探头组合的灵敏度余量 超声波检测中灵敏度广义的含意是指整个探伤系统(仪器与探头)发现最小缺陷的能力。发现的缺陷愈小，灵敏度就愈高。仪器与探头组合的灵敏度常用灵敏度余量来衡量。灵敏度余量是指仪器最大输出时(增益、发射强度最大，衰减和抑制为0)，使规定反射体回波达到基准波高所需衰减总量。灵敏度余量大，说明仪器与探头的灵敏度高。灵敏度余量与仪器和探头组合的综性能有关，因此又叫仪器与探头的综合灵敏度。仪器与直探头组

52、合的灵敏度余量的测定仪器增益至最大，抑制至“0”，发射强度至“强”，连接探头，并使探头悬空，调衰减器使电噪声电平10，记下此时的衰减器的读数N1dB。将探头对准2002平底孔试块(声程为200mm、平底孔直径2mm)上的2平底孔，见图218(a)。调衰减器使2平底孔回波高达50，记下此时衰减器读数N2dB。则仪器与探头的灵敏度余量N为：NN2N1（dB） (212)一般要求仪器与直探头组合的灵敏度余量要30dB。仪器与斜探头组合的灵敏度余量的测定 增益至最大，抑制至“0”，发射强度至“强”，连接探头并悬空，记下电噪声电平10的衰减量N1。探头置于IIW试块上对准R100mm圆弧面，见图21(b

53、)，前后移动探头获取R100mm圆弧面反射的最大波高，将其调为满幅度 50时，记下衰减量N2。则仪器与斜探头组合的灵敏余量N为：NN2N1（dB） (213)一般要求仪器和斜探头的灵敏度余量40dB。图2183、始脉冲占宽和盲区始脉冲占宽及其测定：始脉冲占宽是指在一定的灵敏度下，示波屏上高度超过垂直满幅度20时的始脉冲延续长度，如图2-19所示。其测定方法如下：按规定调好灵敏度并校准“0”点，图220所示的示波屏上始脉冲后沿达20高处至水平刻度“0”点的距离Wn，即为始脉冲占宽。始脉冲占宽与晶片的机械品质因子Qm和发射强度有关。Qm值大，发射强度大，始脉冲宽度大，反之亦然。 盲区及其测定：盲区

54、是指从探测面到能够发现缺陷的最小距离。盲区内灵敏度很低，难于发现缺陷。盲区的测定可在盲区试块上进行，如图221所示。示波屏上能清晰地显1平底孔独立回波的最小距离即为所测的盲区。如果没有盲区试块，也可利用IIW或CSK-IA试块来估计盲区的范围，如图222。若探头于I处有独立回波，则盲区小于或等于5mm。若I处无独立回波，处有独立回波，则盲区在510mm之间。若处仍无独立回波，则盲区大于10mm。盲区的大小与仪器的阻塞时间和始脉冲宽度有关。 图219图220图222盲区简易测试示意图图2214、信噪比:信噪比是指示波屏上有用的最小缺陷信号幅度与无用的噪声杂波幅度之比。信噪比高，杂波少，对探伤有利

55、。信噪比太低，容易引起漏检或误判，严重时甚至无法进行探伤。一般以2001平底孔反射回波H信与噪声杂波高H噪之间的分贝差来表示信噪比的大小，即20lg(H信H噪)。第五节 数字式超声波检测仪 随着科学技术的进步和计算机技术的广泛应用，超声波检测仪的技术性能不断提高，功能不断增加，自动化程度愈来愈高，技术先进的数字化智能化的仪器不断涌现。这种仪器以高精度的运算、控制和逻辑判断功能来替代大量人的体力和脑力劳动，减少了人为因素造成的误差，提高了检测的可靠性，一定程度上解决了记录存档问题，具有良好的发展前景：一、数字智能化探伤仪与传统探伤仪比较具有以下特点：1、检测速度快：数字智能化探伤仪一般都可自动检

56、测、计算、记录，有些仪器还能自动进行深度补偿和自动设置检测灵敏度，因此检测速度快，效率高。2、检测精度高：数字化仪器能对模拟信号进行高速数据采集、量化、计算和判别，检测精度高于传统仪器检测结果。3、可靠性高、稳定性好：数字智能化仪器可全面客观地采集存储数据，并以采集到的数据进行实时处理或后处理，对信号进行时域、频域或图象分析，还可通过模式识别对工件质量进行分级，减少了人为因素的影响，提高了检测的可靠性和稳定性。4、记录与存档：数字智能化仪器的计算机系统可存储和记录检测原始信号和检测结果，对工件质量进行自动综合评价。对在役设备定期检测结果进行分析处理，为材料评价和寿命予测提供依据。5、可编程性：

57、数字智能化仪器的性能和功能的实现很大程度上取决于软件系统的支持。因此可方便地通过变更或扩充软件程序来改变或增加仪器的功能。二、数字式超声检测仪的类型1、菜单式:菜单式仪器的面板上只有很少几个按键，通过【上】【下】键，【左】【右】键及【确认】等键来调用仪器的某项功能和设置参数，仪器的面板简洁，一目了然，但操作较为复杂。2、功能键式:功能键式仪器的面板上不仅有上述按键，还布置了较多的功能键。一般一键可调用两个功能，通过重复按键来改变功能。按功能键调出相应功能，然后通过【上】【下】键，【左】【右】键及【确认】等键来设置参数。仪器面板按键多，相对较复杂，但经过较长时间训练后，操作较为简单、快捷。第三章

58、 超声波检测的通用技术第一节 超声波检测方法分类超声波检测方法分类如下：一、按原理分类超声波检测方法按原理分类，可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。1、脉冲反射法脉冲反射法：超声波探头发射脉冲波到被检试件内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法，称为脉冲反射法。脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。（1）缺陷回波法根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，称为缺陷回波法。该方法是反射法的基本方法。图31是缺陷回波探伤法的基本原理，当试件完好时，超声波可顺利传播到达底面，探伤图形中只有表示发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图31a)所示。若试件中存在缺陷，在探伤图形中，底面回波前有

59、表示缺陷的回波F如图3一1b)所示。（2）底波高度法：当试件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的。如果试件内存在缺陷，底面回波高度会下降甚至消失，如图32所示。这种依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况的探伤方法，称为底波高度法。图31图323）多次底波法如图33所示，当透人试件的超声波能量较大，而试件厚度较小时，超声波可在探测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波B1、B2、B3。如果试件存在缺陷，则由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底面回波次数减少，同时也打乱了各次底面回波高度依次衰减的规律，并显示出缺陷回波。这种依据底面回波次数来判断试件有无缺陷的方法，即为多次

60、底波法。2、穿透法穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法，如图34所示。穿透法常采用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，分别放置在试件的两侧进行探测，图34a)为无缺陷时的波形，图34b)为有缺陷时的波形。图33图343、共振法频率可调的连续超声波在被检工件内传播，当试件的厚度为超声波的半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差可算出试件厚度。当试件内存在缺陷或工件厚度发生变化时，将改变试件的共振频率。依据试件的共振特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化的方法称为共振法。共振法常用于试件测厚。二、按波型分类根据检测采用的波型，可分