超声波探伤物理基础

1、 超声波探伤 的历史和现状1超声波探伤的历史和现状 超声波探伤是无损检测领域中一项比较新的技术，它是半个多世纪发展起来的新技术，年代，有了穿透法超声波探伤仪的商品问世。年，前苏联索克洛夫首先认为应用超声波进行无损探伤是可能的。年代，有了脉冲反射法超声波探伤仪问世。年代，铁道部引进瑞士生产的穿透式超声波探伤仪并用于路轨检测。年，上海江南造船厂生产了型、型超声波探伤仪。2 目前，我国已有汕头、常州、铁科院等厂家产了各具特色的超声波探伤仪。 由电子管的-到电子管和晶体管混合式的-到晶体管的-集成电路-数字式的从连续波式-到脉冲式的，从A超到B超至C超等。共有A、B、C、D、F、P、T、TD等扫描。A

2、型显示：以水平显示（X轴）表示距离，以Y轴表示波的幅度的一种信息显示方式。B型显示：一种能显示被检件横截面的图象，指示反射体的大小尺寸及相对位置的超声信息显示方式。3C型显示：一种能显示被检件纵剖面的图象的超声信息显示方式。D型显示：对被检件体积内的反射体作立体的图形显示。TD扫描TD扫描与B扫描有点相似。不同的地方在于B扫描只适合直声束探头。比如：接触式直探头、水浸式。从模拟式到数字式，单通道到多通道的。4 此后的发展，一方面是横波、表面波、板波等得到采用，并对超声波在介质中传播的规律进行研究，使缺陷测定及正确评价等技术均有所提高。 近十几年来，超声波探伤技术的发展主要表现在以下几个方面：5

3、1.提高缺陷定量精度 (1).开展如超声场、各种反射体的反射问 题、散射现象等的基础研究； (2).波的爬行或棱边辐射等现象的发现； (3).型扫描及超声全息技术的应用；(4).移动探头测定包络线法的应用;(5).频谱分析方法的应用。62.提高检测速度(1).增加仪器通道； (2).按装自动扫查装置； (3).计算机的应用。73.扩大应用范围 (1).电磁声及相控阵技术的应用； 利用电磁效应发射/接收超声波的一种探头； (2).聚焦声技术的应用； (3).TOFD技术的运用； (4).探头规格品种的增加。 如：非接触式的空气耦合探头。 以空气等作为耦合剂。不需要与工件接触。也称为“非接触式探头

4、”。 84.仪器的小型化；5.数字式探伤仪的开发与应用；6激光超声的运用。9超声波探伤的物理基础10超声波的特点 超声波的特点是频率高，因而波长短，由于这一特点使它具有很多的物理性质，而得到广泛的应用。由波的衔射可知，波长越短，波的衔射现象越不明显。所以，超声波是近似直线传播的。传播的方向性好，容易得到定向，而集中的超声波束能够产生反射，也能够被聚焦。11 由于超声波是近似直线传播，其方向性好，因而探伤时对缺陷定位创造了良好的条件；由于集中的超声波束在异质界面能够反射，这为定量创造了良好的条件。12超声波探伤的优点：、可测厚度大，一般可达几米。是所有无损探伤方法中可测厚度最大者；、捡出缺陷灵敏

5、度高，一个存在于钢中的空气分层其厚度为10的-5次方mm时，反射率已达到；、可以检出各种取向的缺陷，用各种不同的检测方法，可检出各种不同取向的缺陷；、检测速度快，费用低。13超声波探伤的缺点：、探测结果受主观影响较大，缺陷的发现及评定，仅凭借仪器显示的脉冲反射波形，而波形信号的高度、位置、数量等信息，又取决于探伤人员对仪器的调节和判断，因此，需要较多的经验，且重复性差；2、受形状限制，形状复杂的工件，超声波探伤很为困难；143、探测表面要求制备，探头与工件探测表面之间应有良好的耦合是超声波能量能足够透入工件并得以发现缺陷为前提，通常随着工件光洁度的提高，透入能量随着增加，缺陷检出效果增加。为此

6、，超声波探伤的工件，其表面应予备制；、定量、定位精度差，仪器本身不能定性；、受材料晶粒结构和组织均匀性限制。15第一节 波的一般概念.波 介质的一切质点，是以弹性力互相联系着的，某质点在介质内振动，能激起周围的质点振动。振动是一种很普遍的运动形式，物体在一定位置附近作周期性的往复运动叫作机械振动。例如：钟摆的来回摆动，活塞的往复运动都是机械振动。16 振动在弹性介质内的传播过程称为波动，简称“波”。（有机械波和电磁波） 波是传递能量的一种方式，波在传播振动的同时，也将波源的能量传播出去，即产生新的波源。例如：超声波探伤就是将探头晶片（波源）振动的能量传递到钢材中去 。 产生波动，必须有振源及可

7、传播能量的弹性介质。172.声波 声波是一种机械波，可在气体、液体、固体中传播；根据频率不同，它可分为次声波、可闻波、超声波和特超声波。18波的频率界限 (1).次声波. 频率 ( f ) 低于 秒 叫作次声波。(2).声波. 频率 ( f ) 大于 秒，小于 20000秒 叫作声波（可闻波）。(3).超声波: 频率 ( f ) 大于 20000秒； 小 于 10000秒叫作超声波。 (4).特超声波. 频率 ( f ) 大于10000秒 叫作特超声波。 我们用来探伤的频率在 .秒秒。 19 声波的频率越高，越与光学的某些特征相似（如反射、折射定律） 。 超声波比可闻波的波长短得多，有相似于光

8、的直线传播的性质，因为它的波长短，就是小缺陷引起的反射也比较大，很容易被发现。203. 超声波的发射和接收 某些材料，如：石英（）锆钛酸铅（）等，由于它们具有压电性，即在一 定方向上施加一定电压时，在其厚度方向上产生伸长或缩短（取决于电压的正负），其伸长或缩短的大小取决于电压的高低，当在二电极上面施加交变电压时，在这种晶体的周围介质就产生一种机械振荡。21压电效应当某种压电材料受到电脉冲时，它的表面会产生振动（这一现象叫做逆压电效应），其振动的频率超过20000Hz时，就产生了超声波，这就是超声波的发射；当某种压电材料受到一定的压力时，会产生电荷（这一现象叫做正压电效应），从而被仪器接收，这就

9、是超声波的接收，超声波的接收是利用压电材料的正压电效应。224. 超声波的波型波型：以质点振动方向与波传播方向的相对关系来表证的在介质中传播的超声波的类型。 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，可产生出不同波型的超声波。 超声波的波型主要有以下几种：23(1).纵波（） 质点振动的方向和波传播的方向一致的波叫作纵波。它能在固体、液体、和汽体中传播。纵波会使质点之间产生压缩和膨胀，于是又叫作压缩波，它用于纵波探伤。 24(2.)横波（）质点振动的方向和波传播的方向垂直的波叫作横波。它只能在固体和切变模数高的粘滞液体中传播，横波又叫切变波。25(3.)表面波（）表面波是沿介质表面传

10、播的波，质点振动的轨迹是椭园形，位移的长轴垂直于传播方向；质点位移的短轴，平行于传播方向；表面波只能在固体表面传播，其振幅随深度的增加而迅速衰减，传播的速度约为横波的0.9倍。它的同意词是瑞利波。波速26(4)板波（P） 在无限大板状介质中传播的一种声波。板波仅在频率、入射角及板厚为特定值时才能产生。在板波的传播中，按板中振动的形态分为对称型两种，且质点振动的轨迹是椭园，其传播速度与材质、板厚及频率等有关。它的同意词是兰姆波。275、频率、声速与波长(1) 超声波的频率（） 质点每秒钟振动的次数叫做频率。超声波的频率主要受探头晶片的厚度控制。28(2) 超声波的声速（） 超声波在介质中，在单位

11、时间内所传播的距离叫做声速。 29(3) 超声波的波长（）在波的传播方向，两个相邻同相位的质点的距离。或波峰与波峰，或波谷与波谷的距离。30(4) 波长、频率和声速的关系式 关系式： 可见，波长与声速成正比，与频率成反比。频率越高，波长越短检出小缺陷的能力越强。31例 题 在室温下，已知空气中的声速 为340 m/s，水中的声速 为1450 m/s ，求频率为200 Hz和2000 Hz 的声波在空气中和水中的波长各为多少？32第二节 超声波的特征值超声波的特征值 充满超声波的空间或者是传播超声波的空间范围称为超声场，能反映超声场特征的有：声压、声强和声阻抗等。33、声压（） 在不存在声波的空

12、间，介质所受到的压力为标准大气压0， 当空间存在超声波时（指纵波），介质内部产生密度的不均匀分布，在密度高的区域压强大于标准压力0，密度低的区域压强低于标准压力0，即在有声波存在时，介质各点所受压强是在标准大气压0附加了一个交变压强这种交变振动的附加压强称为声压。34 声压的的单位是：“巴”或“微巴” “巴”达因2 人耳能感觉到的最微弱的声压为10-4微巴 探头（声源）中心轴线上的声压分布如图1所示。 0为距声源为零时的起始声压，为离声源处的声压，为声源的距离。35、声阻抗率（Z） 介质中任何一点处的声压和该质点的振速之比称为声阻抗率，简称声阻，用表示。物质不同声阻抗也不同。 （为介质密度）

13、声阻抗的单位是：克2. 秒，或 千克2. 秒36、声强 （） 单位时间通过单位截面介质的声波能量称为声强，用附号表示。 声强的单位为 瓦2秒 或 尔格2秒37、声压、声强、声阻抗的关系式 （）（2）38第三节 超声波在不同界面上的反射和透过、垂直入射的反射和透过 当超声波垂直入射至声阻抗不同的异质界面时，声波在界面上分成反射和透射两部份，这两部份的比例由接界的两种介质的声阻抗所决定，两种声阻抗分别用1 和2 来表示。反射波声压与入射波声压之比称为反射率，用表示。39 声波垂直投射到第一介质和第二介质的界面上，设其入射声能的大小为i，在投射到界面的一瞬间，在第一介质一侧会产生反射声压 r ，在第

14、二介质一侧会产生透过波声压t ，反射波的前进方向与入射波相反，透过波的前进方向与入射波相同。 两种物质的声阻抗分别用1 和2 表示，反射波声压与入射波声压之比称为声压反射率，用表示。40声压反射率计算公式如下： 21 21 式中：12 声阻抗比41声压透射率计算公式如下： 22 2 t 21 式中： 12 声阻抗比42声压往复透过率432、超声波的斜入射 ()从液体进入固体时 假定纵波的入射角为L （垂直于界面的法线倾斜的角度）入射时，将产生反射纵波1 和折射横波 1 、折射纵波2 ， 因为固体中有纵波和横波存在，所以折射纵波和折射横波分别以不同的角度和不同的速度前进。44（2）从固体进入固体

15、 假定纵波由固1 进入固2 时，入射纵波除产生折射纵波和折射横波外，还产生反射纵波和反射横波，便产生了波型转换。45（3）反射和折射定律 上述这些入射、反射和折射角度之间同光学的性质一样符合反射和折射定律。 公式如下：L L s 1 2 1 L1 s1 L2 S246第四节 分贝（）的概念 在产实际中，所遇到的声强在数量上相差好几个数量级，为了避免过大的数字，声强单位一般采用对数比较单位，通常规定： 。-6瓦cm2-4尔格cm2. 秒，作为测定声强的标准，然后求和。的比值的对数。 lg（。）=贝尔 L 是声强的声强级，单位是贝尔。47 在实际测试中，贝尔的单位太大，常用其 （B）分贝 l（12

16、）分贝 =20lg(P1/P2)dB 在超声波探伤中常用（B）分贝表示回波高度 L（。）48不同声压比（或回波比）的分贝值换算表。1053.221.11B201410610。11/1.11/21/3.21/51/10B0-1-6-10-14-2049第五节 超声场的结构、声场 晶片的振动通过耦合剂使试件表振动，晶片为辐射器，辐射器是由无数个能发射声波的子波源组成，这些子波源相互叠加的结果就是辐射器的声场。在声源的中心轴线上声压最大，偏离中心轴线时声压逐渐减少，形成声波的主瓣（主声束）。 50、探头的指向性探头的指向性用半扩散角表示，它取于声波的波长（）及晶片直径，其关系是： s. / ./(弧

17、度) /(角度)51对于边长为的方晶片，则：s./ / 频率不同，波长亦不同；不同，扩散角亦不同；半扩散角与频率及探头直径成反比，而与波长成正比。扩散角的大小应该适当的控制。52、远距离声场和近距离声场 我们用N0来表示近距离声场（即近场 区），大于N0为远场区，在N0以内声场 变化复杂，不利于探伤；N0以外声压随着 距离的增加而有规律地减少；在1.6N。 以外，距离每增加一倍，声压就降低一半。 N可以用下式计算： 02/ 或 N0a2/ (a为晶片半径)53第六节 超声波的发散与聚焦 超声波在通过一个比波长大得多的曲面时，则超声波从第一介质到第二介质时会产生发散与聚焦现象，它主要取决于曲面凹

18、凸形状及界面两侧介质声速C1和C2的差值。54图A凹面 图凹面 聚焦发散55图凸面 图凸面 聚焦发散56第七节超声波在传播时的散射、绕射和衰减57、超声波在传播过程中的散射 超声波在传播过程遇到障碍物时，声波要发生反射与折射等现象。当障碍物的形状不规则时，声波的反射与折射也没有规律，这种现象称为散射。这种散射现象使超声波的穿透能力大为降低，并造成荧光屏上产生草状的干扰信号，影响探伤效果，严重时无法探伤。58、超声波在传播时的绕射 超声波在传播过程遇到障碍物时，声波除发生反射、折射、散射和吸收外，还会产生绕射现象。绕射现象取决于障碍物的大小及声波的波长大小；当波长远远大于晶粒尺寸而又小于缺陷时，

19、则超声波的穿透性能好，反之则差。59、超声波在传播时的衰减 超声波在介质中传播时，其能量随着传播距离的增加而减弱，即为超声波的衰减。 实验证明：）传播的距离越长，衰减越大；）超声波的频率越高，衰减越大；）介质的晶粒组织越粗大，衰减越大。 60 超声波的散射、绕射和衰减限制了探伤，有些材质为了提高探伤灵敏度，需要提高探伤频率；晶粒粗大的材质，则须要降低频率。探伤时，可根据不同的材质、声程选择合适的频率。61衰减系数计算公式： = = ( V n- m-(20lg n/ m) )/(2T(n-m) 式中： T工件厚度（m m）； n/ m波次（nm ） V n- m表示工件第m次与第n次底面回波差

20、(dB) 表示工件单程衰减系数 62例题 一工件厚60mm，第3次底波比第5次底波高8dB，求工件材质的衰减系数。 解：=( V n- m-(20lg n/ m) )/(2T(n-m) =(8-20lg5/3)/(260(5-3) =3.56/240=0.01485 dB/ mm,634、超声波衰减的原因声束64例题： 标准试块厚度为mm，平底孔直径为mm；灵敏度要求调节到能发现mm处，mm当量缺陷。 已知: Df 2，Ds 3， Xs200，Xf 300代入式中得： （）（Df Ds）+（Xs-Xf ） 40（）（200- 300） 14.165 这时，我们可先将超声波探伤仪衰减器放置在30dB处，然后将探头放到标准试块上，调节仪器灵敏度旋钮，使平底孔反射波高度达到荧光屏满幅度的，再将衰减器释放B，这时衰减器读数值在B。此时仪器的灵敏度就调整到能有效地发现处直径为的当量缺陷。66、用工件大平底面，调整灵敏度 原式： Df2 Xb