超声导波检测

超声导波检测第一页，共38页。超声导波基本原理超声导波的概念在无限均匀介质中传播的波称为体波，体波有两种:一种叫做纵波(或称疏密波、无旋波、拉压波、P波);一种叫做横波(或称剪切波、S波)，它们以各自的速度传播而无波形混合。而在一弹性半空间表面处，或两个弹性半空间表面处，由于介质性质的不连续性，超声波经过一次反射或透射而发生波形转换。随后，各种类型的反射波和透射波及界面波均以各自恒定的速度传播，而传播速度只与介质材料密度和弹性性质有关，不依赖于波动本身的特性。第二页，共38页。当介质中有多于一个的界面存在时，就会形成一些具有一定厚度的“层”。位于层中的超声波将要经受多次来回反射，这些往返的波将会产生复杂的波形转换，并且波与波之间会发生复杂的干涉。若一个弹性半空间被平行于表面的另一个平面所截，从而使其厚度方向成为有界的，这就构成了一个无限延伸的弹性平板。位于板内的纵波、横波将会在两个平行的边界上产生来回的反射而沿平行板面的方向行进，即平行的边界制导超声波在板内传播。这样的一个系统称为平板超声波导。在此板状波导中传播的超声波即所谓的板波。板波是超声无损检测中最常用的一种导波形式，由20世纪初究无限大板中正弦波问题而得名。除此之外，圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波导。其共同特性是由两个或更多的平行界面存在而引入一个或多个特征尺寸〔如壁厚、直径等)到问题中来。在波导中传播的超声波称为超声导波，在圆柱和圆柱壳中传播的导波称为柱面导波。第三页，共38页。第四页，共38页。第五页，共38页。钢管中超声导波三种模态第六页，共38页。超声导波特性

相速度与群速度频散是超声导波的固有特性，主要表现为相速度与群速度的不一致性。所谓相速度，即指单一频率波的传播速度；而群速度即波群传播能量的速度，即由一系列的波长和频率不同的分波叠加而成的合成波，由于各个分波在介质中传播的相速度各不相同，则群波的波形随时间变化，其振幅最大部分的运动速度成为群速度。也表现为不同频率的波叠加形成合成波(波包)时，波包的波峰传播的速度。真空中的相速度和群速度是相等的，但在能高度吸收或具有几何弥散的介质中，两者则不同的。第七页，共38页。相速度和群速度的关系

第八页，共38页。频散方程钢板中的频散方程在钢板中，对于对称模态，存在以下函数方程:其中：对于反对称模态:其中，d，Cp，CL，CT分别为板的厚度，兰姆波的相速度，板中的纵波波速，板中的横波波速，k为波数，其定义如下：k=2πf/CL，其中f为传感器的中心频率。第九页，共38页。频散曲线钢板中相速度频散曲线

钢板中群速度频散曲线第十页，共38页。五、传感器设计

传感器的设计分为频率选择试验和角度选择试验两部分，设计制作了不同频率和不同晶片尺寸的可变角探头，通过测试不同材质规格试样上模拟裂纹的反射强度和波形，为传感器设计提供频率范围和入射角度范围。第十一页，共38页。探头的研制

敏感元件的选取

探头的背衬

探头的外形设计

试验验证第十二页，共38页。超声导波的激发第十三页，共38页。第十四页，共38页。AXUSAXUSCanbeusedonPLATESOrPIPES第十五页，共38页。EMATEMATCanbeinPLATESOrPIPESAXIALOrCIRCUMFERENTIAL第十六页，共38页。第十七页，共38页。WavePropagationPitsScatterSoundWaveThinningSpeedsUptheWaveAttenuationTransitTimeChange第十八页，共38页。TransmitterReceiver第十九页，共38页。10%20%30%40%50%第二十页，共38页。第二十一页，共38页。第二十二页，共38页。第二十三页，共38页。第二十四页，共38页。第二十五页，共38页。第二十六页，共38页。第二十七页，共38页。第二十八页，共38页。第二十九页，共38页。第三十页，共38页。第三十一页，共38页。第三十二页，共38页。检测系统的基本功能具有A型扫描超声波探伤设备的全部功能和分析方法DAC曲线调校点数1—10点任选工作频率：0.1—4.0MHZ具有可程控和可选择的四通道方式和数据的实时记录检测数据实时存盘全汉化的WINDOWSXP用户界面多窗口的图形分析可事后分析、处理、测试任何位置范围内的探伤情况实时的A扫描显示（单、双、四通道方式可选）、扫查控制显示事后A扫描显示、B扫描显示、C扫描显示，3D显示，各显示方式可相互比较分析结果和检测报告软件，打印出分析结果和检测报告扫查控制接口协调第三十三页，共38页。第三十四页，共38页。导波激励信号

(a)时域波形(b)频谱图激励信号时域波形和频谱图第三十五页，共38页。导波激励信号第三十六页，共38页。导波检测的优点可以从一点检测就可以迅速的将大片区域屏显化。比传统