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文档简介

绪论超声波检测发展简史超声波检测原理超声波检测的优点与局限性超声波检测的试用范围1—

机械振动与机械波2超声波属于机械波的一种,而机械振动又是机械波的源头。因此,学好超声波检测就必须了解机械振动与机械波的有关知识。重点:机械振动的运动特点和类型;机械波的产生和类型及物理量和特点。难点:波动方程。—

机械振动与机械波波是物质运动的一种形式,它是运动状态的传递而非物质的自身运动,也可以是物质本身的运动结果,甚至把波直接看作一种粒子。波动类型电磁波机械波水波声波……机械振动在弹性介质中的传播称为机械波。3—

机械振动与机械波一、机械振动物体在某一固定的位置(即平衡位置)附近作周期性的往复运动,这种运动形式被称为机械振动,简称振动。如右图的弹簧振子。相关参数:周期T---振动的物体完成一次全振动需要的时间。频率f---单位时间内物体的振动次数,单位Hz。振幅---振动中,物体离开平衡位置的最大位移。周期和频率的关系:T=1/f4—

机械振动与机械波振动类型自由振动不在外力作用下的振动称为自由振动。 理想的无阻尼情况下的振动称为无阻尼振动,振幅将一直保持不变。最简单最基本的直线无阻尼自由振动称为简谐振动,简称谐振。谐振规律:受迫振动在周期性外力的作用下产生的振动称为受迫振动,这个周期性的外力称为策动力。如扬声器中纸盆的振动。5—

机械振动与机械波要点:①自由振动时的周期、频率分别称为固有周期、固有频率。它们由振动系统的自身系统决定,与振幅无关。②受迫振动时的振动频率与外加的策动力频率一致,当其等于振动系统的固有频率时,将引起系统的共振。二、机械波机械振动在弹性介质中的传播过程,称为机械波。波源 媒介产生条件67—机械振动与机械波三、次声波、声波和超声波1)次声波、声波和超声波都是弹性介质中传播的机械波,在同一介质中的传播速度相同。2)人们把能引起听觉的机械波称为声波,频率在20~20000Hz之间;频率低于20Hz的机械波称为次声波;频率高于20000Hz的机械波称为超声波;次声波、超声波是不能引起人们听觉的机械波。—

机械振动与机械波弹性介质示意图波的物理量

波长:在同一波线上两个相邻的振动相位相同的质点之间的距离,称为波长(即一个“波”的长度),用符号λ表示。波长的常用单位是毫米(mm)或米(m)。8

频率:单位时间内波动通过的完整波的数目,称为波动频率,也是质点在

单位时间内的振动次数,用符号f表示。频率的常用单位是赫兹(Hz),即(次)/秒。—

机械波振动与机械波速:在波动过程中,某一振动状态(即振动相位)在单位时间内所传播的距离叫做波速,用c表示,其常用单位为米/秒(m/s)。c=λf波动方程910—

机械振动与机械波小结:本节主要讲授了振动的含义,机械振动的类型及它们的特点、机械波的传播方式、常用的物理量和波动方程表达式等。从中可以看出,机械振动是机械波的源头,机械波是振动形式和能量的传播,没有物质的迁移。振动和波动的规律可分别用振动方程和波动方程来描述。作业:如何理解机械振动和机械波之间的关系?机械波的产生需要哪些条件?11二 机械波的衍射与干涉导入:超声检测时,我们必须知道超声波是如何在工件中传播的,遇到缺陷或者几列波碰到一起,会表现出那些特性,因此有必要学习波的衍射与干涉。课时:2学时。授课方式:新授(有条件的可借助实验器材)。重点:惠更斯原理、衍射、干涉。难点:干涉和驻波。二 机械波的衍射与干涉一、惠更斯原理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,在其后的任一时刻,这些子波波阵面的包迹就决定新的波阵面。应用t

时刻波阵面→t+Δt

时刻波阵面→波的传播方向。如下图所示。荷兰物理学家(1629-1695)12二 机械波的衍射与干涉t+Δt

时刻波阵面t

时刻波阵面子波源子波子波源子波13二 机械波的衍射与干涉a

~

λ二、波的衍射现象波传播过程中当遇到障碍物时,能绕过障碍物的边缘而传播的现象。作图(可用惠更斯原理)阴影区阴影区aa

<<

λ比较两图1415二机械波的衍射与干涉波的传播过程中当遇到障碍物时,使波的传播方向改变。波的衍射和障碍物的尺寸Df及波长λ的大小有关。当Df<<λ时,波的绕射强,反射弱;Df>>λ时,波的绕射弱,反射强。二 机械波的衍射与干涉可见,相对而言,长波衍射现象明显,方向性不好;短波衍射现象不明显,方向性好。(长波、短波是以波长与障碍物的线度相比较而言的)★如你家在大山后,听广播和看电视哪个更容易?(若广播台、电视台都在山前侧)★a(女)、b(男)在说话,c

在墙后较容易听到谁的声音?当然,c不应该这样去偷听!墙16cab(俯视图)17二 机械波的衍射与干涉三、波的叠加波的独立作用原理几列波相遇时,能够保持各自的运动状态继续传播,不互相影响。波的叠加原理介质质点的位移、速度、加速度都等于几列波单独转播时引起的位移、速度、加速度的矢量和。四、波干涉两相干波在空间相遇,某些点的振动始终加强另一些点的振动始终减弱,即出现干涉现象。二 机械波的衍射与干涉1.相干条件频率相同,振动方向相同,相位差恒定r1O1Pr2O2设:18二 机械波的衍射与干涉其中:设:当:当:19相长相消二 机械波的衍射与干涉五、驻波当两列振幅相同,频率相同,振动方向相同的波以相反方向传播时,叠加形成驻波。1.表达式20二 机械波的衍射与干涉t=0t=T/6t=T/4t=T/3t=T/2x21O右行波左行波合成波22二 机械波的衍射与干涉在超声检测中,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,在界面处形成波节;反之则形成波腹。如超声波垂直入射到钢/水界面,就会在钢/水界面处产生波腹;超声波垂直入射到水/钢界面,就会在水/钢界面处产生波节。小结衍射和干涉是波的特有特征,深入理解了衍射和干涉的原理对于分析超声检测的一些现象就不难想象了。作业:教材P50:一923三 机械波的类型导入:超声检测时,根据不同的检测对象和检测要求应用不同的波型进行检测,否则可能漏检。课时:2学时。授课方式:新授。重点:纵波与横波、表面波、板波、平面波、柱面波、球面波等波型的定义和传播特点。难点:板波。三 机械波的类型一、按质点振动方式分类1.纵波和横波纵波:质点振动方向与波的传播方向平行。横波:质点振动方向与波的传播方向垂直。振动方向传播方向横波纵波传播方向振动方向2425三机械波的类型纵波用符号L表示,它可以在固体、液体和气体中传播。横波只能在固体介质中传播。质点振动方向与波的传播方向垂直,传播介质受剪切作用;因此不能在液体和气体中传播。三 机械波的类型2.表面波表面波:介质质点同时产生纵向振动和横向振动,合成绕其平衡位置振动的椭圆轨迹。2627三 机械波的类型在实际的检测中认为表面波只能发现距工件表面两倍波长深度范围内的缺陷。它一般用来检测工件表面裂纹、渗碳层和覆盖层质量等。3.板波当板厚、频率和波速之间满足一定的关系时,将在一个板厚与波长相当的薄板中产生另一种波动形式,那就是板波。它分为对称型(S)、非对称型(A)两类,如下图所示。三 机械波的类型2829三机械波的类型二、按波的形状分类波线:用有向直线表示波的传播方向。波阵面:某一时刻波的前方达到的各点构成的连续的面,又称波前。1.平面波波阵面为一系列相互平行的平面的波称为平面波。平面波的波源为一平面。三 机械波的类型平面波的波动方程平面波波束不扩散,平面波中各质点的振幅为一个常数,不随距离变化而变化。30三 机械波的类型2.柱面波波动方程柱面波波束向四周扩散,柱面波中各质点的振幅与距离的平方根成反比。31模三 机械波的类型3.球面波波动方程球面波波束向四面八方扩散,球面波中各质点的振幅与距离成反比。32三 机械波的类型4.活塞波当一个小的片状波源沿着刚性壁作简谐振动,且其表面各质点具有相同的振动相位和振幅,则在无限大各向同性的弹性介质中辐射的波称为活塞波。当距离波源足够远时,活塞波类似于球面波。33三 机械波的类型三、按波源振动的持续时间分类连续波波源持续不断的振动所辐射的波称为连续波。连续波通常用于穿透法超声检测。脉冲波波源间歇性振动,振动持续时间通常是微秒数量级,在介质中间歇性辐射的波称为脉冲波,3435三 机械波的类型小结超声波的类型很多,常用的纵波、横波、表面波、板波;平面波、柱面波和球面波;脉冲波和连续波;活塞波等。不同类型的超声波有着不同的特点,其使用场合也不一样。36四 超声波的产生导入:超声检测用的超声波是如何产生的呢?它有什么特点?课时:1学时。授课方式:新授(借助解剖的探头实物)。重点:压电效应、超声波的特点。难点:压电效应。四 超声波的产生超声波:频率高于20000Hz的声波。一、产生常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等。压电效应法3738四超声波的产生晶体材料在交变拉压应力作用下,产生交变电场的效应称为正压电效应。反之,当晶体材料在交变电场作用下,产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。探头发射超声波的过程产生逆压电效应;探头接收超声波的过程产生正压电效应。39四 超声波的产生二、特点方向性好。能量高。穿透力强。能在界面上反射、折射、波型转换。40四 超声波的产生小结超声波的产生方式较多,目前工业上普遍采用的是压电效应法。之所以选用超声波检测工件,是由于它具有方向性好、能量高等四个特点。作业:什么是压电效应?41五 超声场的特征导入:充满超声波能量的空间称为超声场,那么超声场的能量是如何分布的呢?本节将从不同角度进行分析。课时:6学时。授课方式:新授。重点:超声场的特征值、超声场中声压分布。难点:横波声场纵声压分布。五 超声场的特征一、超声场的特征值声压在超声场中某一位置的质点由于超声波的传播而受到的附加压强称为该处的声压,用符号P表示。平面余弦波的波动方程P=ρcu声阻抗声阻抗指超声场中某一点的声压P与该处质点的振动速度之比,用符号Z表示。42五 超声场的特征声阻抗反映了介质质点对其振动的阻碍作用大小,而并非介质对超声波通过介质能力的阻碍。3.声强声波传播时也伴随着能量的传播,声波能量的强弱即为声强。通常声强被定义为单位时间、单位面积上垂直通过的声波能量,用符号I表示。平面余弦波的平均声强4344五 超声场的特征4.声强计量声强级:LI=lg(I/I0)LI=10lg(I/I0)(BeL)(dB)声压级:

LP=20lg(P/P0)

(dB)对于垂直线性较好的超声波检测仪,显示屏上的波高与声压成正比,因此LP=20lg(H/H0)

(dB)二、纵波声场五 超声场的特征1.声束轴线上的声压近场区长度:45五 超声场的特征轴线上声压:当距离x>3N最后一个声压极大点的表达式N=D2/4λ46五 超声场的特征2.声束指向性47五 超声场的特征在声源轴线上至声源的距离>N的同一横截面上各点的声压是不同的,以声源轴线上的声压最高。因此在实际超声波检测中,要求以声束轴线垂直于缺陷时的回波幅度来定量缺陷。在声束的横截面上,声压的零值点对应了很多个半扩散角。当y>3.83,即θ>θ0时,Dc<0.15。这说明θ0以外的声压很低,超声波的能量主要集中在2θ0范围内。因此常取y=3.83时的θ0作为声束的边缘界限,称θ0为声束的半扩散角或指向角,也称为第一零值发散角。48五 超声场的特征固体和液体介质中声束指向性比较3.声束未扩散区与扩散区未扩散区长度49五 超声场的特征4.横截面上声压分布二、横波声场50五 超声场的特征在实际超声波检测中,横波是通过纵波在检测面上转

换而来的,这时超声场是一个在界面处折断的声场,在第

一种介质中为纵波声场,在第二种介质中为横波声场。为

了讨论方便,通常将实际的波源往横波声束方向垂直投影,得到一假想波源。这样,工件中传播的横波好似直接从假

想波源直接产生,并由此得到了横波声场的一些近似规律。51五 超声场的特征假想声源到入射点的距离近场区长度轴线上声压指向性52五 超声场的特征在声束轴线与界面法线组成的平面内在通过声束轴线与入射平面垂直的平面内,声束对称于轴线,这时半扩散角同纵波声场53五 超声场的特征五、实际声场与理想声场5455五 超声场的特征理想声场轴线上声压存在一系列极大值和极小值,且最大值为2P0,极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在很多极大值和极小值,但是声压的波动幅度小,极大值远小于2P0,极小值远大于零。在远场区,实际声场与理想声场轴线上声压分布基本一致。原因:1)近场区内声压极值点是由于波的干涉造成的。2)总声场是各个不同频率的声场的迭加。3)实际声源中心振幅最大,边缘振幅最小,这种非均匀激发的实际声源产生的干涉小于均匀激发的理想声源。56五超声场的特征理想声场是针对液体介质而言的,而实际探伤对象往往是固体介质。在远场区,由于声源各点到声束轴线上某点的声程差较小,使波的干涉大大减弱,甚至不产生干涉。因此,实际声场与理想声场的轴线上声压基本一致。小结超声场是一种看不见的物质,通过测定场中不同点的声压的分布,可以知道超声场的分布规律。从而更好地利用超声波检测工件中的缺陷。57六 超声波在介质中的传播导入:超声波在介质中的传播规律直接影响到对缺陷的检测和判读。课时:6学时。授课方式:新授。重点:超声波的传播速度、超声波在异质界面处的反射和折射、超声波的衰减。难点:超声波在曲界面处的反射和折射。六 超声波在介质中的传播一、超声波的传播速度1.固体介质中的声速无限大固体介质:58六 超声波在介质中的传播1)固体介质中的声速与介质的弹性模量和介质的密度等因素有关;介质的弹性模量越大,密度越小,则声速越大。2)声速还与介质中的波型有关,在同一固体介质中,纵波、横波和表面波的声速各不相同细长棒中声速声速的影响因素:温度因素。一般固体中的声速随温度升高而降低。材料组织状态因素。应力因素。59六 超声波在介质中的传播液体和气体中声速板波声速相速度 单一频率的声波在介质中的传播速度称为相速度。在均匀且各向同性的无限大弹性薄板中的板波相速度可由其频率方程给出:对称型板波60六 超声波在介质中的传播非对称型板波群速度 多个频率相差不多的波在同一介质中传播时互相合成后的包络线的传播速度称为群速度。61六 超声波在介质中的传播钢板中板波相速度与频率、板厚的关系62六 超声波在介质中的传播钢板中板波群速度与频率、板厚的关系63六 超声波在介质中的传播二、超声波的反射、折射1.平面波垂直入射到平界面(1)单一的平界面6465六 超声波在介质中的传播由以上的公式可以看出:T+R=1,说明在界面上超声波的反射和透射符合能量守恒。声强的反射率和透射率与超声波从何种介质入射无关。当Z2

>Z1时,声压反射率r>0。这时反射波的声压与入射波的声压同相位,合成后的振幅增大。当Z2<Z1时,声压反射率r<0。这时反射波的声压与入射波的声压反相位,合成后的振幅减小。当Z2≈Z1

时,声压反射率r≈0,t≈1。这时入射的超声波几乎全部透射,没有反射,好像不存在界面一样。当Z1>>Z2时,r≈-1,t≈0。这时入射的超声波几乎全部反射,没有透射。六 超声波在介质中的传播声压往复透过率:66六 超声波在介质中的传播(2)薄层界面当时:67六 超声波在介质中的传播由上式可见:当不反射。当当低。时, 。这时超声波几乎全透射,时,声压的透射率最低,而反射率最高。时,薄层厚度越小,透射率越高,反射率越(2)非均匀介质的薄层68六 超声波在介质中的传播由以上公式可知:当 (n为整数), 。这说明超声波通过薄层的声强透射率与薄层的性质无关,好像不存在薄层一样。当 (n为非负整数),且 时,T=1,超声波全透射。当 时,薄层厚度越小,超声波的透射率越高。69六 超声波在介质中的传播3.平面波倾斜入射到单一的平界面70六 超声波在介质中的传播4.临界角第一临界角:使纵波折射角达到90°的纵波入射角称之。αⅠ第二临界角:使横波折射角达到90°的纵波入射角称之。αⅡ第三临界角:使纵波反射角达到90°的横波入射角称之。αⅢ7172六 超声波在介质中的传播1.3.5

端角反射六 超声波在介质中的传播5.超声波入射到曲界面上的反射、透射(1)反射分为两种73六 超声波在介质中的传播一束平面波入射到球形曲界面上时,其反射波可视为从焦点发出的球面波。在凹界面上的反射波将会聚焦,凸界面上的反射波则发散。超声波入射到柱形的曲界面上时,反射波也将聚焦或发散。不同的是反射波将聚焦成一条实线或发散为一条虚线,称为焦轴。这时反射波可视为从焦轴发出的柱面波74六 超声波在介质中的传播(2)平面波在曲界面上的折射75六 超声波在介质中的传播当平面波入射到凹或凸的球形曲界面上时,其折射波在或时将聚焦为一点。相反,折射波将发散,且其反向延长线聚于虚焦点。当平面波入射到凹或凸的球形曲界面上时,其折射波在或时将聚焦为一点。相反,折射波将发散,且其反向延长线聚于虚焦点。当平面波入射到凹或凸的柱形曲界面上时,折射波也会聚焦或发散。不同的是,焦点将变为一条线——焦轴。76六 超声波在介质中的传播5.球面波入射到平界面

(1)单一的平界面上的反射77六 超声波在介质中的传播(2)单一的平界面上的折射78六 超声波在介质中的传播(3)双界面上的反射 如图1-51所示,球面波在互相平行的双界面间的多次反射仍符合球面波的变化规律。当入射角较小,前后壁全反射,且距离较大时,各反射波不产生干涉,这时前壁各次反射波声压比为:后壁各次反射波声压比为:79六 超声波在介质中的传播6.球面波入射到曲界面(1)球面波在曲界面上的反射 当球面波入射到凹曲界面上时,反射波产生聚焦,反之则发散,80六 超声波在介质中的传播在球曲面上反射波的声压为:在球曲面上反射波的声压为:81六 超声波在介质中的传播(2)球面波在曲界面上的折射82六 超声波在介质中的传播球曲界面上折射波的声压:83六 超声波在介质中的传播柱曲界面上折射波的声压:三、超声波的衰减1.超声波衰减的原因声束的扩散衰减声波的散射衰减吸收衰减除了以上的三种衰减外,还有位错引起的衰减、磁畴引起的衰减和残余应力引起的衰减等。通常所说的衰减主要指介质对超声波的衰减,即吸收衰减和散射衰减,不包括扩散衰减。84六 超声波在介质中的传播2.衰减系数和衰减方程(1)衰减系数85六 超声波在介质中的传播3.衰减系数测定(1)薄板工件衰减系数的测定(2)厚板工件的衰减系数测定8687六 超声波在介质中的传播小结超声波在介质中传播时,声速的大小除了与超声波本身的性质有关外,还与介质的密度、弹性模量、形状、尺寸以及传播时所处的温度有关系。当传播过程中,碰到各种各样的异质界面时,会发生反射、折射、波型转换等现象,具体的反射和折射等变化与界面的形状和两侧介质的声速有关。另外,超声波传播过程中,超声波的能量会逐渐衰减,对于厚大工件的检测,这是务必考虑的问题88七 规则反射体的回波声压导入:这个模块主要讲授

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