超声波检测-超声波探伤基础（无损检测课件）

超声波探伤基础——超声波垂直入射异质界面时的反射和透射目录超声波垂直入射异质界面时的反射和透射定义1超声波垂直入射单层介面时的反射和透射2超声波垂直入射双层界面时的反射和透射3超声波垂直入射异质界面时的反射和透射定义011定义超声波垂直入射异质界面时的反射和透射超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，部分能量反射回原介质的现象称为反射。另有一部分能量透过界面进入另一种介质的现象称为透射。超声波垂直入射单层介面时的反射和透射022.1超声波垂直入射单层介面时的反射和透射公式设入射波的声压为P0（声强为Ｉ0），反射波的声压为Pr（声强为Ir，透射波的声压为Pt（声强为It），如图所示：PePr12Z1=ρ1·C13Z2=ρ2·C2（1—入射波，2—反射波，3—透射波，Z—声阻抗）入射波的另一部分透过界面进入第二介质形成透射波，其方向与入射波相同，波型不变，但声速随着第二介质性质的不同发生变化。2.1超声波垂直入射单层介面时的反射和透射公式当超声波从声阻抗为Z1介质垂直入射到声阻抗为Z2的介质，由于二种介质的声阻抗不同，在其界面上入射的一部分按原来的途径被反射回来形成反射波，反射波的方向与入射波相反，声速不变。透射波声压Pt与入射波声压Pe之比称为声压透射率D。2.1超声波垂直入射单层介面时的反射和透射公式声压反射率：超声波垂直入射异质界面，反射波声压Pr与入射波声压Pe之比称为声压反射率R。

2.1超声波垂直入射单层介面时的反射和透射公式超声波从第一介质垂直入射到第二介质并在第二介质底面由空气界面完全反射后返回穿过第一、二介质的界面时的返回声压与入射声压之比称为声压往复透过率T。

Z2=ρ2·C2Z≈0PrPe

PtZ1=ρ1·C12.2超声波垂直入射单层介面时的反射和透射的几种情况超声波垂直入射到平介面上时，声压或声强的分配比例仅与介面两侧介质的声阻抗有关。1Z2>Z1时，反射波声压与入射波声压同相位。例如超声波平面波垂直入射到水/钢界面。按计算反射率为93.5%，透射率为193.5%。介面上反射波与入射波叠加类似驻波,合成声压振幅增大。2Z1>Z2时，即反射波声压与入射波声压相位相反，反射波与入射波合成声压振幅减小，例如超声波平面波垂直入射到钢/水界面。声压透射率很低，声压反射率很高，反射率为93.5%，透射率为6.5%。2.2超声波垂直入射单层介面时的反射和透射的几种情况超声波垂直入射到平介面上时，声压或声强的分配比例仅与介面两侧介质的声阻抗有关。3Z当Z1>>Z2

时，如钢和空气界面，反射率为100%，透射率为0%。超声波从钢进入空气界面时将有100%的反射，即声压几乎全反射，无透射，具有对缺陷检测的良好效果，只是反射波声压与入射波声压有180°相位的变化，探伤中，探头直接放在工件上，形成固体/气体介面,超声波将无法射到工件。所以探头与工件之间施加一层透声介质，称为耦合剂。耦合剂的作用在于排除探头与探测面之间的空气。2.2超声波垂直入射单层介面时的反射和透射的几种情况耦合剂一般应满足以下要求①能润湿工件和探头表面，流动性、黏度和附着力适当，不难清洗。②声阻抗高，透声性能好。③来源广，价格便宜。④对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境。⑤性能稳定，不易变质，能长期保存。2.2超声波垂直入射单层介面时的反射和透射的几种情况超声波中常用的耦合剂有机油、变压器油、甘油、水、水玻璃等耦合剂声阻抗Z〔X106kg/㎡·s〕优劣势机油1.28机油和变压器油黏度、流动性、附着力适当，对工件无腐蚀，价格也不贵，目前应用最广。水1.5水的来源广，价格低，常用于水浸探伤和现场中的钢轨探伤。水玻璃2.17水玻璃声阻抗较高，但清洗不太方便且对工件有腐蚀作用。甘油2.43甘油声阻抗高，耦合性能好，但价格较高且对工件有腐蚀作用。2.2超声波垂直入射单层介面时的反射和透射的几种情况近年来化学糨糊也常用来作耦合剂，耦合效果比较好。在我国北方，有时在水中加入盐或者酒精，以降低耦合剂的冰点。2.2超声波垂直入射单层介面时的反射和透射的几种情况超声波垂直入射到平介面上时，声压或声强的分配比例仅与介面两侧介质的声阻抗有关。4当Z1≈Z2时，声压反射率近似为零，入射波几乎全部透射入第二介质。例如：钢轨接头的淬火部分和非淬火部分，焊缝母材与焊接金属之间阻抗很小，在探伤中无异常反射回波。超声波垂直入射双层界面时的反射和透射03超声波垂直入射双层界面时的反射和透射如复合板的探伤、工件中片状缺陷的检测、探头与保护膜间的耦合，以及钢轨擦伤引起表面剥离层等，由于薄层中声波的叠加，使反射和透射规律更加复杂。超声波垂直入射双层界面时的反射和透射1

2

超声波探伤基础——超声波的参数目录超声波各参数的定义1超声场的特征值2超声波各参数的定义011超声波各参数的定义振幅（A）指振动质点偏离平衡位置的最大距离。频率（ｆ）振动质点单位时间（通常指1秒，以下同）内围绕平衡位置完成全振动的次数称为振动频率，其数值与波动频率相等。波动频率：波动过程中任一给定质点在单位时间内通过完整波的个数。单位为赫兹（Hz）1超声波各参数的定义频率（ｆ）工作频率：指探头发射的超声波频率；重复频率：指探头每秒钟向试件发射超声波的次数。为提高探伤速度，一般要求重复频率越高越好，但过高的重复频率会导致发射和接收间的干扰，产生幻象回波，因此，重复频率应根据被检工件的大小，一次声程所需要的时间，仪器接收和发射超声波的能力，以及探伤速度等多方面因素决定。目前钢轨探伤仪的重复频率为500~1000Hz，大型钢轨探伤车的重复频率为10~5000Hz。1超声波各参数的定义波长（λ）同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长。波源或介质中任一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离。单位为毫米（mm）或米（m）。周期（T）指振动质点完成一次全振动所需要的时间。单位为秒（ｓ）。周期与频率成倒数的关系。1超声波各参数的定义声速（C）声波在弹性介质中，单位时间内所传播的距离，也可称为波速。单位为米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。波长、声速和频率之间的关系式：1超声波各参数的定义声速（C）声速的大小与介质的弹性模量成正比。在同一种固体材料中，纵波声速（CL）大于横波声速（Cs），横波声速（CS）又大于表面波声速（CR）。液体和气体介质只能传播纵波。1超声波各参数的定义声速（C）探伤常用材料的声速材料声速（km/s）纵波波长（mm）横波波长（mm）纵波横波2MHZ2.5MHZ2MHZ2.5MHZ钢5.93.232.952.361.6151.292有机玻璃2.731.431.371.090.7150.572尼龙10102.4——1.20.96————水1.48——0.740.59————油1.4——0.700.56————空气0.34——0.170.14————超声场的特征值022.1超声场的各种指标概念声压声阻抗声强2.1超声场的各种指标概念（1）声压a超声场中某一点某一瞬时所具有的压强（P1）与该点没有超声波存在时的静态压强（P0）之差称为该点的声压。b声压幅值与介质密度、声速和频率成正比。c声压的幅值与密度、声速和频率成正比——超声波的声压很高。d反射声压与回波高度成正比,超声检测仪器显示的信号幅度的本质就是声压P。P1/P2=H1/H22.1超声场的各种指标概念（2）声阻抗a介质中某一点的声压与该点的振动速度之比称为声阻抗。b声阻抗等于介质密度（ρ）与声速（C）的乘积。Z=ρCc声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。2.1超声场的各种指标概念（3）声强b∆=10lgI/I〪=20lg（P1/P2

）（dB）c通常规定引起听觉的最弱声强为I1=10-16W/cm2作为标准声强。a单位时间内，垂直通过单位面积的声能量称为声强（Ｉ）。2.2超声场中的常用单位分贝(dB)在超声场内，由于声强的变化范围很大，数量级可以相差很多，用通用数字表示和运算很不方便，采用对数（贝尔数，单位B）来表示两个声波强度之比：贝尔数=lgI/I〪(B)实际上，贝尔这个单位太大，通常用其1/10（分贝数，单位为dB）表示。∆=10lgI/I〪（dB)2.3示波屏概述示波屏上波高与声压成正比，即任意两波高之比等于相应的声压之比。两者的分贝差为：当∆=0dB时，说明两波高相等，二者的分贝差为零。当∆=6dB时，说明两H2为H1的2倍，H2比H1高6dB。当∆=-6dB时，说明两H2为H1的1/2倍，H2比H1低6dB。2.3示波屏数据计算例1示波屏上一波高为80mm，另一波高为20mm，问前者比后者高多少dB？解∆=201g（H2/H1）

=201g80/20=12（dB）答：前者比后者高12dB

2.3示波屏数据计算例2示波屏上有A，B，C三个波，其中A波比B波高3dB，C波比B波低3dB，已知B波高为50mm，求A，C的波高各为多少？解2.3示波屏数据计算6dB法测长由于波高降低6dB后正好为原来的一半，因此6dB法又称半波高度法。具体做法：移动探头找出缺陷的最大反射波后，调节增益，使缺陷波高降至80％，然后用衰减器将仪器增益值提高6dB，沿缺陷方向左右移动探头，当缺陷波高降至80％时，探头中心线之间的距离就是缺陷的指示长度。超声波探伤基础——超声波的传播特性目录超声场的声压分布规律1波束指向性与指向角2超声波的叠加、干涉、散射、绕射3超声波的衰减4超声场的声压分布规律011.1超声场的概述超声场：充满超声波的空间由图可知，波源附近的轴线声压上下起伏变化，存在若干个极大极小值。距波源的距离愈近，声压极大极小值的点就愈密。声学上把由子波的干涉在波源附近的轴线上产生的一系列声压极大极小值的区域称为超声场的近场区。1.2圆盘声源声束轴线上的声压分布1.2圆盘声源声束轴线上的声压分布波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用N表示直探头的近场区长度：式中D——为圆形压电晶片的直径

λ——为超声波波长

A——方晶片（或矩形晶片）面积1.2圆盘声源声束轴线上的声压分布波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用N表示由于近场区存在声压极大极小值，处于声压极大值的较小缺陷可能回波较高，而处于声压极小值的较大缺陷可能回波较低，引起漏检，所以超声波探伤中总是尽量避开这一区域。在远场区中，轴线上的声压随距离增加而单调减少，在距离>3N时，圆盘源声束上的声压与球面波的声压相差甚小。波束指向性与指向角022.1波束指向性晶片发出的超声波束看作是笔直的传播，经过一段距离后，按一定角度扩展辐射，非扩散区域为近场长度（N）的1.67倍，大于1.67N为扩散区，其优劣常用指向角（θ〪）表示。晶片发出的超声波束与手电筒发出的光柱类似，在靠近晶片较短的范围2.1波束指向性探头发出的超声波束波束指向性：探头发出的超声波能量集中在一定区域并向一个方向辐射的现象。探头发出的超声波能量集中在一定区域并向一个方向辐射的现象称为波束指向性。超声波的能量主要集中在2θ〪以内的锥形区域内，此区域称为主声束，主声束边缘声压为零。主声束旁侧的波束为副声束，副声束能量低，传播距离小。2.2波束指向角指向角θ0与λ比值有关，相同条件下，若晶片直径（D）愈大或波长（λ）愈短（频率愈高），则指向角（θ0

）就愈小，波束指向性就愈好，超声波能量集中，探伤灵敏度高，分辨率好，定位精确，不过近场长度（N）也将愈大。对圆盘声源辐射的纵波声场，其声束指向角（θ0）计算公式如下：D——为晶片的直径λ——为超声波波长边长为a的方晶片声束指向角计算式：超声波的叠加、干涉、散射、绕射033.1波的叠加当几列波同时在一个介质中传播时，如果在某些点相遇，则相遇处质点的振动是各列波所引起的振动的合成。合成声场的声压等于每列声波声压的矢量和，这就是声波的叠加原理。3.1波的叠加相遇后各列声波仍保持它们各自原有的特性（频率、波长、幅度、传播方向等）不变继续前进，好像在各自的传播过程中没有遇到其他波一样。比如乐队，各自乐器发出来的声波，我们最终听到的这个效果是各种乐器都有，和单独听到某一个乐器的效果是一样的，这种现象就充分证明波的叠加原理它的正确性。再比如水波，单独观察一个波纹时，仍然是原来单个波的状态。3.2波的干涉两列频率相同，波型相同，相位相同或相位差恒定的波相遇时，由于波的叠加作用，在某些位置上振动始终加强，而在另一些地方振动始终减弱或完全抵消，这种现象称为波的干涉。3.2波的干涉波的叠加原理是波的干涉的基础，叠加包括干涉；波的干涉是波的叠加的一部份。在超声检测中，由于波的干涉，使超声波波源附近出现声压极大、极小值。从微观上来讲，要把晶片分解成各个质点，每个质点作为振源它发射出来的这个超声波，就符合相干波源的条件，它产生的超声波在探头的附近就会产生干涉，干涉就会造成某个地方加强，某个地方减弱，就会造成屏幕上看到的在始波的附近，右侧较小的区域内杂波较多的现象。3.2波的干涉3.3波的散射超声波在介质中传播时遇到小于超声波的波长的障碍物或其他不连续，而使超声波向各个不同方向产生无规则反射、折射或衍射的现象称为散射。散射的结果是声能分散、穿透力降低和引起不规则的草状杂波，导致信噪比和灵敏度下降。3.3波的散射当被检工件为铸件、探测面或反射面不平整、工件内存在与波长相当的气孔和夹杂时，散射现象尤为严重。波在传播过程中遇到障碍物时绕过其边缘并继续前进的现象称为波的衍射或绕射。3.4波的衍射（绕射）3.4波的衍射（绕射）绕射现象取决于障碍物的尺寸（D）和波长（λ）之比，当D«λ时，声波只有绕射；当D≈λ时，有绕射和反射，且产生阴影区；当D>λ时，以反射为主。超声波发现的最小缺陷约为λ/2；缺陷小于λ/2,超声波遇到缺陷发生绕射；缺陷大于λ/2，超声波遇到该缺陷以反射为主，产生回波信号。超声波的衰减044.1超声波的衰减定义超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波的能量逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。4.2超声波的扩散衰减超声波在传播过程中，由于波束的扩散使超声波的能量随距离增加而逐渐减弱的现象称为扩散衰减。1平面波波阵面为平面，波束不扩散，不存在扩散衰减。2柱面波波阵面为柱面，波束向四周扩散，存在扩散衰减，声压与距离的平方根成反比。3球面波波阵面为同心球面，波束向四面八方扩散，存在扩散衰减，声压与距离成反比。4.3超声波的散射衰减超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的介面产生散乱反射引起衰减的现象，称为散射衰减。1散射衰减与材质的晶粒密切相关，当材质晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头，在示波屏上引起林状回波（又叫草状回波），使信噪比下降，严重时噪声会淹没缺陷波。4.4超声波的吸收衰减超声波在介质中传播时，由于介质中质点间内摩擦和热传导引起超声波的衰减，称为吸收衰减。1通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减，不包括扩散衰减。2对于固体介质，吸收衰减相对于散射衰减可忽略不计，但对液体介质来说，吸收衰减是主要的。超声波探伤基础——超声波倾斜入射时的反射、折射和波形转换目录超声波倾斜入射时的反射、折射和波形转换概述1超声波倾斜入射至异质界面的反射2超声波倾斜入射至异质界面的折射3临界角4超声波在特殊部位的反射5超声波倾斜入射时的反射、折射和波形转换概述011概述超声波倾斜入射时的反射、折射和波形转换当超声波倾斜入射到异质界面时，除产生反射、折射现象以外，还往往伴随着波型转换现象，即产生与入射波不同类型的反射波和折射波。只发生在斜入射且介质为固体的场合，并与界面两侧介质的状态有关。超声波倾斜入射至异质界面的反射022超声波倾斜入射至异质界面的反射超声波倾斜入射至异质界面的反射有两束超声波，其中一束是横波一束是纵波，这种现象叫波型转换。在反射过程中遵循反射定律在同一介质中反射纵波和入射纵波的速度相同，所以纵波入射角等于纵波反射角；在同一介质中反射纵波的速度大于横波，所以纵波入射角大于横波反射角。超声波倾斜入射至异质界面的折射033超声波倾斜入射至异质界面的折射超声波倾斜入射至异质界面时，传播线路发生改变，这种现象叫折射，在折射过程中也发生了波型转换，即一束超声波斜入射折射出去又变成两束超声波，其中一束是横波一束是纵波。在折射过程中遵循折射定律：速度相同角度相等，速度大的角度大。临界角044.1定义超声波在斜入射至异质界面时，当入射角超过某一值时，反射或者折射的某种特定波型不再存在，则相应的入射角称为临界角。14.2第一临界角在折射过程中，当入射角增大时折射角也随之增大，当折射纵波的折射角达到90°时，称此时入射纵波入射角为第一临界角。用αⅠ表示。对于有机玻璃与钢的界面，αⅠ=27.6°。产生第一临界角的前提是C1<C2，当入射角大于第一临界角时，第二介质不再有折射纵波。24.3第二临界角在折射过程中，当入射角增大时折射角也随之增大，当折射横波的折射角达到90°时，称此时入射纵波入射角为第二临界角。用αⅡ表示。对于有机玻璃与钢的界面，αⅡ=56.3°。产生第一临界角的前提是C1<C2，当入射角大于