《超声波检测原理》课件

超声波检测原理什么是超声波？频率超声波是指频率高于20kHz的声波，人耳无法听到。传播超声波可以在各种介质中传播，例如空气、水、金属等。应用超声波具有独特的性质，在医学、工业、军事等领域有广泛应用。超声波的产生压电效应超声波的产生主要依赖于压电效应。压电材料在受到机械压力或拉伸时会在其表面产生电荷，反之，当在压电材料表面施加电场时，它会发生形变。利用这种特性，可以将电能转化为机械振动，从而产生超声波。振动当在压电晶体上施加交变电压时，晶体就会产生周期性的伸缩振动，如果振动频率超过人的听觉范围（20kHz以上），就会产生超声波。探头超声波探头通常由压电晶体、阻抗匹配层和外壳组成。压电晶体负责产生和接收超声波，阻抗匹配层用于减少超声波在介质传播过程中的能量损失，外壳起到保护和固定压电晶体的作用。压电效应原理压电效应是指某些晶体材料在机械压力作用下会在其表面产生电荷，反之，在电场作用下也会发生形变的现象。应用场景压电效应在许多领域都有广泛的应用，例如：超声波探头传感器微型电机压电晶体压电晶体是超声波检测的核心元件，其能够将电能转化为机械能，反之亦然。当压电晶体受到机械力的作用时，会产生电荷，这就是压电效应。反之，当压电晶体施加电压时，会发生形变，这就是逆压电效应。常用的压电晶体材料包括石英、锆钛酸铅（PZT）等。这些材料具有良好的压电性能，能够有效地将电信号转换为机械振动，从而产生超声波。振动原理1压电效应当压电晶体受到机械振动时，会在其表面产生电荷，反之，当在压电晶体上施加电压时，晶体也会发生形变。这种现象称为压电效应，是超声波产生和接收的关键。2频率决定压电晶体发生振动的频率由晶体的材料、尺寸和形状决定。通过控制这些参数，可以产生不同频率的超声波。3信号转换超声波探头中的压电晶体将电信号转换为机械振动，并反过来将机械振动转换为电信号，从而实现超声波的产生和接收。超声波探头超声波探头是超声波检测系统中的核心部件，它负责将电信号转换为超声波信号，并将其发射到被测物体中，同时接收物体反射回来的超声波信号，并将其转换为电信号。探头通常由压电晶体、阻抗匹配层、保护层、外壳等部分组成。压电晶体是探头的核心，它具有压电效应，能够将电能转化为机械能，反之亦然。探头类型直角探头直角探头是最常见的类型之一，用于检测与探头表面垂直的缺陷。它通常用于检测表面裂纹、孔洞、夹杂物等缺陷。斜探头斜探头用于检测与探头表面成一定角度的缺陷。它通常用于检测内部缺陷，例如焊接缺陷、裂纹、分层等。双晶探头双晶探头是一种特殊的探头，它包含两个压电晶体，可以同时发射和接收超声波。它通常用于检测材料内部的缺陷，例如裂纹、空洞、夹杂物等。直角探头直角探头是超声波探头中最常见的类型之一，其发射和接收超声波的方向垂直于探头表面。直角探头通常用于检测材料表面或内部的缺陷，例如裂纹、空洞和分层。它们也常用于测量材料厚度。直角探头的优点在于其结构简单，易于操作，且能够提供精确的测量结果。然而，直角探头也有一些局限性。例如，它们无法检测到与探头表面平行的缺陷，并且在检测弯曲表面时可能存在一定的困难。斜探头斜探头是一种重要的超声波探头类型，它能够以一定角度发射和接收超声波。斜探头通常用于检测材料表面或内部的缺陷，例如裂纹、孔洞、夹杂物等。斜探头的特点是其声束与探头表面呈一定角度，这个角度称为声束角度。通过改变声束角度，可以改变超声波在材料内部的传播路径，从而实现对不同区域的检测。斜探头的应用非常广泛，例如：检测管道、焊接接头、压力容器、铸件、锻件等材料的缺陷，以及测量材料的厚度等。双晶探头双晶探头双晶探头是一种特殊的超声波探头，它包含两个压电晶体，一个用于发射超声波，另一个用于接收超声波。应用场景双晶探头主要用于超声波测厚、材料缺陷检测等应用。由于发射和接收晶体分离，它可以更精确地测量声程，并提高检测精度。超声波传播原理1声波在介质中的传播声波以机械波的形式在介质中传播，需要介质才能传播，并以波的形式传递能量。2声速与密度关系声速在不同介质中传播速度不同，与介质的密度、弹性模量等因素有关。3超声波的传播形式超声波可以以纵波、横波、表面波等形式传播，不同的传播形式具有不同的特性。声波在介质中的传播纵波传播声波在介质中传播时，介质质点沿声波传播方向振动，形成疏密相间的波形，这种波称为纵波。纵波是声波最常见的传播形式，例如空气中的声音。横波传播声波在介质中传播时，介质质点垂直于声波传播方向振动，形成波峰和波谷，这种波称为横波。横波只能在固体中传播，因为液体和气体没有足够的刚性来维持横波的传播。声速与密度关系声速密度关系较高的声速较高的密度正相关声速与介质的密度密切相关。在固体中，声速一般比液体和气体中高，这是因为固体分子排列紧密，密度较高，声波传播时分子振动传递的速度更快。例如，在金属中，声速通常可以达到每秒几千米，而空气中的声速则只有约每秒343米。超声波的传播形式纵波粒子振动方向与波传播方向一致，如声波在空气中传播。横波粒子振动方向垂直于波传播方向，如地震波中的S波。表面波介质表面形成的波，粒子振动方向为椭圆形，如瑞利波。超声波的反射1定义超声波在传播过程中遇到两种介质分界面时，一部分能量会反射回原介质中2反射原理超声波遇到分界面时，其波前发生变化，一部分能量被反射3应用利用反射原理可以进行缺陷检测、厚度测量等当超声波遇到两种不同介质的分界面时，由于介质的声阻抗不同，一部分超声波能量会发生反射，返回到原介质中，这就是超声波的反射现象。反射的程度由两种介质的声阻抗差异决定，声阻抗差异越大，反射越强。超声波的反射现象是超声波检测技术的基础之一，在工业生产、医疗诊断等领域都有着广泛的应用。反射原理1声波遇到障碍物当声波在介质中传播时，遇到另一种介质的界面，一部分声波会穿过界面进入另一种介质，另一部分声波则会反射回来。2反射角等于入射角反射声波的传播方向与入射声波的传播方向关于界面法线对称，即反射角等于入射角。3反射波能量损失反射时，声波的能量会发生损失，这取决于两种介质的声阻抗差异和入射角的大小。反射率影响因素声阻抗差声阻抗是声波在介质中传播时遇到的阻力，声阻抗差越大，反射率越高。例如，当声波从空气传播到水中时，由于声阻抗差很大，反射率很高。入射角当声波以倾斜角度入射到界面时，反射率会随着入射角的增大而增大。当入射角达到临界角时，声波会发生全反射。材料性质材料的性质，如密度、弹性模量等，也会影响反射率。例如，钢材的反射率比铝材高。表面粗糙度表面粗糙度也会影响反射率。表面越光滑，反射率越高；表面越粗糙，反射率越低。超声波的折射1折射定律入射角正弦与折射角正弦之比等于两介质声速之比2折射角超声波从一种介质进入另一种介质时，传播方向发生改变的现象3折射率两介质声速之比，反映超声波在两种介质中传播速度的差异当超声波从一种介质传播到另一种介质时，由于两种介质的声速不同，超声波的传播方向会发生改变，这就是超声波的折射现象。超声波的折射与光线的折射类似，都遵循折射定律，即入射角正弦与折射角正弦之比等于两介质声速之比。折射率是两介质声速之比，反映了超声波在两种介质中传播速度的差异。超声波的折射定义当超声波从一种介质传播到另一种介质时，由于两种介质的声速不同，超声波传播方向会发生改变，这种现象称为超声波的折射。折射定律超声波的折射遵循斯涅耳定律，即入射角的正弦值与折射角的正弦值之比等于两种介质的声速之比，公式如下：sinθ1/sinθ2=v1/v2其中，θ1为入射角，θ2为折射角，v1为入射介质中的声速，v2为折射介质中的声速。折射率影响因素介质性质介质的声速是决定折射率的关键因素。不同介质的声速不同，导致超声波在不同介质的界面上发生折射。例如，超声波从空气中传播到水中，由于水的声速比空气大，所以超声波会发生折射。入射角超声波入射到两种介质界面上的角度也会影响折射率。入射角越大，折射角也越大。当入射角达到临界角时，超声波将不会发生折射，而是发生全反射。温度温度会影响介质的声速，进而影响超声波的折射率。一般来说，温度越高，声速越快，折射率越小。超声波的衍射当超声波遇到障碍物或孔隙时，会发生衍射现象，即超声波会绕过障碍物或孔隙继续传播，这与光波的衍射现象类似。1波长超声波的波长越短，衍射现象越不明显。2孔隙大小孔隙尺寸越小，衍射现象越明显。3障碍物形状障碍物形状越复杂，衍射现象越复杂。超声波的衍射惠更斯原理当超声波遇到障碍物时，波会绕过障碍物传播，这种现象称为衍射。衍射程度衍射程度取决于超声波波长和障碍物尺寸。波长越长或障碍物尺寸越小，衍射越明显。影响衍射的因素声波波长声波的波长越短，衍射现象越不明显。这是因为波长越短，声波在传播过程中越不容易绕过障碍物，从而更倾向于直线传播。障碍物尺寸当声波遇到障碍物时，如果障碍物的尺寸小于或等于声波的波长，就会发生明显的衍射现象。这是因为声波能够绕过障碍物，并继续传播到障碍物后面的区域。超声波的吸收1吸收系数超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性、热传导等因素，部分能量会转化为热能，导致声波强度减弱，这种现象称为超声波的吸收。2影响因素超声波的吸收系数与介质的性质、频率、温度等因素有关。一般来说，介质的粘滞性越大、密度越大、声速越低，吸收系数越大。频率越高，吸收系数也越大。温度升高，吸收系数也会增加。吸收系数吸收系数是指超声波在介质中传播时，由于介质的阻尼作用而损失的能量与入射能量之比。它是衡量介质对超声波吸收程度的一个重要参数。0.1低对于金属材料来说，其吸收系数通常比较低。1中而对于液体和气体，吸收系数则会更高。10高对于一些高分子材料和生物组织，其吸收系数甚至可以达到10以上。吸收系数的大小会影响超声波检测的灵敏度和穿透深度。对于一些吸收系数很高的材料，超声波很难穿透，因此难以进行有效的检测。吸收影响因素介质特性超声波在不同介质中的吸收程度不同。例如，在水中，超声波的吸收系数远小于在空气中。介质的粘度、密度和温度都会影响超声波的吸收。频率频率越高，超声波的吸收系数越大。这意味着高频超声波更容易被介质吸收，因此传播距离更短。声波强度超声波强度越大，吸收系数也越大。高强度超声波更容易被介质吸收，导致能量损失更大。超声波检测原理超声波检测是利用超声波在介质中传播的特性，对物体内部结构进行检测的一种技术。它利用超声波的反射、折射、衍射和吸收等现象，分析回波信号，从而获取被测物体的内部信息。主要原理超声波检测原理基于超声波在介质中传播的特性，包括：*声速差异:不同的材料具有不同的声速，超声波遇到材料分界面时会产生反射，利用声速差异可以识别不同材料。*声阻抗:不同材料的声阻抗不同，超声波在两种不同声阻抗的材料界面发生反射，利用反射强度可以判断缺陷的存在。*缺陷散射:超声波遇到缺陷时会发生散射，利用散射信号可以判断缺陷的大小、形状和位置。应用领域超声波检测应用广泛，例如：*工业检测：检测金属材料的缺陷、焊缝质量、管道腐蚀等。*医学诊断：进行超声波影像检查，例如B超，用于检查人体器官和组织的结构和功能。*非破坏检测：用于检测建筑物、桥梁、飞机等结构的内部缺陷。*流量测量：利用超声波的传播时间测量液体或气体的流量。回波信号的生成超声波发射超声波探头发射超声波脉冲，穿透被测物体。声波遇到缺陷当超声波遇到物体内部的缺陷（如裂纹、空洞等）时，部分声波会反射回来。反射波被探头接收探头接收反射回来的声波，并将其转换为电信号。信号处理和显示电信号经过放大和处理后，显示在屏幕上，形成回波信号。A型扫描定义A型扫描是一种基本的超声波检测技术，它以波形的方式显示信号强度随时间的变化，从而提供关于材料内部缺陷或结构的信息。工作原理A型扫描仪发出超声波脉冲，并接收来自材料内部的回波信号。接收到的回波信号被转换成电信号，并在屏幕上显示为波形。应用A型扫描常用于测量材料厚度、识别缺陷位置、评估缺陷大小，以及检测材料内部结构的变化。B型扫描B型扫描是超声波检测中的一种常用方法，它将探头发射的超声波信号转化为图像，以显示被检测对象的内部结构。B型扫描图像的亮度代表超声波信号的强度，强度越高，图像越亮。B型扫描图像的深度代表超声波信号的传播时间，时间越长，深度越深。C型扫描原理C型扫描将超声波信号转换为灰度图像，并将图像显示在屏幕上。灰度等级代表超声波信号的强度，即反射信号的强度。信号强度越高，图像越亮；信号强度越低，图像越暗。特点C型扫描能够提供被测物体内部缺陷的二维图像，显示缺陷的形状、大小和位置。此外，C型扫描还可以用于测量缺陷的深度和面积。应用C型扫描广泛应用于工业无损检测，例如焊接检测、铸造缺陷检测、材料内部缺陷检测等。它可以帮助检测人员快速、直观地了解物体内部结构和缺陷情况，从而确保产品质量和安全。脉冲回波法发射超声波脉冲超声波探头发射短促的超声波脉冲，脉冲进入被测物体。超声波在物体中传播超声波在物体内部传播，遇到界面会发生反射或折射。接收反射信号探头接收来自物体内部界面反射回来的超声波信号，即回波信号。处理回波信号仪器对接收到的回波信号进行分析，得出有关物体内部结构和缺陷的信息。测量方法声程测量通过测量超声波在介质中传播的距离（声程）来确定缺陷的位置和大小。声程测量适用于检测较大的缺陷，如裂纹、孔洞和夹杂物等。声程差测量通过测量超声波在不同路径上传播时间的差异（声程差）来确定缺陷的位置和大小。声程差测量适用于检测较小的缺陷，如表面裂纹、分层和焊缝缺陷等。时间传播法通过测量超声波从发射端到接收端的时间来确定缺陷的位置和大小。时间传播法适用于检测较小的缺陷，如表面裂纹、分层和焊缝缺陷等。相移法通过测量超声波穿过缺陷后产生的相位变化来确定缺陷的位置和大小。相移法适用于检测微小缺陷，如裂纹、孔洞和夹杂物等。声程测量1定义声程是指超声波从探头发射到缺陷表面，再反射回探头的总距离。2测量方法利用超声波仪器测量超声波在介质中传播的时间，根据声速计算声程。3应用声程测量可用于确定缺陷的位置、大小和形状。声程测量是超声波检测中一项重要的测量方法，它利用声速和传播时间的关系来确定缺陷的位置和大小。通过精准的声程测量，可以帮助我们更好地了解材料的内部结构，从而提高检测效率和准确性。声程差测量1定义测量两个反射点之间的距离，即两个反射波到达探头的时间差2原理利用声波在介质中传播速度不变的特性，通过测量声波往返时间差，计算出两个反射点之间的距离3应用广泛应用于材料厚度测量、缺陷尺寸测量等领域时间传播法1发射超声波首先，探头发射一束超声波脉冲进入被测物体。2接收回波超声波在物体内部传播，遇到缺陷或边界就会发生反射，探头接收反射回来的回波信号。3测量时间仪器记录超声波从发射到接收的时间，即回波时间。4计算距离利用声速和回波时间，可以计算出缺陷或边界到探头的距离。相移法原理相移法利用超声波信号在介质中传播时产生的相位变化来测量距离或厚度。当超声波遇到界面时，一部分能量会反射回来，形成回波信号。通过比较发射信号和回波信号的相位差，可以计算出超声波在介质中传播的时间，从而得到距离或厚度信息。优势相移法具有精度高、抗干扰能力强等优点，适用于测量较小的距离或厚度，例如薄膜、涂层等。应用相移法广泛应用于薄膜厚度测量、材料内部结构分析等领域。在工业生产和科学研究中发挥着重要的作用。应用领域超声波检测技术已广泛应用于各个领域，发挥着重要作用，涵盖了工业生产、医疗诊断、科学研究等多个方面。工业检测超声波检测可以对各种材料和结构进行无损检测，例如金属、陶瓷、塑料、复合材料等，用于检测缺陷、裂纹、腐蚀、空洞等，确保产品的质量和安全。医学诊断超声波检测在医学诊断中扮演着重要角色，例如B超、彩超、心超等，可用于观察器官组织的结构和功能，诊断疾病，以及进行手术引导。非破坏检测超声波检测作为一种非破坏性检测方法，在航空航天、汽车制造、桥梁检测、管道检测等领域应用广泛，可以对物体进行检查而不会对其造成损害。流量测量超声波检测可以用来测量流体中的流量，例如水、气体、油等，通过测量超声波在流体中的传播时间来确定流量。工业检测材料缺陷检测超声波检测可用于检测金属、塑料、陶瓷等各种材料内部的缺陷，例如裂纹、空洞、夹杂物等，帮助确保产品的质量和安全性。管道探伤超声波检测可用于检测管道内部的腐蚀、裂纹、焊缝缺陷等，帮助评估管道安全性和寿命，防止管道泄漏和事故发生。焊接质量检测超声波检测可用于检测焊接接头的质量，例如焊缝熔合不良、气孔、夹渣等，帮助确保焊接的可靠性和强度。厚度测量超声波检测可用于测量材料的厚度，例如金属板材、管道壁厚、混凝土结构厚度等，帮助评估材料的尺寸和性能。医学诊断超声波在医学诊断中具有重要的应用价值，如心脏超声、腹部超声、产前诊断等。超声波可以帮助医生观察心脏、血管、肝脏、肾脏、膀胱、子宫、卵巢、胎儿等器官的结构和功能，以及是否存在病变。超声波检测是一种无创、安全、便捷的诊断方法，可用于早期疾病筛查、病情评估、治疗效果监测等。非破坏检测管道检测超声波检测可用于检测管道内部的缺陷，例如裂缝、腐蚀和孔洞，而无需拆卸管道。这在维护和安全方面至关重要，可以帮助避免潜在的泄漏和故障。航空航天检测航空航天领域广泛采用超声波检测来检查飞机机翼、机身和其他关键部件的结构完整性。超声波检测可识别微小的裂缝和缺陷，有助于