二級超聲波檢測培訓課件1、2

1、超聲波檢測概述 超聲波檢測是應用最廣泛的無損檢測方法之一。超聲波檢測是利用進入被檢材料的超聲波對材料表面或內(nèi)部缺陷進行檢測。利用超聲波進行材料厚度的測量也是常規(guī)超聲波檢測的一個重要方面。此外，作為超聲波檢測技術(shù)的特殊應用，超聲波還可用于材料內(nèi)部組織和特性的表征以及應力的測量；超聲波還可以用來測量介質(zhì)流量，流速等。 1、超聲波檢測定義和作用 一般指超聲波與工件作用，就反射、透射和衍射的波進行研究，對工件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用進行評價的技術(shù)。 工業(yè)檢測中，超聲檢測通常指宏觀缺陷檢測和材料厚度測量。 作用： 通過超聲檢測發(fā)現(xiàn)工件或設(shè)備中

2、存在的缺陷，從而實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量控制、節(jié)約原材料、改進工藝、提高勞動生產(chǎn)率、消除安全隱患。 四大常規(guī)檢測技術(shù) 新興無損檢測技術(shù) RT 射線檢測 ET 渦流檢測 UT 超聲波檢測 AE 聲發(fā)射檢測 MT 磁粉檢測 TOFD 衍射超聲檢測 PT 滲透檢測 超聲波相控陣檢測 UGW超聲導波檢測 EMAT電磁超聲檢測 紅外熱像2、超聲波檢測發(fā)展簡史 利用超聲波來進行無損檢測始于20世紀30年代。1929年，前蘇聯(lián)人首先提出了用超聲波檢測金屬物體內(nèi)部缺陷的建議。并于第二次世界大戰(zhàn)后研制成第一種穿透式檢測儀器對材料進行檢測。 這種方法檢測靈敏度低，應用范圍小，所以，不久這種儀器就被淘汰了。 20世紀40年代，

3、美國的Firestone首次介紹了脈沖回波式超聲檢測儀，利用該技術(shù)，超聲波可從物體的一面發(fā)射并接收，且能夠檢測小缺陷，較準確的確定其位置及深度，評定其尺寸。隨后，由美國和英國開發(fā)出了A型脈沖回波式超聲檢測儀，并逐步用于鍛鋼和厚鋼板的檢測。 20世紀60年代，超聲檢測儀在靈敏度、分辨率和放大器線性等主要性能上取得了突破性進展，焊縫檢測問題得到了很好的解決。脈沖回波技術(shù)至今仍是通用性最好、使用最廣泛的一種超聲檢測技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，超聲檢測發(fā)展為一個有效而可靠的無損檢測手段，并得到了廣泛的工業(yè)應用。 隨著工業(yè)生產(chǎn)對檢測效率和檢測可靠性要求的不斷提高，人們要求超聲檢測更加快速，缺陷的顯示更加直觀，對缺

4、陷的描述更加準確。因此，原有的以A型顯示手工操作為主的檢測方式不再能夠滿足要求。 20世紀70年代，英國人M.G.Silk提出衍射時差法超聲檢測（TOFD）。 TOFD是一種利用超聲波衍射現(xiàn)象、利用缺陷端點的衍射波信號檢測或測定缺陷尺寸的超聲檢測技術(shù)，近幾年來在歐美等西方發(fā)達國家開始廣泛應用。 20世紀80年代以來，超聲波檢測設(shè)備得到快速發(fā)展，對于規(guī)則的板、棒類等大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，逐漸發(fā)展了自動檢測系統(tǒng)，配備了自動報警、記錄等裝置，發(fā)展了B型顯示和C型顯示。與此同時，對缺陷的定性定量評價的研究得到了較大的進展，利用超聲波技術(shù)進行材料特性評價也成為了重要的研究方向。 隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)

5、展，超聲檢測設(shè)備不斷向小型化、智能化方向改進，并于20世紀80年代末出現(xiàn)了數(shù)字式超聲儀器。目前，數(shù)字式儀器已日益成熟，正逐漸取代模擬式儀器成為主流產(chǎn)品。檢測技術(shù)也得到飛速發(fā)展，如超生三維成像，導波技術(shù)，電磁超生技術(shù)等。我國超聲檢測的發(fā)展歷史 19501982年 起步 儀器：汕頭生產(chǎn)8A、8B、8C 1982年1990 發(fā)展 儀器：汕頭生產(chǎn)CTS-22、CTS-23、CTS-26、CTS-33、CTS-36 1990至今 數(shù)字超聲時代 代表：武漢中科（1988）HS-系列 南通友聯(lián) PXUT-系列 汕頭超聲CTS-系列 北京七星 2、超聲波檢測的基礎(chǔ)知識 2.1次聲波、聲波、超聲波 次聲波、聲波

6、、超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機械波，同一波型在同一介質(zhì)中傳播的速度相同，它們的區(qū)別在于頻率不同。 次聲波：f 20Hz 聲波：能引起人們聽覺的機械波 20Hz f 20kHz 超聲波和次聲波，人是聽不到的。 超聲檢測所用的頻率一般在0.510MHz之間，對鋼等金屬材料的檢驗，常用的頻率為15MHz。如2.5M、5M 2.2 工業(yè)用超聲波的特點 1）方向性好 超聲波是頻率很高、波長很短的機械波，在超聲波檢測中使用的波長為毫米數(shù)量級。像光波一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射，從而在被檢工件中發(fā)現(xiàn)缺陷。 2）能量高 超聲波的能力（聲強）與頻率的平方成正比。 3）能在界面上產(chǎn)生反射、折射、衍射和波形

7、轉(zhuǎn)換 超聲波具有幾何聲學的特點，在介質(zhì)中直線傳播，遇到界面產(chǎn)生反射、折射、衍射和波形轉(zhuǎn)換。 4）穿透能力強 超聲波在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時，能量損失小，傳播距離大，穿透能力強，在一些金屬材料中穿透能力可達數(shù)米，這是其它檢測方法無法比擬的。 2.3、超聲波檢測原理 超聲波檢測主要是基于超聲波在工件中的傳播特性，如在遇到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)的界面時會發(fā)生反射，聲波通過材料時能量會損失等，以脈沖反射法為例，其原理如下： 1）超聲波探傷儀（聲源）產(chǎn)生高頻電磁振蕩信號（脈沖波）； 2）高頻電磁振蕩信號加到超聲波探頭上，產(chǎn)生超聲波； 3）采用一定的方式，如耦合，使超聲波進入工件； 4）超聲波在工件中傳播，遇到

8、聲阻抗有差異的界面或缺陷時部分聲波被反射，反射回來的超聲波被超聲波探頭接收； 5）超聲波探頭把接收到的聲波信號再轉(zhuǎn)換成脈沖電信號傳給超聲波探傷儀； 6）超聲波探傷儀把接收到的脈沖電信號，進行檢波、放大、衰減等一系列的信號處理，以一定的方式顯示出來； 7）通過分析回波信號的幅度和位置等信息，從而得到被檢工件中有無缺陷、缺陷的位置、大小等信息。 所以，超聲波檢測既可以定性，又可以定量。 T F B被檢工件被檢工件超聲波探傷儀超聲波探傷儀探頭探頭 通常用來發(fā)現(xiàn)缺陷和分析的基本信息： 1）是否存在缺陷的回波信號及其幅度； 2）缺陷回波信號的位置或傳播時間； 3）超聲波通過材料以后能量的衰減。2.4 超

9、聲波檢測方法分類（按原理分類） 1）脈沖反射法 根據(jù)反射波的情況來檢測工件缺陷的方法。波形顯示，不直觀。 2）衍射時差法（TOFD） 利用缺陷部位衍射信號來檢測和測定缺陷尺寸的一種超聲波檢測方法。圖象顯示。 3）穿透法 采用一收一發(fā)雙探頭分別放置在工件相對的兩端面，依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透工件之后的能量變化來檢測缺陷的方法。 4）共振法 利用共振特性檢測工件厚度變化情況，常用于工件測厚。（按波形分類）縱波、橫波、表面波、板波、爬波等（按檢測接觸方式分類）1.直接法、2.液浸法、3.電磁耦合法 2.5 超聲波檢測的優(yōu)點和局限性 與其它無損檢測方法相比的優(yōu)點： 1）適用于金屬、非金屬和復合材料等多種

10、制件的無損檢測； 2）穿透能力強，可對較大厚度范圍內(nèi)的工件內(nèi)部缺陷進行檢測； 3）缺陷定位較準確； 4）對面積型缺陷的檢出率較高； 5）靈敏度高，可檢測工件內(nèi)部很小的缺陷； 6）檢測成本低、速度快，設(shè)備輕便，對人體及環(huán)境無害，現(xiàn)場使用方便等 缺點：1）對缺陷的定性、定量仍需要作進一步研究，定性及定量仍然存在困難；2）對具有復雜形狀或不規(guī)則外型的工件進行超聲波檢測有困難；3）缺陷的取向、位置和形狀對檢測結(jié)果有影響；4）工件材質(zhì)、晶粒度對檢測有較大影響，影響超聲波的衰減；5）A型脈沖反射法檢測結(jié)果是波形顯示，不直觀，模擬超聲波探傷儀對檢測結(jié)果無直接見證記錄。 2.6 超聲波檢測的應用范圍 超聲波檢

11、測的應用范圍非常廣，從以下幾個方面講，就可以說明:工件材料：金屬、非金屬和復合材料等制造工藝：鍛件、鑄件、焊接件、膠結(jié)件等工件形狀：板材、棒材、管材等工件尺寸：厚度小至1mm，大至幾米；缺陷部位：既可以是表面缺陷，又可以是內(nèi) 部缺陷。 超聲波是一種機械波，是機械振動在介質(zhì)中的傳播。 該章主要涉及幾何聲學和物理聲學的基本定律和概念。 幾何聲學：反射定律、折射定律、波形轉(zhuǎn)換。 物理聲學：波的疊加、干涉、衍射等 11振動 物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復周期性的運動,稱為機械振動. 周期T 振動物體完成一次全振動所需要的時間,稱為振動周期.單位：秒（S） 頻率f 振動特物體在單位時間內(nèi)完成

12、全振動的次數(shù),稱為振動頻率.單位：赫茲（Hz） 周期和頻率互為倒數(shù)關(guān)系，即 T1/f 諧振（簡諧振動） 最簡單最基本的直線振動稱為諧振.其特點是物體受到的回復力大小與位移成正比,其方向總是指向平衡位置.圖1.1 質(zhì)點諧振動參考圖 質(zhì)點諧振動等效圖 簡諧振動方程 質(zhì)點的水平位移和時間t的關(guān)系式：y=Acos(t+)其中：A：振幅，最大水平位移 ：圓頻率， =2f=2 / T ：初相位，即t=0時質(zhì)點的相位 t+：質(zhì)點在t時刻的相位 簡諧振動方程描述了諧振動物體在任意時刻的位移情況。 阻尼振動 在機械系統(tǒng)振動時，由于受到摩擦力或其他阻力的作用，系統(tǒng)的能量會不斷損耗，質(zhì)量振動的振幅逐漸減小，以至于振

13、動停止。所以，阻尼振動是一個比較普遍情況，也稱為衰減振動。(不符合機械能守恒) 受迫振動 由于振動系統(tǒng)內(nèi)部的阻尼作用，能量逐漸消耗，因初始激發(fā)引起的自由振動，將因為能量逐漸損耗，振動逐漸減弱，以至運動停止。要維持振動必須由另一系統(tǒng)不斷給以激發(fā)，即不斷地補充能量，這種由外加作用維持的振動，稱為強迫振動。 (不符合機械能守恒)y=Acos(Pt+)其中：A：振幅，最大水平位移 P：策動力的圓頻率T ：初相位 12波動 振動的傳播過程，成為波動。 波動分為機械波和電磁波兩大類。 機械波是機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程。如水波、聲波、超聲波等。 電磁波是交變電磁場在空間的傳播過程。如無線電波、紅外線、

14、可見光、紫外線、X射線、射線等。 超聲波是機械波，因此下面只討論機械波。 物質(zhì)的彈性模型 彈性介質(zhì)：這種質(zhì)點間以彈性力聯(lián)系在一起的介質(zhì)稱為彈性介質(zhì)。一般固體、液體、氣體都可視為彈性介質(zhì)。 機械波的產(chǎn)生：彈性介質(zhì)中的一個質(zhì)點的振動就會引起鄰近質(zhì)點的振動，鄰近質(zhì)點的振動又會引起較遠質(zhì)點的振動，于是振動就以一定的速度由近及遠地向各個方向傳播開來，從而就形成了機械波。 機械波：是機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程. 機械波必須具備以下兩個條件:1）要有作機械振動的波源；2）能傳播機械振動的彈性介質(zhì)。 振動與波動是互相關(guān)聯(lián)的，振動是產(chǎn)生波動的根源，波動是振動狀態(tài)的傳播。波動中介質(zhì)各質(zhì)點并不隨波前進，只是以交

15、變的振動速度在各自的平衡位置附近往復運動。 波動是振動狀態(tài)的傳播過程，也是振動能量的傳播過程。這種能量的傳播，不是靠質(zhì)點的遷移來實現(xiàn)的，而是由各質(zhì)點的位移連續(xù)變化來逐漸傳播出去的 。 機械波的主要物理量 波長 ： 單位：mm、m 同一波線上相鄰兩振動相位相同的質(zhì)點間的距離.或者說：沿著波的傳播方向，兩個相鄰的同相位質(zhì)點間的距離。 頻率 ：f 單位：赫茲（Hz） 波動過程中,任一給定點在1秒鐘內(nèi)所通過的完整波的個數(shù). 波速 ：C 單位：m/s km/s 波動中,波在單位時間內(nèi)所傳播的距離稱為波速. C= f 或=C/f波長與波速成正比，與頻率成反比。當頻率一定時，波速愈大，波長就愈長；當波速一定

16、時，頻率愈低，波長就愈長。1、根據(jù)質(zhì)點的振動方向分類 根據(jù)波動傳播時介質(zhì)質(zhì)點的振動方向相對于波的傳播方向的不同,可將波動分為縱波、橫波、表面波和板波等. 縱波：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向平行。用 L 表示，又稱壓縮波或疏密波。 當介質(zhì)質(zhì)點受到交變正應力作用時，質(zhì)點之間產(chǎn)生相應的伸縮形變，從而形成縱波。這時介質(zhì)質(zhì)點疏密相間，故縱波又稱為壓縮波或疏密波。 凡能承受拉伸或壓縮應力的介質(zhì)都能傳播縱波。所以，縱波可以在固體、液體和氣體中傳播。橫波：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向垂直。用S 表示 當介質(zhì)質(zhì)點受到交變的剪切應力作用時，產(chǎn)生切變變形，從而形成橫波。只有固體能夠承受剪切應力，液體和氣

17、體不能承受剪切應力，因此，橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體中傳播。 表面波：當介質(zhì)表面受到交變應力作用時，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟āＳ肦表示，表面波是瑞利在1887年首次提出的，因此，表面波又稱瑞利波。 表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r，質(zhì)點作橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運動可以視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波和橫波的合成。所以，表面波和橫波一樣，只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體中傳播。 表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?。表面波的能量隨傳播深度的增加而迅速減弱。一般認為，表面波檢測只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長深度范圍內(nèi)的缺陷。 各 種 類 型 波 的 比 較

18、波的類型質(zhì)點振動特點傳播介質(zhì)應用縱波質(zhì)點振動方向平行于波傳播方向固、液、氣體介質(zhì)鋼板、鍛件檢測等橫波質(zhì)點振動方向垂直于波傳播方向固體介質(zhì)焊縫、鋼管檢測等表面波質(zhì)點作橢圓運動，橢圓長軸垂直波傳播方向，短軸平行于波傳播方向固體介質(zhì)鋼管檢測等2、按波的形狀分類按波的形狀分類 波的形狀（波形）是指波陣面的形狀。 波陣面：同一時刻，介質(zhì)中振動相位相同的所有質(zhì)點所聯(lián)成的面稱為波陣面。 波 前：某一時刻，波動所到達的空間各點聯(lián)成的面積稱為波前。 波 線：波的傳播方向稱為為波線。 由以上定義可知，波前是最前面的波陣面。任意時刻，波前只有一個，而波陣面卻有很多。在各向同性的介質(zhì)中，波線恒垂直于波陣面或波前。 據(jù)

19、波陣面形狀不同，可以把不同波源發(fā)出的波分為平面波、柱面波和球面波。（1）平面波 波陣面為互相平行的平面的波稱為平面波。平面波的波源為一個平面。 尺寸遠大于波長的剛性平面波源在各向同性的均勻介質(zhì)中輻射的波可視為平面波。 平面波波束不擴散，平面波各質(zhì)點振幅是一個常數(shù)，不隨距離而變化。)(coscxtAy （2）柱面波 波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波的波源為一條線 。 長度遠大于波長的線狀波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為柱面波。柱面波波束向四周擴散，柱面波各質(zhì)點的振幅與距離平方根成反比。)cos(cxtxAy （3）球面波 波陣面為同心圓的波稱為球面波。球面波的波源為一點 。 尺寸遠小

20、于波長的點波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為球面波。球面波波束向四面八方擴散，球面波各質(zhì)點的振幅與距離成反比。 實際應用的超聲波探頭中的波源近似活塞振動，在各向同性的介質(zhì)中輻射的波稱為活塞波。當距離源的距離足夠大時，活塞波類似于球面波。)(coscxtxAy 3、按振動的持續(xù)時間分類、按振動的持續(xù)時間分類 根據(jù)波源振動的持續(xù)時間長短，將波動分為連續(xù)波和脈沖波。 （1） 連續(xù)波 波源持續(xù)不斷地振動所輻射的波稱為連續(xù)波。 超聲波穿透法檢測常采用連續(xù)波。 （2） 脈沖波 波源振動持續(xù)時間很短（通常是微秒數(shù)量級），間歇輻射的波稱為脈沖波。 目前超聲波檢測中廣泛采用的就是脈沖波。 超聲波在介質(zhì)中的傳播

21、速度是表征介質(zhì)聲學特性的重要參數(shù)。 超聲波、次聲波和聲波都是機械波，在同一介質(zhì)中的傳播速度是相同的。 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)。 超聲波的傳播速度與下列因素有關(guān)： 1）介質(zhì)：彈性模量、密度、彈性變形形式、尺寸大小、均勻性等 2）超聲波的波型：如縱波、橫波與表面波等 3）超聲波本身的性質(zhì)： C= f 4）溫度: 一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低。 3-1 無限大固體介質(zhì)中的聲速縱波聲速：橫波聲速：表面波聲速：E：介質(zhì)的楊氏彈性模量；：介質(zhì)的泊松比； ：介質(zhì)密度G：介質(zhì)的切變彈性模量)1)(21 ()1 (ECL)1 (2ECSGCR112. 187. 0由以上三式可

22、知：1）固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有關(guān)，不同的介質(zhì)聲速不同； 介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。2）聲速與波的類型有關(guān)，在同一種固體介質(zhì)中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并存在如下關(guān)系：CLCSCR 對于鋼材: CL:CS:CR=1.8 : 1 : 0.93-2 細長棒中的縱波聲速 CLb 細長棒中(棒徑d)縱波的聲速與無限大介質(zhì)中的縱波聲速不同. 固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)溫度、應力、均勻性有關(guān)。 一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低。 一般應力增加，聲速增加。B :液體、氣體介質(zhì)的容變彈性模量，表示產(chǎn)生單位容積相對變化量所需的壓強； ：液體、氣體介質(zhì)的密度 幾乎除水以

23、外的所有液體當溫度升高時，容變彈性模量減小，聲速降低。 水是溫度在74攝氏度左右時聲速達最大值。BC 探傷儀測量法 測厚儀測量法 示波器測量法 4-1 波的疊加原理 幾列波相遇后仍保持自已原有的頻率、波長、振動方向等特性并按原來的傳播方向繼續(xù)前進，好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣，這就是波的疊加原理。又稱波的獨立性原理。 波的迭加現(xiàn)象可以從許多事實觀察到，如兩石子落水，可以看到兩個以石子入水處為中心的圓形水波的迭加情況和相遇后兩波仍按原來的方向進行傳播的情況。 4-2 波的干涉 兩列頻率相同，振動方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時，介質(zhì)中某些地方的振動互相加強，而另一些地方的振動互相減

24、弱或完全抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。 產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波較相干波。 波的干涉是一種特殊狀態(tài)下的波的疊加。 駐波 兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播時互相疊加而成的波，稱為駐波 駐波是波的干涉的特例。 4-3惠更斯原理 波動是振動狀態(tài)的傳播，如果介質(zhì)是連續(xù)的，那么介質(zhì)中任何質(zhì)點的振動都將引起鄰近質(zhì)點的振動，鄰近質(zhì)點的振動又會引起較遠質(zhì)點的振動，因此波動中任何質(zhì)點都可以看作是新的波源。據(jù)此惠更斯于1690年提出了著名的惠更斯原理：介質(zhì)中波動傳播到的各點都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其后任意時刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。 利用惠更斯原理可以確定波前的幾何形狀和波的傳播方向。可以解釋波

25、的反射、折射及衍射等現(xiàn)象。 惠更斯原理圖 4-4 波的衍射 波在傳播過程中遇到與波長相當?shù)恼系K物時，能繞過障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進的現(xiàn)象，稱為波的衍射或波的繞射。 波的衍射現(xiàn)象是衍射時差法超聲檢測（TOFD）的物理基礎(chǔ)。 波的衍射 波的衍射和障礙物的尺寸Df及波長的相對大小有關(guān).當Df 時,反射強,繞射弱,幾乎全反射;當Df Z1 如水/鋼 r = (Z2-Z1) / (Z1+Z2)0,反射聲壓Pr 和入射聲壓 P0同相位，界面上入射波和反射波疊加形成駐波，合成聲壓最大Pr P0 水/鋼界面：r =0.935 R=0.875 t =1.935 T=0.125 （2）當Z1 Z2 如鋼/水 r

26、 = (Z2-Z1) / (Z1+Z2)Z2 如鋼/空氣 鋼/空氣界面：r -1 t 0 t r =1 R 1 T 0 R+T=1 表明：當入射波聲阻抗遠大于透射波介質(zhì)聲阻抗時，聲壓反射率趨于1，透射率趨于0，聲壓幾乎全反射，無透射。 探傷中，探頭與工件間如不施加耦合劑，則形成固/氣界面，超聲波無法進入工件。 （4）當Z1Z2 如鋼板和焊縫 r 0 t 1 R 0 T 1 超聲波垂直入射的聲阻抗相差很近的界面時，幾乎全透射，無反射。 在焊縫探傷中，母材和填充焊縫金屬，聲阻抗非常接近，若沒有任何缺陷，是不會產(chǎn)生界面回波的。 以上討論的超聲波縱波垂直入射到第一平界面上的聲壓、聲強反射率和透射率公式

27、同樣適用于橫波入射的情況，但必須注意的是在橫波入射到固體/液體或固體/氣體界面上，橫波全反射。因為橫波不能在液體和氣體中傳播。例：超聲波垂直入射至水/鋼界面，已知水的聲速CL1=1500m/s,密度為1000kg/m3，鋼中聲速CL2=5900m/s, Cs2=3230m/s,密度為7800kg/m3，試計算界面聲壓反射率r、聲壓投射率t、聲強反射率R和聲強透射率T？ 解： 根據(jù)聲阻抗定義：Z=c 水的聲阻抗：Z1= 1cL1 = 1000kg/m31500m/s 鋼的聲阻抗：Z2= 2cL2 = 7800kg/m35900m/s 2112ZZZZrsmkg26/105 . 1smkg27/1

28、06 . 42122ZZZt22112)(ZZZZR22121)(4ZZZZT 72 薄層界面的反射率與透射率 薄層：耦合層、缺陷薄層Z3 Z2Z1d2d2 超聲波脈沖寬度d2 超聲波脈沖寬度1、均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層(Z1=Z3Z2)222222222sin)1(4112sin)1(41dmmdmmr22222sin)1(4111dmmt聲壓反射率和聲壓透射率不僅與介質(zhì)聲阻抗和薄層聲阻抗有關(guān)，而且還與 有關(guān)。（1）當 r0,t 1 即薄層厚度為其半波長的整數(shù)倍時,超聲波全透射,幾乎無反射,好象不存在異質(zhì)薄層一樣.這種透聲層叫半波透聲層。（2）當 r1,t 0 即當異質(zhì)薄層厚度等于其四分之一波長

29、的奇數(shù)倍時,聲壓透射率最低,聲壓反射率最高.22d222 nd4) 12(22nddfcfcdd2/22（1）當f1MHZ時，鋼中厚度為d= mm的氣隙幾乎100反射。兩塊緊貼在一起的十分精密的鋼塊之間的間隙也有 mm?？梢姵暡▽z測含有氣體介質(zhì)的裂紋等面積型缺陷的靈敏度是很高的。（2）當材料中的氣隙或水隙厚度一定時，頻率增加，聲壓反射率隨著增加。 例：對鋼中氣隙d= mm時，f=1MHz,r=20%； f=5MHz,r=60% 提高超聲波探傷頻率對于提供探傷靈敏度是有利的。 510510510710710 2、薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面(Z1 Z3Z2) 例如：晶片保護膜工件； 有機玻璃耦合

30、層工件薄層的聲強透射率T為： 22222312222231312sin)(2cos)(4dZZZZdZZZZT22222312222231312sin)(2cos)(4dZZZZdZZZZT（1）當 時， 當薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍時,通過薄層的聲強透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān);（2）當 時，且 當薄層厚度等于四分之一波長的奇數(shù)倍時,聲強透射率等于1，超聲波全透射。這對于直探頭保護膜設(shè)計具有重要的理論指導意義。222nd 23131)(4ZZZZT4) 12(22nd312ZZZ1)(42231231ZZZZZZT 在超聲波單探頭檢測中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。探頭發(fā)出的超聲波透過界面進入工件，

31、在固/氣界面產(chǎn)生全反射后再次通過同一界面被探頭接收。這時探頭接收到的回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比，稱為聲壓往復透射率T往 P0PtPtPaZ1Z2Z空氣=0 1、往復透射率高，探傷靈敏度高，反之，探傷靈敏度低。 2、聲壓往復透射率與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，與從何種介質(zhì)入射到界面無關(guān)。 3、界面兩側(cè)的介質(zhì)聲阻抗相差愈小，聲壓往復透射率就愈高，反之就愈低。2122100)(4TZZZZPPPPPPtata往81 波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律 波型轉(zhuǎn)換：當超聲波斜入射的界面時，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射外，還會產(chǎn)生不同類型的反射和折射。幾何光學三定律：1、在均勻介質(zhì)中光線沿直線傳播；2、入射角反射

32、角；入射線、反射線、折射線在同一平面內(nèi)；3、入射角和折射角滿足： n: 折射率nsinsin21ccn 21sinsinCC 縱波入射Z1Z2LL L SSLSLSL 根據(jù)反射、折射定律： 同一介質(zhì)中縱波的聲速不變,因此 = 同一介質(zhì)中縱波的聲速大于橫波的聲速，因此 , 22111sinsinsinsinsinSsLLSsLLLLCCCCCLLLS LS 第一臨界角：第一臨界角： 當CL2 CL1 時，L L ,隨著L 增大,L 也增大，當 L 90時，所對應的縱波入射角,1第二臨界角：第二臨界角： 211arcsinLLCC21arcsinSLCC21sinsinSsLLCC21sinsin

33、LLLLCC（1）當縱波入射角小于第一臨界角時，第二介質(zhì)中既有縱波又有橫波；（2）當縱波入射角介于第一臨界角和第二臨界角時，第二介質(zhì)中只有橫波，沒有縱波，這就是常用橫波斜探頭的制作原理。（3）當縱波入射角大于等于第二臨界角時，第二介質(zhì)中即沒有縱波也沒有橫波，這是其介質(zhì)的表面存在表面波，這就是常用表面波探頭的制作原理。 例如，縱波傾斜入射到有機玻璃/鋼界面時，有機玻璃中：CL1=2730m/s，鋼中CL2=5900m/s，CS2=3230m/s。則第一、二臨界角分別為： 由此可見有機玻璃橫波探頭L=27.657.7，有機玻璃表面波探頭L57.7 6 .2759002730arcsinarcsin

34、21LLcc7 .5732302730arcsinarcsin21SLcc 橫波入射SZ1Z2SL L S 橫波入射反射、折射定律第三臨界角： 當橫波入射角增大到一定程度，反射縱波沿著界面?zhèn)鞑?，這時所對應當橫波入射角為第三臨界角。 當橫波入射角大于等于第三臨界角時，第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒有反射縱波，即橫波全反射。 11arcsinLSIIICC111sinsinLLSsCC 例：對鋼/空氣界面 5900m/s, =3230m/s, =33.2當 時，鋼中橫波全反射。1LC1SC11arcsinLSIIICC02 .33sLLS有機玻璃晶片鋼鋼 超聲波反射、折射定律只討論了各種反射波、折射波

35、的方向問題，未涉及聲壓反射率和透射率問題。由于傾斜入射時，聲壓反射率、透射率不僅與介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，而且與入射角有關(guān)，其理論計算公式十分復雜，因此這里只介紹由理論計算結(jié)果繪制的曲線圖形。 1、縱波斜入射到鋼/空氣界面的反射 如圖所示，當縱波傾斜入射到鋼/空氣界面時，縱波聲壓反射率rLL與橫波聲壓反率rLS 隨入射角L而變化。當L=60左右時，rLL很低，rLS很高。原因是縱波傾斜入射，當L=60左右時產(chǎn)生一個較強的變型反射橫波。鋼空氣LLSLrLSrLL20406080LrLL0.21.0rLS 2、橫波斜入射到鋼/空氣界面的反射 如圖所示，橫波傾斜入射到鋼/空氣界面，橫波聲

36、壓反射率rSS 與縱波聲壓反射率rSL 隨入射角而變化。當=30左右時，rSS很低，rSL較高。當33.2（）時，rSS=100，即鋼種橫波全反射。鋼空氣SLSS20406080srSS0.21.0rSLrSSrSL33.2PtPtP0Pa 聲壓往復透射率：超聲波傾斜入射，折射波全反射，探頭接收到的回波聲壓Pa 與入射波聲壓P0之比。 超聲波探傷中，常用的是反射法，超聲波往復通過同一探測面，因此，聲壓往復透射率才具有實際意義。0PPTa 水/鋼界面聲壓往復透射率 下圖為縱波傾斜入射至水/鋼界面時的聲壓往復透射率與入射角的關(guān)系曲線。當縱波入射角L14.5（）時，折射縱波的往復透

37、射率TLL不超過13%，折射橫波的往復透射率TLS小于6。當L=14.527.27（）時，鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波的往復透射率TLS最高不到20。實際檢測中水浸檢測鋼材就屬于這種情況。 有機玻璃/鋼界面上的聲壓往復透射率 下圖 為縱波傾斜入射至有機玻璃/鋼界面時往復透射率與入射角之間的關(guān)系曲線。當L27.6（）時，折射縱波的往復透射率TLL不超過小于25 ，折射橫波的往復透射率TLS小于10 。當L=27.657.7（）時，鋼中只有折射橫波，無折射縱波。折射橫波的往復透射率TLS最高不超過30。這時所對應的L30，S37。實際檢測中有機玻璃橫波探頭檢測鋼材就屬于這種情況。 有

38、機玻璃/鋼界面上的聲壓往復透射率 84 端角反射端角反射：超聲波在兩個平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射叫做端角反射。 P0Pa橫波斜探頭 端角反射率： 回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比.T端 Pa / P0鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率。下圖可知，縱波入射時，端角反射率都很低，這是因為縱波在端角的兩次反射中分離出較強的橫波。 鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率 橫波入射時 橫波入射時，入射角S=30或60附近時，端角反射率最低。S在3555時端角反射率達100，實際工作中，橫波檢測焊縫單面焊根部未焊透的情況就類似于這種情況，當橫波入射角S（等于橫波探頭的折射角S）=3555，即K=tgS=0.71.43時，

39、檢測靈敏度最高。當S=56，即K=1.5時，檢測靈敏度較低，可能引起漏檢。 超聲波是一種頻率很高波長很短的機械波，當超聲波入射到曲界面上時，與可見光入射到曲界面上的情況相似，具有聚焦和發(fā)散的特性。而且，由于超聲波在界面上會產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，因此超聲波的聚焦與發(fā)散更為復雜。為了便于討論，這里不考慮波型轉(zhuǎn)換存在。超聲波在遇到曲界面時的聚集與發(fā)散，與入射波的波形，曲界面兩側(cè)的聲速等因素有關(guān)，存在多種可能性。下面就超聲波檢測中經(jīng)常遇到的情況，作簡單的介紹。 91 聲壓距離公式1、平面波 平面波不擴散，而是相互平行，因此，聲壓不隨距離而擴散。2、球面波 球面波的波振面為同心球面，超聲場中某一點的聲壓與該點至

40、波源的距離成反比。P0：初始聲壓X：某點至波源的距離XPP1 3、柱面波 柱面波的波振面為同軸柱面，聲壓與距離的平方根成反比。XPP1 1、球面波在單一平界面上的反射 球面波入射到平界面上,其反射波仍為球面波,且波源與入射波源對稱,反射波聲壓為:式中: r 為聲壓反射率; x為從虛擬波源O算起的距離xPrp12、球面波在雙界面的反射 球面波在互相平行的雙界間的多次反射仍符合球面波變化規(guī)律. 實際探傷中，當平行界面的間距d較大時，超聲波探頭發(fā)出的超聲波可視為球面波，示波屏上各次底波反射波的高度近似符合 1： ： 的規(guī)律。2131 3、球面波在單一平面上的折射 由于聲速的不同,球面波入射到平界面上

41、時,其折射波不再是嚴格的球面波.只有當張角較小時，可視為近似的球面波，且有： 對水/鋼界面: 這說明：球面波入射的水/鋼界面時，其折射角更加發(fā)散。 折射聲壓：t ： 聲壓透射率; x ：從折射波源算起的距離212121sinsinCC41590014502121CCxPtP11、平面波在曲界面上的反射 當平面波入射到曲界面上時，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散。平面波束與曲界面上各入射的法線成不同的夾角：入射角為0C的聲束沿原方向返回，稱為聲軸，其余聲線的反射則隨著距聲軸距離的增大，反射角逐漸增大。 當曲界面為凹球面時，反射線匯聚于一個焦點上； 當曲界面為凹圓柱面時，反射線匯聚于一條焦線上。此時，焦距

42、為：式中：r曲界面的曲率半徑mm。2rf 平面波入射到球面時,其反射波發(fā)生聚焦或發(fā)散，與球面的凹凸有關(guān)。反射波可視為從焦點發(fā)出的球面波，其反射聲壓為：式中：f 焦距 x 軸線上某點至頂點的距離; P0 頂點處入射波聲壓; ：+用于發(fā)散，-用于聚焦。fxfxPP0 平面波入射到柱面時,其反射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波. 實際探傷中，球形、柱形氣孔的反射就屬于以上兩種情況。fxfxPP0 2、平面波在曲界面上的折射 平面波入射到曲面上時，其折射波也將聚焦和發(fā)散，這時聚焦和發(fā)散不僅僅與曲面的凹凸有關(guān)，而且，與界面兩側(cè)介質(zhì)的波速有關(guān)。 對于凹面，當C1C2時聚焦，當C1C2時發(fā)散； 對于凸面，當C1C

43、2時聚焦，當C1C2時發(fā)散。 平面波入射至球面透鏡時,其折射波可視為從焦點發(fā)出的球面波，聲壓公式：式中: t 為聲壓透射率; f 為焦距, P0 為 頂點處入射波聲壓; + 用于發(fā)散,- 用于聚焦fxfxtPP0 平面波入射到柱面透鏡,其折射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波.其聲壓公式： 實際檢測用的水浸聚焦探頭就是根據(jù)平面波入射到C1C2的凸透鏡上，折射波發(fā)生聚焦的特點來設(shè)計的，這樣可以提高檢測靈敏度。fxftpPx0 1、球面波在曲界上的反射 球面波在球面上的反射波,可視為從像點發(fā)出的球面波.式中: P1 為球面頂點處入射波聲壓; a 為球面頂點至波源的距離; “”“”發(fā)散，“” 聚焦 實際探傷中，距波源較遠的球形氣孔缺陷就