現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)超聲檢測(cè)技術(shù)

1、現(xiàn)代(xindi)測(cè)試技術(shù)2013.9共一百零二頁第七章 超聲檢測(cè)(jin c)技術(shù)超聲檢測(cè)(jin c)技術(shù)共一百零二頁第一節(jié) 超聲波的理論(lln)基礎(chǔ)7.1超聲檢測(cè)(jin c)的理論基礎(chǔ)共一百零二頁一、什么(shn me)是超聲波7.1超聲檢測(cè)的理論(lln)基礎(chǔ)振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng), 簡(jiǎn)稱波。頻率在20 2104 Hz之間,聲波; 低于16 Hz的，次聲波; 高于2104 Hz，超聲波。工業(yè)超聲檢測(cè)常用工作頻率：0.5 10MHz；較高頻率用于細(xì)晶材料和高靈敏度檢測(cè)；較低頻率常用于衰減較大的材料和粗晶材料的檢測(cè)。共一百零二頁二、描述(mio sh)超聲波的基本物理量聲速：?jiǎn)?/p>

2、位時(shí)間內(nèi)，超聲波在介質(zhì)中傳播的距離稱為(chn wi)聲速，用符號(hào)“c”表示。頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，超聲波在介質(zhì)中任一給定點(diǎn)所通過完整波的個(gè)數(shù)稱為頻率，用符號(hào)“f ”表示。波長：聲波在傳播時(shí)，同一波線上相鄰兩個(gè)相位相同的質(zhì)點(diǎn)之間的距離稱為波長，用符號(hào)“”表示。周期：聲波向前傳播一個(gè)波長距離時(shí)所需要的時(shí)間稱為周期，用符號(hào)“T”表示。角頻率：角頻率用符號(hào)“”表示。定義為=2f。上述各量之間的關(guān)系為： T=1/f=2 / =/c7.1超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)共一百零二頁三、超聲波的特點(diǎn)(tdin)7.1超聲檢測(cè)(jin c)的理論基礎(chǔ)方向性好：超聲波具有像光波一樣定向束射的特性。穿透能力強(qiáng)：對(duì)于大多數(shù)介質(zhì)而言

3、，它具有較強(qiáng)的穿透能力。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達(dá)數(shù)米。能量高：超聲檢測(cè)的工作頻率遠(yuǎn)高于聲波的頻率，超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的能量。遇有界面時(shí)，超聲波將產(chǎn)生反射、折射和波型的轉(zhuǎn)換：利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過巧妙的設(shè)計(jì)，使超聲檢測(cè)工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。對(duì)人體無害。共一百零二頁7.1超聲檢測(cè)(jin c)的理論基礎(chǔ)四、超聲波的分類(fn li)波型：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向之間的關(guān)系；波形：波振面的形狀；共一百零二頁 縱波(zn b)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相同的波叫縱波；介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在交變(jio bin)拉壓應(yīng)力的作用下，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸

4、縮變形縱波傳播時(shí)，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)疏密相間，又稱為壓縮波或疏密波。 能在任何介質(zhì)中傳播，氣體、液體、固體。7.1超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)按波型分類直探頭產(chǎn)生縱波共一百零二頁 橫波(hngb)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向；由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變切應(yīng)力作用時(shí)， 產(chǎn)生切變形變，又稱切變波；只能在固體介質(zhì)中傳播，因?yàn)橐后w和氣體(qt)介質(zhì)不能承受切應(yīng)力。7.1超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)斜探頭產(chǎn)生縱波共一百零二頁在同一介質(zhì)(jizh)中,縱波聲速比橫波聲速快,縱波波長比橫波波長短.縱波(zn b)與橫波的應(yīng)用特點(diǎn)縱波的穿透能力比橫波強(qiáng).橫波常用于焊縫檢測(cè)對(duì)粗晶粒焊縫檢測(cè),常用縱波斜探頭 橫波檢測(cè)靈敏度高,能檢測(cè)的最

5、小缺陷比縱波小. 鋼有機(jī)玻璃縱波聲速橫波聲速58805900 m/s3230 m/s2720 m/s1460 m/s7.1超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)共一百零二頁 表面波（瑞利波）當(dāng)超聲波在固體(gt)介質(zhì)中傳播時(shí)， 對(duì)于有限介質(zhì)而言，有一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ǎ唤橘|(zhì)做橢圓運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)是縱波與橫波的合成；只能在固體傳播。7.1超聲檢測(cè)的理論(lln)基礎(chǔ)共一百零二頁 板波（蘭姆波）在板厚和波長相當(dāng)?shù)膹椥员“逯袀鞑サ某暡?；板波傳播時(shí)聲場(chǎng)遍及整個(gè)板的厚度； 薄板兩表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)為縱波(zn b)和橫波的組合， 軌跡為一橢圓；按其傳播方式又可分為對(duì)稱型（S型）和非對(duì)稱型（A型）兩種。7.1超聲檢測(cè)(jin c

6、)的理論基礎(chǔ)(a) 對(duì)稱型； (b) 非對(duì)稱型 共一百零二頁(a) 平面波； (b) 柱面波； (c) 球面波 按波形(b xn)分類7.1超聲檢測(cè)的理論(lln)基礎(chǔ)平面波/活塞波: 平面聲源產(chǎn)生的波形,超聲檢測(cè)常用波形 共一百零二頁用波線表示傳播的方向；波陣面：將同一時(shí)刻介質(zhì)中振動(dòng)相位相同(xin tn)的所有質(zhì)點(diǎn)所連成的面波前：某一時(shí)刻振動(dòng)傳播到達(dá)的距聲源最遠(yuǎn)的各點(diǎn)所連成的面；在各向同性介質(zhì)中波線垂直于波陣面；在任何時(shí)刻，波前總是距聲源最遠(yuǎn)的一個(gè)波陣面； 波前只有一個(gè)，而波陣面可以有任意多個(gè)。 基本(jbn)術(shù)語7.1超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)共一百零二頁連續(xù)(linx)波和脈沖波連續(xù)波：介質(zhì)中

7、各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)間為無窮；脈沖波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)間很短；超聲檢測(cè)中最常用的是脈沖波。對(duì)脈沖波進(jìn)行(jnxng)頻譜分析，可知它并非單一頻率，而是包括多種頻率成分。其中人們關(guān)心的頻譜特征量主要有峰值頻率、頻帶寬度和中心頻率。 7.1超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)共一百零二頁五、超聲場(chǎng)和聲介的聲參量(cnling) 充滿(chngmn)超聲波的空間或介質(zhì)中，超聲振動(dòng)所波及的質(zhì)點(diǎn)占據(jù)的范圍叫超聲場(chǎng)。描述超聲場(chǎng)的聲參量 聲壓 p超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬時(shí)所具有的壓強(qiáng)P1與沒有超聲波存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差稱為該點(diǎn)的聲壓，用P表示;超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓幅值Pm與角頻率成正比，即與頻率成正比。7.1超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)共一

8、百零二頁 聲阻抗 Z介質(zhì)中某一點(diǎn)的聲壓幅值Pm與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值Vm之比；聲阻抗表示超聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用，在同一聲壓下，聲阻抗Z愈大，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度就愈??；氣體、液體和固體的聲阻抗相差較大(jio d)，Z氣：Z液：Z金屬=1：3000：8000。r, c分別(fnbi)表示介質(zhì)密度和聲速7.1超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)共一百零二頁聲強(qiáng)(shn qin) I單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(tnggu)單位面積的聲能，稱為聲強(qiáng)，用I表示，單位為W/cm2;聲強(qiáng)與角頻率平方成正比。由于超聲波的頻率很高，故超聲波的聲強(qiáng)很大，這是超聲波能用于檢測(cè)的重要依據(jù)。 7.1超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)共一百零二頁 分貝dB

9、實(shí)際檢測(cè)(jin c)中，將聲強(qiáng)I1與I2之比取對(duì)數(shù)的10倍得到二者相差的數(shù)量級(jí)，這時(shí)單位為分貝，用dB表示，即 式中： Pm1、 Pm2分別(fnbi)為聲強(qiáng)I1、 I2對(duì)應(yīng)的聲壓幅值。 7.1超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)共一百零二頁對(duì)于線性良好的超聲波檢測(cè)儀，示波屏上波高與聲壓成正比，即任意(rny)兩波高H1、H2之比等于相應(yīng)的聲壓Pm1、Pm2之比， 即 取自然對(duì)數(shù)(z rn du sh)ln， 單位則為奈培。有：7.1超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)共一百零二頁7.1超聲檢測(cè)(jin c)的理論基礎(chǔ)描述(mio sh)聲介的聲參量聲速 cc與超聲波的波型有關(guān)，又是一個(gè)表征介質(zhì)聲學(xué)特性的參量；聲速又可分為相速

10、度和群速度。相速度是指聲波傳播到介質(zhì)的某一選定相位點(diǎn)時(shí)在傳播方向上的聲速，群速度是指?jìng)鞑ヂ暡ǖ陌j(luò)上具有某種特征（如幅值最大）的點(diǎn)上沿傳播方向上的聲速， 群速度是波群的能量傳播速度；縱波、橫波和表面波的聲速主要是由介質(zhì)的彈性性質(zhì)、密度和泊松比決定的，而與頻率無關(guān)，相速度和群速度相同；板波的相速度隨頻率變化而變化；這種現(xiàn)象被稱為頻散。共一百零二頁7.1超聲檢測(cè)(jin c)的理論基礎(chǔ)聲衰減系數(shù) a 超聲波的衰減指的是超聲波在材料中傳播時(shí)，聲壓或聲能隨距離的增大逐漸減小的現(xiàn)象。引起衰減的原因主要有三個(gè)方面：一是聲束的擴(kuò)散；二是由于材料中的晶?；蚱渌⑿?wixio)顆粒引起聲波的散射；三是介質(zhì)的吸

11、收。共一百零二頁 通常關(guān)心的是散射衰減和吸收(xshu)衰減，對(duì)于平面波來說， 聲壓幅值衰減規(guī)律可用下式表示： 介質(zhì)中超聲波的衰減系數(shù)a與超聲波的頻率關(guān)系密切， 通常情況下，衰減系數(shù)隨頻率的增高而增大，且橫波引起(ynq)的衰減大于縱波。 7.1超聲檢測(cè)的理論基礎(chǔ)對(duì)粗晶材料盡量選低頻, 縱波探頭共一百零二頁第二節(jié) 超聲波在介質(zhì)中的傳播(chunb)特性7.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播(chunb)特性共一百零二頁N近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)焦點(diǎn)(jiodin)聲束擴(kuò)散(kusn)角壓電晶片主聲軸D06一、 超聲波束射特性7.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性共一百零二頁束射特性(txng)對(duì)超聲檢測(cè)的影響近場(chǎng)影響(yng

12、xing): 超聲在近場(chǎng)內(nèi)聲壓不穩(wěn)定,應(yīng)盡量避免在近場(chǎng)內(nèi)檢測(cè)探頭直徑越小, 近場(chǎng)越短, 探頭頻率越低, 近場(chǎng)越短 薄板應(yīng)盡量選擇近場(chǎng)短的探頭, 厚板應(yīng)盡量選擇近場(chǎng)長的探頭如必須在近場(chǎng)內(nèi)檢測(cè),必須使用對(duì)比試塊對(duì)缺陷定量聲速擴(kuò)散角的影響: 聲速擴(kuò)散角越小,能量越集中,能提高橫向分辨率 小的擴(kuò)散角與短的近場(chǎng)長度是矛盾關(guān)系, 因此應(yīng)綜合考慮各因素選擇合適的探頭探頭直徑越大,頻率越高, 聲速擴(kuò)散角越小 7.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性共一百零二頁二、 超聲波垂直(chuzh)入射到平界面上的反射和透射單一(dny)界面 超聲波垂直入射于平界面的反射與透射 透射波(聲強(qiáng)為It)反射波(聲強(qiáng)為Ir)聲波的反

13、射和透射是超聲波檢測(cè)缺陷的物理基礎(chǔ)。 7.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性在垂直入射時(shí)，邊界條件：一側(cè)聲壓等于另一側(cè)聲壓；兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度振幅相等，以保持波的連續(xù)性。共一百零二頁聲壓(shn y)透射率t：聲壓(shn y)反射率r： 為了研究反射波和透射波的能量關(guān)系，引入聲強(qiáng)反射率R和聲強(qiáng)透射率T兩個(gè)量：7.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性聲波垂直入射到平界面上時(shí)，聲壓和聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。共一百零二頁 對(duì)于脈沖反射技術(shù)(jsh)來說，還有一個(gè)有意義的量是聲壓往返透過率:聲壓往返(wngfn)透過率 7.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性共一百零二頁薄層(bo cn)界面在兩個(gè)界面上的

14、反射(fnsh)和透射超聲波經(jīng)過耦合劑層進(jìn)入試件，Z1Z2Z3；試件存在裂紋或分層等， Z1=Z3Z27.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性共一百零二頁0,131,0-0,87樹脂玻璃入射波透射波反射波鋼超聲波垂直(chuzh)入射示例7.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播(chunb)特性共一百零二頁反射特性(txng)對(duì)超聲檢測(cè)的影響 檢測(cè)分層時(shí),應(yīng)盡量用不同(b tn)頻率的探頭檢測(cè),避免透聲層影響 超聲波能檢測(cè)到的最小缺陷尺寸為半波長 探頭的頻率越高, 能檢測(cè)出的缺陷越小 對(duì)于粗晶粒材料, 應(yīng)選擇頻率盡量低的探頭, 提高穿透性能和信噪比 探頭保護(hù)膜聲阻抗應(yīng)盡量滿足 檢測(cè)時(shí)應(yīng)盡量使偶合劑厚度趨于07.2

15、 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性共一百零二頁7.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播(chunb)特性三、 超聲波傾斜入射到平界面(jimin)上的反射、 折射和波型變換介質(zhì)2為固體共一百零二頁無論是縱波入射還是橫波入射，均有。當(dāng)介質(zhì)1為液體或氣體時(shí)，則入射波和反射波只能為縱波?？v波折射角L要大于橫波折射角S。 反射角與折射角斯奈爾定律(dngl)：7.2 超聲波在介質(zhì)(jizh)中的傳播特性共一百零二頁臨界角 當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)(jizh)中的折射波型的聲速比第一種介質(zhì)(jizh)中入射波型的聲速大時(shí)，折射角大于入射角。第一臨界角 當(dāng)入射波為縱波，且cL2cL1時(shí)，使縱波折射角達(dá)到90的縱波入射角稱為第一臨界角，用

16、符號(hào)表示。當(dāng)縱波入射角大于第一臨界角時(shí)，第二(d r)介質(zhì)中不再有折射縱波。 7.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性共一百零二頁7.2 超聲波在介質(zhì)(jizh)中的傳播特性第二(d r)臨界角 當(dāng)入射波為縱波，第二介質(zhì)為固體， 且cS2cL1時(shí)，使橫波折射角達(dá)到90的縱波入射角為第二臨界角，用符號(hào)表示。臨界角主要應(yīng)用于第二介質(zhì)為固體， 而第一介質(zhì)為固體或液體的情況?？衫萌肷浣窃诘谝慌R界角和第二臨界角之間的范圍，在固體中產(chǎn)生一定角度范圍內(nèi)的純橫波， 對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)。 共一百零二頁第三臨界角 第三臨界角是在固體介質(zhì)與另一種(y zhn)介質(zhì)的界面上，用橫波作為入射波時(shí)產(chǎn)生的。使縱波反射角達(dá)到90時(shí)的橫

17、波入射角稱為第三臨界角，用表示。 7.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播(chunb)特性共一百零二頁第三節(jié) 超聲波檢測(cè)(jin c)7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁 超聲波檢測(cè)設(shè)備一般(ybn)由超聲波檢測(cè)儀、探頭和試塊組成。 7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁一、超聲檢測(cè)(jin c)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)(fxin)缺陷得到缺陷的精確位置對(duì)缺陷定量對(duì)缺陷定性7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁 二、超聲檢測(cè)(jin c)基本原理 當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),如果遇到聲阻抗不同的另一種材料,超聲波將發(fā)生反射,通過分析反射回波得到(d do)工件的內(nèi)部信息超聲波工件缺陷探頭超聲檢測(cè)基本原理7.3 超聲波

18、檢測(cè)共一百零二頁放大器被檢工件(gngjin)探頭(tn tu)水平偏移時(shí)基觸發(fā)電路起始波回波超聲波7.3 超聲波檢測(cè)超聲檢測(cè)基本原理共一百零二頁 三、超聲檢測(cè)儀基本(jbn)結(jié)構(gòu)7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)超聲檢測(cè)儀基本結(jié)構(gòu) 超聲波檢測(cè)儀:產(chǎn)生電振蕩并加于換能器探頭，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)將探頭送回的電信號(hào)進(jìn)行放大處理后以一定方式顯示出來，從而得到被探測(cè)工件內(nèi)部有無缺陷及缺陷的位置和大小等信息。 共一百零二頁接收電路(dinl)發(fā)射電路時(shí)基電路課后閱讀(yud)相關(guān)書籍7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁 超聲檢測(cè)儀分類(fn li)7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)按超聲波的連續(xù)性分類：連續(xù)

19、波檢測(cè)儀、調(diào)頻波檢測(cè)儀、脈沖式檢測(cè)儀。其中脈沖式檢測(cè)儀用途最廣。按（脈沖式）回波信號(hào)的顯示方式：A型顯示、B型顯示和C型顯示。按超聲波的通道分類：可分為單通道和多通道檢測(cè)儀;按是否數(shù)字化分類：可分為數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀和模擬式超聲波檢測(cè)儀。共一百零二頁模擬式和數(shù)字式A型脈沖反射式超聲波檢測(cè)儀在工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛(gungfn)，其型號(hào)有CTS-22、CTS-21、 JTS-5、CST-3等。超聲波檢測(cè)儀(a)、 (b)、 (c) 數(shù)字式超聲檢測(cè)儀； (d) 探傷(tn shng)小車 7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁A型顯示(xinsh)原理圖 A型顯示是一種波形顯示；屏幕的橫坐標(biāo)代表聲波的傳

20、播時(shí)間（或距離），縱坐標(biāo)代表反射波的聲壓幅度；該方式顯示的是沿探頭發(fā)射聲束方向(fngxing)上一條線上的不同點(diǎn)的回波信息。左圖中，T表示發(fā)射脈沖，F(xiàn)表示來自缺陷的回波，B表示底面回波。7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁B型顯示顯示的是試件的一個(gè)二維截面圖；屏幕縱坐標(biāo)代表探頭在探測(cè)面上沿一直線移動(dòng)掃查的位置坐標(biāo)，橫坐標(biāo)是聲傳播的時(shí)間（或距離）；該方式可以(ky)直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度等信息。B型顯示(xinsh)原理圖 7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁C型顯示(xinsh)原理圖 C型顯示顯示的是試件的一個(gè)平面投影圖，探頭在試件表面做二維掃查，屏幕的二維坐標(biāo)對(duì)應(yīng)探頭

21、的掃查位置。探頭在每一位置接收的信號(hào)幅度以光點(diǎn)輝度表示(biosh)。該方式可形象地顯示工件內(nèi)部缺陷的平面投影圖像，但不能顯示缺陷的深度。7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁 超聲檢測(cè)儀選擇(xunz)7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)所需采用的超聲頻率特別高或特別低時(shí)， 應(yīng)注意頻帶寬度。 對(duì)薄試件檢測(cè)和近表面缺陷檢測(cè)時(shí)，應(yīng)注意發(fā)射脈沖是否可調(diào)為窄脈沖。 檢測(cè)大厚度試件或高衰減材料時(shí)，選擇發(fā)射功率大、 增益范圍大、電噪聲低的超聲波檢測(cè)儀，有助于提高穿透能力和小缺陷顯示能力。 對(duì)衰減小或厚度大的試件，選用重復(fù)頻率可調(diào)為較低數(shù)值的超聲波檢測(cè)儀。 室外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，應(yīng)選擇重量輕，熒光屏亮度好， 抗干擾能力強(qiáng)的

22、便攜式超聲波檢測(cè)儀。 自動(dòng)快速掃查時(shí)應(yīng)選擇最高重復(fù)頻率高的超聲波檢測(cè)儀。共一百零二頁超聲波探頭(tn tu)7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)超聲波探頭又稱超聲波換能器，是完成超聲波發(fā)射和接收的關(guān)鍵器件；超聲波換能器可以將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成高頻聲能(發(fā)射換能器)，并且也能夠把超聲能量轉(zhuǎn)換成其他易于檢測(cè)的能量(接收換能器)；在超聲檢測(cè)中往往用一個(gè)超聲換能器，既作發(fā)射換能器，又作接收換能器。共一百零二頁超聲波探頭(tn tu)分類按產(chǎn)生的波形分為縱波直探頭，橫波斜探頭，表面波探頭，板波探頭。按接觸方式分為直接接觸探頭，水浸探頭。按檢測(cè)用途分為分割式聯(lián)合雙探頭，聚焦探頭，可變角探頭，專用(zhuny

23、ng)探頭等。按探頭的頻帶寬度分為通用型，寬頻帶型，密封型，高頻型。按工作原理：壓電換能器和磁致伸縮換能器等7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁壓電換能器逆壓電效應(yīng)(y din xio yng)：電 能超聲波逆壓電效應(yīng)(y din xio yng)正壓電效應(yīng)：超聲波電 能正壓電效應(yīng)7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁壓電換能器結(jié)構(gòu)(jigu) 壓電晶片保護(hù)膜吸收(xshu)塊壓電換能器外形壓電換能器結(jié)構(gòu)7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁圓形壓電換能器聲源(shn yun)的聲場(chǎng)7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)理想圓盤聲源沿平面法線方向振動(dòng)時(shí)，其面上各點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值和相位都相同， 發(fā)射的波稱為活塞波。圓盤聲源

24、發(fā)出的聲場(chǎng)，在其邊緣發(fā)生衍射效應(yīng)，形成一個(gè)隨距離增大而波陣面面積不斷擴(kuò)大的擴(kuò)散聲束。聲源上各點(diǎn)發(fā)出的聲波相互干涉又使得聲壓的空間分布不是隨距離單調(diào)變化的。 從圓盤聲源的對(duì)稱性來分析，通過圓盤中心且垂直于盤面的直線應(yīng)是聲場(chǎng)的對(duì)稱軸，稱為圓盤聲源軸線。討論圓盤聲源的聲場(chǎng)從聲壓沿軸線的分布以及聲束擴(kuò)散的特性著手。共一百零二頁1）圓盤聲源(shn yun)軸線上的聲壓分布 如果聲源發(fā)出的波為連續(xù)簡(jiǎn)諧波，并假定(jidng)介質(zhì)為無衰減的液體介質(zhì)，則聲源軸上聲壓幅值P的分布符合： 式中：P0為聲源的起始聲壓；D為圓盤聲源的直徑； 為傳聲介質(zhì)中聲波的波長；x為圓盤聲源軸線上某一點(diǎn)距聲源的距離。 7.3 超

25、聲波檢測(cè)共一百零二頁 圓盤(yun pn)聲源軸線上的聲壓分布 7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁最后一個(gè)聲壓極大值點(diǎn)距聲源(shn yun)距離的表達(dá)式： 當(dāng)D時(shí)，/4可以忽略，從而得到近場(chǎng)長度(chngd)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式: 圖中標(biāo)有“P球”的虛線為球面波聲壓隨距離的變化曲線，可以看出，距離大于3N 以后，圓盤聲源聲軸上的聲壓幅值變化與球面波的曲線非常接近。7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁當(dāng)x3N時(shí)，有式中：S=D2/4為圓盤聲源的面積。聲壓幅值與距聲源的距離(jl)成反比，正是球面波的聲壓幅值的變化規(guī)律。 7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁 指向性與擴(kuò)散角研究的是聲束在空

26、間擴(kuò)散的規(guī)律。 根據(jù)(gnj)疊加原理，可將在空間中距聲源有一定距離的任一點(diǎn)的聲壓，看做是聲源上各點(diǎn)的輻射聲壓的疊加(如下圖)。 2） 指向性與擴(kuò)散(kusn)角 圓盤聲源遠(yuǎn)場(chǎng)中任一點(diǎn)的聲壓推導(dǎo) 7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁主聲束:超聲場(chǎng)中超聲波的能量主要集中于以聲軸為中心的某一角度范圍內(nèi)，這一范圍稱為主聲束。聲場(chǎng)的指向性:聲束集中向一個(gè)方向(fngxing)輻射。在主聲束角度范圍以外還存在一些能量很低的、只分布于聲源附近的副瓣聲束。式中： J1為第一類第一階貝塞爾函數(shù)(hnsh)； S為聲源面積。 設(shè)Rs為圓形聲源的半徑，x為空間任一點(diǎn)M到聲源中心的距離，為M點(diǎn)與聲源中心的連線與聲源軸線的

27、夾角。當(dāng)滿足條件x3N時(shí)，聲壓幅值的表達(dá)式為 7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁圓盤(yun pn)聲源聲場(chǎng)指向性示意圖 7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁距聲源充分遠(yuǎn)處的任一橫截面上，以聲源軸線上的聲壓為最高，這是超聲檢測(cè)中對(duì)缺陷定位的依據(jù)。 存在偏離軸線的若干個(gè)角度上的聲壓的幅值為零。 指向(zh xin)角或半擴(kuò)散角：將遠(yuǎn)場(chǎng)中第一個(gè)聲壓為零的角度，以0表示指向角是代表主聲束范圍的角度，反映(fnyng)了聲束的定向集中程度，也反映(fnyng)了聲束隨距離擴(kuò)散的快慢。指向角越大，則聲束指向性越差，聲束擴(kuò)散越快。聲源的直徑越大， 波長越短，則聲束指向角越小， 指向性越好。 7.3 超

28、聲波檢測(cè)共一百零二頁當(dāng)D時(shí)，式(1-26)可簡(jiǎn)化為：在距聲源一定距離內(nèi)，超聲能量未逸出以晶片直徑所約束的范圍；非擴(kuò)散區(qū)：聲束直徑小于晶片直徑的區(qū)域，非擴(kuò)散區(qū)之外，則稱為擴(kuò)散區(qū)。按幾何(j h)關(guān)系， 可得到非擴(kuò)散區(qū)的長度b為： 7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁圓盤(yun pn)聲源非擴(kuò)散區(qū)示意圖 7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)假定聲源是均勻、連續(xù)激發(fā)的，而實(shí)際探頭多是非均勻激發(fā)的脈沖波源；簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)假定介質(zhì)是液體介質(zhì)， 實(shí)際檢測(cè)對(duì)象多為固體介質(zhì)。實(shí)際聲場(chǎng)與簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果的差別主要在于近場(chǎng)區(qū)的聲壓分布。簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果中近場(chǎng)區(qū)聲壓變化劇烈，可有多處極大值和極小值。

29、 而實(shí)際聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)聲壓分布比較均勻，幅度變化小，極值點(diǎn)的數(shù)量也明顯減少。盡管實(shí)際聲場(chǎng)與簡(jiǎn)化分析結(jié)果有所差異，但在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)是基本符合的。因此，可以應(yīng)用簡(jiǎn)化推導(dǎo)得出(d ch)的結(jié)果，進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)中的近似計(jì)算。 3) 實(shí)際聲源(shn yun)的聲場(chǎng)7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁磁致伸縮(shn su)換能器 磁物質(zhì)置于交變的磁場(chǎng)中時(shí)(zhn sh)在沿著磁場(chǎng)方向產(chǎn)生伸縮的現(xiàn)象。 磁致伸縮換能器就是把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化，即機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。磁致伸縮換能器7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁探頭(tn tu)的選擇頻率。對(duì)于小缺陷、 近表面缺陷或薄件的檢測(cè)，可以選擇較

30、高頻率；對(duì)于大厚度試件、高衰減材料(cilio)，應(yīng)選擇較低頻率。在靈敏度滿足要求的情況下， 選擇寬帶探頭可提高分辨力和信噪比。晶片尺寸。探頭晶片尺寸對(duì)檢測(cè)的影響主要是通過其對(duì)聲場(chǎng)特性的影響體現(xiàn)出來的。多數(shù)情況下，檢測(cè)大厚度的試件時(shí)，采用大直徑探頭較為有利；檢測(cè)厚度較小的試件時(shí)， 則采用小直徑探頭較為合理7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁 試塊與耦合劑7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)為了保證檢測(cè)結(jié)果(ji gu)的準(zhǔn)確性與重復(fù)性、可比性，必須用一個(gè)具有已知固定特性的試樣(試塊)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。按一定的用途設(shè)計(jì)制作的具有簡(jiǎn)單形狀的人工反射體試件即稱為試塊。超聲檢測(cè)用試塊通常分為兩種類型，即標(biāo)準(zhǔn)試

31、塊(校準(zhǔn)試塊)和對(duì)比試塊(參考試塊)。 共一百零二頁當(dāng)探頭和試件之間有一層空氣時(shí)，超聲波的反射率幾乎為100，即使很薄的一層空氣也可以阻止超聲波傳入試件。 耦合劑：為了改善探頭和試件間聲能的傳遞而加在探頭和檢測(cè)面之間的液體薄層。耦合劑的主要目的：耦合劑可以填充探頭與試件間的空氣間隙，使超聲波能夠傳入試件；耦合劑有潤滑作用，可以減少探頭和試件之間的摩擦， 防止試件表面磨損探頭，并使探頭便于移動(dòng)。在液浸法檢測(cè)中， 通過液體實(shí)現(xiàn)耦合，此時(shí)液體也是耦合劑。常用的耦合劑有水、甘油、 變壓器油、化學(xué)(huxu)漿糊等。 7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁耦合劑的選擇(xunz) 選擇耦合劑主要考

32、慮以下幾方面的要求：透聲性能好。 聲阻抗盡量和被探測(cè)材料的聲阻抗相近。 有足夠(zgu)的潤濕性、 適當(dāng)?shù)母街驼扯取?對(duì)試件無腐蝕，對(duì)人體無損害，對(duì)環(huán)境無污染。 容易清除，不易變質(zhì)， 價(jià)格便宜，來源方便。 7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁 四、超聲檢測(cè)(jin c)方法按原理分類，有脈沖(michng)反射法、穿透法和共振法；按顯示方式分類，有A型顯示、B型顯示和C型顯示；按波型分類，有縱波法、橫波法、表面波法和板波法；按探頭數(shù)目分類，有單探頭法、雙探頭法和多探頭法；按耦合方式分類，有接觸法和液浸法；按入射角度分類，有直射聲束法和斜射聲束法。 7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁脈沖反射法 脈沖反

33、射法是由超聲波探頭發(fā)射脈沖波到試件內(nèi)部，通過觀察來自內(nèi)部缺陷(quxin)或試件底面的反射波的情況來對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)的方法。 單探頭直射(zh sh)聲束脈沖反射法(a) 無缺陷； (b) 有缺陷 7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁直射(zh sh)聲束穿透法 (a) 無缺陷； (b) 有缺陷 穿透法 穿透法通常采用兩個(gè)探頭，分別放置在試件兩側(cè)，一個(gè)將脈沖波發(fā)射到試件中，另一個(gè)接收穿透試件后的脈沖信號(hào)(xnho)， 依據(jù)脈沖波穿透試件后幅值的變化來判斷內(nèi)部缺陷的情況。 7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁超聲波共振(gngzhn)法原油含水率測(cè)試儀 共振法 超聲共振法是基于超聲波在恒速流動(dòng)介質(zhì)中傳播、反射

34、規(guī)律和多普勒效應(yīng), 在超聲變頻發(fā)射(fsh)電路中引入正反饋, 讓測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)尋找共振點(diǎn)。原油因其含水率及所包含的組分的不同而具有不同的共振頻率。使用一組超聲波發(fā)生轉(zhuǎn)換器, 通過共振點(diǎn)的確定, 就可完成對(duì)原油含水率、密度及黏度等多項(xiàng)參數(shù)的測(cè)試。7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁 接觸法與液浸法探頭與試件之間直接接觸（接觸法）液浸法是在探頭與試件之間填充一定厚度的液體介質(zhì)作耦合劑，使聲波首先經(jīng)過液體耦合劑，而后再入射到試件中， 探頭與試件并不直接接觸。液浸法中，探頭角度可任意調(diào)整， 聲波的發(fā)射、接收也比較穩(wěn)定，便于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化，大大提高了檢測(cè)速度。液浸法的缺點(diǎn)是當(dāng)耦合層較厚時(shí)，聲能損失較大。液浸法

35、與直接接觸法各有利弊，應(yīng)根據(jù)被檢對(duì)象的具體情況(幾何形狀的復(fù)雜程度和產(chǎn)品的產(chǎn)量等)， 選用(xunyng)不同的方法。 7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁 五、超聲檢測(cè)(jin c)一般步驟 檢測(cè)的過程都可歸納(gun)為以下幾個(gè)步驟： 試件的準(zhǔn)備。 檢測(cè)條件的確定，包括超聲波檢測(cè)儀、探頭、試塊等的選擇。 檢測(cè)儀器的調(diào)整。 掃查。 缺陷的評(píng)定。 結(jié)果記錄與報(bào)告的編寫。 7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁 六、超聲檢測(cè)技術(shù)(jsh)的應(yīng)用典型構(gòu)件的超聲探傷(tn shng)技術(shù)鍛件檢測(cè)鍛件的種類和規(guī)格很多，常見的類型有：餅盤件、環(huán)形件、軸類件和筒形件等。鍛件中的缺陷多呈現(xiàn)面積形或長條形的特

36、征。由于超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)面積型缺陷檢測(cè)最為有利，因此鍛件是超聲檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用的主要對(duì)象。鍛件中的常見缺陷。材料鍛造過程中形成的縮孔、縮松、夾雜及偏析等； 熱處理中產(chǎn)生的白點(diǎn)、裂紋和晶粒粗大等。 7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁軸類件徑向(jn xin)和軸向檢測(cè)示意圖 鍛件超聲檢測(cè)的特點(diǎn)。鍛件可采用接觸法或液浸法進(jìn)行檢測(cè)。鍛件的組織很細(xì)，由此引起的聲波衰減和散射影響相對(duì)(xingdu)較小。因此，鍛件上有時(shí)可以應(yīng)用較高的檢測(cè)頻率以滿足高分辨力檢測(cè)的要求， 以及實(shí)現(xiàn)較小尺寸缺陷檢測(cè)的目的。 7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁鑄件檢測(cè)鑄件具有組織不均勻、組織不致密、表面粗糙和形狀復(fù)雜等特點(diǎn)，因此常見缺陷有孔

37、洞類（包括縮孔、縮松、疏松、 氣孔等）、裂紋冷隔類（冷裂、熱裂、白帶、冷隔和熱處理裂紋）、夾雜類以及成分類（如偏析）等；鑄件的上述特點(diǎn)，形成了鑄件超聲檢測(cè)的特殊性和局限性。檢測(cè)時(shí)一般選用較低的超聲頻率，如0.52 MHz，因此檢測(cè)靈敏度也低，雜波干擾嚴(yán)重，缺陷檢測(cè)要求(yoqi)較低。鑄件檢測(cè)常采用的超聲檢測(cè)方法有直接接觸法、 液浸法、 反射法和底波衰減法。 7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁焊接接頭檢測(cè)焊縫形式有對(duì)接、搭接、T型接、角接等。焊縫超聲檢測(cè)的常見缺陷有氣孔、夾渣、未熔合、未焊透和焊接裂紋等。焊縫探傷一般采用斜射橫波(hngb)接觸法，在焊縫兩側(cè)進(jìn)行掃查。探頭頻率通常為2

38、.55.0 MHz。發(fā)現(xiàn)缺陷后，即可采用三角法對(duì)其進(jìn)行定位計(jì)算。儀器靈敏度的調(diào)整和探頭性能測(cè)試應(yīng)在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試塊或自制試塊上進(jìn)行。 焊接(hnji)接頭形式(a) 對(duì)接接頭； (b) 搭接接頭； (c) T型接頭； (d) 角接接頭 7.3 超聲波檢測(cè)共一百零二頁復(fù)合材料檢測(cè)復(fù)合材料是由兩種或多種性質(zhì)不同(b tn)的材料軋制或粘合在一起制成的。脈沖反射法適用于復(fù)合材料是由兩層材料復(fù)合而成，粘合層中的分層多數(shù)與板材表面平行的情況。用縱波檢測(cè)時(shí)， 粘合質(zhì)量好的，產(chǎn)生的界面波會(huì)很低，而底波幅度會(huì)較高； 當(dāng)粘合不良時(shí)，則相反。 7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁復(fù)合材料(f h ci li

39、o)的C掃描圖7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁非金屬材料的檢測(cè)圖超聲波在非金屬材料（木材、混凝土、有機(jī)玻璃、陶瓷、橡膠、塑料、砂輪、炸藥藥餅等）中的衰減一般比在金屬中的大，多采用低頻率檢測(cè)。 一般為20200 kHz，也有用25 MHz 的。為了獲得較窄的聲束，需采用晶片尺寸較大(jio d)的探頭。 塑料零件的探測(cè)一般采用縱波脈沖反射法；陶瓷材料可用縱波和橫波探測(cè)； 橡膠檢測(cè)頻率較低，可用穿透法檢測(cè)。 7.3 超聲波檢測(cè)(jin c)共一百零二頁7.4 超聲波成像第四節(jié) 超聲波成像共一百零二頁脈沖(michng)回聲式超聲成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)超聲設(shè)備主要由超聲換能器即探頭（probe）和發(fā)射與接收、顯示與記錄以及電源等部分組成。7.4 超聲波成像共一百零二頁7.4 超聲波成像共一百零二頁7.4 超聲波成像共一百零二頁7.4 超聲波成像成像探頭(tn tu)和成像儀(1)共一百零二頁SSC-370 超聲波診斷儀數(shù)字化黑白(hibi)超聲診斷儀彩色(cis)超聲多普勒血流成像系統(tǒng)最新電腦平臺(tái)高級(jí)超聲診斷儀成像探頭和成像儀(2)7.4 超聲波成像共一百零二頁解剖(jipu)超聲 一維： A超(幅度調(diào)制型) M超(運(yùn)動(dòng)顯示型) 二維： B超(輝度調(diào)制型) 三維：立體