《无损检测》超声波课件

第2章超声波检测•本章提要：•超声检测（UT）是利用其在物质中传播、界面反射、折射(产生波型转换)和衰减等物理性质来发现缺陷的一种无损检测方法，应用较为广泛。•按其工作原理不同分为：共振法、穿透法、脉冲反射法超声检测；•按显示缺陷方式不同分为：A型、B型、C型、3D型超声检测；•按选用超声波波型不同分为：纵波法、横波法、表面波法超声检测；•按声耦和方式不同分为：直接接触法、液浸法超声检测；•本章将重点介绍：脉冲反射法原理、直接接触法、A型显示方式、纵波法、横波法超声检测技术。2.1超声波检测技术基础2.1.1超声波的物理本质它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性介质中的转播行为。即超声频率的机械波。一般地说，超声波频率越高，其能量越大，探伤灵敏度也越高。超声检测常用频率在0.5～10MHZ。2.1.2超声波的产生（发射）与接收(1)超声波的产生机理——利用了压电材料的压电效应。试验发现，某些晶体材料（如石英晶体）做成的晶体薄片，当其受到拉伸或压缩时，表面就会产生电荷；此现象称为正压电效应；反之，当对此晶片施加交变电场时，晶体内部的质点就会产生机械振动，此现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体材料就称为压电材料。压电效应•压电效应图解＋/－b.施加交流电场时内部质点产生振动a.拉伸或压缩时表面产生电荷－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋正压电效应～－/＋逆压电效应(2)超声波的发射与接收①发射——在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电压，由于逆压电效应，晶片中就会产生超声频率的机械振动——产生超声波；若此机械振动与被检测的工件较好地耦合，超声波就会传入工件——这就是超声波的发射。②接收——若发射出去的超声波遇到界面被反射回来，又会对探头的压电晶片产生机械振动，由于正压电效应，在晶片的上下电极之间就会产生交变的电信号。将此电信号采集、检波、放大并显示出来，就完成了对超声波信号的接收。可见，探头是一种声电换能元件，是一种特殊的传感器，在探伤过程中发挥重要的作用。2.1超声波检测技术基础2.1.3超声波波型的分类•按质点的振动方向与声波的传播方向之间的关系分为：（1）纵波L——介质质点的振动方向与波的传播方向一致；（2）横波S——介质质点的振动方向与波的传播方向垂直；2.1超声波检测技术基础（3）表面波R——介质质点沿介质表面做椭圆运动；又称瑞利波；2.1超声波检测技术基础（4）板波——板厚与波长相当的薄板中传播的超声波，板的两表面介质质点沿介质表面做椭圆运动，板中间也有超声波传播。又称兰姆波；a)对称型b)非对称型2.1超声波检测技术基础•注意！①液体和气体介质（不能传递切向力）中，所以只能传播纵波！②同一介质中，声速的关系有：CLCSCR③同一介质中，声速、波长、频率之间的关系为：C=λ·f=常数。•按超声波振动持续时间分为：(1)连续波——在有效作用时间内声波不间断地发射；(2)脉冲波——在有效作用时间内声波以脉冲方式间歇地发射。注意:超声波检测过程常采用脉冲波。2.1.4超声波的基本性质(1)具有良好的指向性：直线传播，符合几何光学定律；象光波一样，方向性好；束射性，象手电筒的光束一样，能集中在超声场内定向辐射。声束的扩散角满足如下关系：θ=arcsin1.22(λ/D)(2-1)可见：波长越短，扩散角θ越小，声能越集中。2.1超声波检测技术基础(2)具有较强的穿透性，但有衰减；穿透性——来自于它的高能量，因为声强正比于频率的平方；所以，超声波的能量比普通声波大100万倍！可穿透金属达数米！衰减性——源于三个方面：扩散、散射、吸收；•(1)扩散衰减•声波在介质中传播时，因其波前在逐渐扩展，•从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的扩散衰减。•它主要取决于波阵面的几何形状，•而与传播介质无关。2.1超声波检测技术基础•(2)散射衰减•散射是物质不均匀性产生的。•不均匀材料含有声阻抗急剧变化的界面，•在这两种物质的界面上，•会产生声波的反射、折射和波型转换现象，•必然导致声能的降低。2.1超声波检测技术基础•(3)吸收衰减：•超声波在介质中传播时，•由于介质质点间的内摩擦和热传导，•引起的声波能量减弱的现象，•叫做超声波的吸收衰减。2.1超声波检测技术基础（3）只能在弹性介质中传播，不能在真空（空气近似看成真空）中传播；强调：横波不能在气体、液体中传播！表面波看作是纵波与横波的合成，所以，也不能在气体、液体中传播！2.1超声波检测技术基础（4）遇到界面将产生：反射、折射和波型转换现象；（5）对人体无害——优于射线的性质。主声轴N近场区长度N=D2/4λ超声场及近场区压电晶片2.1超声波检测技术基础•3.24?2.2超声波在介质中的传播2.2.1超声波在金属中的衰减定律超声波在金属中主要的衰减原因是散射和扩散；在液体中主要是吸收。研究表明，超声波在金属中的衰减规律可用下面的关系式表达：PX=P0·e-α·x(2-2)α——衰减系数；dB/mx——声束传播的距离，即声程m。•(2-2)式表明，超声波的声压在其传播的路径上，呈负指数规律衰减。•这里强调指出：衰减系数α为频率f4和晶粒尺寸d3的函数。所以，对粗晶检测时，应适当降低超声波频率，弥补能量的不足。•研究表明，声压p与超声波探伤仪示波屏上的波高h成正比关系：p1/p2=h1/h2(2-3)•实际探测时，超声波探伤仪示波屏上的波高h能够反映声波的衰减状况。超声波探伤仪示波屏上波高h的衰减状况•这里，B1～B6代表超声波在工件底面的6次反射波。波高h依次递减。TB1B2B6•描述：超声场的物理量•充满超声波的空间，或在介质中超声振动波所及的“质点占据的范围”叫超声场。•对超声场我们常用：•1.声压、•2.声强、•3.声阻抗、•4.质点振动位移和质点振动速度等物理量,来描述超声波声场。2.3超声波在介质中的传播•(一)声压•超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强,与没有超声场存在时，同一点的静态压强之差为该点的声压，用表示。单位为帕,记作1Pa=1N/m2。若用平面余弦波表达式：•(2-1)2.3超声波在介质中的传播ip0p]2)2(cos[xtcAp2.3超声波在介质中的传播•式中：•-介质的密度，•C-介质中的波速，•A-介质质点的振幅，•-介质中质点振动的圆频率()，•A-质点振动的速度振幅()，•T-时间，•x-至波源的距离。•且有关系式：•式中：-声压的极大值。cApmmp•可见：声压的绝对值，与波速、质点振动的速度振幅(或角频率)成正比。•因为超声波的频率高，所以超声波比声波的声压大。2.3超声波在介质中的传播•2.3.1.2声强•在超声波传播的方向上，单位时间内介质中单位截面上的声能叫声强。用I表示；单位是•对纵波在均匀的各向同性的固体介质中的传播为例，可以证明平面波传播的声强计算式；(1-2)•注意：上式中有三个部分的概念。2.3超声波在介质中的传播2/cmw22222112121mmcVcpcAI•超声波的声强：①、正比于质点振动位移振幅的平方；②、正比于质点振动角频率的平方；③、正比于质点振动速度振幅的平方。•注意：由于超声波的频率高，其强度(能量)是远远大于可闻声波的强度。•例如：1MHz声波的能量等于100kHz声波能量的100倍，等于lkHz声波能量的100万倍。2.3超声波在介质中的传播2.2超声波在介质中的传播2.2.2超声波在异质界面处产生的各种现象(1)垂直入射异质界面时的透射、反射及绕射①透射与反射②反射系数K=W反/W入×100%W透W反w入③常见材料之间的界面反射系数界面材料反射系数K%钢—钢0钢—变压器油81钢—有机玻璃77钢——水88有机玻璃—变压器油17钢——空气100有机玻璃——空气100④反射现象的辩证分析反射现象：对发射超声波不利；对脉冲反射法接收有利。⑤影响反射系数K的因素反射系数K值的大小，决定于相邻介质的声阻抗之差：ΔZ=|Z2－Z1|ΔZ越大，K值越大。而与何者为第一介质无关。•(一)、在单一界面上•当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时：•①.在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波。•②.在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。•③.反射波与透射波的声压(声强)是按一定比例分配。•④.分比例由声压反射率(或声强反射率)，•和声压透射率(或声强透射率)来表示。•1、在单一界面上反射波声压与入射波声压之比，称为界面的声压反射率：用表示。式中：•Z1-介质1的声阻抗，•Z2-介质2的声阻抗。12120ZZZZpprr•2、在单一界面上透射波声压与入射波声压之比，称为界面的声压透射率：•用t表示：••3、在界面上反射波声强与入射波声强之比，称为声强反射率：•用R表示：12202ZZZpptt212120)(ZZZZIIRr4、在界面上透射声强与入射声强之比，称为声强透射率：•用T表示：•说明：•在声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例，仅与界面两侧介质的声阻抗有关.212210)(4ZZZZIITt•注意：•在垂直入射时，•介质两侧的声波必须满足两个边界条件：(1)、一侧总声压等于另一侧总声压。否则界面两侧受力不等，将会发生界面运动。(2)、两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。•上述的是超声波纵波：•垂直入射到单一平界面上的，声压、声强与其反射率、透射率的计算公式，同样适用于横波入射的情况。•(二)、薄层界面•在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层，可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透射问题。•超声波是由声阻抗为Z1的第一介质，入射到Z1和Z2的交界面。•然后通过声阻抗为Z2的第二介质薄层射到Z2和Z3界面，最后进入声阻抗为Z3的第三介质等。•在有三层介质时，很多情况是：第一介质和第三介质为同一种介质。a)钢-水入射b)水-钢入射•注意：•1、超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与单一的平界面不同，•2、当异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在薄层两侧界面，引起多次反射和透射，形成一系列的反射和透射波。•3、当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时，薄层两侧的各次反射波、透射波就会互相干涉。•4、由于上述原因，声压反射率和透射率的计算比较复杂。•一般说来：•超声波通过异质薄层时：•声压反射率和透射率，不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波长之比()有关。22/d•(1)、当一、三介质为同一介质时，对均匀介质中的异质薄层有如下规律性：•（反射）2-21•••（透射）2-22222222222sin)1(4112sin)1(41dmmdmmr22222sin)1(4111dmmt•式中：d2-异质薄层的厚度，-异质薄层的波长，-两种介质的声阻抗之比，•由公式(2-21)(2-22)可知：•①当时(n为正整数)，。•②当时(n为正整数)，r最高，。•③当时，即时，则薄层厚度愈小，透射率愈大，反射率愈小。2m222nd1,0tr4)12(2nd0t02d42d•(2)、，即非均匀介质中的薄层有如下规律性：•例如：晶片—保护薄膜—工件，或晶片—耦合剂—工件等情况。•此时声压往复透射率为：•（2-23）321ZZZ2222231222231312sin)(2cos)(4dZZZZdZZZZT•由上式可知：•①当时(n为正整数)，则有：•即：•超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，•若薄层厚度等于半波长的整数倍时，通过薄层的声压往复透射率与薄层的性质无关。222nd23131)(4ZZZZT•②当(n为正整数)，且时，•则有：•上式表明：•超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层：•1、当的奇数倍，•Z2为时，或时，4)12(2nd312ZZZ1)(42231231ZZZZZZT422d231ZZ312ZZZ•其声压往复透射率等于1，此即为全透射的情况。•2、当时，薄层愈薄，声压往复透