超声检测原理

第二章超声检测2-1超声检测原理探头工件缺陷缺陷波电子线路底波始脉冲显示终端超声检测是一种利用超声波在介质中传播的性质来判断工件和材料的缺陷和异常。人耳能听到的声音频率为16Hz～20kHz，超声是一种看不见、听不到的弹性波。超声检测一般为0.5～25MHz，常用频率范围为0.5～10MHz。超声波特性(1)在液体和固体介质中长距离传输(虽然在气体中衰减很快)；(2)超声波能量在传输时有明确的方向性；(3)超声波在一定介质中传输时速度不变；(4)超声波传输通过不同材料界面时，可能会改变其振动模式。超声检测就是利用超声波来对材料和工件进行检验和测量。典型的应用，是超声探伤以及材料和工件的物理性能与力学性能检验。在测量方面，许多非声学特性和某些状态参量，例如液位、流量等都可用超声方法测定。超声波应用非常广泛。如超声加工和处理，利用超声能量来改变物质特性和状态，如超声钻孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。超声检验与测量之间的关系非常密切，如超声探伤和超声液位测量，技术原理相仿。超声检测和超声加工处理之间的区别明显，超声加工往往着重大功率的连续波超声，而超声检测则太多使用灵敏度高、功率不大的脉冲波。超声加工处理时非常重视一些描述声场强弱的物理量(如声压、声强、声功率等)的测定。而超声检测则着重描述介质中超声传播特性的物理量(如声速、声衰减、声阻抗等)的测定。超声波是一种机械振动所产生的波。质点的往复运动称为振动，振动是波动的产生根源，波动是振动的传播过程。超声波的产生，依赖于作高频机械振动的声源和弹性介质的传播超声波的传播，包括振动过程和能量传播。研究超声波传播时，可以将弹性介质看成是相互间由弹性力联系着的无数质点所组成。当在弹性介质的表面层上施加一个正弦变化的外力时，由于各质点间有弹性力联系，相邻层上的质点也将产生振动，一层推动一层，振动也由近及远地传播。2-1-1波动的种类与波型波的种类是根据质点振动方向和波动传播方向的关系来区分，可分为纵波、横波、表面波和板波，如图所示。(1)纵波当介质受到交替变化的正弦拉--压应力作用时，质点产生疏密相间的纵向振动，质点振动方向与波的传播方向一致纵波常用L表示，它在介质中传播时，仅使介质各部分改变体积而不产生转动。任何弹性介质(固体、液体和气体)中都能传播纵波。(2)横波当介质受到交替变化的正弦剪切应力时，质点产生具有波峰与波谷的横向振动，并在介质中传播，其振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波，也称切变波。横波用符号T或S表示。在介质中传播时，仅使介质各部分产生形变而介质体积不变。由于液体和气体介质没有剪切弹性，因此不能传播横波。(3)表面波半无限大弹性介质与气体的交界面，受到交替变化的表面张力作用时，介质表面质点发生纵向和横向振动，质点绕其平衡位置作椭圆运动，并作用于相邻质点而在表面传播，这种波称为表面波，也称瑞利波。表面波常用符号R表示，图中表示的是瞬时的质点位移状态。表面波传播深度约l～2个波长，振幅随深度的增加而迅速减小，当深度达到两个波长时，振幅降至最大振幅的0.37倍(4)板波板状介质受到交替变化的表面张力作用，而且板厚与波长相当，质点的纵向和横向振动轨迹也是椭圆，声场遍布整个板厚。这种波称为板波，也称兰姆波。板波常用符号P表示板波与表面波不同，其传播要受到两个界面的束缚，从而形成对称型(S型，图2-1d)和非对称型(A型，图2-1e)两种情况。对称型板波在传播中，质点的振动以板厚为中心面对称，上下表面上质点振动的相位相反，中心面上质点的振动方式类似于纵波。非对称型板波在传播中，上下表面质点振动的相位相同，质点的振动方式类似于横波。2-1-2声波的波动特性声波的波动特性，主要是指几个波相遇时出现的干涉、叠加以及衍射现象。(1)波的干涉叠加当几个波在同一介质中传播至某处相遇，则相遇处质点的振动是各个波所引起的振动的合成，相遇点上质点的位移是各个波在该点所引起的位移的矢量和，这就是波的叠加原理。脉冲波由若干正弦波叠加而成，1MHz的脉冲波是由0.85MHz、1MHz和1.21MHz正弦波叠加而成的。所以虽然看来脉冲波每个质点的振动没有表示出同样高度，但它的确是由若干正弦波所组成。为合成某一脉冲，脉冲宽度愈窄，需要数量愈多的正弦子波，子波具有与中心频率不同的频率。根据傅利叶分析，脉冲是由某一频谱范围内的波构成，脉冲愈窄时频谱愈宽。叠加波，若符合相干条件(频率相同，传播方向一致和有一定的相位关系)，则在空间某些地方振动始终加强，而在另一些地方则始终减弱或完全消失，这种现象称为波的干涉。当两个振幅与频率都相同的相干波，在同一直线上沿相反方向彼此相向传播时，叠加而成的波称为驻波，驻波是波的干涉现象的特例。当在声波传播方向上的介质厚度恰为半波长的整数倍时就会产生驻波现象。这种驻波在介质的厚度方向引起共振，这就是所谓共振法超声检测的基本原理。(2)波的衍射波在弹性介质中传播时，如果遇到障碍物或其它不连续的情况，而使波阵面发生畸变的现象称为波的衍射。任意形状的波在传播过程中遇到一个障碍AB时，AB上有一个宽度大小与波长相当的狭缝，穿过狭缝的波是以狭缝为中心的球形波，与原来的波阵面无关。这说明可以把狭缝看作新的波源。波前上的所有点，都可看作产生球面子波的点源，经过一段时间后，该波前的新位置将是这些子波波前相切的包迹面，这称之谓惠更斯原理。惠更斯原理在超声检测中获得了广泛应用，不仅适用于机械波，同样也适用于电磁波。它用几何方法比较广泛地解决了波的传播问题。(3)声速、波长和频率声速是声波在介质中传播的速度(c)，波长是指声波每振动一次所走过的距离(λ)，频率是指每秒钟声波振动的次数(f)，三者之间的关系fc声速由介质决定，在各向同性的无限大弹性固体中，声速可用下式表示式中E-介质的正弹性模量，ρ-介质的密度，K-常数与波型有关。EKc纵波声速横波声速式中G-介质切变模量，μ-介质的泊松比。表面波声速EcL))21(1(1GEcS)1(21GcB112.187.0纵波速度在气体中每秒为几百米，在液体中为1～2km/s，固体中为3～6km/s。在固体中还有横波，横波的速度约为纵波速度的一半，表面波速度约为横波速度的0.95某些物质的密度、声速和特性阻抗见表当棒的直径与波长相当时称为细棒，细棒中声波以膨胀形式传播，称为棒波。当棒的直径d≤0.1λ(波长)时，棒波的速度与泊松比无关，可表示为总之，介质弹性能越好(E和G越大)、密度ρ越小，则声波在介质中的传播速度越高。Ecd2-1-3声场及其特征值声场特征常用声压、声强和特性阻抗等特征值来描述。声压(p)是指声传播时，造成介质中某点的压强，单位为帕斯卡(Pa)，1Pa=1N/m2声波在介质中传播时，介质中每一点的声压将随时间和距离的变化而改变。声压与介质密度、波速和频率成正比式中v-质点振动速度上式中当声压p不变时，ρc越大，质点振动速度就越小，所以ρc被称为介质的特性阻抗，以z表示。vcp超声检测中，可以到观察荧光屏上出现的反射波高度，该高度与声压p成正比。液体阻抗约为气体的3000倍，固体阻抗约为液体的30倍。在声场中的某点，在与指定方向垂直的单位面积上，单位时间内通过的平均声能，称为声强度，以I表示。声强度与质点位移振幅和质点振动频率的平方成正比，与质点振动速度振幅的平方成正比，与声压振幅的平方成正比。超声波的频率很高，其强度远远大于一般声音，这就是超声波能够用于检测的前提。在实际超声波检测中，超声波是由一定尺寸的探头发出的，辐射的是活塞波。离探头很近的地方可认为是平面波，远离探头的地方则视为球面波。这种声源发射的声波可以认为是由无数个能发射子波源的声波叠加的结果。探头中心轴线上的声压分布如用平面波理论分析可得下式式中a-辐射圆盘半径xxapp220sin2检测时测得的信号高度与声压成正比，中心轴上的声压分布如图所示。声压分布分为两个区域，即xN时，声压p有若干个周期性的极大值和极小值，称为近声场，N为近场区长度。最大值出现在声程相当于N、N/3、N/6、N/12…各点，而最小值出现在声程相当于N/2、N/4、N/8、N/16…各点。这种现象，是由于声源上各单一点源辐射到轴线上同一点的声波的相位差引起的波的干涉效应造成的。由于近场区中声压的起伏很大，在近声场中进行正确检测比较困难。近场区长度N取决于声源的尺寸和声波波长，当D/2λ时，N值可用下式获得可见，辐射器的直径D愈大、频率愈高(波长越短)，则近场长度N也就愈长。44222DDN当xN时称为远场区，此时声压随距离增加而下降，但只有声程大于3N后，声压与声程才比较符合反比关系。因此，习惯上以声程大于3N时为远场区。远场区的声压分布可由下式计算可见，中心轴线上的声压与晶片面积和起始声压成正比，而与波长和声程成反比。xDpp1420声场中的声压不但随距离x、时间t而变，同时还随声束的半扩散角而变。半扩散角直接反映声场中声能集中的程度和几何边界。换能器声场传播方向θ角半扩散角θ的大小可按下式计算式中D-圆形压电晶片的直径a-方形晶片边长Darc/22.1sinaarc/sin换能器声场传播方向θ角也就是说，半扩散角θ取决于晶片尺寸和波长。提高频率和加大晶片尺寸，均可改善超声的指向性。换能器声场传播方向θ角辐射器辐射的超声波能量的80%以上集中在主瓣的声束上，副瓣的能量小，传播距离短，因此可以认为副瓣束集中在近场区。换能器声场传播方向θ角超声检测大多采用脉冲波，而在介绍基本理论时，一般采用连续波。这是由于分析脉冲形状非常复杂，而从实际应用来说，近似用连续波代替脉冲波，但二者的声场特性上别很大。由于脉冲波是持续时间很短的波动，所以它们可能不产生干涉或只产生不完全干涉。脉冲波中脉冲个数对近场区内的声压分布影响极大。当脉冲个数小于等于6时，近场区声压明显变得简单，副瓣数目和尺寸减小。2-1-4超声波在异质界面上的透射、反射和折射所谓异质界面，是指由两种特性阻抗不同的介质所构成的界面，如气/界面、气/固界面、液/固界面和不同固体界面等。介质I介质II界面超声波从一种介质传播到另一种介质，相对于异质界面而言，当垂直入射时只有反射和透射，波的类型(纵波或横波)不发生变化。介质I介质II界面当倾斜入射时除反射波外，透射波产生干射，同时伴随有波型转换。入射纵波L反射纵波L1反射横波S1折射纵波L1折射横波S1αLαL1αS1βL2βS2固体介质II固体介质I超声波以一定倾角入射固体界面，反射波和折射波都分裂成两种波型，除原有波型的反射和折射波外，还存在不同波型的反射波与折射波。入射纵波L反射纵波L1反射横波S1折射纵波L1折射横波S1αLαL1αS1βL2βS2固体介质II固体介质I入射纵波(L)除产生反射纵波(L1)和折射纵波(L2)外，还产生反射横波(S1)和折射横波(S2)，与法线夹角分别αL、αL1、βL2、αS1和βS2入射纵波L反射纵波L1反射横波S1折射纵波L1折射横波S1αLαL1αS1βL2βS2固体介质II固体介质I这些角度与波速之间的关系符合反射和折射定理如下式22112211sinsinsinsinsinSSSSLLLLLLccccc入射纵波L反射纵波L1反射横波S1折射纵波L1折射横波S1αLαL1αS1βL2βS2固体介质II固体介质I由于CL=CL1，所以αL与αL1相等。对相同介质CLCS，所以αL1大于αS1，βL2大于βS2即纵波的反射角和折射角分别大于横波的反射角和折射角。入射纵波L反射纵波L1反射横波S1折射纵波L1折射横波S1αLαL1αS1βL2βS2固体介质II固体介质I当波速小的介质入射到波速大的介质时，折射角大于入射角，随着入射角度增大，折射角也增大。当αL增大到αLK1时，使βL2等于90o，继续增大，纵波在界面被完全反射，介质Ⅱ中只存在横波，此时纵波入射角αLK1称为第一临界角。入射纵波L反射