超声波基础知识讲解

1超声波基础知识的一般讲解一、超声波探伤物理基础1、超声波是一种机械波机械振动：物体沿直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动称为机械振动。机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波；如水波、声波、超声波等。产生机械波的条件：（1）要有作机械振动的波源（2）要有能传播机械振动的弹性介质2、波长、波速、频率1）波长：同一波线上相邻两振动相位相同的质点之间的距离，符号λ2）波速：波动在弹性介质中单位时间内所传播的距离，符号C3）频率：波动过程中，任一给定点在1秒内能通过的完整波的个数，符号f三者的关系：C=λ·f3、次声波、声波和超声波1）次声波：频率低于20Hz的机械波2）声波：频率在20～20000Hz的机械波3）超声波：频率高于20KHz的机械波4、超声波的特性1）方向性好，犹如手电简灯光在黑暗中寻找到所需物品2）能量高3）能在界面上产生反射折射和波型转换4）超声波穿透能力强5、超声波的类型a、按质点的方向分类1）纵波：介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波2）横波：介质中质点的振动方向与波的传播方向垂直的波3）表面波：当介质表面受到交变应力作用时产生沿介质表面传播的波4）板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波C、按波的形状分类1）平面波：波阵面为互相平行的平面的波2）柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波3）球面波：波阵面为同心球面的波6、声速纵波：钢5900m/s铝6300m/s水1500m/s有机玻璃2700m/s空气340m/s横波：只能在固体中传播钢3200m/s铝3130m/s有机玻璃1120m/s表面波：声速大约为横波的0.9倍，纵波的0.45倍7、超声波垂直入射到平面上的反射和透射当超声波垂直入射到足够大的光滑平面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波设入射波声压为P0，反射声压为Pr,透射声压为Pt,其声压反射率r=Pr/P0=(z2-z1)/(z2+z1)其声压透射率t=Pt/P0=2z2/(z2+z1)28、超声波斜射到平面上的反射与折射波型转换：当超声波倾斜入射到异质界面时，除了产生与入射波同类型的反射波和折射波外，还会产生与入射波不同类型的反射波和折射波，称为波型转换，波型转换只可能在固体中产生。第一临界角：超声波纵波倾斜入射到异质界面上，若第二介质纵波波速CL2大于第一介质纵波波速CL1，即CL2〉CL1，则纵波折射角βL，即βL〉αL，随着αL增加，βL也增加。当αL增加到一定程度时βL=90°，这时所对应的纵波入射角称为第一临界角。第二临界角：超声波纵波倾斜入射到异质界面上，若第二介质横波波速CS2大于第二介质纵波波速CL1，即CS2〉CL1，则横波折射角βS，即βS〉αL，随着αL增加，βL也增加。当αL增加到一定程度时βS=90°，这时所对应的纵波入射角称为第二临界角。第三临界角：超声波纵波倾斜入射到异质界面上，若第二介质中的横波波速C，在第一介质中产生反射纵波和横波，由于在同一介质中纵波声速CL恒大于横波声速CS1，所以纵波折射角恒大于纵波折射角，即γL〉αS，随着αS的增加γL也增加，当αS增加到一定角度时，γL=90°，这时横波入射角称为第三临界角。第一，二临界角的物理意义：①当αL﹤αI时，第二介质中既有折射纵波也有折射横波②αL=αI～αⅡ时，第二介质中只有折射横波③当αL〉αI时，第二介质中既无折射横波又无折射纵波例：有机玻璃中，纵波声速CL1=2700m/s，钢中纵波CL2=5900m/s，CS2=3230m/s。求此有机玻璃横波斜探头纵波入射角的范围？解：SinαⅠ/CL1=Sin90°/CL2SinαⅠ=CL1×1/CL2=2700/5900SinαⅠ=27.6°SinαⅡ/CL1=Sin90°/CS2SinαⅡ=CL1×1/CS2=2700/3230SinαⅡ=57.6°第三临界角的物理意义当αS≥αⅡ时第一介质中只存在反射横波，不存在反射纵波9、超声波的衰减主要包括扩散衰减、散射衰减和吸收衰减a、扩散衰减：由于波束的扩散引起的衰减随着传播距离的增加，波束截面越来越大，单位上的能量逐渐减小。b、散射衰减：声波传播过程中遇到声阻抗不同的异质界面，产生反射折射和波型转换c、吸收衰减：超生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衰减当工件厚度x≥3N时，并具有平行底面或圆柱曲底面时x=【20㏒（F/β2）-6】/2λxβ/mm（不考虑底面反射损失）10、关于纵波发射声场（圆盘声源）圆盘声源轴线上声压分布：波源附近的轴线上声压上下起伏变化，存在着若干个极大极小值，距波源的距离越近声压极大极小值的点就越密。声学上把由于波的干涉在波源附近的轴线上产生一系列声压极大极小值的区域称为超声波的近场区3近场区长度N=D2/4λ（超声波是有探头的×电晶片（激波），发出的而这个波源可以看作是由许多发射声波的子波源组成这些子波波源作同相位，同振幅振动，各自发出球面子波，并相互叠加长生干涉使一些地方声强互相加强，另一些地方互相减弱※超声场的近场长度与波长成反比，与波源面积成正比超声波频率越高，波长越短超声场的近场长度就越长由于近场区存在声压极大极小值，处于声压极大值处的较小缺陷可能回波较高，而处于声压极小值处的较大缺陷可能回波较低，因此超声波探伤总是尽量避免在近场区定量。波束半径扩散角θ=arcsin1.22λ/D≈70λ/D未扩散区与扩散区（未扩散区用b表示）当x≤b=1.64N，波束可视为直径为D的圆柱体，波阵面近似于平面，波束并不扩散，因此，这一区域内声场可视为平面波声场平均声压基本不变，实际探伤中薄板或块状工件前几次底波高度相差无几就是这个原因。X〉b区域内，波束开始扩散，称为扩散区这时主波束可视为底波直径为D的截头圆锥体，当x〉3N时，波束按环面波规律开始扩散11、规则反射体的回波声压（条件x≥3N）a、平底孔的回波声压：P￠=PxF￠/λx=POFF￠/λ2x2P￠：平底孔回波声压PO：晶片起好声压F：晶片的面积F￠：平底孔面积￠：平底孔直径λ：波长x：平底孔至波源的距离b、长横孔的回波声压：P￠=POF/λx·(￠/8x)1/2C、球孔的回波声压：P￠=POF/λx·d/4xd：球孔直径d、大平底回波PB=POFD/2λx应用举例：用2.5MH￠14mm的直探头，探测厚度为350mm的锻件，探伤灵敏度为￠3（平底孔当量），问如何用STB–GV-2调节仪器的探伤灵敏度？答：P￠2=PO/FDF￠2=PO·FDF￠2/λ2x2￠2P￠3=PO/FDF￠3=PO·FDF￠3/λ2x2￠3ΔdB=20㏒10（P￠3/P￠2）=20㏒10【（F￠3/F￠2）·x2￠2/x2￠3】=40㏒10【（F￠3/F￠2）·x￠2/x￠3】=40㏒103×150/2×350=-7.8dB所以应提高7.8dB二、仪器、探头1、超声波探伤仪概述4①作用：超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，作用是产生振荡并加于换能器——探头，激励探头发射超声波同时将探头送回来的电信号进行放大通过一定方式显示出来从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息2、仪器分类①按超声波的连续性分类分为A、脉冲波探伤仪B、连续波探伤仪C、调频波探伤仪。A、脉冲波探伤仪：仪器通过探头向工件周期性的发射不连续且周期不变的超声波，根据超声波的传播时间及中度判断工件中的缺陷位置和大小。这是目前应用最广泛的探伤仪B、连续波探伤仪：仪器通过探头向工件中发射连续且频率不变的超声波，根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小。C、调频波探伤仪：仪器通过探头向工件中发射连续的频率周期性变化的超声波，根据发射波和反射波的差频变化情况判断工件中有无缺陷。②按缺陷显示方式分类：A型显示探伤仪：是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间，纵坐标代反射波的幅度。B型显示探伤仪：是一种图形显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表波的传播时间，因而可以直观的显示出被探工件横-纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。C型显示探伤仪：也是一种图形显示，探伤仪荧光屏的横坐标与纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置，当探头在工件表面移动时荧光屏便显示出工件内部缺陷的平面图像。边能显示其深度。A型脉冲探伤仪几个主要组成部分：同步电路、扫描电路、发射电路、接受电路、显示电路和电源电路。3探头的作用和原理作用：将电能转换成超生能和将超生能转换成电能（产生超生波、接受超声波）压电效应：某些晶体受到压力或拉力产生形变时，在晶体的界面上出现电荷的现象叫正压电效应。而在电场的作用下，晶体发生弹性形变的现象叫逆压电效应，正、逆压电效应统称为压电效应。逆压电效应产生超声波，正压电效应接受超声波。压电晶体的主要性能参数a、压电应变常数d33压电应变常数表示单位电压产生的形变大小。若施加一定电压ua,使高度变化△tr，则：d33=△ta/ua（米/伏）它反映晶体的逆压电性能，它关系着晶片的发射灵敏度，d33大，晶体发射性能好，制作单发射超声波探头，应选用d33较大的压电晶片b、压电电压常数g33压电电压常数表示单位压力产生的相对形变电压的大小，若施加应力为p，晶体产生的电压为up，则g33=up/p（伏米/牛顿）压电电压常数反映压电晶体的正压电特性，它关系着晶片的接受灵敏度，因此也称压电接受系数；g33大晶片接受性能好，接受到微弱的超声波信号就可以产生较高的电压，制作高接的超声波探头，应选用g33较大的压电晶片。A型脉冲反射式超声波探伤仪的工作过程：同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路，扫描电路受触发开始工作，产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平偏转板，使电子束发生水平偏转在荧光屏上产生一条水平扫描线。与此同时，发射电路受触发产生高频脉冲，加至探头，激励压电晶片振动，在工件中产生超声波。超声波在工件中传播，遇到缺陷或底面发生发射，返回探头时，又被压电晶片转变为电信号，经接受电路放大和检波，加至示波管垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，5在水平扫描线的相应位置上，产生缺陷或底波。根据缺陷波的位置可以确定缺陷的埋藏深度，根据缺陷波的幅度可以估算缺陷的当量大小同步电路：又称触发电路，它每秒产生数十至千个脉冲，用来触发探伤仪其它电路（扫描电路、发射电路等），使之步调一致，有条不紊的工作。扫描电路：又称时基电路，用来产生锯齿波电压，加在示波管水平偏转板上，使示波管荧光屏上的光点沿水平方向作等速移动，产生一条水平扫描线（即时基线），（深度粗调、微调、扫描延迟，都是扫描电路的控制旋钮）发射电路：利用闸流管或可控硅的开关，它产生几百伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头，激励压电晶片振动，使之发射超声波。接受电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器组成，它将来自探头的电信号进行放大、检波，最后加至示波器的垂直偏转板上，并在荧光屏上显示。C、机电耦合系数k从能量观点出发，压电效应是一种电能和机械能相互转化的效应，机械能和电能之间耦合强弱用机电耦合系数k表示，其定义为：k1=共总的电能电能转化成机械能(从逆压电效应考虑)k2=共总的电能机械能转化成电能(从正压电效应考虑)机电耦合系数关系着晶片的转化效率，k大转化效率高，晶片的发射灵敏度和接收灵敏度高，反之则低。D、居里温度Tc所有压电材料当温度达到一定值后，压电效应会自行消失，物理学上称该温度为材料的居里温度或居里点；压电体有上居里温度和下居里温度。如锆钛铅Tc上约为300°CTc下约为-80°C。因此探测高温工件的探头，应采用上居里温度较高的压电晶片，而在寒冷地区应选用下居里温度低者。机械品质因素θm压电晶片谐振时贮存的机械能E贮与在一个振动周期内损耗的能量E损之比称为机械品质因素：θm=损贮EE〉1机械品质因素θm反映了压电晶片谐振时由于内摩擦能消耗的机械能的大小，θm大机械能损耗小，灵敏度高，但脉冲宽度大，分辨率低，盲区大；θm小则反之。一般探头中压电晶片背面的吸收块的设置，