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超声波探伤第一章超声波检测的物理基础一、波动(一)振动与波物体或质点在某一平衡位置附近作往复运动，这种运动状态就叫做机械振动，简称振动。如果物体或质点作周期性直线振动，它离开平衡位置的距离与时间可以用正弦或余弦函数表示，称为简谐振动。这是最基本最重要的周期性直线振动。(二)波动波动简称波，它是振动或振荡在物体或空间中的传播；振动是产生波动的根源。波动是振动的结果，是物质的基本运动形式之一。波动可分称两大类，一类是机械波，另一类是电磁波。两者有很大的本质区别，不可混淆。区别机械波是机械振动在弹性介质中引起的波动过程。例如水波、声波、超声波等。电磁波则是电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在物体中或空间(如真空)的传播过程，如无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线等。1、机械波动的条件机械波的产生除了需要振动波源，还必须有传播波动的弹性介质。弹性介质是相互间由弹性力连系着的质点所组成的物质，例如超声检测的大量金属及非金属固体工件，自然界中的其他液体和大多数气体等。质点通过相互间弹性联系，就可将振动能传输到足够远，这就是波动过程。超声波声波归属于机械振动范畴。因此，产生超声波的条件：(1)要有产生高频机械振动的声源；(2)要有传播超声波的弹性介质。2、波动方程描述介质中质点相对于平衡位置的位移随时间变化的方程称为行波的波动方程。波动方程式也可写成：y=Acos（ωt--kx）(1-3)波动方程的物理意义：(1)当距离x一定时，位移y仅为时间t的函数。这时波动方程表示x处振动情况；(2)当时间t一定时，位移y是距离x的函数。这时波动方程表示某一时刻同一波线上各质点的位移情况；(3)当t和x都变化时，波动方程表示在任意时刻波线上任意一点的位移情况，k=ω/c为波数，波速也称相位速度。)cos(kxtAy二、超声波的特性(一)声波的种类超声波是声波的一种，广泛地应用于无损检测中。声波是在弹性介质中传播的机械波，其种类按频率范围可以分为四类：次声波频率在20Hz以下，人耳听不到；声波在20Hz～20KHz之间，人耳可闻；超声波20KHz～1000MHz，人耳不可闻；特超声波在1000MHz以上，人耳不可闻。适用的频率超声波探伤常用的频率为0.25MHz~15MHz。对金属材料一般频率为0.5~10MHz。钢结构焊缝常用频率为1~5MHz。陶瓷常用频率则为2.25~10MHz。对铸铁、非金属声衰减强烈的粗晶材料，甚至采用25KHz~0.25MHz的频率。(二)超声波的特性之一1、束射特性因为超声波频率较高，波长较短，声束指向性较好，可使超声能量向一个确定的方向集中辐射，所以利用超声波可在被检工件内部发现缺陷，又便于缺陷定位；超声波的特性之二2、反射特性超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面时会产生反射、透射或折射，这些现象主要由入射角度和不同介质的声学特性决定。例如超声脉冲反射法的基本原理就是利用超声波在缺陷与材料间异质界面的反射来发现缺陷的；超声波的特性之三3、传播特性超声波在弹性介质中传播时，质点振动位移小、振速高，强度与频率的平方成正比，因此，其声压和声强远大于声波，使得超声检测具有很强的穿透能力。在大多数介质中传输能量损失小，传播距离大，在一些金属材料中检测范围可达数米；超声波的特性之四4、波型转换特性超声波斜入射在两个声速不同的异质界面上容易实现波型转换。纵波、横波、板波、表面波都可以通过压电晶片产生的纵波在异质界面实现不同波型的转换。横波探伤、表面波探伤就是利用这一转换特性的例示。还有反射和折射横波等。因此，波型转换的条件是斜入射。但是在钢/水界面，横波无波型转换。三、超声波的波型(一)纵波L质点振动方向与波动传播方向相同或互相平行的波型称为纵波。当弹性介质受到交替变化的拉伸、压缩应力作用时，就会产生交替变化的伸长和压缩形变，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又作用于相邻的质点而在介质中传播，受力质点的间距也会相应产生交替的疏密变化，产生纵波。纵波也称为“压缩波”或“疏密波”，用L表示。纵波L图2.2.1质点振动方向波动传播方向(二)横波S质点振动方向与波动传播方向相互垂直的波型称为横波。当固体弹性介质受到交变的剪切应力作用时，产生剪切变形，介质质点就会产生相应的横向振动，质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波型称为横波。因横波是在剪切应力作用下产生的，故也称剪切波或切变波，用S表示。横波S图2.2.2质点振动方向波动传播方向(三)表面波当固体介质表面受到交替变化的应力作用时，质点作相应的纵横向复合振动。这种质点振动所引起的波动传播只在固体介质表面进行，故称表面波。换言之，表面波就是当交变的表面张力作用于固体表面时，产生沿介质表面传播的波。这是著名物理学家瑞利于1887年首先提出来的，因此表面波又称为瑞利波。介质中的瑞利波图2.2.3波传播方向空气固体介质表面波检测表面波通常只能检测距工件表面两倍波长(2λ)深度以内缺陷。超声波纵波倾斜入射到界面上，且入射角大于第二临界角时，第二介质中既无折射纵波，又无折射横波，在第二介质表面形成表面波。这是表面波探头的设计原理和依据。当瑞利波在传播途中碰到棱边时，若棱边曲率半径R大于5倍波长，表面波可不受阻拦地完全通过。当R逐渐变小时，部分表面波能量被棱边反射；当R≤(波长)时，反射能量很大。在超声波探伤中利用这种反射特性来检测工件表面和近表面的缺陷，以及用来测定表面裂纹深度等。(四)板波板波狭义地讲仅指兰姆波。它是在板厚与波长相当的弹性薄板状固体中传播的声波。即在板中传播的波既有振动方向与板面垂直的横波(简称SV波)又含有振动方向与板面平行的纵波(简称P波)。各种波型的比较表2.2.1各种波型的比较波型质点振动特点传播介质应用纵波振动方向平行于播向固、液、气体钢板、锻件探伤横波振动方向垂直于播向固体介质焊缝、钢管探伤表面波质点椭圆运动，长轴垂直播向固体介质钢管、薄板探伤短轴平行播向板波对称(S)型上下表面：椭圆运动中心：纵向振动固体介质(波长薄板)薄板薄壁管探伤非对称(A)型上下表面：椭圆运动中心：横向振动主要特征量周期、频率、波长、波速为四个特征量。令波在一个周期T内所传播的路程为波长，用λ表示。根据频率f和波速C的定义，四者关系如下：C=fλ=λ/T(1-4)波动每传播一个波长，波的相位就变化ωλ/C=2π，也即相隔整数倍波长的各点是作同相位振动的。令k=ω/c=2π/λ，k称为波数，描述波动的常用物理量。四、波形波阵面的形状即波形。波阵面是指波动传播过程中某一瞬时振动相位相同的所有质点联成的面。某一时刻，最前面的波阵面，也即该时刻波动到达的空间所有的点的集合称为“波前”，这是波阵面的特例。波动传播方向称为“波线”。若按波阵面的形状来区分可把不同波源激发的超声波分为平面波、活塞波、球面波和柱面波等。定义超声波从声源向四周围传播扩散的过程用波阵面描述。波线：在无限大且各向同性的介质中振动向各方向传播，其传播方向用波线表示。波阵面：同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面。波前：某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面。(一)平面波具有相互平行平面状波阵面的超声波为平面波。平面波可以看成为一个无限大的平面声源，在各向同性的弹性介质中作简谐振动所传播的波动。平面波的波阵面与声源平面平行，且沿直线传播时具有良好的方向性。若无吸收，声压不随距离变化。理想的平面波是不存在的，但如果声源截面尺寸比它所产生的波长大得多时，该声源发射的声波可近似地看作是指向一个方向的平面波。若不考虑介质的衰减，平面波声压不随声源距离的变化而变化。平面波（二）球面波具有同心球面状的波阵面的超声波称为球面波。球面波可以看成是点状球体源在各向同性弹性介质中以相同的速度向四面传播声波所致。球面波的波源为一点，它的波阵面为球面，见图2.2.7所示。尺寸远小于波长的点源在各向同性的介质中传播的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩散，当不考虑介质衰减时，球面波各质点的振幅与距离成反比。离源的距离越远，点源的辐射面积也越大，单位面积上的声能（即声强）就越小。即声强与距离平方成反比。球面波(三)柱面波具有同轴圆柱面状的波阵面的超声波称为柱面波。柱面波可以看成是由具有类似无限长细长柱体的形状的线源，在各向同性无限大介质中传播所致。理想的柱面波是不存在的，当线源长度远远大于波长、而其径向尺寸又比波长小得多时，此柱形源产生的波动可看成柱面波。柱面波小结一1、物理基础1.1波动方程与超声特点Y=ACOS(2пt/T+φ)=ACOS(ωt+φ)束射性反射性传播性波型转换1.2超声波传播波阵面和波形连续波和脉冲波驻波波型声速声强声阻抗1.3超声波衰减扩散散射吸收小结二2.1超声场圆盘源纵波声场指向性(半扩散角，近场长度，非扩散区)声压反射系数(斜入射反射/折射—临界角)入射角等于反射角；纵波反射角大于横波反射角；液体气体无横波2.2回波声压和分贝差条件公式例示—计算法；试块法不同规则反射体回波分贝差公式小结三2.3超声波探伤仪模拟式数字式测厚仪2.4换能器与试块划分横波、纵波探头（直探头、斜探头）标准和对比试块（设计、制造和应用）DAC曲线制作和使用（适用性、可靠性、比较性等方面）小结四3、焊缝超声波探伤探测面准备；换能器选择；定位法(水平、垂直、声程定位法)；定量法(当量法；测长法)；测长法(半波高度法；端点峰值法)。4、超声波探伤在钢构检测中的重要性非破坏性的手段质量安全的卫士五、连续波和脉冲波根据波源振动的持续时间长短分类，波动主要有两种。随时间变化的方式：一种是连续波，另一种是脉冲波。波源振动连续且持续时间为无穷的波动，形成连续波，如图所示；波源间隙振动，持续时间有限或很短(通常为微秒数量级)的波动，且间歇辐射或只在一段时间内有振幅的波动，形成脉冲波。连续波图1-10a脉冲波图1-10b频谱分析超声检测最常用的是脉冲波。一个脉冲波可分解为多个不同频率的谐振波的叠加。主要进行频谱分析。频谱特征量有峰值频率、频带宽度和中心频率。带宽：峰值两侧幅度下降为峰值的一半时的两点频率值之间的频率范围。-6dB-3dB中心频率：峰值两侧幅度下降的两点频率值的算术平均值频率fc。六、超声波的传播超声波传播的速度就是波动在单位时间内的传播距离，在声学中又称声速。声速与传播介质的密度和弹性模量有关。在超声波检测中，声速是缺陷定位的基础。不同的波型具有不同的声速。(一)无限大固体介质中的声速当介质尺寸远远大于超声波波长时，该传播介质就可以看成是无限大介质。固体声速固体无限大弹性介质中纵波声速公式(1-8)式中，E为介质的正弹性模量或杨氏模量；为介质密度；σ为介质的泊松比，表示介质拉伸时横向相对缩短与相对伸长之比。固体无限大弹性介质中横波声速公式(1-10)式中，G为介质的剪切弹性模量，表示固体介质承受切应力与切应变之比。声速比由于液体和气体的G=0，故Cs=0。固体无限大弹性介质中的表面波声速公式(1-11)纵波、横波和表面波均可在固态弹性介质中传播，不同波型的声速有较大差异。在同介质中，纵波与横波声速之比和表面波与横波声速之比为CL：CS：CR=1.8：1.0：0.9物理意义一1、固体无限大弹性介质中声速与杨氏模量E或切变模量G、介质密度有关。介质不同，声速不同。介质的弹性性能越强、即E或G越大，越小，则声速C越大；如果频率相同，则在同介质中纵波波长最长，横波次之，瑞利波长最短。物理意义二2、材料的泊松比取值范围为[0,1]，同一介质中纵波声速大于横波声速。同样在同一介质中传播时，纵波速度最快．横波速度次之，表面波速度最慢，即CLCSCR。由于缺陷检出能力和分辨能力均与波长有关，一般波长越短，检测灵敏度越高。所以，纵波对缺陷的检出能力和分辨率要低于横波。物理意义三3