第4章超声波检测

第四章超声波检测4．0概述超声波检测的优点——可探测厚度大成本低速度快对人体无害对平面型缺陷的探测灵敏度高学习超声波检测的目的：(1)掌握超声探伤的基础知识和技术(2)掌握与材料及其制造工艺有关的知识(3)了解被探工件的结构、几何形状和状态4．1超声波检测的特点与应用4．1．1超声波检测的特点什么是超声波——频率≥20kHz的、以波动形式在弹性介质中传播的机械振动超声波频率f、波长λ与声速c的关系：λ＝c/f(4.1)常用工作频率：0.4~5MHz较低频率用途：粗晶材料和衰减较大材料的检测较高频率用途：细晶材料和高灵敏度检测超声波检测特性：①介质中传播时，遇到界面会发生反射；②指向性好，且频率愈高，指向性愈好；③传播能量大，对各种材料的穿透力较强。4．1．2超声波检测的应用与发展趋势超声波检测的应用：(1)适用于钢铁、有色金属或非金属构成的各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件(2)适用于各种金属及非金属材料的机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力容器和化工容器(3)可无损检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等超声波检测技术的发展趋势:（1）超声波检测装置智能化（2）超声波检测结果实时化（3）超声波检测领域广泛化4．2超声场及介质的声参量简介4．2．1描述超声场的物理量超声场——充满超声波的空间，或在介质中超声振动所波及的质点占据的范围描述超声场的常用物理量——声压、声强、声阻抗、质点振动位移和质点振动速度等1．声压p声压——超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强p1与没有超声场存在时同一点的静态压强p0之差:p＝p1-p0下面分析声压的表达式：设ds上的声压为p，则：F=pds声波在dt内传播距离为dx，根据动量原理：Fdt=Δmv，式中，Δm=ρdsdxv——介质中质点振动速度所以：pdsdt=ρdsdxv得：p=ρ(dx/dt)v=ρcv声压有效值pm=ρcvm=ρcAω2．声强I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；单位：W/cm2声强I3．分贝的概念声强标准——f=1000Hz时，引起听觉的最弱声强I0＝10-16W/cm2声强级——IL=lg(I/I0)Bel(贝尔)=10lg(I/I0)dB(分贝)=20lg(p/p0)dB4．2．2介质的声参量1．声阻抗（acousticimpedance）超声波在介质中传播时，任一点的声压p与该点速度振幅V之比，常用Z表示:[kg/(cm2s)](4.2)Z表示声场中介质对质点振动的阻碍作用：V∝1/ZpZVZ与介质的密度和声速之间的数值关系：Z=ρc介质不同Z不同;同一种介质中，若波形不同则Z值也不同。超声波在不同介质界面上的透射和反射主要取决于两种介质的声阻抗之比。气体、液体和固体的Z值相差较大。考虑到气体液体固体的密度比约为：1:1000:10000实验证明，气体、液体与金属之间特性声阻抗比约为：1:3000:80002．声速c超声波声速与超声波波形及介质特性(如密度、弹性模量等)密切相关相速度群速度相速度——声波传播到介质的某一选定的相位点时，在传播方向上的声速群速度——传播声波的包络上，具有某种特性(如幅值最大)的点上，声波在传播方向上的速度群速度是波群的能量传播速度，在非频散介质中，群速度等于相速度频散现象——不同频率声波的相速度不同产生原因——介质粘弹,多孔；声波在波导中传播等声速声速可根据介质的弹性率和密度来计算：介质密度介质弹性率声速＝4．3超声波的传播超声波的波形可分为下列四种：(1)纵波——质点振动方向和传播方向一致的波，如下图示。纵波能在固液气三相介质中传播；在探伤中用于纵波探伤法。(2)横波——质点振动方向垂直于传播方向的波，如下图所示。横波只能在固体介质中传播，在探伤中用于横波探伤法。(3)表面波（瑞利波）——质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，如下图所示。表面波质点振动的轨迹是椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。表面波在探伤中用于表面波探伤法。(4)兰姆波（板波）——只产生在有一定厚度的薄板内；在板的两表面和中部都有质点的振动；声场遍及整个板的厚度，沿着板的两表面及中部传播。对称型兰姆波——两表面质点振动的相位相反，中部质点以纵波的形式振动非对称型兰姆波——两表面质点振动的相位相同，中部质点以横波的形式振动兰姆波可检测板厚及分层、裂纹等缺陷，还可检测材料的晶粒度和复合材料的粘合质量等。在无限大固体介质中，纵波声速cL用下式表示：横波声速cS为:表面波声速cR为:14/3112LEKGc121SEGc左面各式中，E——杨氏模量ρ——介质密度μ——泊松比K——体积模量G——切变模量121112.187.0EcR显然，纵波、横波和表面波的速度比满足下面的关系式：1221SLcc0.871.121RScc通常可认为：cS≈0.5cLcR≈0.9cS即：cRcscL4．4超声波在介质中的传播特性4．4．1超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波在遇到异质界面时，会产生反射和透射现象4．4．1．1单一界面界面声压反射率r——在光滑平界面上，超声波反射波声压pr与入射波声压p0之比：式中，Z1——介质1的声阻抗Z2——介质2的声阻抗12120ZZZZpprr界面上透射波声压pt与入射波声压p0之比称为界面的声压透射率，用t表示：12202ZZZpptt界面上反射波声强Ir与入射波声强I0之比称为声强反射率R:221021rIZZRIZZ界面上透射声强It，与入射声强I0之比称为声强透射率T：122214ttIZZTIZZ注意：rp+tp≠1RI+TI＝1原因：声压由声阻抗决定，如果声波从低Z介质传入高Z介质，例如（水→钢），尽管声强只有少部分透入钢中（T钢1），钢中的声压仍会比水中的声压高1.93倍。12202ZZZpptt122214ttIZZTIZZ结论：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。注意：垂直入射时，介质两侧声波须满足两个边界条件：（1）一侧总声压等于另一侧总声压（p0+pr=pt），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；（3）上述关于声压、声强的反射率、透射率计算公式，同样适用于横波入射情况，但在固/液、固/气界面上，横波将发生全反射。实际过程中，Z2＞Z1、Z2＜Z1或Z2≌Z1的情况各不相同，详见下图：4．4．1．2薄层界面超声波通过异质薄层时：→在薄层两侧界面引起多次反射和透射→形成一系列反射和透射波→各次反射波、透射波互相干涉→声压反射率和透射率的计算复杂化(1)当第一介质、第三介质为同一介质（Z1＝Z3≠Z2）时，对均匀介质中的异质薄层有如下规律性：22222222211sin42111sin4dmmrdmm222212111sin4tdmm式中:d2——异质薄层的厚度；λ——异质薄层的波长；m——两种介质的声阻抗之比=(Z1/Z2)声压反射率声压透射率讨论：当d2=n(λ2/2)时（n为正整数），r≈0，t≈1当d2=（2n－1）(λ2/4)时（n为正整数），r最高，t→0当d2→0时，即d2n(λ2/4)时，则薄层厚度愈小，透射率愈大，反射率愈小（2）Z1≠Z2≠Z3时，声压往复透射率为：（4.16）讨论：当时(n为正整数)，则有132221322132222422cossinZZTZZddZZZZ132134ZZTZZ222dn!22时才成立当nd结论：Z1≠Z2≠Z3时，若薄层厚度对d2等于半波长(λ/2)的整数倍，则超声波通过薄层的声压往复透射率T与薄层的性质无关当(n为正整数)，且时，有：结论：薄层两侧介质声阻抗不同时，若d2=λ2/4的奇数倍，时，其声压往复透射率T=1，此即为全透射情形。当d2＜λ2/4时，薄层愈薄，声压往复透射率愈大。2214dn213ZZZ132132241ZZTZZZZ213ZZZ也成立是不对的！教科书称2/)(312ZZZ4．4．2斜入射到平界面上的反射和折射声波传输几何性质与其它任何一种波的传输性质相同，服从斯涅耳定律。但声波与电磁波的反射和折射现象之间有所差异：→声波斜角入射→传输模式改变→传输速度变化结论：应以新的声波速度代入斯涅耳公式进行计算。4．4．2．1斯涅耳定律式中，α——入射角β——折射角γ——反射角L——纵波S——横波11122sinsinsinsinsinSSLLLLLSLSccccc入射纵波反射纵波反射横波折射纵波折射横波αLγSγLβSβL4．4．2．2临界角(专指入射角)（1）第一临界角：若cL2＞cL1，则：βL＞βS第一临界角αI=arcsin(cL1/cL2)入射声波以第一临界角入射时，第二介质中将只存在折射横波。折射横波以第一临界角入射时折射横波折射纵波折射纵波11122sinsinsinsinsinSSLLLLLSLSccccc(2)第二临界角：若cS2＞cL1，(例如有机玻璃／钢)，则有βS＞αL令：βS=90°，得第二临界角：αⅡ=arcsin(cL1/cS2)入射声波以第二临界角入射时，第二介质中既无折射纵波，又无折射横波，这时在介质的表面将产生表面波。折射横波＋折射纵波以第二临界角入射时折射横波折射纵波11122sinsinsinsinsinSSLLLLLSLSccccc(3)第三临界角：当超声波横波倾斜入射到界面时，在第一介质中产生反射纵波和反射横波。由于在同一介质中，cL＞cs，故αL＞αs。当αL=90°时，在第一介质中只存在反射横波。第三临界角αⅢ=arcsin(cs1/cL1)注意：只有第一介质为固体时，才会有第三临界角。入射横波反射横波反射纵波折射纵波折射横波入射横波反射横波反射纵波折射纵波折射横波11122sinsinsinsinsinSSLLLLLSLSccccc4．4．2．3声压反射率与透射率斯涅尔反射、折射定律：只决定超声波倾斜入射到界面上时，各种类型反射波和折射波的传播方向，无法决定它们的声压反射率和透射率。斜入射时，声压反射率和透射率，不仅与界面两侧介质声阻抗有关，而且还与入射波类型及入射角大小有关。理论计算公式较为复杂，一般借助于实验得到的声压反射率和透射率图来确定检测方案。图4.6纵波入射至钢－空气界面时的反射4．4．3超声场的特征声波的衍射和干涉现象影响到超声场的分布特性超声束在介质中遇到缺陷(异质界面)时，它可以反射回来。反射波具有一定的指向性，可用光衍射法显示出现1．超声场的指向性和扩散角超声场指向性——超声波从声源(晶片辐射器)集中成束向前传播，往往集中在与晶片轴线成θ半扩散角的锥体范围内强烈辐射出去晶片θ晶片θ当晶片直径为D，超声波波长为λ时半扩散角θ为：(4.18)超声场中沿晶片中心轴线方向声压最大；由于圆孔衍射效应，轴线两侧声压会出现声压为零和多个极大值；轴线两侧第一个声压零值点连接起来与轴线的夹角称半扩散角θ。DDDK22.1arcsin22.1sin2．指向性与声源直径D和波长λ的关系不同D/λ比值得超声波指向特性图如下：纵波在钢中传播时其指向性与频率和直径有关。具体数据见表4.1：频率MHz1.02.52.5510直径mm2020141220141210指向性θ(°)218121445.56.54表4.1纵波在钢中传播时扩散角数值表小结：D不变时，声波频率增加时，波长减小，扩散角减小；频率不变时，D减小，扩散角增加。DDDK22.1arc