超声波检测技术

第6章常用无损检测方法6.1超声检测6.1.11.超声波的产生依赖于做高频机械振动的“声源”和传播机械振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测的物理基础。描述超声波波动特性的基本物理量有：声速c、频率f、波长λ、周期T、角频率ω。其中频率和周期是由波源决定的，声速与传声介质的特性和波型有关。这些量之间的关系如下：cλωπfT21（6-1）第6章常用无损检测方法2.超声波的特点超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测。1)方向性好超声波具有像光波一样定向束射的特性。2）穿透能力强对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。3）能量高超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。4）遇有界面时，将产生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。第6章常用无损检测方法3.超声波的分类超声波的分类方法很多，如图6.1所示。主要有：按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系分类，即按波型分类；按波振面的形状分类，即按波形分；按振动的持续时间分类等。其中，按波型是研究超声波在介质中传播规律的重要理论依据，将着重讨论。第6章常用无损检测方法图6-1超声波的分类第6章常用无损检测方法1）超声波的波型指的是介质质点的振动方向与波的传播方向的关系。按波型可分为纵波、横波、表面波和板波等。（1）纵波。介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波，用L表示(见图6-2)。介质质点在交变拉压应力的作用下，质点之间产生相应的伸缩变形，从而形成了纵波。纵波传播时，介质的质点疏密相间，所以纵波有时又称为压缩波或疏密波。第6章常用无损检测方法图6-2纵波第6章常用无损检测方法（2）横波。介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波叫横波，用S或T表示(见图6-3)。横波的形成是由于介质质点受到交变切应力作用时，产生了切变形变，所以横波又叫做切变波。液体和气体介质不能承受切应力，只有固体介质能够承受切应力，因而横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。（3）表面波（瑞利波）。当超声波在固体介质中传播时，对于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波即表面波(见图6-4)。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，因此表面波又称为瑞利波，常用R表示。第6章常用无损检测方法图6-3横波第6章常用无损检测方法图6-4表面波第6章常用无损检测方法（4）板波（兰姆波）。在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波叫板波(或兰姆波)。板波传播时声场遍及整个板的厚度。薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合，质点振动的轨迹为一椭圆，在薄板的中间也有超声波传播(见图6-5)。板波按其传播方式又可分为对称型（S型）和非对称型（A型）两种，这是由质点相对于板的中间层作对称型还是非对称型运动来决定的。第6章常用无损检测方法图6-5(a)对称型；(b)非对称型第6章常用无损检测方法2)超声波由声源向周围传播的过程可用波阵面进行描述。如图6-6所示，在无限大且各向同性的介质中，振动向各方向传播，用波线表示传播的方向；将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面称为波阵面；某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面称为波前。在各向同性介质中波线垂直于波阵面。在任何时刻，波前总是距声源最远的一个波阵面。波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。第6章常用无损检测方法图6-6波线、(a)平面波；(b)柱面波；(c)球面波第6章常用无损检测方法根据波阵面的形状(波形)，可将超声波分为平面波、柱面波和球面波等。平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵面为同轴圆柱面，球面波的波阵面为同心球面，如图6-6所示。当声源是一个点时，在各向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。当声源的尺寸远小于测量点距声源的距离时，可以把超声波看成是球面波。球面波的波动方程为)(coscxtxAy（6-2）第6章常用无损检测方法3）连续波与脉冲波连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波是质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波。对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率。第6章常用无损检测方法6.1.2超声场及介质的声参量简介1.超声场的物理量1)声压当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声压，用P表示,即)Pa(01PPP(6-3)第6章常用无损检测方法对于平面余弦波，可以证明：cVcxtAcxtVcxtPP)(sinc)(sinc)(sinmm（6-4）式中：为介质的密度;c为介质中的声速；为介质质点的振幅；V为介质质点振动的角频率；为质点振动速度的幅值；t为时间；x为质点距声源的距离；为声压幅值。由上式可知：超声场中某一点的声压幅值Pm与角频率成正比，也就与频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于声波的频率，故超声波的声压一般也远大于声波的声压。AVmcAPm第6章常用无损检测方法2）介质中某一点的声压幅值Pm与该处质点振动速度幅值Vm之比，称为声阻抗，常用Z表示。在同一声压下，声阻抗Z愈大，质点的振动速度就愈小。声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。由式(6-4)得cVPZmm（6-5）第6章常用无损检测方法3）单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用I表示。对于平面纵波，其声强I为ZPZVcAI2m2m22212121（6-6）由式(6-6)可知，超声场中，声强与角频率平方成正比。由于超声波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于探伤的重要依据。第6章常用无损检测方法4）实际探伤中，将声强I1与I2之比取对数的10倍得到二者相差的数量级，这时单位为分贝，用dB表示，即)dB(lg1021IIΔ（6-7）根据式（6-6），有m2m121lg20lg10PPIIΔ（6-8）式中：Pm1、Pm2分别为声强I1、I2对应的声压幅值。第6章常用无损检测方法对于线性良好的超声波探伤仪，示波屏上波高与声压成正比，即任意两波高H1、H2之比等于相应的声压Pm1、Pm2之比，即dBlg20lg20212mm1HHPPΔ（6-9）第6章常用无损检测方法2.介质的声参量1）声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型有关，但更依赖于传声介质自身的特性。因此，声速又是一个表征介质声学特性的参量。了解受检材料的声速，对于缺陷的定位和定量分析都有重要的意义。声速又可分为相速度和群速度。相速度是指声波传播到介质的某一选定相位点时在传播方向上的声速。群速度是指传播声波的包络上具有某种特征（如幅值最大）的点上沿传播方向上的声速。群速度是波群的能量传播速度。第6章常用无损检测方法（1）纵波、横波和表面波的声速。纵波、横波和表面波的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的，而与频率无关，即它们各自的相速度和群速度相同，因此一般说到它们的声速都是指相速度。不同材料声速值有较大的差异。在给定的材料中，频率越高，波长越短。同一固体介质中，纵波声速cL大于横波声速cs，横波声速cs又大于瑞利波声速cr。对于钢材，cL≈1.8cs，cs≈1.1cr。（2）板波的声速。板波的声速与其他波型不同，其相速度随频率变化而变化。相速度随频率变化而变化的现象被称为频散。第6章常用无损检测方法2）超声波的衰减指的是超声波在材料中传播时，声压或声能随距离的增大逐渐减小的现象。引起衰减的原因主要有三个方面：一是声束的扩散；二是由于材料中的晶粒或其他微小颗粒引起声波的散射；三是介质的吸收。在超声检测中，谈到超声波在材料中的衰减时，通常关心的是散射衰减和吸收衰减，而不包括扩散衰减。对于平面波来说，声压幅值衰减规律可用下式表示：xppe0（6-10）第6章常用无损检测方法介质中超声波的衰减系数α与超声波的频率关系密切，通常情况下，衰减系数随频率的增高而增大。将式(6-10)两边取对数可转换为以下关系式：)dB/mm(lg2010ppx（6-11）此时，的单位为dB／mm(分贝／毫米)。在超声检测中，直接可测量的量是两个声压比值的分贝数。因此衰减系数可通过超声波穿过一定厚度（Δx）材料后声压衰减的分贝（ΔdB）数进行测量，将衰减量(ΔdB)除以厚度即为衰减系数α。第6章常用无损检测方法6.1.31.超声波垂直入射到平界面上的反射和透射如图6-7所示，当超声波垂直入射到两种介质的界面时，一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波(声强为It)，波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为反射波(声强为Ir)。声波的这一性质是超声波检测缺陷的物理基础。第6章常用无损检测方法图6-7超声波垂直入射于平界面的反射与透射第6章常用无损检测方法通常将反射波声压Pr与入射波声压P0的比值称为声压反射率r，将透射波声压Pt和P0的比值称为声压透射率t。可以证明，r和t的数学表达式为：12120rZZZZppr（6-12）1220t2ZZZppt（6-13）式中：Z1为第一种介质的声阻抗；Z2为第二种介质的声阻抗。第6章常用无损检测方法为了研究反射波和透射波的能量关系，引入声强反射率R和声强透射率T两个量。R为反射波声强(Ir)和入射波声强(I0)之比；T为透射波声强(It)和入射波声强(I0)之比。2121220rZZZZrIIR21221202210t4ZZZZPZPZIITt（6-14）（6-15）第6章常用无损检测方法对于脉冲反射技术来说，还有一个有意义的量是声压往返透过率，如图6-8所示。通常入射声压经过两种介质的界面透射到试件中后，均需经过相反的路径（假设在工件底面的反射为全反射）再次穿过界面到第一介质中才被探头所接收。两次穿透界面时透射率的大小，决定着接收信号的强弱。因此，将声压沿相反方向两次穿过界面时总的透射率称为声压往返透过率(tp)，其数值等于两次穿透界面的透射率的乘积，由式（6-13）可得2212121p4ZZZZttt（6-16）第6章常用无损检测方法图6-8声压往返透过率第6章常用无损检测方法2.超声波垂直入射到多层界面上时的反射和透射在超声检测中经常遇到超声波进入第二种介质后，穿过第二种介质再进入第三种介质的情况。如图6-9所示，当超声波从介质1（声阻抗为Z1）中垂直入射到介质1和介质2（声阻抗为Z2）的界面上时，一部分声能被反射，另一部分透射到介质2中；当透射的声波到达介质2和介质3（声阻抗为Z3）的界面时，再次发生反射与透射，其反射波部分在介质2中传播至介质2与介质1的界面，则又会发生同样的过程。如此不断地继续下去，则在两个界面的两侧，产生一系列的反射波与透射波。第6章常用无损检测方法图6-9在两个界面上的反射和透射第6章常用无损检测方法3.超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换当超声波相对于界面入射点法线以一定的角度倾斜入射到两种不同介质的界面上时，在界面上会产生反射、折射和波型转换现象，见图6-10。入射声波与入射点法线之间的夹角称为入射角。第6章常用无损检测方法图6-10(a)纵波入射；(b)横波入射第6章常用无损检测方法1)反射如图6-10（a）所示，当纵波以入射角αL倾斜入射到异质界面上时，将会在介质1中于入射点法线的另一侧产生与法线成一定夹角αL′的反射纵波。反射波与入射点法线之间的夹角称为反射角。入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何光学的反射定律，即αL=αL′。与光的反射不同的是，当介质1为固体时，界面上既产生反射纵波，同时又发生波型转换并产生反射横波，即反射后同