10现代测试技术-超声检测技术

中国石油大学信息与控制工程学院现代测试技术2013.9中国石油大学信息与控制工程学院第七章超声检测技术超声检测技术中国石油大学信息与控制工程学院第一节超声波的理论基础7.1超声检测的理论基础中国石油大学信息与控制工程学院一、什么是超声波7.1超声检测的理论基础振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。频率在20～2×104Hz之间,声波;低于16Hz的，次声波;高于2×104Hz，超声波。工业超声检测常用工作频率：0.5～10MHz；较高频率用于细晶材料和高灵敏度检测；较低频率常用于衰减较大的材料和粗晶材料的检测。中国石油大学信息与控制工程学院二、描述超声波的基本物理量声速：单位时间内，超声波在介质中传播的距离称为声速，用符号“c”表示。频率：单位时间内，超声波在介质中任一给定点所通过完整波的个数称为频率，用符号“f”表示。波长：声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点之间的距离称为波长，用符号“λ”表示。周期：声波向前传播一个波长距离时所需要的时间称为周期，用符号“T”表示。角频率：角频率用符号“ω”表示。定义为ω=2πf。上述各量之间的关系为：T=1/f=2π/ω=λ/c7.1超声检测的理论基础中国石油大学信息与控制工程学院三、超声波的特点7.1超声检测的理论基础方向性好：超声波具有像光波一样定向束射的特性。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。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。遇有界面时，超声波将产生反射、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。对人体无害。中国石油大学信息与控制工程学院7.1超声检测的理论基础四、超声波的分类波型：介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系；波形：波振面的形状；中国石油大学信息与控制工程学院纵波介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波；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纵波传播时，介质的质点疏密相间，又称为压缩波或疏密波。能在任何介质中传播，气体、液体、固体。7.1超声检测的理论基础按波型分类直探头产生纵波中国石油大学信息与控制工程学院横波介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向；由于介质质点受到交变切应力作用时，产生切变形变，又称切变波；只能在固体介质中传播，因为液体和气体介质不能承受切应力。7.1超声检测的理论基础斜探头产生纵波中国石油大学信息与控制工程学院在同一介质中,纵波声速比横波声速快,纵波波长比横波波长短.纵波与横波的应用特点纵波的穿透能力比横波强.横波常用于焊缝检测对粗晶粒焊缝检测,常用纵波斜探头横波检测灵敏度高,能检测的最小缺陷比纵波小.钢有机玻璃纵波声速横波声速5880~5900m/s3230m/s2720m/s1460m/s7.1超声检测的理论基础中国石油大学信息与控制工程学院表面波（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；介质做椭圆运动，该运动是纵波与横波的合成；只能在固体传播。7.1超声检测的理论基础中国石油大学信息与控制工程学院板波（兰姆波）在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波；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，轨迹为一椭圆；按其传播方式又可分为对称型（S型）和非对称型（A型）两种。7.1超声检测的理论基础(a)对称型；(b)非对称型中国石油大学信息与控制工程学院(a)平面波；(b)柱面波；(c)球面波按波形分类7.1超声检测的理论基础平面波/活塞波:平面声源产生的波形,超声检测常用波形中国石油大学信息与控制工程学院用波线表示传播的方向；波阵面：将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；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。基本术语7.1超声检测的理论基础中国石油大学信息与控制工程学院连续波和脉冲波连续波：介质中各质点振动时间为无穷；脉冲波：质点振动时间很短；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。7.1超声检测的理论基础中国石油大学信息与控制工程学院五、超声场和声介的声参量充满超声波的空间或介质中，超声振动所波及的质点占据的范围叫超声场。描述超声场的声参量声压p)Pa(01PPP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;超声场中某一点的声压幅值Pm与角频率成正比，即与频率成正比。7.1超声检测的理论基础中国石油大学信息与控制工程学院声阻抗Z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；声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用，在同一声压下，声阻抗Z愈大，质点的振动速度就愈小；气体、液体和固体的声阻抗相差较大，Z气：Z液：Z金属=1：3000：8000。cVPZmm,c分别表示介质密度和声速7.1超声检测的理论基础中国石油大学信息与控制工程学院声强IZPZVcAI2m2m22212121单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用I表示，单位为W/cm2;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，这是超声波能用于检测的重要依据。7.1超声检测的理论基础中国石油大学信息与控制工程学院分贝dB实际检测中，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m2m121lg20lg10PPIIΔ式中：Pm1、Pm2分别为声强I1、I2对应的声压幅值。7.1超声检测的理论基础中国石油大学信息与控制工程学院对于线性良好的超声波检测仪，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取自然对数ln，单位则为奈培。有：1NP8.86dB1dB=0.115NPm11m22lnlnNPPHΔPH7.1超声检测的理论基础中国石油大学信息与控制工程学院7.1超声检测的理论基础描述声介的声参量声速cc与超声波的波型有关，又是一个表征介质声学特性的参量；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；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，相速度和群速度相同；板波的相速度随频率变化而变化；这种现象被称为频散。中国石油大学信息与控制工程学院7.1超声检测的理论基础声衰减系数a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。中国石油大学信息与控制工程学院通常关心的是散射衰减和吸收衰减，对于平面波来说，声压幅值衰减规律可用下式表示：xppae0介质中超声波的衰减系数a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，且横波引起的衰减大于纵波。0120lg(dB/mm)pxpa7.1超声检测的理论基础对粗晶材料尽量选低频,纵波探头中国石油大学信息与控制工程学院第二节超声波在介质中的传播特性7.2超声波在介质中的传播特性中国石油大学信息与控制工程学院N近场远场焦点声束扩散角压电晶片主声轴D06cfDNeff42097,0DDefffDceff51,0sin6一、超声波束射特性7.2超声波在介质中的传播特性中国石油大学信息与控制工程学院束射特性对超声检测的影响近场影响:超声在近场内声压不稳定,应尽量避免在近场内检测探头直径越小,近场越短,探头频率越低,近场越短薄板应尽量选择近场短的探头,厚板应尽量选择近场长的探头如必须在近场内检测,必须使用对比试块对缺陷定量声速扩散角的影响:声速扩散角越小,能量越集中,能提高横向分辨率小的扩散角与短的近场长度是矛盾关系,因此应综合考虑各因素选择合适的探头探头直径越大,频率越高,声速扩散角越小7.2超声波在介质中的传播特性中国石油大学信息与控制工程学院二、超声波垂直入射到平界面上的反射和透射单一界面超声波垂直入射于平界面的反射与透射透射波(声强为It)反射波(声强为Ir)声波的反射和透射是超声波检测缺陷的物理基础。7.2超声波在介质中的传播特性在垂直入射时，边界条件：一侧声压等于另一侧声压；两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。中国石油大学信息与控制工程学院12120rZZZZppr1220t2ZZZppt声压透射率t：声压反射率r：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：22r21021IZZRrIZZ21221202210t4ZZZZPZPZIITt7.2超声波在介质中的传播特性声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。中国石油大学信息与控制工程学院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:声压往返透过率2212121p4ZZZZttt7.2超声波在介质中的传播特性中国石油大学信息与控制工程学院薄层界面在两个界面上的反射和透射超声波经过耦合剂层进入试件，Z1≠Z2≠Z3；试件存在裂纹或分层等，Z1=Z3≠Z27.2超声波在介质中的传播特性中国石油大学信息与控制工程学院0,131,0-0,87树脂玻璃入射波透射波反射波钢超声波垂直入射示例7.2超声波在介质中的传播特性中国石油大学信息与控制工程学院反射特性对超声检测的影响检测分层时,应尽量用不同频率的探头检测,避免透声层影响超声波能检测到的最小缺陷尺寸为半波长fc221探头的频率越高,能检测出的缺陷越小对于粗晶粒材料,应选择频率尽量低的探头,提高穿透性能和信噪比探头保护膜声阻抗应尽量满足工件晶片ZZZm检测时应尽量使偶合剂厚度趋于07.2超声波在介质中的传播特性中国石油大学信息与控制工程学院7.2超声波在介质中的传播特性三、超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换介质2为固体中国石油大学信息与控制工程学院无论是纵波入射还是横波入射，均有。当介质1为液体或气体时，则入射波和反射波只能为纵波。纵波折射角βL要大于横波折射角βS。LSrr反射角与折射角ssLLLL1L1S1L2S2sinsinsinsinsinrrccccca斯奈尔定律：7.2超声波在介质中的传播特性中国石油大学信息与控制工程学院临界角当第二种介质中的折射波型的声速比第一种介质中入射波型的声速大时，折射角大于入射角。第一临界角当入射波为纵波，且cL2cL1时，使纵波折射角达到90°的纵波入射角称为第一临界角，用符号αⅠ表示。当纵波入射角大于第一临界角时，第二介质中不再有折射纵波。12arcsinLLcca7.2超声波在介质中的传播特性中国石油大学信息与控制工程学院7.2超声波在介质中的传播特性第二临界角当入射波为纵波，第二介质为固体，且cS2cL1时，使横波折射角达到90°的纵波入射角为第二临界角，用符号αⅡ表示。12arcsinLScca•临界角主要应用于第二介质为固体，而第一介质为固体或液体的情况。•可利用入射角在第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中产生一定角度范围内的纯横波，对试件进行检测。中国石油大学信息与控制