超声波探伤物理基础

超声波探伤的物理基础第一章绪论1.1超声检测的定义和作用1.2超声检测的发展简史和现状1.3超声检测的基础知识1.3.1次声波、声波和超声波1.3.2超声检测工作原理1.3.3超声检测方法的分类1.3.4超声检测的优点和局限性1.3.5超声检测的适用范围前言第二章超声波伤的物理基础超声波探伤是目前应用最广泛的无损检测方法之一。特点：超声波是一种机械波。超声波波长短、能量高，可以在介质中直线传播，在传播过程中遇到异质界面时会发生反射、折射、端点衍射及波型转换。A型脉冲反射法超声波探伤，就是利用缺陷处反射回来的声波大小来评价缺陷的。缺陷越大或说反射面越大，反射回波就越强。目前，较先进的超声波探伤方法有：超声相控阵检测技术、TOFD检测技术超声相控阵&TOFD技术在无损检测领域的应用.pdf在实际工作中是先用标准反射体（试块）确定基准波高，根据不同的深度基准反射体的回波高度可以画出一条与深度相关的基准曲线（距离——波幅曲线或距离——分贝曲线），调整好基准波后按标准要求进行工件探测，根据缺陷回波的大小与基准波高进行比较，来判定缺陷当量大小，判定缺陷是否超标标准中基准反射体有：平底孔、横通孔、大平底、短横孔、线切割槽等第二章超声波探伤的物理基础A型脉冲反射式超声波探伤第二章超声波探伤的物理基础本章节需掌握的内容：一、振动与波动的概念与区别二、波的类型三、超声波的传播速度四、波的叠加、干涉、衍射与惠更斯原理五、超声波声场的特征值六、分贝与奈培七、超声波垂直入射到界面时的反射和透射八、超声波倾斜入射到界面时的反射和折射九、超声波的聚焦与发散十、超声波的衰减第二章超声波探伤的物理基础1.振动的基本概念与特点2、谐振动的概念与特点3、阻尼振动的概念与特点4、受迫振动的概念与特点，共振的概念与应用5、机械波6、波长、频率和波速之间的关系计算第一节振动与波动本节主要内容第二章超声波探伤的物理基础第一节振动与波动一、振动1.振动的基本概念物体沿着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。被手拨动的弹簧片上下跳动的皮球小鸟飞离后颤动的树枝特点：振动是往复周期性的运动，振动的快慢常用振动的周期或频率表示。第二章超声波探伤的物理基础周期T——振动物体完成一次全振动所用的时间，称为振动周期，用T表示，单位是：秒（s）1Hz=1次/秒T=1/f频率f——振动物体在单位时间内完成振动的次数，称为振动频率，用f表示。单位：赫兹Hz，1Hz表示1秒钟完成1次全振动。单位还有KHz、MHz第二章超声波探伤的物理基础如：人能听到的声音就是空气的机械振动人能听到的声音频率范围是20——20000Hz，中音一般在1000——1500Hz。因人而异，每人说话的音频不一样，所以能区分不同人的声音。音调、音域；高音、低音不是声音高低，而是频率高低；声音大小用振幅表示。如果人说话的频率是1000Hz，即每秒钟声带振动1000次。返回第二章超声波探伤的物理基础2．谐振动最简单最基本的直线振动称为谐振动。任何复杂的振动均可视为多个谐振动的合成。或说任何复杂的振动均可分解为多个简单的谐振动。谐振动动画演示弹簧振子的振动，单摆与音叉的振动等如：（2）谐振物体的振动振幅不变，为自由振动，其频率为固有频率第二章超声波探伤的物理基础（3）谐振动时由于只有弹力或重力做功，符合机械能守恒的条件，机械能守恒，在平衡位置时动能最大，势能为0，在位移最大时，势能最大，动能为0，其总能量保持不变谐振动的特点（1）物体受到的回复力大小与位移成正比，其方向总是指向平衡位置。第二章超声波探伤的物理基础谐振振动方程的推导质点作均速圆周运动时，其水平方向的投影是一种水平方向的谐振动。谐振动方程：y=Acos（ωt+φ），其中y——时间t时的位移；A——振幅（最大位移）ω——圆频率，即1秒钟内变化的弧度数，ω=2πf=2π/T返回3.阻尼振动第二章超声波探伤的物理基础但是，任何实际物体的振动总要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振动物体的能量不断减少。其振幅随能量的减少而减小，这种振幅随时间不断减小的振动称为阻尼振动。阻尼振动演示如上所述，谐振动是理想条件下的振动,即不考虑磨擦和其它阻力的影响。特点：谐振动是无阻尼振动,其振幅与周期不变;阻尼振动的振幅不断减小,而周期不变。阻尼振动不符合机械能守恒定律阻尼振动方程：y=Ae-βtcos（ωt+φ）β——阻尼系数返回4．受迫振动第二章超声波探伤的物理基础概念：物体受到周期性外力的作用时产生的振动如：汽缸中的活塞的振动，扬声器中的纸盆振动演示受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动力的频率与物体的固有频率相同时，受迫振动的振幅达到最大值。这种现象称为共振特点：受迫振动是受外力的作用不符合机械能守恒定律第二章超声波探伤的物理基础探头的频率由晶片厚度决定，高频电脉冲是一个前沿很陡的电脉冲例如：超声波探头的压电晶片在发射超声波时一方面在高频电脉冲激励下产生受迫振动，另一方面在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用，因此又是阻尼振动，即先是受迫振动后是阻尼振动压电晶片在接收超声波时同样产生受迫振动和阻尼振动在设计探头时应使高频电脉冲的频率等于压力晶片的固有频率，从而产生共振，这时压电晶片的电声能转换效率最高返回第二章超声波探伤的物理基础二、波动波动分电磁波和机械波两大类机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。如水波、声波、超声波。电磁波是交变电磁场在空间传播的过程。如无线电波、可见光、紫外线、X射线、γ射线等等。电磁波和机械波区别我们这里只讨论机械波演示第二章超声波探伤的物理基础弹性质点的振动会引起邻近质点的振动,邻近质点的振动又会引起较远质点的振动。于是振动就以一定的速度由近及远地向各个方向传播。从而形成机械波机械波的形成产生机械波必备的两个条件：1)产生振动的波源；2)能传播振动的弹性介质振动是波动的根源，波动是振动状态和能量的传播。波动中介质各质点并不随波前进，只是以交变的振动速度在各自的平衡位置附近往复运动振动与波动的区别返回第二章超声波探伤的物理基础2、波长、频率和波速波长λ：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，称为波长，用λ表示。单位常用mm或m频率f：在1秒钟内所振动的次数，用f表示，单位Hz波速C：波在单位时间内所传传播的距离，对于超声波检测来讲，波速就是声速，用C表示，单位：m/s或Km/S第二章超声波探伤的物理基础三者之间的关系是：C=λf，λ=C/f，f=C/λ声速越大，波长越长，频率越高波长越短。波长是超声波检测的重要参数，波长短可以发现较小的缺陷3、波动方程y=Acosω(t-x/c)=Acos(ωt-Kx)返回第二章超声波探伤的物理基础三、次声波、声波和超声波1、次声波、声波和超声波的划分次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，它们在同一介质中传播的速度相同，只是频率不同人耳能听到的声音叫声波，频率范围在20——20000Hz之间。低于20Hz的声波人耳听不到，叫次声波高于20000Hz人耳也听不到，叫超声波2、超声波的应用第二章超声波探伤的物理基础目前探伤用的超声波频率一般在0.5----10MHz范围。对于金属材料检测，常用的频率为1----5MHz超声波的特点：1)指向性好2)波长很短、能量高3)能在界面上产生反射、折射和波型转换4)穿透力强超声波除应用在无损检测外，还应用在医疗诊断、治疗、工业清洗、焊接、加工等等。3、次声波的应用次声波波长长，绕射能力强，传播衰减小，传播距离远。次声波在气象、海洋、地震、和地质勘探等方面得到应用第二章超声波探伤的物理基础总结本节重点1.振动的基本概念与特点2、谐振动的概念与特点3、阻尼振动的概念与特点4、受迫振动的概念与特点，共振的概念与应用5、机械波的形成6、产生机械波必备的两个条件7、振动与波动的区别与联系8、波长、频率和波速之间的关系计算返回机械波的分类方法：有三类第二章超声波探伤的物理基础一、按质点的振动方向二、按波阵面三、按脉冲持续时间分类1、纵波L2、横波S3、表面波R4、板波1、平面波2、柱面波3、球面波1、连续波2、脉冲波第二节波的类型第二章超声波探伤的物理基础一、按质点的振动方向分类传声介质凡能承受压缩或拉伸应力的介质都能传播纵波。固体介质能承受拉伸应力和压缩应力，因此固体介质可以传播纵波；液体和气体虽然不能承受拉应力，但在承受压应力时产生容积变化，因此液体和气体也可以传播纵波。概念：质点的振动方向与传播方向平行的波称为纵波，用L表示；又称压缩波或疏密波。1、纵波L返回第二章超声波探伤的物理基础2、横波S传声介质：只有固体介质才能承受切变应力，液体和气体不能承受切变应力，因此横波只能在固体介质中传播。当质点受到交变的剪切应力用时，产生切变形变，从而形成横波。故又称切变波。概念：质点的振动方向与波的传播方向垂直的波，称为横波，用S表示纵波横波特点演示纵波横波波形演示返回3、表面波R第二章超声波探伤的物理基础特点：表面波在固体表面传播，其能量随传播深度的增加而迅速减弱。当传播深度超过2倍波长时质点的振幅就很小了。因此表面波只能发现距工件表面2倍波长以内的缺陷。传声介质：表面波只能在固体表面传播，不能在液体和气体表面传播。表面波是由纵波与横波在表面的合成波，介质表面的质点呈椭圆运动。概念：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，称为表面波，用R表示；表面波是由瑞利提出来的，因此又称瑞利波。4、板波第二章超声波探伤的物理基础小结：以上4种波除纵波外其它波只能在固体中传播，纵波可以在固体、液体、气体中传播。根据质点的振动方向又分为SH波和兰姆波。在表面上下振动的波称为兰姆波，在表面横向振动的波为SH波概念：在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板波返回第二章超声波探伤的物理基础二按波阵面分类波阵面：同一时刻振动相位相同的所有质点所联成的面称为波阵面。波源：刚性平面波源，尺寸远大于波长；波阵面：平面；特征：波束不扩散，振幅为常数。按波阵面的形状不同分为：平面波、柱面波、球面波。1、平面波波源：线状波源，尺寸远大于波长；波阵面：柱面；特征：波束向四周扩散，振幅与距离平方根成反比。波源：点波源，尺寸远小于波长；波阵面：球面；特征：波束向四面八方扩散，振幅与距离成反比。超声波探伤的波源近似活塞振动，在各向同性的介质中的波叫活塞波，当离源的距离足够大时，活塞波类似球面波。第二章超声波探伤的物理基础2、柱面波3、球面波返回连续波：波源持续不断的振动，穿透法常采用连续波脉冲波：短时间的脉冲波，持续时间很短。微秒级。第二章超声波探伤的物理基础三、按振动的持续时间分如果纵波单直探头的在钢中探测时的盲区是5mm，则脉冲持续时间为1.694*10-6s,往返行程10mm，T=10/5900000=1.694*10-6s例：返回重点：纵波、横波、表面波的概念、质点振动特点、传播介质第三节超声波的传播速度超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关。对特定的介质其弹性模量和密度为常数，故声速度也是常数第二章超声波探伤的物理基础不同的介质有不同的声速度超声波波型不同时，介质弹性变形型式不同，声速也不一样一、固体介质中纵波、横波与表面波声速1、无限大固体介质中纵波、横波与表面波声速对于钢材有：CL≈1.8CS；CR≈0.9CS；从上述公式可知:1)固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量有关,不同的介质声速不同;介质的弹性模量越大，密度越小，则声速越大2)声速与波的类型有关，在同一固体介质中，纵波、横波、表面波的声速各不相同，其相互之间的关系如下：CL＞CS＞CR2、细长棒中（d≤λ）纵波声速CLb与无限大介质中纵波声速不同第二章超声波探伤的物理基础纵波1.10横波1.11表面波1.12材料种类CLCS钢5880-59503230铜47002260铝62603080有机玻璃27301460水1500空气3443、常见介质中的声速m/s4、声速与温度的关系一般固体中的声速随温度的升高而降低。第二章超声波探伤的物理基础由上式可知，液体的弹性模量越大、密度越小，则声速越大