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绪论超声波检测概述第一章绪论超声波检测概述超声波检测是应用最广泛的无损检测方法之一。超声波检测是利用进入被检材料的超声波对材料表面或内部缺陷进行检测。利用超声波进行材料厚度的测量也是常规超声波检测的一个重要方面。此外，作为超声波检测技术的特殊应用，超声波还可用于材料内部组织和特性的表征以及应力的测量；超声波还可以用来测量介质流量，流速等。•1、超声波检测定义和作用一般指超声波与工件作用，就反射、透射和衍射的波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用进行评价的技术。工业检测中，超声检测通常指宏观缺陷检测和材料厚度测量。•作用：通过超声检测发现工件或设备中存在的缺陷，从而实现产品质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率、消除安全隐患。四大常规检测技术新兴无损检测技术RT射线检测ET涡流检测UT超声波检测AE声发射检测MT磁粉检测TOFD衍射超声检测PT渗透检测超声波相控阵检测UGW超声导波检测EMAT电磁超声检测红外热像2、超声波检测发展简史利用超声波来进行无损检测始于20世纪30年代。1929年，前苏联人首先提出了用超声波检测金属物体内部缺陷的建议。并于第二次世界大战后研制成第一种穿透式检测仪器对材料进行检测。这种方法检测灵敏度低，应用范围小，所以，不久这种仪器就被淘汰了。20世纪40年代，美国的Firestone首次介绍了脉冲回波式超声检测仪，利用该技术，超声波可从物体的一面发射并接收，且能够检测小缺陷，较准确的确定其位置及深度，评定其尺寸。随后，由美国和英国开发出了A型脉冲回波式超声检测仪，并逐步用于锻钢和厚钢板的检测。20世纪60年代，超声检测仪在灵敏度、分辨率和放大器线性等主要性能上取得了突破性进展，焊缝检测问题得到了很好的解决。脉冲回波技术至今仍是通用性最好、使用最广泛的一种超声检测技术。在此基础上，超声检测发展为一个有效而可靠的无损检测手段，并得到了广泛的工业应用。随着工业生产对检测效率和检测可靠性要求的不断提高，人们要求超声检测更加快速，缺陷的显示更加直观，对缺陷的描述更加准确。因此，原有的以A型显示手工操作为主的检测方式不再能够满足要求。20世纪70年代，英国人M.G.Silk提出衍射时差法超声检测（TOFD）。TOFD是一种利用超声波衍射现象、利用缺陷端点的衍射波信号检测或测定缺陷尺寸的超声检测技术，近几年来在欧美等西方发达国家开始广泛应用。20世纪80年代以来，超声波检测设备得到快速发展，对于规则的板、棒类等大批量生产的产品，逐渐发展了自动检测系统，配备了自动报警、记录等装置，发展了B型显示和C型显示。与此同时，对缺陷的定性定量评价的研究得到了较大的进展，利用超声波技术进行材料特性评价也成为了重要的研究方向。随着电子技术和计算机技术的发展，超声检测设备不断向小型化、智能化方向改进，并于20世纪80年代末出现了数字式超声仪器。目前，数字式仪器已日益成熟，正逐渐取代模拟式仪器成为主流产品。检测技术也得到飞速发展，如超生三维成像，导波技术，电磁超生技术等。•我国超声检测的发展历史1950~1982年起步仪器：汕头生产8A、8B、8C1982年1990发展仪器：汕头生产CTS-22、CTS-23、CTS-26、CTS-33、CTS-361990~至今数字超声时代代表：武汉中科（1988）HS-系列南通友联PXUT-系列汕头超声CTS-系列北京七星•2、超声波检测的基础知识•2.1次声波、声波、超声波次声波、声波、超声波都是在弹性介质中传播的机械波，同一波型在同一介质中传播的速度相同，它们的区别在于频率不同。次声波：f20Hz声波：能引起人们听觉的机械波20Hzf20kHz超声波：f20kHz超声波和次声波，人是听不到的。超声检测所用的频率一般在0.5~10MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为1~5MHz。如2.5M、5M•2.2工业用超声波的特点1）方向性好超声波是频率很高、波长很短的机械波，在超声波检测中使用的波长为毫米数量级。像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，从而在被检工件中发现缺陷。2）能量高超声波的能力（声强）与频率的平方成正比。3）能在界面上产生反射、折射、衍射和波形转换超声波具有几何声学的特点，在介质中直线传播，遇到界面产生反射、折射、衍射和波形转换。4）穿透能力强超声波在大多数介质中传播时，能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中穿透能力可达数米，这是其它检测方法无法比拟的。•2.3、超声波检测原理超声波检测主要是基于超声波在工件中的传播特性，如在遇到声阻抗不同的两种介质的界面时会发生反射，声波通过材料时能量会损失等，以脉冲反射法为例，其原理如下：1）超声波探伤仪（声源）产生高频电磁振荡信号（脉冲波）；2）高频电磁振荡信号加到超声波探头上，产生超声波；3）采用一定的方式，如耦合，使超声波进入工件；4）超声波在工件中传播，遇到声阻抗有差异的界面或缺陷时部分声波被反射，反射回来的超声波被超声波探头接收；5）超声波探头把接收到的声波信号再转换成脉冲电信号传给超声波探伤仪；6）超声波探伤仪把接收到的脉冲电信号，进行检波、放大、衰减等一系列的信号处理，以一定的方式显示出来；7）通过分析回波信号的幅度和位置等信息，从而得到被检工件中有无缺陷、缺陷的位置、大小等信息。所以，超声波检测既可以定性，又可以定量。TFB被检工件超声波探伤仪探头•通常用来发现缺陷和分析的基本信息：1）是否存在缺陷的回波信号及其幅度；2）缺陷回波信号的位置或传播时间；3）超声波通过材料以后能量的衰减。•2.4超声波检测方法分类•（按原理分类）1）脉冲反射法根据反射波的情况来检测工件缺陷的方法。波形显示，不直观。2）衍射时差法（TOFD）利用缺陷部位衍射信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声波检测方法。图象显示。3）穿透法采用一收一发双探头分别放置在工件相对的两端面，依据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化来检测缺陷的方法。4）共振法利用共振特性检测工件厚度变化情况，常用于工件测厚。（按波形分类）纵波、横波、表面波、板波、爬波等（按检测接触方式分类）1.直接法、2.液浸法、3.电磁耦合法•2.5超声波检测的优点和局限性与其它无损检测方法相比的优点：1）适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；2）穿透能力强，可对较大厚度范围内的工件内部缺陷进行检测；3）缺陷定位较准确；4）对面积型缺陷的检出率较高；5）灵敏度高，可检测工件内部很小的缺陷；6）检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用方便等•缺点：1）对缺陷的定性、定量仍需要作进一步研究，定性及定量仍然存在困难；2）对具有复杂形状或不规则外型的工件进行超声波检测有困难；3）缺陷的取向、位置和形状对检测结果有影响；4）工件材质、晶粒度对检测有较大影响，影响超声波的衰减；5）A型脉冲反射法检测结果是波形显示，不直观，模拟超声波探伤仪对检测结果无直接见证记录。•2.6超声波检测的应用范围超声波检测的应用范围非常广，从以下几个方面讲，就可以说明:工件材料：金属、非金属和复合材料等制造工艺：锻件、铸件、焊接件、胶结件等工件形状：板材、棒材、管材等工件尺寸：厚度小至1mm，大至几米；缺陷部位：既可以是表面缺陷，又可以是内部缺陷。第二章超声波检测的物理基础超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播。该章主要涉及几何声学和物理声学的基本定律和概念。几何声学：反射定律、折射定律、波形转换。物理声学：波的叠加、干涉、衍射等§1振动与波动•§1－1振动–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.–周期T振动物体完成一次全振动所需要的时间,称为振动周期.单位：秒（S）–频率f振动特物体在单位时间内完成全振动的次数,称为振动频率.单位：赫兹（Hz）–周期和频率互为倒数关系，即T＝1/f–谐振（简谐振动）最简单最基本的直线振动称为谐振.其特点是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.图1.1质点谐振动参考图质点谐振动等效图•简谐振动方程质点的水平位移和时间t的关系式：y=Acos(ωt+φ)其中：A：振幅，最大水平位移ω：圆频率，ω=2πf=2π/Tφ：初相位，即t=0时质点的相位ωt+φ：质点在t时刻的相位简谐振动方程描述了谐振动物体在任意时刻的位移情况。•阻尼振动–在机械系统振动时，由于受到摩擦力或其他阻力的作用，系统的能量会不断损耗，质量振动的振幅逐渐减小，以至于振动停止。所以，阻尼振动是一个比较普遍情况，也称为衰减振动。(不符合机械能守恒)•受迫振动–由于振动系统内部的阻尼作用，能量逐渐消耗，因初始激发引起的自由振动，将因为能量逐渐损耗，振动逐渐减弱，以至运动停止。要维持振动必须由另一系统不断给以激发，即不断地补充能量，这种由外加作用维持的振动，称为强迫振动。(不符合机械能守恒)y=Acos(Pt+φ)其中：A：振幅，最大水平位移P：策动力的圆频率Tφ：初相位•§1－2波动振动的传播过程，成为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。如水波、声波、超声波等。电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。如无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。超声波是机械波，因此下面只讨论机械波。•物质的弹性模型弹性介质：这种质点间以弹性力联系在一起的介质称为弹性介质。一般固体、液体、气体都可视为弹性介质。机械波的产生：弹性介质中的一个质点的振动就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开来，从而就形成了机械波。机械波：是机械振动在弹性介质中的传播过程.机械波必须具备以下两个条件:1）要有作机械振动的波源；2）能传播机械振动的弹性介质。–振动与波动是互相关联的，振动是产生波动的根源，波动是振动状态的传播。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。–波动是振动状态的传播过程，也是振动能量的传播过程。这种能量的传播，不是靠质点的迁移来实现的，而是由各质点的位移连续变化来逐渐传播出去的。•机械波的主要物理量波长：λ单位：mm、m同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离.或者说：沿着波的传播方向，两个相邻的同相位质点间的距离。•频率：f单位：赫兹（Hz）波动过程中,任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数.•波速：C单位：m/skm/s波动中,波在单位时间内所传播的距离称为波速.C=λf或λ=C/f波长与波速成正比，与频率成反比。当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。§2波的类型1、根据质点的振动方向分类根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同,可将波动分为纵波、横波、表面波和板波等.纵波：介质中质点的振动方向和波的传播方向平行。用L表示，又称压缩波或疏密波。当介质质点受到交变正应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。这时介质质点疏密相间，故纵波又称为压缩波或疏密波。凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。所以，纵波可以在固体、液体和气体中传播。横波：介质中质点的振动方向和波的传播方向垂直。用S表示当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变变形，从而形成横波。只有固体能够承受剪切应力，液体和气体不能承受剪切应力，因此，横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体中传播。表面波：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。用R表示，表面波是瑞利在1887年首次提出的，因此，表面波又称瑞利波。表面波在介质表面传播时，质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可以视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波和横波的合成。所以，表面波和横波一样，只能在固体介质中传播，不能在液体和气体中传播。表面波只能在固体表面传播。表面波的能量随传播深度的增加而迅速减弱。一般认为，表面波检测只能发现距工件表面两倍波长深度范围内的缺陷。•各