超声波1

第二章超声波检测技术2.1概述2.2超声波的分类2.3声场及介质的声参量2.4超声波在介质中的传播特性2.5超声波检测仪、探头及试块2.6超声波检测方法和通用检测技术2.7超声波测厚2.8超声波检测应用实例第一节概述超声波检测是使超声波与工件相互作用，根据超声波的反射、透射和散射的行为，对被检工件进行缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其应用性进行评价的一种无损检测技术。工业上包括：探伤、测厚、距离测量、流量和密度测量等。第一节概述优点：1、适合于各种材质的检测；2、强度要求低，不会对工件产生影响；3、对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋深、性质等参量较之其他检测方法有综合优势；4、仅需从一侧接近工件，便于复杂形状工件的检测；5、对人体和环境无害；6、设备轻便，可以现场检测；7、所用参数设置及有关波形均可存储。第一节概述局限性：1、对缺陷进行精确的定性、定量表征仍须做深入研究；2、需要用耦合剂对探头进行耦合，以利于超声波顺利导入工件中；3、对复杂的工件的检测有一定的限制。工业超声检测常用的工作频率为0.5-10MHz。较高的频率主要用于细晶材料和高灵敏度检测，较低的频率用于衰减较大和粗晶材料（1MHz以下）。第二节超声波的分类2.1描述超声波的基本物理量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。1、声速c：单位时间内，超声波在介质中传播的距离；超声波的速度和温度有关，温度变化速度变化。超声波在空气(15℃)中的速度是340米/秒；超声波在20℃的钢中是5200米/秒;在铝中的传播速度为5100米/秒。2、频率f：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；3、波长λ：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；f2＝cλωπfT21第二节超声波的分类4、周期T：声波向前传播一个波长距离时所需的时间；5、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。第二节超声波的分类2.2超声波的分类脉冲波连续波按振动持续的时间分类球面波柱面波平面波按波面的形状分类型型板波表面波横波纵波系分类波的传播方向之间的关按质点的振动方向与声AS超声波的分类第二节超声波的分类2.2.1纵波（L）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。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。声音在空气中的传播是纵波。固体介质可以承受拉压应力的作用，因此可以传播纵波，液体和气体虽不能承受拉应力，但在压应力作用下产生容积的变化，因此液体和气体介质也可以传播纵波。第二节超声波的分类2.2.2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。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。第二节超声波的分类2.2.3表面波（R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。介质表面的质点作椭圆运动。椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向，介质质点的椭圆振动可视为纵波与横波的合成。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（Rayleighwave），常用R表示。如采用表面波探伤只能发现工件的表面缺陷。第二节超声波的分类2.2.4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。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。第二节超声波的分类板波（Platewave）(a)对称型；(b)非对称型薄板中部质点以纵波形式振动和传播薄板中部质点以横波形式振动和传播S型A型第二节超声波的分类其他分类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。连续波脉冲波第二节超声波的分类根据波阵面的形状(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。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。第二节超声波的分类波线、(a)平面波；(b)柱面波；(c)球面波cos()=cos()cos()xAxAxyAtytytccxcx第二节超声波的分类超声波的几个概念超声波由声源向周围传播的过程可用波阵面进行描述。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。3.1描述超声场的物理量充满超声波的空间，或在介质中超声振动所波及的质点占据的范围叫超声场。为描述超声场，常用的几个物理量来反映超声场有：声压、声强、声阻抗和指向性等。第三节超声场及介质的声参量简介第三节超声场及介质的声参量简介3.1.1声压p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,单位为帕Pa，即)Pa(01ppp第三节超声场及介质的声参量简介对于平面余弦波，可以证明：cApxtcApm]2)2(cos[式中：为介质的密度；c为介质中的声速；为介质质点的振幅；为介质质点振动的圆频率；为质点振动速度的幅值；t为时间；x为场点距声源的距离，为声压的极大值。由上式可知：超声场中某一点的声压幅值P与速度振幅成正比，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Amp第三节超声场及介质的声参量简介3.1.2声强I在超声场的传播方向上，单位时间内介质中单位截面上的声能叫声强，用I表示，单位W/cm2。以平面纵波在均匀的各向同性固体介质中传播时,有2m2222112121cVcpcAIm由上式可知，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。f2216－0W/cm10=I）BeL贝尔（)/lg(=0IIIL第三节超声场及介质的声参量简介3.1.3、分贝的概念以引起听觉的最弱声强为声强标准，在声学上称为“闻阈”，即f=1000Hz时引起人耳听觉的声强最小值。将某一声强I与标准声强I0之比取常用对数得到二者相差的数量级，称为声强级，用IL表示。声强级的单位为贝尔BeL，即在实际应用过程中，贝尔这个单位太大，常用分贝（dB）作为声强级的单位。第三节超声场及介质的声参量简介1分贝人类耳朵刚刚能听到的声音20分贝以下认为是安静的，15分贝以下,认为是“死寂”的20-40分贝大约是情侣耳边的喃喃细语40-60分贝正常的交谈声音60分贝以上属于吵闹范围70分贝很吵的，而且开始损害听力神经汽车噪音介乎80-100分贝90分贝以上会使听力受损100-120分贝如无意外，一分钟人类就得暂时性失聪（致聋）声音与噪音对人的影响第三节超声场及介质的声参量简介3.2介质的声参量声波在介质中的传播是由其声学参量（声速、声阻抗、声衰减系数等）决定的。介质声参量包含：声速、声阻抗、声衰减系数等。第三节超声场及介质的声参量简介3.2.1声阻抗Z超声波在介质中传播时，任一点的声压p与该点振动速度v之比叫声阻抗Z，单位：g/(cm^2.s)；kg/(cm^2.s)。VpZZ＝ρc声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，介质的声阻抗越大，质点的振动速度就越小。实验证明，气体、液体与金属之间的特性声阻抗之比大约为1:3000:8000。第三节超声场及介质的声参量简介声诊断领域简称声阻抗。声波在介质中某点的有效声压与通过该点的有效质点速度的比值。又可用介质的密度与声速的乘积来表示。声波经均质性介质时基本按直线持续传播；声波经两种介质时，其声阻抗差超过0.1%即产生声学界面，引起反射。脉冲反射式超声诊断仪显示的人体组织断面声像，实质上是人体组织中声阻抗差别的空间分布图。第三节超声场及介质的声参量简介3.2.2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。声速的一般表达式：密度弹性率声速＝/第三节超声场及介质的声参量简介各种材质中的声速关系式1、液体中的声速/LcKcL—纵波的声速；K—液体介质的体积弹性模量；ρ—介质的密度第三节超声场及介质的声参量简介2、无限固体介质中的纵波声速(1)(1)(12)sEcE——介质的弹性模量σ——介质的泊松比第三节超声场及介质的声参量简介3、细棒中的纵波声速4、无限固体介质中的横波声速/dcE2(1)tGEcG—介质中的切变模量第三节超声场及介质的声参量简介5、板波的声速对称性波12tan(/)4tan(/)(1)spLSpLpsfdRchRRcfdRchR2tan(/)(1)tan(/)4spspLpLSfdRchRcfdRchRR非对称性波第三节超声场及介质的声参量简介3.2.3声衰减系数超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加能量逐渐减弱的现象叫做超声波的衰减。在传声介质中，单位距离内某一频率下声波能量的衰减值叫做该频率下该介质的衰减系数a，单位为dB/m或dB/cm。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(能量转换）。吸收衰减散射衰减扩散衰减声衰减有三种类型第三节超声场及介质的声参量简介（1）扩散衰减：声波在介质中传播时，因波前在逐渐扩展，从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的扩散衰减。它主要取决于波阵面的几何形状，与传播介质无关。对平面波、球面波、柱面波有区别，平面波不存在扩散衰减，而球面波和柱面波有扩散衰减现象。（2）散射衰减：散射是由于物质的不均匀产生的，不均匀材料含有声阻抗急剧变化的界面，在这两种物质的界面上，将产生声波的反射、折射和波形转换现象，必然导致声能的降低。（3）吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦、热传导、引起的声波能量减弱的现象，叫做超声波的吸收衰减。固体介质中，吸收衰减相对于散射衰减几乎可忽略不计，但对液体介质，吸收衰减是主要的衰减方式。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（主要是超声波方向性强）。声衰减系数第三节超声场及介质的声参量简介（4）衰减系数的测量a、薄件衰减系数的测定(/)2()mnHHnmdm、n—超声波的底面反射次数—m和n次底面发射波的高度d—试件厚度mnHH、b、厚件衰减系数的测定1220lg6622BBxxB1、B2—第1、2次底