第二章-超声波探伤物理基础(1)

第二章超声波探伤的物理基础黄新超河南省锅炉压力容器安全检测研究院2015年11月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.振动产生的必要条件：一是，物体一旦离开平衡位置，就会受到回复力的作用；二是阻力足够小。全振动：物体受到一定力的作用，离开平衡位置，产生一个位移；该力消失后，在回复力的作用下，将向平衡位置移动，到达平衡位置时，它并没有停止，而是越过平衡位置运动到相反方向的最大位移；然后，再向平衡位置移动。单摆的振动振动的表示：可用周期和频率表示振动的快慢；用振幅表示振动的强弱。–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）–振幅A振动物体离开平衡位置的最大距离。f1T简谐振动最简单最基本的直线振动称为谐振振动.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.弹簧振子机械振动和机械波图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，质点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.•周期：T单位：S、mS是描述物体振动快慢的物理量。T=1/fC=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。机械波的周期或频率只与振源有关，与传播介质无关。机械波的波动频率等于振源的振动频率。当机械波从一种介质进入另一种介质时，其波长、频率、周期和波速四个量中哪些量是不变的?§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。•各种类型波的比较波的类型质点振动特点传播介质应用纵波质点振动方向平行于波传播方向固、液、气体介质钢板、锻件检测等横波质点振动方向垂直于波传播方向固体介质焊缝、钢管检测等表面波质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直波传播方向，短轴平行于拨传播方向固体介质钢管检测等2、按波的形状分类波的形状（波形）是指波阵面的形状。波阵面：同一时刻，介质中振动相位相同的所有质点所联成的面称为波阵面。波前：某一时刻，波动所到达的空间各点联成的面积称为波前。波线：波的传播方向称为为波线。由以上定义可知，波前是最前面的波阵面。任意时刻，波前只有一个，而波阵面却有很多。在各向同性的介质中，波线恒垂直于波阵面或波前。据波阵面形状不同，可以把不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波。（1）平面波波阵面为互相平行的平面的波称为平面波。平面波的波源为一个平面。尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的均匀介质中辐射的波可视为平面波。平面波波束不扩散，平面波各质点振幅是一个常数，不随距离而变化。平面波的波动方程：)(coscxtAy•（2）柱面波•波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。柱面波的波源为一条线。•长度远大于波长的线状波源在各向同性的介质中辐射的波可视为柱面波。柱面波波束向四周扩散，柱面波各质点的振幅与距离平方根成反比。)(coscxtxAy•（3）球面波•波阵面为同心圆的波称为球面波。球面波的波源为一点。•尺寸远小于波长的点波源在各向同性的介质中辐射的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩散，球面波各质点的振幅与距离成反比。•实际应用的超声波探头中的波源近似活塞振动，在各向同性的介质中辐射的波称为活塞波。当距离源的距离足够大时，活塞波类似于球面波。)(coscxtxAy•3、按振动的持续时间分类•根据波源振动的持续时间长短，将波动分为连续波和脉冲波。•（1）连续波•波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波。•超声波穿透法检测常采用连续波。•（2）脉冲波•波源振动持续时间很短（通常是微秒数量级），间歇辐射的波称为脉冲波。•目前超声波检测中广泛采用的就是脉冲波。•一个脉冲波可以分解为多个不同频率的谐振波的叠加。数学上，傅立叶频谱分析。频率MH幅度8040f1fufp12345678910频谱分析示意图6dB•主要的频谱特征量：•峰值频率fp•中心频率fc:f1和fu的算术平均值•带宽（频带宽度）：f1和fu之间的频率范围。•脉冲宽度越窄，频谱越丰富，频带越宽。•模拟超声波探伤仪的带宽是固定不变的；数字式超声波探伤仪的带宽一般可以调节，例如武汉中科0.5~20MHZ•实际检测中，我们所用的超声波探头发射的频率不是单一的，而是有一定的宽度。基本频率=中心频率•宽带探头对应的脉冲宽度小，深度分辨力好，盲区小，但灵敏度低；•窄带探头脉冲宽度宽，深度分辨力差，盲区大，但灵敏度高，穿透能力强。§3超声波的传播速度超声波在介质中的传播速度是表征介质声学特性的重要参数。超声波、次声波和声波都是机械波，在同一介质中的传播速度是相同的。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。超声波的传播速度与下列因素有关：1）介质：弹性模量、密度、弹性变形形式、尺寸大小、均匀性等2）超声波的波型：如纵波、横波与表面波等3）温度:一般固体中的声速随介质温度升高而降低。•§3-1无限大固体介质中的声速纵波声速：横波声速：表面波声速：E：介质的杨氏弹性模量；μ：介质的伯松比；ρ：介质密度G：介质的切变弹性模量)1)(21()1(ECL)1(2ECSGCR112.187.0由以上三式可知：1）固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量等有关，不同的介质声速不同；介质的弹性模量愈大，密度愈小，则声速愈大。2）声速与波的类型有关，在同一种固体介质中，纵波、横波和表面波的声速各不相同，并存在如下关系：CLCSCR对于钢材:CL:CS:CR=1.8:1:0.9§3-2细长棒中的纵波声速CLb细长棒中(棒径d≤λ)纵波的声速与无限大介质中的纵波声速不同.ECL§3-3液体、气体介质中声速B:液体、气体介质的容变弹性模量，表示产生单位容积相对变化量所需的压强；ρ：液体、气体介质的密度•几乎除水以外的所有液体当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低。•水是温度在74摄氏度左右时声速达最大值。BC§4波的叠加、干涉、衍射和惠更斯原理•§4-1波的叠加原理–几列波相遇后仍保持自已原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进，好象在各自的途中没有遇到其他波一样，这就是波的叠加原理。又称波的独立性原理。–波的迭加现象可以从许多事实观察到，如两石子落水，可以看到两个以石子入水处为中心的圆形水波的迭加情况和相遇后两波仍按原来的方向进行传播的情况。•§4-2波的干涉–两列频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差恒一的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象。波的叠加和干涉演示•驻波–两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波，称为驻波演示•§4-3惠更斯原理•波动是振动状态的传播，如果介质是连续的，那么介质，中任何质点的振动都将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，因此波动中任何质点都可以看作是新的波源。据此惠更斯于1690年提出了著名的惠更斯原理：介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源，在其后任意时刻这些子波的包迹就决定新的波阵面。•利用惠更斯原理可以确定波前的几何形状和波的传播方向。•惠更斯原理图•§4-4波的衍射–波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，称为波的衍射或波的绕射。–波的衍射现象是衍射时差法超声检测（TOFD）的物理基础。•波的衍射波的衍射和障碍物的尺寸Df及波长λ的相对大小有关.当Dfλ时,反射强,绕射弱,几乎全反射;当Dfλ时,反射弱,绕射强,缺陷回波很低,容易出现漏检.超声波探伤的灵敏度约为λ/2例:对钢,频率f=2.5/5MHz,根据C=λf纵波声速CL=5900m/sλL=CL/f=2.36mmλL/2=1.18mm横波声速CS=3230m/sλS=1.29mmλS/2=0.6mm在频率相同的条件下,横波的检测灵敏度高于纵波的检测灵敏度.相同介质中,提高工作频率可以检出较小的缺陷.衍射对探伤有利的方面:由于波的衍射,使超声波产生晶