1、第四章第四章 超聲波檢測(cè)超聲波檢測(cè)40 概概 述述超聲波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)超聲波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)可探測(cè)厚度大可探測(cè)厚度大 成本低成本低 速度快速度快 對(duì)人體無(wú)害對(duì)人體無(wú)害 對(duì)平面型缺陷的探測(cè)靈敏度高對(duì)平面型缺陷的探測(cè)靈敏度高學(xué)習(xí)超聲波檢測(cè)的目的：學(xué)習(xí)超聲波檢測(cè)的目的： (1) 掌握超聲探傷的基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)掌握超聲探傷的基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù) (2) 掌握與材料及其制造工藝有關(guān)的知識(shí)掌握與材料及其制造工藝有關(guān)的知識(shí) (3) 了解被探工件的結(jié)構(gòu)、幾何形狀和狀態(tài)了解被探工件的結(jié)構(gòu)、幾何形狀和狀態(tài)41 超聲波檢測(cè)的特點(diǎn)與應(yīng)用超聲波檢測(cè)的特點(diǎn)與應(yīng)用411 超聲波檢測(cè)的特點(diǎn)超聲波檢測(cè)的特點(diǎn)什么是超聲波什么是超聲波頻率頻率 20

2、 kHz的、以波動(dòng)形式在彈的、以波動(dòng)形式在彈 性介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)性介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)超聲波頻率超聲波頻率 f 、波長(zhǎng)、波長(zhǎng)與聲速與聲速 c 的關(guān)系：的關(guān)系： c/f (4.1) 常用工作頻率：常用工作頻率：0.45 MHz較低頻率用途：粗晶材料和衰減較大材料的檢測(cè)較低頻率用途：粗晶材料和衰減較大材料的檢測(cè)較高頻率用途：細(xì)晶材料和高靈敏度檢測(cè)較高頻率用途：細(xì)晶材料和高靈敏度檢測(cè)超聲波檢測(cè)特性：超聲波檢測(cè)特性： 介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到界面會(huì)發(fā)生反射；介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到界面會(huì)發(fā)生反射； 指向性好，且頻率愈高，指向性愈好；指向性好，且頻率愈高，指向性愈好； 傳播能量大，對(duì)各種材料的穿透力較強(qiáng)。傳播能

3、量大，對(duì)各種材料的穿透力較強(qiáng)。 412 超聲波檢測(cè)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)超聲波檢測(cè)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)超聲波檢測(cè)的應(yīng)用：超聲波檢測(cè)的應(yīng)用：(1) 適用于鋼鐵、有色金屬或非金屬構(gòu)成的各種尺寸適用于鋼鐵、有色金屬或非金屬構(gòu)成的各種尺寸的鍛件、軋制件、焊縫和某些鑄件的鍛件、軋制件、焊縫和某些鑄件(2) 適用于各種金屬及非金屬材料的機(jī)械零件、結(jié)構(gòu)適用于各種金屬及非金屬材料的機(jī)械零件、結(jié)構(gòu)件、電站設(shè)備、船體、鍋爐、壓力容器和化工容器件、電站設(shè)備、船體、鍋爐、壓力容器和化工容器(3) 可無(wú)損檢測(cè)厚度、材料硬度、淬硬層深度、晶?？蔁o(wú)損檢測(cè)厚度、材料硬度、淬硬層深度、晶粒度、液位和流量、殘余應(yīng)力和膠接強(qiáng)度等度、液位和流

4、量、殘余應(yīng)力和膠接強(qiáng)度等超聲波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)超聲波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì): （1）超聲波檢測(cè)裝置智能化）超聲波檢測(cè)裝置智能化（2）超聲波檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)化）超聲波檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)化（3）超聲波檢測(cè)領(lǐng)域廣泛化）超聲波檢測(cè)領(lǐng)域廣泛化42 超聲場(chǎng)及介質(zhì)的聲參量簡(jiǎn)介超聲場(chǎng)及介質(zhì)的聲參量簡(jiǎn)介421 描述超聲場(chǎng)的物理量描述超聲場(chǎng)的物理量超聲場(chǎng)超聲場(chǎng)充滿(mǎn)超聲波的空間，或在介質(zhì)中超聲充滿(mǎn)超聲波的空間，或在介質(zhì)中超聲振動(dòng)所波及的質(zhì)點(diǎn)占據(jù)的范圍振動(dòng)所波及的質(zhì)點(diǎn)占據(jù)的范圍描述超聲場(chǎng)的常用物理量描述超聲場(chǎng)的常用物理量聲壓、聲強(qiáng)、聲阻聲壓、聲強(qiáng)、聲阻抗、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移抗、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移和和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度等等1聲壓聲壓 p

5、 聲壓聲壓 超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬間超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)所具有的壓強(qiáng) p1 與沒(méi)有超聲場(chǎng)存在時(shí)與沒(méi)有超聲場(chǎng)存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng) p0 之差之差: p p1 - p0下面分析聲壓的表達(dá)式：設(shè) ds上的聲壓為 p，則： F = p ds聲波在 dt 內(nèi)傳播距離為 dx，根據(jù)動(dòng)量原理： Fdt =m v， 式中，m =ds dx v 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度所以： p ds dt =ds dx v 得： p =(dx/dt) v =c v聲壓有效值 pm =cvm =cA2聲強(qiáng)聲強(qiáng) I 聲強(qiáng)聲強(qiáng)在超聲波傳播的方向上，單位時(shí)間在超聲波傳播的方向上，單位時(shí)間內(nèi)介質(zhì)中單位截面上

6、的聲能；單位：內(nèi)介質(zhì)中單位截面上的聲能；單位： W/cm2聲強(qiáng)聲強(qiáng) I 3分貝的概念分貝的概念 聲強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn) f = 1000 Hz 時(shí)，引起聽(tīng)覺(jué)的時(shí)，引起聽(tīng)覺(jué)的 最弱聲強(qiáng)最弱聲強(qiáng) I010-16 W/cm2 聲強(qiáng)級(jí)聲強(qiáng)級(jí) IL = lg (I/I0) Bel (貝爾貝爾) = 10 lg (I/I0) dB (分貝分貝) = 20 lg (p/p0) dB 422 介質(zhì)的聲參量介質(zhì)的聲參量1聲阻抗（聲阻抗（acoustic impedance） 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，任一點(diǎn)的聲壓超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，任一點(diǎn)的聲壓 p 與該點(diǎn)速度與該點(diǎn)速度振幅振幅 V 之比，常用之比，常用 Z 表示表示:

7、 kg/(cm2s) (4.2) Z 表示聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用：表示聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用：V 1/ ZpZV Z 與介質(zhì)的密度和聲速之間的數(shù)值關(guān)系：與介質(zhì)的密度和聲速之間的數(shù)值關(guān)系： Z =c 介質(zhì)不同介質(zhì)不同 Z 不同不同; 同一種介質(zhì)中，若波形不同則同一種介質(zhì)中，若波形不同則 Z 值值 也不同。也不同。 超聲波在不同介質(zhì)界面上的透射和反射主要超聲波在不同介質(zhì)界面上的透射和反射主要取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗之比。取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗之比。 氣體、液體和固體的氣體、液體和固體的 Z 值相差較大。值相差較大。 考慮到氣體液體固體的密度比約為：考慮到氣體液體固體的密度比約為： 1

8、 : 1000 : 10000 實(shí)驗(yàn)證明，氣體、液體與金屬之間特性聲實(shí)驗(yàn)證明，氣體、液體與金屬之間特性聲阻抗比約為：阻抗比約為： 1 : 3000 : 80002聲速聲速 c超聲波聲速與超聲波超聲波聲速與超聲波波形及介質(zhì)特性波形及介質(zhì)特性(如密度、彈性模量等如密度、彈性模量等)密切相關(guān)密切相關(guān) 相速度相速度 群速度群速度相速度相速度 聲波傳播到介質(zhì)的某一選定的相位點(diǎn)時(shí)，在傳聲波傳播到介質(zhì)的某一選定的相位點(diǎn)時(shí)，在傳播方向上的聲速播方向上的聲速群速度群速度 傳播聲波的包絡(luò)上，具有某種特性傳播聲波的包絡(luò)上，具有某種特性(如幅值最大如幅值最大)的點(diǎn)上，聲波在傳播方向上的速度的點(diǎn)上，聲波在傳播方向上的速

9、度群速度是波群的能量傳播速度，在非頻散介質(zhì)中，群速度等群速度是波群的能量傳播速度，在非頻散介質(zhì)中，群速度等于相速度于相速度頻散現(xiàn)象頻散現(xiàn)象 不同頻率聲波的相速度不同不同頻率聲波的相速度不同產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 介質(zhì)粘彈介質(zhì)粘彈,多孔；聲波在波導(dǎo)中傳播等多孔；聲波在波導(dǎo)中傳播等聲速聲速聲速可根據(jù)介質(zhì)的彈性率和密度來(lái)計(jì)算：聲速可根據(jù)介質(zhì)的彈性率和密度來(lái)計(jì)算：介質(zhì)密度介質(zhì)密度介質(zhì)彈性率介質(zhì)彈性率聲速聲速43 超聲波的傳播超聲波的傳播超聲波的波形可分為下列四種：超聲波的波形可分為下列四種： 縱波縱波 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向一致的波，如質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向一致的波，如 下圖示。下圖示。 縱波能在固液氣三相

10、介質(zhì)中傳播；在探傷中用于縱縱波能在固液氣三相介質(zhì)中傳播；在探傷中用于縱波探傷法。波探傷法。(2) 橫波橫波 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，如下圖所示。如下圖所示。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，在探傷中用于橫波探橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，在探傷中用于橫波探傷法。傷法。(3) 表面波（瑞利波）表面波（瑞利波） 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著固體表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而橫波之間，沿著固體表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減的波，如下圖所示。迅速衰減的波，如下圖所示。表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓，質(zhì)點(diǎn)位移的長(zhǎng)軸垂表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓，質(zhì)點(diǎn)位移的

11、長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向。直于傳播方向，短軸平行于傳播方向。表面波在探傷中用于表面波探傷法。表面波在探傷中用于表面波探傷法。(4) 蘭姆波（板波） 只產(chǎn)生在有一定厚度的薄板內(nèi)；在板的兩表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)；聲場(chǎng)遍及整個(gè)板的厚度，沿著板的兩表面及中部傳播。對(duì)稱(chēng)型蘭姆波 兩表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的相位相反，中部質(zhì)點(diǎn)以縱波的形式振動(dòng)非對(duì)稱(chēng)型蘭姆波 兩表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的相位相同，中部質(zhì)點(diǎn)以橫波的形式振動(dòng)蘭姆波可檢測(cè)板厚及分層、裂紋等缺陷，還可檢測(cè)材料的晶粒度和復(fù)合材料的粘合質(zhì)量等。在無(wú)限大固體介質(zhì)中，縱波聲速在無(wú)限大固體介質(zhì)中，縱波聲速 cL 用下式表示：用下式表示：橫波聲速橫波聲速 cS 為為:

12、表面波聲速表面波聲速 cR 為為:14/311 2LEKGc12 1SEGc左面各式中，左面各式中， E 楊氏模量楊氏模量 介質(zhì)密度介質(zhì)密度 泊松比泊松比 K 體積模量體積模量 G 切變模量切變模量121112. 187. 0EcR顯然，縱波、橫波和表面波的速度比滿(mǎn)足下面顯然，縱波、橫波和表面波的速度比滿(mǎn)足下面的關(guān)系式：的關(guān)系式：122 1SLcc0.87 1.121RScc 通?？烧J(rèn)為：通?？烧J(rèn)為：cS 0.5cL cR 0.9cS即即：cR cs cL44 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性超聲波在介質(zhì)中的傳播特性441 超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射超聲波

13、在遇到異質(zhì)界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超聲波在遇到異質(zhì)界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和和透射透射現(xiàn)象現(xiàn)象4411 單一界面單一界面界面聲壓反射率界面聲壓反射率 r 在光滑平界面上，超聲波反射波在光滑平界面上，超聲波反射波聲壓聲壓 pr 與入射波聲壓與入射波聲壓 p0 之比：之比：式中，式中， Z1 介質(zhì)介質(zhì)1的聲阻抗的聲阻抗 Z2 介質(zhì)介質(zhì)2的聲阻抗的聲阻抗12120ZZZZpprr界面上透射波聲壓界面上透射波聲壓 pt 與入射波聲壓與入射波聲壓 p0 之比稱(chēng)為之比稱(chēng)為界面的聲壓透射率，用界面的聲壓透射率，用 t 表示：表示：12202ZZZpptt 界面上反射波聲強(qiáng)界面上反射波聲強(qiáng) Ir 與入射波聲強(qiáng)與入射波聲強(qiáng) I

14、0 之比之比稱(chēng)為聲強(qiáng)反射率稱(chēng)為聲強(qiáng)反射率 R:221021rIZZRIZZ 界面上透射聲強(qiáng)界面上透射聲強(qiáng) It ，與入射聲強(qiáng)，與入射聲強(qiáng) I0 之比稱(chēng)之比稱(chēng)為聲強(qiáng)透射率為聲強(qiáng)透射率 T ：122214ttIZ ZTIZZ 注意： rp+tp 1 RI+TI1 原因：聲壓由聲阻抗決定，如果聲波從低 Z 介質(zhì)傳入高 Z 介質(zhì)，例如（水鋼），盡管聲強(qiáng)只有少部分透入鋼中（T鋼1），鋼中的聲壓仍會(huì)比水中的聲壓高 1.93 倍。12202ZZZpptt122214ttIZ ZTIZZ結(jié)論：平界面上時(shí)，結(jié)論：平界面上時(shí)，聲壓和聲強(qiáng)的分配比聲壓和聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。的

15、聲阻抗有關(guān)。注意：垂直入射時(shí)，介質(zhì)兩側(cè)聲波須滿(mǎn)足兩個(gè)邊界條件：注意：垂直入射時(shí)，介質(zhì)兩側(cè)聲波須滿(mǎn)足兩個(gè)邊界條件： （1）一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總聲壓（一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總聲壓（p0+pr=pt），否則界面），否則界面兩側(cè)受力兩側(cè)受力不等，將會(huì)發(fā)生界面運(yùn)動(dòng)；不等，將會(huì)發(fā)生界面運(yùn)動(dòng)； （2）兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度振幅相等，以保持波的連續(xù)性；）兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度振幅相等，以保持波的連續(xù)性； （3）上述關(guān)于聲壓、聲強(qiáng)的反射率、透射率計(jì)算公式，同）上述關(guān)于聲壓、聲強(qiáng)的反射率、透射率計(jì)算公式，同 樣適用于橫波入射情況，但在固樣適用于橫波入射情況，但在固/液、固液、固/氣界面上，氣界面上， 橫波將發(fā)生全反射。橫波將發(fā)生全反

16、射。實(shí)際過(guò)程中，實(shí)際過(guò)程中， Z2Z1、Z2Z1 或或 Z2 Z1 的情況各不的情況各不相同，詳見(jiàn)下圖：相同，詳見(jiàn)下圖： 4412 薄層界面薄層界面超聲波通過(guò)異質(zhì)薄層時(shí)：超聲波通過(guò)異質(zhì)薄層時(shí)： 在薄層兩側(cè)界面引起多次反射和透射在薄層兩側(cè)界面引起多次反射和透射 形成一系列反射和透射波形成一系列反射和透射波 各次反射波、透射波互相干涉各次反射波、透射波互相干涉 聲壓反射率和透射率的計(jì)算復(fù)雜化聲壓反射率和透射率的計(jì)算復(fù)雜化 (1) 當(dāng)?shù)谝唤橘|(zhì)、第三介質(zhì)為同一介質(zhì)（Z1Z3 Z2）時(shí)，對(duì)均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層有如下規(guī)律性：22222222211s i n42111s i n4dmmrdmm2222121

17、11s in4tdmm式中: d2 異質(zhì)薄層的厚度； 異質(zhì)薄層的波長(zhǎng)； m 兩種介質(zhì)的聲阻抗之比 = (Z1/Z2)聲壓反射率聲壓反射率聲壓透射率聲壓透射率n討論討論：當(dāng)當(dāng) d2 = n (2 / 2 ) 時(shí)（時(shí)（n為正整數(shù)），為正整數(shù)），r 0， t 1當(dāng)當(dāng) d2 = （2n1 ）(2 / 4 ) 時(shí)（時(shí)（n為正整數(shù)），為正整數(shù)），r 最高，最高， t 0當(dāng)當(dāng) d2 0 時(shí)，即時(shí)，即d2 n (2 / 4 ) 時(shí)，則薄層厚度愈小，透射率愈時(shí)，則薄層厚度愈小，透射率愈大，反射率愈小大，反射率愈小（2）Z1Z2 Z3時(shí)，聲壓往復(fù)透射率為： （4.16）討論： 當(dāng) 時(shí)( n為正整數(shù))，則有1322

18、21322132222422cossinZ ZTZ ZddZZZZ132134Z ZTZZ222dn! 22時(shí)才成立當(dāng)nd 結(jié)論：結(jié)論： Z1Z2 Z3時(shí)，若薄層厚度對(duì)時(shí)，若薄層厚度對(duì) d2 等于半波長(zhǎng)等于半波長(zhǎng) (/2) 的整的整數(shù)倍，則超聲波通過(guò)薄層的聲壓往復(fù)透射率數(shù)倍，則超聲波通過(guò)薄層的聲壓往復(fù)透射率 T 與薄與薄層的性質(zhì)無(wú)關(guān)層的性質(zhì)無(wú)關(guān)當(dāng)當(dāng) ( n為正整數(shù)為正整數(shù))，且，且 時(shí)，有：時(shí)，有：結(jié)論：薄層兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同時(shí)，若結(jié)論：薄層兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同時(shí)，若d2 =2/4 的奇的奇數(shù)倍，數(shù)倍， 時(shí)，其聲壓往復(fù)透射率時(shí)，其聲壓往復(fù)透射率 T =1，此即為全透射情形。此即為全透射情形。當(dāng)當(dāng)

19、 d2 2/4 時(shí)，薄層愈薄，聲壓往復(fù)透射率愈大。時(shí)，薄層愈薄，聲壓往復(fù)透射率愈大。2214dn213ZZZ132132241Z ZTZ ZZZ213ZZZ也成立是不對(duì)的！教科書(shū)稱(chēng)2/ )(312ZZZ442 斜入射到平界面上的反射和折射斜入射到平界面上的反射和折射聲波傳輸幾何性質(zhì)與其它任何一種波的傳輸性質(zhì)相同，服從斯涅耳定律。但聲波與電磁波的反射和折射現(xiàn)象之間有所差異： 聲波斜角入射聲波斜角入射 傳輸模式改變傳輸模式改變 傳輸速度變化傳輸速度變化結(jié)論：應(yīng)以新的聲波速度代入斯涅耳公式進(jìn)行計(jì)算。4421 斯涅耳定律斯涅耳定律 式中， 入射角 折射角 反射角 L 縱波 S 橫波11122sinsi

20、nsinsinsinSSLLLLLSLSccccc入射縱入射縱波波反射縱波反射縱波反射橫波反射橫波折射縱波折射縱波折射橫波折射橫波LSLSL4422 臨界角臨界角 (專(zhuān)指入射角專(zhuān)指入射角)（1）第一臨界角：若）第一臨界角：若 c L2cL1，則：，則： L S 第一臨界角第一臨界角I = arc sin (cL1/cL2) 入射聲波以第一臨界角入射時(shí)，第二介質(zhì)中將只存在折射橫波。入射聲波以第一臨界角入射時(shí)，第二介質(zhì)中將只存在折射橫波。折射橫波折射橫波以第一臨界角入射時(shí)以第一臨界角入射時(shí)折射橫波折射橫波折射縱波折射縱波折射縱波折射縱波11122sinsinsinsinsinSSLLLLLSLSc

21、cccc (2) 第二臨界角：若第二臨界角：若cS2 cL1， (例如有機(jī)玻璃鋼例如有機(jī)玻璃鋼)，則有，則有S L 令：令： S = 90， 得得第二臨界角第二臨界角：= arc sin (cL1/cS2) 入射聲波以第二臨界角入射時(shí)，第二介質(zhì)中既無(wú)折射縱波，入射聲波以第二臨界角入射時(shí)，第二介質(zhì)中既無(wú)折射縱波，又無(wú)折射橫波，這時(shí)在介質(zhì)的表面將產(chǎn)生又無(wú)折射橫波，這時(shí)在介質(zhì)的表面將產(chǎn)生表面波。表面波。折射橫波折射橫波折射縱波折射縱波以第二臨界角入射時(shí)以第二臨界角入射時(shí)折射橫波折射橫波折射縱波折射縱波11122sinsinsinsinsinSSLLLLLSLSccccc (3) 第三臨界角：當(dāng)超聲波

22、橫波傾斜入射到界面時(shí)，在第一介質(zhì)中產(chǎn)生反射縱波和反射橫波。由于在同一介質(zhì)中， cL cs，故 L s。當(dāng)L= 90時(shí)，在第一介質(zhì)中只存在反射橫波。 第三臨界角第三臨界角 = arc sin (cs1/cL1) 注意：只有第一介質(zhì)為固體時(shí)，才會(huì)有第三臨界角。入射橫波入射橫波反射橫波反射橫波反射縱波反射縱波折射縱波折射縱波折射橫波折射橫波入射橫波入射橫波反射橫波反射橫波反射縱波反射縱波折射縱波折射縱波折射橫波折射橫波11122sinsinsinsinsinSSLLLLLSLSccccc4 44 42 23 3 聲壓反射率與透射率聲壓反射率與透射率斯涅爾反射、折射定律：只決定超聲波傾斜入射到界面上時(shí)

23、，各種類(lèi)型反射波和折射波的傳播方向，無(wú)法決定它們的聲壓反射率和透射率。無(wú)法決定它們的聲壓反射率和透射率。 斜入射時(shí)，聲壓反射率和透射率，不僅與界面兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗有關(guān)，而且還與入射波類(lèi)型及入射角大小有關(guān)。 理論計(jì)算公式較為復(fù)雜，一般借助于實(shí)驗(yàn)得到的聲壓反射率和透射率圖來(lái)確定檢測(cè)方案。圖圖4.6 縱波入射至鋼空氣界面時(shí)的反射縱波入射至鋼空氣界面時(shí)的反射 443 超聲場(chǎng)的特征超聲場(chǎng)的特征聲波的衍射和干涉現(xiàn)象影響到超聲場(chǎng)的分布特性超聲束在介質(zhì)中遇到缺陷(異質(zhì)界面)時(shí)，它可以反射回來(lái)。反射波具有一定的指向性，可用光衍射法顯示出現(xiàn)1超聲場(chǎng)的指向性和擴(kuò)散角 超聲場(chǎng)指向性 超聲波從聲源 (晶片輻射器) 集中成

24、束向前傳播，往往集中在與晶片軸線(xiàn)成半擴(kuò)散角半擴(kuò)散角的錐體范圍內(nèi)強(qiáng)烈輻射出去晶晶片片晶晶片片當(dāng)晶片直徑為 D，超聲波波長(zhǎng)為時(shí)半擴(kuò)散角 為： (4.18) n超聲場(chǎng)中沿晶片中心軸線(xiàn)方向聲壓最大； 由于圓孔衍圓孔衍射效應(yīng)射效應(yīng)，軸線(xiàn)兩側(cè)聲壓會(huì)出現(xiàn)聲壓為零和多個(gè)極大值；n軸線(xiàn)兩側(cè)第一個(gè)聲壓零值點(diǎn)連接起來(lái)與軸線(xiàn)的夾角稱(chēng)半擴(kuò)散角 。DDDK22. 1arcsin22. 1sin2指向性與聲源直徑指向性與聲源直徑 D 和波長(zhǎng)和波長(zhǎng)的關(guān)系的關(guān)系 不同 D /比值得超聲波指向特性圖如下： 縱波在鋼中傳播時(shí)其指向性與頻率和直徑有關(guān)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4.1：頻率頻率MHz1.02.52.5510直徑直徑mm202014

25、1220141210指向指向性性()218121445.56.54表表4.1 縱波在鋼中傳播時(shí)擴(kuò)散角數(shù)值表縱波在鋼中傳播時(shí)擴(kuò)散角數(shù)值表小結(jié)：小結(jié)：D D不變時(shí)，聲波頻率增加時(shí)，波長(zhǎng)減小，擴(kuò)散角減?。徊蛔儠r(shí)，聲波頻率增加時(shí)，波長(zhǎng)減小，擴(kuò)散角減小； 頻率不變時(shí)，頻率不變時(shí)，D D減小，擴(kuò)散角增加。減小，擴(kuò)散角增加。 DDDK22. 1arcsin22. 1sin3近場(chǎng)區(qū)、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，聲壓公式 D 時(shí)，輻射器可以看做無(wú)數(shù)個(gè)尺寸很小的 子波源子波源 組成的平面波源。 各子波源發(fā)出波陣面為球面的、頻率相同的連續(xù)正弦波。 晶片圓盤(pán)軸線(xiàn)上某一點(diǎn)Q處的聲壓所有 子波源子波源 輻射的聲波在Q點(diǎn)處的聲壓疊加。討論：超

26、聲波在鋼中的速度約為（討論：超聲波在鋼中的速度約為（50005000500500）m/sm/s，探傷，探傷用超聲波頻率范圍約為（用超聲波頻率范圍約為（0.4-50.4-5）MHzMHz，因此超聲波波長(zhǎng)約，因此超聲波波長(zhǎng)約為（為（0.9-13.750.9-13.75）mmmm。 假如在液體中只能傳播縱波，因此可以不考慮聲壓方向，直接線(xiàn)性疊加。故在圓盤(pán)源軸線(xiàn)上的對(duì)整個(gè)圓面積積分便可得到Q點(diǎn)處聲壓 p 為： （4.22） 式中，p0 聲源處聲壓； p 離聲源 x 距離 Q 點(diǎn)處聲壓。 kxtxxDppsin4sin2220 (4.22) 式可用圖4.8 (a) 曲線(xiàn)來(lái)描述：NDx420n也可通過(guò)試驗(yàn)

27、粗略作出此曲線(xiàn)，方法如圖4.8 (b) 裝置所示。n將直探頭水平放置于液體中，探頭正前方置一小鋼球，每當(dāng)探頭相對(duì)鋼球移動(dòng)距離為 x 時(shí)，相應(yīng)讀取探傷儀上鋼球反射脈沖高度即聲壓。以聲壓為縱坐標(biāo)距離為橫座標(biāo)，便可得到曲線(xiàn) (a)。 從圖（a）中可以看出， 當(dāng) x，則： （近場(chǎng)區(qū)距離聲源距離）4220Dx,.3 , 2 , 1 , 0,12412222nnnDxNDx420kxtxxDppsin4sin22204 45 5 超聲波換能器超聲波換能器換能器的組成 壓電晶片換能器的功能 發(fā)射和接收超聲波換能器的結(jié)構(gòu) 依據(jù)使用的波型不同可分為： 直探頭 斜探頭 表面波探頭 蘭姆波探頭 可變角探頭 雙晶探頭

28、 聚焦探頭 水浸探頭 噴水探頭 專(zhuān)用探頭1直探頭 基本結(jié)構(gòu)如右圖所示 壓電晶片厚度與超聲頻率成反比，直徑與半擴(kuò)散角成反比 吸收塊可吸收聲能，降低機(jī)械品質(zhì)因素，從而可限制脈沖寬度、減小盲區(qū)和提高分辨力2斜探頭 可發(fā)射和接收橫波，主要由壓電晶片、吸收塊和斜楔塊組成，其結(jié)構(gòu)如右圖所示 晶片產(chǎn)生縱波，經(jīng)斜楔傾斜入射到被檢工件中轉(zhuǎn)換為橫波。斜楔形狀的設(shè)計(jì)應(yīng)使超聲在斜楔中傳播時(shí)不得返回晶片，以免出現(xiàn)雜波 斜探頭折射角的正切值稱(chēng)為斜探頭的K值。斜探頭角度規(guī)格是按K值為簡(jiǎn)單數(shù)值而系列化的，如K等于1，1.5，2，2.5，。利用K值在探傷中進(jìn)行缺陷定位、定量計(jì)算十分簡(jiǎn)便3表面波探頭 可發(fā)射和按收表面波 它是斜探

29、頭的一個(gè)特例，即當(dāng)入射角達(dá)到橫波臨界角時(shí)，在工件中便產(chǎn)生表面波 折射橫波折射橫波折射縱波折射縱波以第二臨界角入射時(shí)以第二臨界角入射時(shí)折射橫波折射橫波折射縱波折射縱波46 超聲波探傷儀超聲波探傷儀461 A型顯示探傷儀型顯示探傷儀在A型顯示探傷中，橫軸為時(shí)間軸，縱軸為信號(hào)強(qiáng)度主要由同步電路 (觸發(fā)電路)、時(shí)基電路、發(fā)射電路、接收電路、探頭及示波顯示器等組成，具方框圖如下圖所示：462 B型顯示探傷儀型顯示探傷儀在B型顯示探傷儀中，橫軸為探頭移動(dòng)距離，縱軸為探傷深度, 可繪制出探傷體的縱截面圖形463 C型顯示探傷儀型顯示探傷儀使探頭在工件上縱橫交替掃查，把在探傷距離特定范圍內(nèi)的反射作為輝度變化并

30、連續(xù)顯示，可繪制出工件內(nèi)部缺陷的橫截面圖形，其方框圖如下圖所示：47 超聲波檢測(cè)方法超聲波檢測(cè)方法471 接觸法與液浸法接觸法與液浸法 接觸法 探頭與工件表面之間涂有一層薄的耦合劑耦合劑作用 傳遞超聲波能量接觸法特點(diǎn) 操作方便，但對(duì)被檢工件表面粗糙度要求較嚴(yán)直探頭和斜探頭都可采用接觸法472 縱波脈沖反射法縱波脈沖反射法 一次脈沖反射法 多次脈沖反射法一次脈沖反射法 以一次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷脈沖反射法多次脈沖反射法 以多次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷 的方法適用對(duì)象：結(jié)構(gòu)致密性較差的工件473 橫波探傷法橫波探傷法 聲波以一定角度入射到工件中產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，利用橫波進(jìn)行探傷通常用單探頭檢測(cè)。橫波入射工件后

31、，當(dāng)所遇缺陷與聲束垂直或夾角較大時(shí)，聲波發(fā)生反射，在熒光屏上出現(xiàn)缺陷波 4 47 74 4 表面波探傷法表面波探傷法利用表面波沿著工件表面?zhèn)鞑z測(cè)表面缺陷表面波沿著工件表面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，遇到裂紋、表面劃痕或棱角等均會(huì)發(fā)生反射。為避免誤探，工件表面需十分光潔表面波能量隨表面下深度增加而顯著降低，在大于一個(gè)波長(zhǎng)的深度處，已無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)bacTabc475 蘭姆波探傷法蘭姆波探傷法使蘭姆波沿著薄板 (或薄壁管) 兩表面及中間傳播來(lái)進(jìn)行探傷當(dāng)工件中有缺時(shí)，在缺陷處產(chǎn)生反射，熒光屏上出現(xiàn)缺陷波，當(dāng)蘭姆波遇到端面時(shí)，亦會(huì)產(chǎn)生端面反射波，如下圖所示TFBF4 47 76 6 穿透法檢測(cè)穿透法檢測(cè) 連續(xù)波穿透法

32、 脈沖波穿透法 連續(xù)波穿透法 (1) 當(dāng)工件內(nèi)無(wú)缺陷時(shí)，接收能量 大，則電流表指示值大； (2) 當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時(shí)，因?yàn)椴糠?能量被反射，接收能量小，電 流表指示值減小； (3) 當(dāng)缺陷很大時(shí)，聲能全部被缺 陷反射，則電表指示值為零穿透法檢測(cè) 脈沖波穿透法 用示波管指示探傷結(jié)果 (1) 當(dāng)工件內(nèi)無(wú)缺陷時(shí)，接收能量大， 熒光屏顯示的接收波幅度高； (2) 當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時(shí)，接收波幅度降 低；如果有很大的缺陷將聲波全部 阻擋，熒光屏上接收波消失 穿透檢測(cè)法特點(diǎn)：靈敏度低，不能檢測(cè)小缺陷，也不能對(duì)缺陷定位，但適合于檢測(cè)超聲衰減大的材料，同時(shí)也避免了盲區(qū)4 47 77 7 檢測(cè)條件的選擇檢測(cè)條件的選擇

33、（1）了解被檢工件的材料特性、外形結(jié)構(gòu)和檢測(cè)技術(shù) 要求（2）熟悉工件在加工各個(gè)過(guò)程中可能產(chǎn)生的缺陷和部 位，以作為分析缺陷性質(zhì)的依據(jù)（3）根據(jù)檢測(cè)目的和技術(shù)條件選擇合適的儀器和探 頭，并進(jìn)行儀器性能的測(cè)試（4）選擇適當(dāng)檢測(cè)方法和耦合劑及其探測(cè)條件48 缺陷的定位、定量和定性缺陷的定位、定量和定性481 缺陷的定位缺陷的定位直接比較法 超聲儀熒光屏上通常有兩根掃描線(xiàn)，其中一根為距離標(biāo)志波。在縱波探傷中，發(fā)射波、缺陷波和底波的距離通過(guò)標(biāo)志波直接讀出。圖像比較法 若工件長(zhǎng)為L(zhǎng)， 缺陷波和底波距發(fā)射波分別為 xF和 xB，則缺陷距探測(cè)面為： h = (xF / xB) L (426)如下圖所示：在橫波

34、探傷中，缺陷定位要求出缺陷距探頭中心的水平距離 l 和距探測(cè)面的垂直距離 h，如下圖所示。若探頭中心至缺陷的聲程為 S ，探頭折射角為 ,則： (4.27) c o ssinhSlS思考：下圖中，焊縫思考：下圖中，焊縫缺陷位置如何確定？缺陷位置如何確定？482 缺陷的定量缺陷的定量 缺陷的定量 測(cè)定缺陷的大小和數(shù)量； 缺陷的大小 包括缺陷的面積、長(zhǎng)度和深度等。 注意：注意：超聲波檢測(cè)中A型顯示 對(duì)缺陷的定量只能是某種程度 的近似；B掃描、C掃描和超聲成像方法 能給出缺陷的圖像，可較 準(zhǔn)確地測(cè)量缺陷尺寸。 4 48 82 21 1 當(dāng)量法當(dāng)量法當(dāng)量法 將缺陷波高和缺陷距離與相應(yīng)的有不同人 工平底

35、孔 (或橫通孔) 試塊的反射波高度進(jìn)行比較，以人工缺陷的面積（當(dāng)量面積當(dāng)量面積）或直徑（當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑）表征工件中缺陷的面積或直徑4 48 82 22 2 以底波強(qiáng)度為基礎(chǔ)的定量法以底波強(qiáng)度為基礎(chǔ)的定量法底波百分比法 以底波高度為基準(zhǔn)，用缺陷波高度與 底波高度之比，表示缺陷相對(duì)大小。缺點(diǎn)：不能得到缺陷的真實(shí)尺寸。 聲壓比法 缺陷波和底波高度與缺陷反射聲壓 p 及底面反射 聲壓 p0 成正比，而聲壓比可用分貝值dB表示： 0020log20log20logdBp ppp當(dāng)測(cè)知底波和缺陷波的相對(duì)分貝值，并求出兩者之差后，根據(jù)右圖的曲線(xiàn)換算出聲壓比值，可以此值表示缺陷的大小。4 48 82 2 3

36、 3 以波束指向性為基礎(chǔ)曲定量法以波束指向性為基礎(chǔ)曲定量法適于缺陷面積大于聲束截面的情況。半波高度法 首先找出缺陷波最高時(shí)的探頭位置，然后移動(dòng)探頭，找出缺陷波衰減一半高度時(shí)的探頭位置，根據(jù)探頭中心移動(dòng)的距離，即可確定缺陷的大小，如下圖所示：4 48 82 24 4 缺陷聲壓反射基本公式缺陷聲壓反射基本公式在討論AVG曲線(xiàn)定量法之前，確認(rèn)各類(lèi)缺陷(主要指人工缺陷)對(duì)聲壓反射的基本公式：當(dāng) xN 時(shí)，有：202sin8xDppx當(dāng) x6N ，即 xN 時(shí)，2004DxFDpppxx在遠(yuǎn)場(chǎng)中，大平面大平面(底面)的聲壓反射為：208BBDppxFD： 探頭晶片面積； D：晶片直徑； ：超聲波波長(zhǎng)；

37、x：聲程； N：近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度kxtxxDppsin4sin2220 xf：平底孔至探頭的距離； pf/p0 稱(chēng)為缺陷反射率Rf：圓形平面缺陷圓形平面缺陷(平底孔)的聲壓反射為：022DfffFFppx220fDfffpFFRpx球孔球孔(氣孔)的聲壓反射公式為：20022416DfffFdDdpppxxd：球孔直徑短圓柱孔短圓柱孔的聲壓反射公式為：0232DffFldppxd：短圓柱孔直徑； l：長(zhǎng)度長(zhǎng)橫通孔長(zhǎng)橫通孔的聲壓反射公式為：032 2DffFdppxd：長(zhǎng)橫孔（設(shè)為無(wú)限長(zhǎng)）直徑48. 25 AVG曲線(xiàn)定量法曲線(xiàn)定量法用透明有機(jī)玻璃制成AVG標(biāo)尺，安裝在儀器的熒光屏前，按規(guī)定調(diào)整探傷靈敏

38、度，由熒光屏上缺陷波在AVG標(biāo)尺上的位置，可直接讀出等效缺陷的實(shí)時(shí)直徑要求：儀器水平線(xiàn)性和垂直線(xiàn)性良好 衰減器精度高 聲波頻率準(zhǔn)確適用范圍：于缺陷尺寸小于聲束截面的情況4826 裂紋深度曲測(cè)定裂紋深度曲測(cè)定測(cè)定較困難，所測(cè)深度為裂紋的當(dāng)量深度當(dāng)量深度，測(cè)定淺深度小裂紋時(shí)準(zhǔn)確度更差。常規(guī)方法： (1) 最大回波高度對(duì)比法 (2) 最大波高衰減修正法 (3) 散射法 (4) 時(shí)延法 (5) 頂端峰值回波法 (6) 參考試塊法（1） 最大回波高度對(duì)比法最大回波高度對(duì)比法 將探傷中發(fā)現(xiàn)缺陷的回波高度與相同聲程下的矩形槽的回波高度進(jìn)行比較。 一般需加工有不同槽深的不同厚度的試塊，按照不同探頭測(cè)繪各自的矩

39、形槽距離 波高曲線(xiàn)。 (2) 最大波高衰減修正法最大波高衰減修正法 原理與缺陷長(zhǎng)度測(cè)定的全波消失法類(lèi)似，可使用一次波，也可以使用二次波測(cè)定。 可計(jì)算出裂紋的垂直高度和傾斜裂紋的縱向尺寸。 (3) 散射法散射法 適用于表面開(kāi)口裂紋或近表面垂直裂紋。 用兩個(gè)縱波斜探頭，對(duì)稱(chēng)地與裂紋垂直放置，一個(gè)探頭發(fā)射，另一個(gè)探頭接收。當(dāng)工件中無(wú)缺陷時(shí)，只要選擇的角度合適，就可收到較強(qiáng)的晶粒邊界散射波，如果有裂紋存在，散射聲能減少，可通過(guò)接收散射波波高的變化，推測(cè)裂紋深度。(4) 時(shí)延法時(shí)延法 散射法的一種發(fā)展。采用測(cè)量裂紋對(duì)回波信號(hào)造成的時(shí)間延遲來(lái)測(cè)定裂紋深度。 對(duì)表面開(kāi)口裂紋，可使用表面波測(cè)定。(5) 頂端峰

40、值回波法頂端峰值回波法 用斜探頭探測(cè)裂紋時(shí)，當(dāng)聲束中心與裂紋頂端相交時(shí)，將收到一極大值回波。通過(guò)探測(cè)該波來(lái)測(cè)定裂紋頂端位置，測(cè)定其縱向尺寸。 (6) 參考試塊參考試塊用途 ：a. 測(cè)定儀器的掃描線(xiàn)性、盲區(qū)、分辨力、波束特性 和探頭 性能；b. 測(cè)試“面積振幅 ” 和“距離振幅”曲線(xiàn)；c. 儀器靈敏度的調(diào)整；d. 直接用比較法測(cè)定缺陷的大小，試件厚度和評(píng)價(jià) 材質(zhì)特性 。 定量定位用試塊定量定位用試塊 左下圖所示為 CSI 型系列試塊； 右上和右下圖所示為在板材和焊縫探傷中常用的CSK型和CSK型試塊：各種焊縫標(biāo)準(zhǔn)試塊照片各種焊縫標(biāo)準(zhǔn)試塊照片 校驗(yàn)用參考試塊校驗(yàn)用參考試塊 用途 儀器、探頭、儀器與

41、探頭組合性能的測(cè)試和校驗(yàn)。 主要有CSKI型試塊和國(guó)際焊接協(xié)會(huì)推薦的IIW試塊，其形狀和尺寸分別如左下圖和右下圖所示：4 48 83 3 缺陷的定性缺陷的定性脈沖反射法A型顯示超聲波探傷 缺陷定性較困難；不同性質(zhì)的缺陷，其波形特征有所不同；需根據(jù)工件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、加工工藝和超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)，如缺陷的位置、大小、方向和分布等進(jìn)行綜合分析； B掃描、C掃描、復(fù)二維顯示和超聲成像技術(shù) 通過(guò)缺陷圖像的觀測(cè)進(jìn)行定性，可顯著提高缺陷定性準(zhǔn)確性；由于反射會(huì)改變超聲波的頻率，故頻譜分析也有助于對(duì)缺陷的定性。補(bǔ)充資料一：超聲相控陣技術(shù)補(bǔ)充資料一：超聲相控陣技術(shù)n超聲相控陣技術(shù)基本思想來(lái)自于雷達(dá)相控陣技術(shù)。n相控陣?yán)?/p>

42、達(dá)由許多輻射單元陣列組成，通過(guò)控制陣列天線(xiàn)中各單元幅度和相位，調(diào)整電磁波輻射方向，在一定空間范圍內(nèi)合成靈活快速的聚焦掃描的雷達(dá)波束。n超聲相控陣換能器由多個(gè)獨(dú)立壓電晶片組成陣列,按一定規(guī)則和時(shí)序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)晶片單元，來(lái)調(diào)節(jié)控制焦點(diǎn)的位置和聚焦的方向。超聲相控陣技術(shù)已有近20多年的發(fā)展歷史。最初,系統(tǒng)的復(fù)雜性、固體中波動(dòng)傳播的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等原因使其在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用受限。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè),特別是在核工業(yè)及航空工業(yè)等領(lǐng)域。如核電站主泵隔熱板的檢測(cè);核廢料罐電子束環(huán)焊縫的全自動(dòng)檢測(cè)及薄鋁板摩擦焊縫熱疲勞裂紋的檢測(cè)。超聲相控陣原理示意圖超聲相控陣原理示意圖補(bǔ)充資料二：超聲補(bǔ)充資料二：超聲TOFD技術(shù)技術(shù)nTOFD定義定義nTime Of Flight Diffraction(TOFD)超聲波衍射時(shí)差法，是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)（主要是指缺陷）的“端角”和“端點(diǎn)”處得到的衍射能量來(lái)檢測(cè)缺陷的方法，用于缺陷的檢測(cè)、定量和定位。nTOF