1、超聲波超聲檢測超聲檢測的應用,2-1 超聲檢測原理,超聲檢測是一種利用超聲波在介質中傳播的性質來判斷工件和材料的缺陷和異常。 人耳能聽到的聲音頻率為16Hz20kHz， 超聲是一種看不見、聽不到的彈性波。 超聲檢測一般為0.525MHz，常用頻率范圍為 0.510MHz。,超聲波特性 (1)在液體和固體介質中長距離傳輸(雖然在氣體中衰減很快)； (2)超聲波能量在傳輸時有明確的方向性； (3)超聲波在一定介質中傳輸時速度不變； (4)超聲波傳輸通過不同材料界面時，可能會改變其振動模式。,超聲檢測就是利用超聲波來對材料和工件進行檢驗和測量。 典型的應用，是超聲探傷以及材料和工件的物理性能與力學性

2、能檢驗。 在測量方面，許多非聲學特性和某些狀態(tài)參量，例如液位、流量等都可用超聲方法測定。 超聲波應用非常廣泛。如超聲加工和處理，利用超聲能量來改變物質特性和狀態(tài)，如超聲鉆孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。,超聲檢驗與測量之間的關系非常密切，如超聲探傷和超聲液位測量，技術原理相仿。 超聲檢測和超聲加工處理之間的區(qū)別明顯，超聲加工往往著重大功率的連續(xù)波超聲，而超聲檢測則太多使用靈敏度高、功率不大的脈沖波。 超聲加工處理時非常重視一些描述聲場強弱的物理量(如聲壓、聲強、聲功率等)的測定。 而超聲檢測則著重描述介質中超聲傳播特性的物理量(如聲速、聲衰減、聲阻抗等)的測定。,超聲波是一種機械振動所產(chǎn)生

3、的波。 質點的往復運動稱為振動，振動是波動的產(chǎn)生根源，波動是振動的傳播過程。 超聲波的產(chǎn)生，依賴于作高頻機械振動的聲源和彈性介質的傳播 超聲波的傳播，包括振動過程和能量傳播。,研究超聲波傳播時，可以將彈性介質看成是相互間由彈性力聯(lián)系著的無數(shù)質點所組成。 當在彈性介質的表面層上施加一個正弦變化的外力時，由于各質點間有彈性力聯(lián)系，相鄰層上的質點也將產(chǎn)生振動，一層推動一層，振動也由近及遠地傳播。,2-1-1 波動的種類與波型 波的種類是根據(jù)質點振動方向和波動傳播方向的關系來區(qū)分，可分為縱波、橫波、表面波和板波，如圖所示。,(1) 縱波 當介質受到交替變化的正弦拉-壓應力作用時，質點產(chǎn)生疏密相間的縱向

4、振動，質點振動方向與波的傳播方向一致,縱波常用 L 表示，它在介質中傳播時，僅使介質各部分改變體積而不產(chǎn)生轉動。任何彈性介質 (固體、液體和氣體)中都能傳播縱波。,(2) 橫波 當介質受到交替變化的正弦剪切應力時，質點產(chǎn)生具有波峰與波谷的橫向振動，并在介質中傳播，其振動方向與波的傳播方向垂直，這種波稱為橫波，也稱切變波。,橫波用符號T或S表示。在介質中傳播時，僅使介質各部分產(chǎn)生形變而介質體積不變。 由于液體和氣體介質沒有剪切彈性，因此不能傳播橫波。,(3) 表面波 半無限大彈性介質與氣體的交界面，受到交替變化的表面張力作用時，介質表面質點發(fā)生縱向和橫向振動，質點繞其平衡位置作橢圓運動，并作用于

5、相鄰質點而在表面?zhèn)鞑?，這種波稱為表面波，也稱瑞利波。,表面波常用符號 R 表示，圖中表示的是瞬時的質點位移狀態(tài)。表面波傳播深度約l2個波長，振幅隨深度的增加而迅速減小，當深度達到兩個波長時，振幅降至最大振幅的0.37倍,(4) 板波 板狀介質受到交替變化的表面張力作用，而且板厚與波長相當，質點的縱向和橫向振動軌跡也是橢圓，聲場遍布整個板厚。這種波稱為板波，也稱蘭姆波。板波常用符號 P 表示,板波與表面波不同，其傳播要受到兩個界面的束縛，從而形成對稱型(S型，圖2-1d)和非對稱型(A型，圖2-1e)兩種情況。,對稱型板波在傳播中，質點的振動以板厚為中心面對稱，上下表面上質點振動的相位相反，中心

6、面上質點的振動方式類似于縱波。,非對稱型板波在傳播中，上下表面質點振動的相位相同，質點的振動方式類似于橫波。,2-1-2 聲波的波動特性 聲波的波動特性，主要是指幾個波相遇時出現(xiàn)的干涉、疊加以及衍射現(xiàn)象。 (1)波的干涉疊加 當幾個波在同一介質中傳播至某處相遇，則相遇處質點的振動是各個波所引起的振動的合成，相遇點上質點的位移是各個波在該點所引起的位移的矢量和，這就是波的疊加原理。,脈沖波由若干正弦波疊加而成，1MHz的脈沖波是由0.85MHz、1MHz和1.21MHz正弦波疊加而成的。,所以雖然看來脈沖波每個質點的振動沒有表示出同樣高度，但它的確是由若干正弦波所組成。,為合成某一脈沖，脈沖寬度

7、愈窄，需要數(shù)量愈多的正弦子波，子波具有與中心頻率不同的頻率。根據(jù)傅利葉分析，脈沖是由某一頻譜范圍內的波構成，脈沖愈窄時頻譜愈寬。,疊加波，若符合相干條件(頻率相同，傳播方向一致和有一定的相位關系)，則在空間某些地方振動始終加強，而在另一些地方則始終減弱或完全消失，這種現(xiàn)象稱為波的干涉。 當兩個振幅與頻率都相同的相干波，在同一直線上沿相反方向彼此相向傳播時，疊加而成的波稱為駐波，駐波是波的干涉現(xiàn)象的特例。 當在聲波傳播方向上的介質厚度恰為半波長的整數(shù)倍時就會產(chǎn)生駐波現(xiàn)象。這種駐波在介質的厚度方向引起共振，這就是所謂共振法超聲檢測的基本原理。,(2)波的衍射 波在彈性介質中傳播時，如果遇到障礙物或

8、其它不連續(xù)的情況，而使波陣面發(fā)生畸變的現(xiàn)象稱為波的衍射。,任意形狀的波在傳播過程中遇到一個障礙AB時，AB上有一個寬度大小與波長相當?shù)莫M縫，穿過狹縫的波是以狹縫為中心的球形波，與原來的波陣面無關。,這說明可以把狹縫看作新的波源。波前上的所有點，都可看作產(chǎn)生球面子波的點源，經(jīng)過一段時間后，該波前的新位置將是這些子波波前相切的包跡面，這稱之謂惠更斯原理。,惠更斯原理在超聲檢測中獲得了廣泛應用，不僅適用于機械波，同樣也適用于電磁波。它用幾何方法比較廣泛地解決了波的傳播問題。,(3)聲速、波長和頻率 聲速是聲波在介質中傳播的速度(c)，波長是指聲波每振動一次所走過的距離()，頻率是指每秒鐘聲波振動的次

9、數(shù)(f)，三者之間的關系,聲速由介質決定，在各向同性的無限大彈性固體中，聲速可用下式表示 式中E-介質的正彈性模量，-介質的密度，K-常數(shù)與波型有關。,縱波聲速 橫波聲速 式中G-介質切變模量，-介質的泊松比。 表面波聲速,縱波速度在氣體中每秒為幾百米，在液體中為12km/s，固體中為36km/s。 在固體中還有橫波，橫波的速度約為縱波速度的一半，表面波速度約為橫波速度的0.95,某些物質的密度、聲速和特性阻抗見表,當棒的直徑與波長相當時稱為細棒，細棒中聲波以膨脹形式傳播，稱為棒波。當棒的直徑d0.1(波長)時，棒波的速度與泊松比無關，可表示為 總之，介質彈性能越好(E和G越大)、密度越小，則

10、聲波在介質中的傳播速度越高。,2-1-3 聲場及其特征值 聲場特征常用聲壓、聲強和特性阻抗等特征值來描述。 聲壓(p)是指聲傳播時，造成介質中某點的壓強，單位為帕斯卡(Pa)，1Pa=1N/m2 聲波在介質中傳播時，介質中每一點的聲壓將隨時間和距離的變化而改變。,聲壓與介質密度、波速和頻率成正比 式中 v-質點振動速度 上式中當聲壓 p 不變時，c 越大，質點振動速度就越小 ，所以c 被稱為介質的特性阻抗，以 z表示。,超聲檢測中，可以到觀察熒光屏上出現(xiàn)的反射波高度，該高度與聲壓 p 成正比。 液體阻抗約為氣體的3000倍，固體阻抗約為液體的30倍。 在聲場中的某點，在與指定方向垂直的單位面積

11、上，單位時間內通過的平均聲能，稱為聲強度，以I表示。,聲強度與質點位移振幅和質點振動頻率的平方成正比，與質點振動速度振幅的平方成正比，與聲壓振幅的平方成正比。 超聲波的頻率很高，其強度遠遠大于一般聲音，這就是超聲波能夠用于檢測的前提。,在實際超聲波檢測中，超聲波是由一定尺寸的探頭發(fā)出的，輻射的是活塞波。 離探頭很近的地方可認為是平面波，遠離探頭的地方則視為球面波。 這種聲源發(fā)射的聲波可以認為是由無數(shù)個能發(fā)射子波源的聲波疊加的結果。,探頭中心軸線上的聲壓分布如用平面波理論分析可得下式 式中a-輻射圓盤半徑,檢測時測得的信號高度與聲壓成正比，中心軸上的聲壓分布如圖所示。,聲壓分布分為兩個區(qū)域，即x

12、N時，聲壓p有若干個周期性的極大值和極小值，稱為近聲場，N為近場區(qū)長度。,最大值出現(xiàn)在聲程相當于N、N/3、N/6、N/12各點，而最小值出現(xiàn)在聲程相當于N/2、N/4、N/8、N/16各點。,這種現(xiàn)象，是由于聲源上各單一點源輻射到軸線上同一點的聲波的相位差引起的波的干涉效應造成的。 由于近場區(qū)中聲壓的起伏很大，在近聲場中進行正確檢測比較困難。,近場區(qū)長度N取決于聲源的尺寸和聲波波長，當D/2 時，N值可用下式獲得 可見，輻射器的直徑D愈大、頻率愈高(波長越短)，則近場長度N也就愈長。,當xN時稱為遠場區(qū)，此時聲壓隨距離增加而下降，但只有聲程大于3N后，聲壓與聲程才比較符合反比關系。因此，習慣

13、上以聲程大于3N時為遠場區(qū)。,遠場區(qū)的聲壓分布可由下式計算 可見，中心軸線上的聲壓與晶片面積和起始聲壓成正比，而與波長和聲程成反比。,聲場中的聲壓不但隨距離x、時間t而變，同時還隨聲束的半擴散角而變。半擴散角直接反映聲場中聲能集中的程度和幾何邊界。,半擴散角的大小可按下式計算 式中 D-圓形壓電晶片的直徑 a-方形晶片邊長,也就是說，半擴散角取決于晶片尺寸和波長。提高頻率和加大晶片尺寸，均可改善超聲的指向性。,輻射器輻射的超聲波能量的80%以上集中在主瓣的聲束上，副瓣的能量小，傳播距離短，因此可以認為副瓣束集中在近場區(qū)。,超聲檢測大多采用脈沖波，而在介紹基本理論時，一般采用連續(xù)波。 這是由于分

14、析脈沖形狀非常復雜，而從實際應用來說，近似用連續(xù)波代替脈沖波，但二者的聲場特性上別很大。,由于脈沖波是持續(xù)時間很短的波動，所以它們可能不產(chǎn)生干涉或只產(chǎn)生不完全干涉。 脈沖波中脈沖個數(shù)對近場區(qū)內的聲壓分布影響極大。當脈沖個數(shù)小于等于6時，近場區(qū)聲壓明顯變得簡單，副瓣數(shù)目和尺寸減小。,2-1-4 超聲波在異質界面上的 透射、反射和折射 所謂異質界面，是指由兩種特性阻抗不同的介質所構成的界面，如氣/界面、氣/固界面、液/固界面和不同固體界面等。,超聲波從一種介質傳播到另一種介質，相對于異質界面而言，當垂直入射時只有反射和透射，波的類型(縱波或橫波)不發(fā)生變化。,當傾斜入射時除反射波外，透射波產(chǎn)生干射

15、，同時伴隨有波型轉換。,超聲波以一定傾角入射固體界面，反射波和折射波都分裂成兩種波型，除原有波型的反射和折射波外，還存在不同波型的反射波與折射波。,入射縱波(L)除產(chǎn)生反射縱波(L1)和折射縱波(L2)外，還產(chǎn)生反射橫波(S1)和折射橫波(S2)，與法線夾角分別L、L1、L2、S1和S2,這些角度與波速之間的關系符合反射和折射定理如下式,由于CL=CL1 ，所以L與L1相等 。 對相同介質CLCS，所以L1大于S1，L2大于S2 即縱波的反射角和折射角分別大于橫波的反射角和折射角。,當波速小的介質入射到波速大的介質時，折射角大于入射角，隨著入射角度增大，折射角也增大。 當L增大到LK1時，使L

16、2等于90o，繼續(xù)增大，縱波在界面被完全反射，介質中只存在橫波，此時縱波入射角LK1稱為第一臨界角。,當L1繼續(xù)增大到LK2時、使S2等于90o，再增大時橫波也被全反射 此時的縱波入射角LK2稱為第二臨界角,不同介質具有不同的臨界角，計算公式為,超聲波入射到特性阻抗不同的界面，一部分能量透過界面進入另一介質，另一部分反射回原有介質，從介質I到介質的聲壓透過率為 反射率為 式中 Z1、Z2分別為介質I和的特性阻抗,從上述公式可見透過率與反射率之間關系為 超聲檢測中常采用同一探頭發(fā)射和接收超聲波，若把往返兩者結合起來考慮，則聲壓的往返透過率為 當用油耦合劑探測測試件時，在油與鋼界面上的往返透過率約

17、為11%。,兩種介質的特性阻抗相差很大時(如固體和氣體界面)，超聲在界面上幾乎全反射，聲波既不能從固體進入氣體，也不能從氣體進入固體。 超聲檢測時，要保證探頭和工件之間完全耦合，否則由于氣隙的存在影響超聲的進入。,例如鋼的特性阻抗為4.5106(Pa.s)/m，空氣的聲阻抗為0.0004106(Pa.s)/m，當超聲波傳輸?shù)戒撆c空氣的界面時，幾乎100%被反射。 鋼中有氣隙存在時很容易被發(fā)現(xiàn)，而鋼試件中的非金夾雜物，由于它的特性阻抗與基體比較接近，因此其反射波比較弱。,當探頭與鋼試件之間存在空氣時，超聲波基本上不能透入鋼中，采用機油為耦合劑時，約有16%的發(fā)射聲壓進入鋼中，已足夠了。,可把超聲

18、波看作和光線一樣是直線傳播，用幾何光學理論來探討超聲波的曲面反射和折射規(guī)律。當平面波入射到曲界面時，超聲的透射情況如圖,曲界面對相鄰介質中的透射波所起作用，就如光學上聚焦透鏡和發(fā)散透鏡一樣，要考慮界面的彎曲方向和兩種介質的聲速比。,聚焦聲透鏡，是超聲檢測中提高檢測靈敏度的有效途徑。超聲波檢測用的聚焦透鏡往往采用平凹面的型式，如圖所示,聚焦探頭通常用有機玻璃或環(huán)氧樹脂作聲聚焦透鏡，透鏡與晶片接觸的面仍為平面，而聲透視面為凹曲面。,當與聲透鏡凹曲面接觸的第二介質的聲速c2小于透鏡中聲速c1時、透射聲波具有聚焦作用，透鏡的凹面曲率半徑為,在環(huán)氧透鏡水浸聚焦的情況下，r可近似為,當聚焦聲束射入工件時，

19、工件中的焦點深度如圖所示，并可根據(jù)下列公式進行計算 式中、f及 H圖中已標明，c1、c2分別為水中和工件中的聲速。,2-1-5 超聲波傳播中的衰減 超聲波傳播過程中遇到障礙物，就可能產(chǎn)生若干現(xiàn)象，這些現(xiàn)象與障礙物的大小有關。 如果障礙物的尺寸比超聲波的波長小得多，則它們對超聲波的傳播幾乎沒有影響。 如果障礙物的尺寸與超聲波的波長近似，其聲阻抗與周圍介質不同，則超聲波將發(fā)生不規(guī)則反射、折射和透射。,這些現(xiàn)象都是波的散射，是造成超聲波在介質傳播時、隨著傳播距離的增加其能量逐漸減弱的主要因素，稱為衰減。 其它兩種造成超聲波衰減的因素是由于聲束傳播時擴散和由于介質的吸收。 在多晶體金屬材料中，散射是造成超聲波衰減的主要原因。,散射現(xiàn)象主要取決于材料內部組織、超聲波波長和散射體的形狀。 當組織為粗晶(如鑄態(tài)組織、奧氏體焊縫等)或組織中有大量第二相時，特別是當它們的尺寸與超聲波波長相當時，散射現(xiàn)象特別嚴重。,超聲散射時產(chǎn)生的不規(guī)則反射波和折射波現(xiàn)象，在熒光屏上表演為林狀回波(或草狀回波)干擾信號，使信噪比下降，降低檢測靈敏度。 工件表面粗糙度也對衰減產(chǎn)生影響，采用的超聲波頻率愈高時散射愈嚴重。,吸收是由于介質的粘滯性造成的質點之間的摩擦引起的，它使一部分能量轉變?yōu)闊崮堋?吸收與介質粘滯系數(shù)、導熱系數(shù)及頻率的某次方成正比，與聲速三次方和密度成反比。 超聲波在液體和氣體