动态测试2014-7note

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压电式探头:
• 压电材料
• 探头的种类
• 直探头(纵波探头) 源自 厚度、声速、E测量,材料鉴定 直杆的缺陷检测 材料分层的检测及尺寸确定 板、杆、铸件及其他金属非金属的组分检测 横波直探头 横波波速的测定 剪切模量测量 表征材料的颗粒结构
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• 水浸式探头

移动测量、自动扫描 实时厚度检测 材料分析和波速测量 直探头： 平板类似结构的高速缺陷检测 聚焦探头：点聚焦和线聚焦； 由直探头和声透镜组成。 管道、杆件、管材和其他类似 结构的高速缺陷检测
的静态压强之差.
P cA sin (t x c)
P cv c v v
声阻抗Z: 超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比.
Z
声强I：单位时间内垂直通过单位面积的声能. 2 W 1 2 2 dx 1 1 1 P I A cA2 2 Zv 2 t 2 dt 2 2 2 Z 分贝的概念: 另一声强I2与标准声强I1 之比的常用对数称为声强级，单


• 横波斜探头

与探测面垂直或成一定角度的 缺陷，如焊缝探伤、汽轮机叶 轮探伤等。
• 表面波探头 探测表面或近表面缺陷 •双晶探头(分割探头)： 双晶纵波探头和双晶横波探头 灵敏度高、杂波少、工件中近场 区长度小、探测范围可调 探测近表面缺陷
• 探头的选择
近场区： 声波幅值在极大与极小值 之间振荡，对探伤不利 远场区： 声场压力逐渐衰减到零
五、超声波的衰减
声波在介质中传播时，随着传播距 离的增加，能量逐渐衰减。
• 扩散衰减：波束扩散 • 散射衰减：晶粒散射
• 吸收衰减：介质吸收
平面波：不存在扩散衰减。 Px P0 e x
柱面波： 球面波：
P0 x Px e x
I x I 0 e 2 x
P0 x Px e x
位是贝尔(BeL)，分贝(dB)。
lg I 2 I1
10 lg I 2 I1 20 lg P2 P1
四、超声波的反射、折射
声波从一种介质传播到另一种介质时， 在两个介质的分界面上一部分声波被反射， 另一部分透射过界面，在另一种介质内部 继续传播。 (1) 单一界面的反射与透射
nr Pr Z Z1 2 P0 Z 2 Z1
The ultrasonic system
• Pulse receiver technology:
– Pulse part:
• generates short, large amplitude electric pulses • Pulse energy (high voltage)
–
Receiver part:
2 1 3
(3)波型转换与反射、折射定律
cL1 cS1 cL2 cS 2 cL sin sin 1 sin 2 sin sin
如果介质2为液体或气体，则仅有纵波，而不会产生横波和 表面波。 （1）纵波全反射：折射波中便只有横波存在 （2）横波全反射：介质的分界面上只传播表面波。
水平偏振的横波
对称型 上下表面：椭圆运动, 中心：纵向振动 (S型)
固体介质(厚 度与波长相当 的薄板)
薄板、薄壁钢管探 伤等 (h<6mm)
• 固体介质中的声速
波的类型 声速表达式
CL E 1 1 2 1 E 1 21 E CL E
The C-scan technology
• The different parts:
– The tank
• Where is put the sample • Filled with water to conduct wave from transducer to sample
– The moving system
k , q
2 2
2
cT
2
k 2 , cg
k
• 固体声速与温度、应力、均匀性的关系
一般固体中的声速随介质温度升高而降低。 一般应力增加，声速增加，但增加缓慢。 固体材料组织均匀性对声速的影响.
• 液体、气体介质中的声速 只能传播纵波 与温度有关
第二节
超声波检测方法
2014/10/28
超声波探伤:利用超声波通过两种介质的界面时发生 反射和折射的特性来探测零件内部的缺陷。
一、按原理分类
脉冲反射波法
根据声波在工件中反射的情况不同而探测工件内部的情形。
initial pulse
back surface echo
crack echo
crack
0 2 4 6 8 10
大晶片探头：探测面积大，厚度大 小晶片探头：探测面积小，表面不平整
两纵波直探头比较
A109S-RM探头
(频率:5MHz,晶片尺寸:13mm)
能量大，衰减小，尺寸大
适用于大试件、波速较小、较厚、 衰减强的试件
A112S-RM探头
(频率:10MHz,晶片尺寸:6mm) 能量相对较小，衰减强，尺寸小
• Signal rectification • Filtering • Signal amplification
APR-S300T (1 Channel)
The ultrasonic system
• Analog-to-digital converter:
– Convert the analogical signal in digital signal to store it
六、超声波的类型
波的类型 质点振动特点 质点振动方向与波的 传播方向一致 质点振动方向垂直于 波的传播方向 质点的振动介于横波 与纵波之间，沿着介 质表面传播 传播介质 固体、液体和 气体 固体 应 用 材料性质，钢板、 锻件探伤等 材料性质，焊缝、 钢管探伤等 钢管探伤等
纵波
横波 表面波
固体
板 反对称 上下表面；椭圆运动， 波 型(A型) 中心：横向振动 SH
• 2 or 3 axis machine • Driven by computer
– The ultrasonic system
• A transducer • A pulse receiver • An analog-to-digital converter • An acquisition board • An application software
适用于衰减弱、厚度小、表面不太平整或较小试件 的测量，分辨率相对较好
1超声波探伤频率
超声波探伤常用频率在0.5一5MHz之间。 • 较低频率用于检测粗晶材料和衰减较大的材料 • 较高频率用于检测细晶材料和要求高灵敏度处。 特殊要求的检测频率可达10一5OMHz。
1超声波探伤特点
①厚度:探测5-3000mm厚的金属或非金属材料的构件。 ②粗糙度:一般要求粗糙度等级高于Ra6.3，表面清洁 光滑，与探头接触良好。 ③盲区:一般为5-7mm。
一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率
• 探头的尺寸选择
晶片尺寸大：
① 晶片尺寸增加，半扩散角减少，波束指向性变好，超声 波能量集中，对探伤有利。 ② 晶片尺寸增加，近场区长度迅速增加，对探伤不利。 ③ 晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，探头未扩散区扫查 范围大，远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能 力增强。 ∴ 晶片大小对声束指向性、近场区长度、近距离扫查范围 和远距离缺陷检出能力有较大的影响。
频率 高
折射 反射
穿透 力强
超声波 特点
能量 高
波长 短
方向 性好
二、超声波的波动特性
波的叠加
（波的独立性原理）
波的干涉
驻波
惠更斯原理: 波动中任何质点都可以看作是新的波源 波的衍射(绕射)
波的绕射和障碍物尺寸 及波长λ的相对大小有关
三、超声场的特征值
声压P：超声场中某一点在某一时刻所具有的压强与没有超声波存在时
液浸法
探头和工件浸于液体中,以液体作耦合剂。 液浸法分为全浸没式和局部浸没式。 适用于表面粗糙的试件。探头也不易磨损， 耦合稳定，探测结果重复性好，便于实现自 动化探伤。
第三节
超声波探伤检测系统
2014/10/28
一、超声波探头
• 超声波传感器：先发射超声波，然后再把超声波 接收回来，变换成电信号的装置就是超声波换能器或 超声波探头。 超声波探头按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩 式、电磁式等，其中以压电式最为常用。
纵波
横波 表面波

CT

CR
0.87 1.12 1
1 21
tan(qh) 4k 2 pq 2 tan( ph) (q k 2 ) 2
板波
p
2
tan(qh) (q 2 k 2 ) 2 tan( ph) 4k 2 pq
2
cL
2
plate
UT Instrument Screen
透射波法
根据超声波穿透工件后，能量的变化状况来判断工件内部 质量的方法
1 1 T R 1 1
T
R
2
2
0
2
4
6
8
10
共振法
依据试件的共振频率特性，来判断缺陷情况和工件厚度变 化情况
二、按波形分类
纵波法
用于铸造、锻压、轧材及其制品的探伤。
横波法
用于管材、焊缝的探伤。
D N
2
2 D2 4 4

半扩散角小对探伤有利!
• 探头频率的选择
频率高：
① 有利于发现更小的缺陷。 ② 脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。 ③ 波长短，则半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有 利于发现缺陷并对缺陷定位。 ④ 波长短，近场区长度大，对探伤不利。 ⑤ 频率增加，衰减急剧增加。 ⑥ 材料的非均质性 ∴ 优点: 频率高，灵敏度和分辨力高，指向性好； 缺点: 近场区长度大，衰减大。