无损探伤基础知识

由于近场区存声压极大值极小值，处于声压极大值 处的较小缺陷可能回波较高，而处于极小值处的较大 缺陷可能回波较低，因此超声波探伤时问题尽量避免 在近场区定量。
波束半扩散角为：θ=70λ/D
未扩散区与扩散区，未扩散区用b表示。
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当X≤b＝1.64N，波束可视为直径为D圆柱体，波
阵面近似平面，波束并不扩散，因此，这一区域内的 声场可视为平面波声场，平均声压基本不变，实际探 伤中薄板成块或工件，前几次底波高度相差无几就是 这个原因。
吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介质质 点间的内摩擦和热传导引起的衰减。
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10、关于纵波发射声场（圆盘声源） 圆盘声源轴线上声压分布
波源附近的轴线上声压上下起伏变化，存在若干个极大 极小值，距波源的距离越近，声压极大极小值的点就越密 。声学上把由子波的干涉在波源附近的轴线上产生一系列 声压极大极小值的区域称为超声场的近场区.
压电效应会自行消失，物理学上称该温度为 材料的居里温度或居里点。压电体有上居里 温 度 和 下 居 里 温 度 。 如 锆 钛 酸 铅 Tc 为 约 300℃，Tc约-80℃，因此探测高温工件的 探头，应采用上居里点较高的压电晶片， 而在寒冷地区应选用下居里温度低者。
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e 机械品质因素Qm 压电晶片谐振时贮存的机械能E贮与在一个振动
3130m/s , 有机玻璃1120m/s 表面波：声速大约为横波的0.9倍，纵波的0.45倍
。
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7、超声波垂直入射到平面的反射和透射
当超声波垂直入射到足够大的光滑平面时，将在 第一介质中产生一个入射波方向相反的反射波，在第 二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。设入
射波声压为P0，反射声压为Pr，透身声压为Pt则其 声波反射率
不存在折射纵波。 第二临界角：超声波倾斜入射到界面上，若第二介质中的
横波波速Cs2大于是第一界质中的纵波波速CL1，即 Cs2> CL1，则横波折射角βs大于纵波入射角αL，随着 αL增加，βs也增加，当αL增加到一定程度时βs=90°，这 时所对应纵波入射角为第二临界角。
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第三临界角：超声波倾斜入射到界面上，（若第二介质 中的横波声速C）在第一介质中产生反射纵波和横波，由于
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第一临界角：超声波纵波倾斜入射到界面上，若第二介质纵
波波速CL2大于第一介质中纵波波CL1，即CL2> CL1， 则纵波折射角βL>αL，随着αL增加，βL也增加，当αL增 加到一定程度时βL=90°，这时所对应纵波入射角称为 第一临界角。当αL=α1时，第二介质中存在折射横波，
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•同步电路：又称触发电路，它每秒产生十至千个脉冲，用来触发 探伤仪其它电路（扫描电路、发射电路等），使之步调一致，有条 不紊地工作。 •扫描电路：又称时基电路，用来产生锯齿波电压，加在示波管水平偏 转板上使示波管荧光屏上的光点沿水平方向作等速移动，产生一条水 平扫描线（即时基线），（深度粗调、微调，扫描延迟，都是扫描电 路的控制旅钮）。 •发射电路：利用闸流管或可控硅的开关，它产生几百伏至上千伏 的电脉冲。电脉冲加于发射探头，激励压电晶片振动，使之发射超 声波。
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b按缺陷显示方式分类：A型显示探伤仪、B型显示探伤仪、C型显示 探伤仪。
•A型探伤仪：A型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声 波的传播时间，纵坐标代表反射波的幅度。
•B型探伤仪：B型显示是一种图象显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠
机械扫描来代表探头的扫查轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表波的传播 时间，因而可以直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷 的深度。
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•脉冲波探伤仪：仪器通过探头向工件周期性地发射不
连续且频率不变的超声波，根据超声波的传播时间及 幅度判断工件中缺陷位置和大小，这是目前应用最广 泛的探伤仪。
•连续波探伤仪：仪器通过探头向工件发射连续且频率不变 的超声波，根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有 无缺陷及缺陷大小。 •调频波探伤仪：仪器通过探头向工件中发射连续的频率周 期性变化的超声波，根据发射波与反射波的差频变化情况 判断工件中有无缺陷。
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A型脉冲反射式超声波探伤仪的工作过程：
同步电路产生的触发脉冲,同时加至扫描电路和发射 电路，扫描电路受触发开始工作，产生锯齿波扫描电压 ，加至示波管水平偏转板，使电子束发生水平偏转在荧 光屏上产生一条水平扫描线。与此同时，发射电路受触 发产生高频脉冲，加至探头，激励压电晶片振动，在工 件中产生超声波。超声波在工件中传播，遇缺陷或底面 发生反射，返回探头时，又被压电晶片转变为电信号， 经接收电路放大和检波，加至示波管垂直偏转板上，使 电子束发生垂直偏转，在水平扫描线的相应位置上，产 生缺陷波或底波，根据缺陷波的位置可以确定缺陷的埋 藏深度，根据缺陷波的幅度可以估算缺陷当量的大小。
声波：频率在20—20000HZ的机械波 超声波：频率高于20KHZ的机械波 4、超声波特性：
①方向性好，犹如一束手电筒灯光在黑暗中寻找 到所需物品。
②能量高 ③能在界面上产生反射，折射和波型转换 ④穿透能力强
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5、超声波类型 a、按质点的振动方向分类
纵波：介质中质点振动方向与波的传播方向相同的波。 横波：介质中质点的振动方向与波的传播方向垂直的波 。 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。表面波在介质传播时，介质表面质点作椭 圆运动，是纵波与横波的合成，表面波只能在固体表面传 播。
X>b区域内，波束开始扩散，称为扩散区，这 时主波束可视为底面直径为D的截头圆锥体，当
X>3N波速按球面波规律扩散。
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11、规则反射体的回波声压（条件X≥3N）
a 平底孔的回波声压
c 球孔的回波声压
Pf=
d 大平底回波
b 长横孔的回波声压
Pf =
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二、仪器探头
1、超声波探伤仪概述 ①作用：超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备 ，作用是产生振荡并加于换能器——探头，激励 探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放 大，通过一定方式显示出来，从而得到被探工件内 部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。 ②仪器分类：
a按超声波的连续性分类，分为：脉冲波探伤仪、连续 波探伤仪、调频波探伤仪。
K1= ——————————（从逆压电效应考虑） 供给的电能
机械能转化成电能 K2= ——————————（从正压电效应考虑）
供给的机械能
机电偶合系数关系着晶片转化效率，K大转化效率高，晶片的
发射灵敏度和接收灵敏度，反之则低。
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Байду номын сангаас
d 居里温度Tc 所有压电材料当温度达到一定值后，
当αs≥αⅢ时，第一介αL质中只存在反射横波，不存在反射纵
波。
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9、超声波衰减 主要包括扩散衰减，散射衰减和吸收衰减。
a、扩散衰减：由于波束的扩散引起的衰减，随着 声波传播距离的增加，波束截面越来越大，单位面 积上的能量逐渐减小。
散射衰减：声波传播过程中遇到声阻抗不同的界质界 面产生反射，折射和波型转换。
周期内损耗的能力E损之比称为机械品质因素。 Qm=E贮/E损 (>1)
③当αL>αⅡ时，第二介质中，既无折射横波又无折 射纵波。
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例：有机玻璃中纵波声速CL1=2700m/s，钢中纵波
CL2=5900m/s，Cs2=3230m/s，求此有机玻璃横波斜探头，纵波 入射角的范围。
为实现单一横波探伤，纵波入射角αL的范围为27.6－57.6。
第三临界的物理意义：
较大的压电晶片。
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b 压电电压常数g33
压电电压常数表示单位压力产生的相对开路电
压的大小，后施加应力为P，晶片产生的电压为Up ，则g33=Up/P（伏米/牛顿）。
压电电压常数反映压电晶体的正压电特性， 它关系着晶片的接收灵敏度，因此也称压电接 收系数。g33大，晶片接收性能好，接收到微弱 的超声波信号就可以产生较高的电压，制作单 接收超声波探头，应选g33较大的压电晶片。
板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波。
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b、按波的形状分类 平面波：波阵面为互相平行的平面的波。 柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波。 球面波：波阵面为同心球面的波。
6、声速： 纵波：钢5900m/s, 铝6300m/s , 水
1500m/s, 有机玻璃2700m/s, 空气340m/s 横波：只能在固体中传播, 钢3200m/s , 铝
接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器组成，它 将来自探头的电信号进行放大、检波，最后加至示波的垂直偏转板上 ，并在荧光屏上显示。
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c 机电耦合系数K
从能量观点出发，压电效应是一种电能和机械能相互转化的 效应，机械能和电能之间耦合强弱用机电偶合系数K表示，
其定义为： 电能转化成机械能
在同一介质中，纵波声速CL1恒大于横波声速Cs1，所以 纵波反射角γL恒大于横波入射角αS，即γL>αS， 随着 αS增加γL也增加，当αS增加到一定角度时，γL=90°，
这时横波入射角称为第三临界角。 第一、二临界角的物理意义:
①当αL<αⅠ时第二介质中既有折射纵波又有折射横波。
②当αL=αⅠ-αⅡ时，第二介质中只有折射横波。
超声波是由探头的压电晶片（波源）发出的，而这个波源 可以看作由许多发射波的子波源组成，这些子波波源作同 相位同振幅振动，各自发出球面子波，并互相叠加产生干 涉，使一些地方声压互相加强，另一些地方互相减弱 。
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※超声场的近场长度与波长与反比，与波源面积成正比 ，超声波频率越高，波长愈短，超声场的近场长度就愈 长，波源面积越大，近场区长度就越长。
无损探伤基础知识
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超声波探伤部分
一、超声波探伤物理基础 1、超声波是一种机械波
机械振动：物体沿直线或曲线，在某一平衡 位置附近，作往复周期性的运动称为机械振动。
机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程， 称为机械波，如水波、声波、超声波。
产生机械波的条件: 1)、要有作机械振动的波源 2)、要有能传播机械振动的弹性介质
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2、波长λ、波速C、频率ƒ 波长：同一波线上相邻两振动相位相同的
质点间的距离。 频率：波动过程中，任一给定点在1秒内能
通过的完整波的个数。 波速：波动在弹性介质中，单位时间内所
传播的距离。 三者关系C=λ·ƒ
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3、次声波、声波和超声波 次声波：频率低于20HZ的机械波
逆压电效应产生超声波。
正压电效应接收超声波。
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②压电晶体的主要性能参数 a 压电奕变常数d33 压电应变常数表示单位电压产生的形变大 小。若施加一定电压Ｕa，使厚度变化 △ta，则：d33＝△ta／Ua（米／伏）。 它反映晶体的逆压电特性，它关系着晶 片的发射灵敏度，d33大，晶体发射性能 好，制作单发射超声波探头，应选用d33
•C型探伤仪：C型显示也是一种图象显示，探伤仪荧光屏的横坐标与
纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置。当探头在工件表 面移动时，荧光屏上便显示出工件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺 陷深度。
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A型脉冲探伤仪几个主要组成部分：同步电路、扫描 电路、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路。 1、探头的作用和原理 •作用：将电能转换成超声能和将超声能转换为电能（ 产生超声波、接收超声波）。 •压电效应：某些晶体受到压力或拉力产生形变时， 在晶体的界面上出现电荷的现象叫正压电效应。而 电场的作用下，晶体发生弹性形变的现象叫逆压电 效应。正、逆压电效应统称为压电效应。
r=Pr/Po=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)
声压透射率t=Pt/Po=2Z2/(Z2+Z1)
Z1
Z2
Po
Pt
Pr
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8、超声波斜射到平面上的反射与折射 波型转换：当超声波倾斜入射到异质界面时，除了产生
了入射波同类型的反射波和折射波以外，还会产生与入射 波不同类型的反射波和折射波，称为波型转换。波型转换 只可能在固体中产生。