超声波探伤物理基础知识讲解

演示
第二章 超声波探伤的物理基础
机械波的形成
弹性质点的振动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。从而形成机械波
机械能守恒定律
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第二章 超声波探伤的物理基础
4．受迫振动 概念：物体受到周期性外力的作用时产生的振动
如：汽缸中的活塞的振动，扬声器中的纸盆振动 演示
受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动力的频 率与物体的固有频率相同时，受迫振动的振幅达到最 大值。这种现象称为共振 特点：受迫振动是受外力的作用
不符合机械能守恒定律
第二章 超声波探伤的物理基础
例如：超声波探头的压电晶片在发射超声波时
一方面在高频电脉冲激励下产生受迫振动，另一方 面在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用，因此 又是阻尼振动，即先是受迫振动后是阻尼振动
压电晶片在接收超声波时同样产生受迫振动和阻尼 振动
在设计探头时应使高频电脉冲的频率等于压力晶片 的固有频率，从而产生共振，这时压电晶片的电声 能转换效率最高
探头的频率由晶片厚度决定，高频电脉冲是一个前 沿很陡的电脉冲
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二、波动
波动分电磁波和机械波两大类
电磁波和机械波区别
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。 电磁波是交变电磁场在空间传播的过程。如无线电波、 可见光、紫外线、X射线、γ射线等等。
我们这里只讨论机械波
第二章 超声波探伤的物理基础
第一节 振动与波动
本节主要内容
1.振动的基本概念与特点 2、谐振动的概念与特点 3、阻尼振动的概念与特点 4、受迫振动的概念与特点，共振的概念与应用 5、机械波 6、波长、频率和波速之间的关系计算
第二章 超声波探伤的物理基础
第一节 振动与波动 一 、振动 1.振动的基本概念
谐振动的特点
（1）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。
（2）谐振物体的振动振幅不变，为自由振动，其频 率为固有频率
（3）谐振动时由于只有弹力或重力做功，符合机械 能守恒的条件，机械能守恒，在平衡位置时动能最大， 势能为0，在位移最大时，势能最大，动能为0，其 总能量保持不变
第二章 超声波探伤的物理基础
如果人说话的频率是1000Hz，即每秒钟声 带振动1000次。
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2．谐振动
最简单最基本的直线振动称为谐振动。任何复杂的 振动均可视为多个谐振动的合成。或说任何复杂的 振动均可分解为多个简单的谐振动。
如：
弹簧振子的振动，单摆与音叉 的振动等
谐振动动画演示
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频率f——振动物体在单位时间内完成振动的次数， 称为振动频率，用f表示。 单位：赫兹Hz，1Hz表示1秒钟完成1次全振动。 单位还有KHz、MHz
1Hz=1次/秒 T=1/f
第二章 超声波探伤的物理基础
如：人能听到的声音就是空气的机械振动 人能听到的声音频率范围是20——20000Hz， 中音一般在1000——1500Hz。 因人而异，每人说话的音频不一样，所以能 区分不同人的声音。 音调、音域；高音、低音不是声音高低，而 是频率高低；声音大小用振幅表示。
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。
被手拨动的弹簧片 上下跳动的皮球
小鸟飞离后颤动的树枝
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特点：振动是往复周期性的运动，振动的快慢常 用振动的周期或频率表示。
周期T——振动物体完成一次全振动所用的时间， 称为振动周期，用T表示，单位是：秒（s）
谐振振动方程的推导
质点作均速圆周运动时，其水平方向的投影是一种水平方 向的谐振动。
谐振动方程： y=Acos（ωt+φ），其中 y——时间t时的位移； A——振幅（最大位移） ω——圆频率，即1秒钟内变 化的弧度数，ω=2πf=2π/T
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3.阻尼振动
如上所述，谐振动是理想条件下的振动,即不考虑磨擦和 其它阻力的影响。
前言
超声波探伤是目前应用最广泛的无损检测方法之一。
目前，较先进的超声波探伤方法有： 超声相控阵检测技术、TOFD检测技术
超声相控阵&TOFD技术在无损检测领域的应用.pdf
特点：超声波是一种机械波。超声波波长短、能量高， 可以在介质中直线传播，在传播过程中遇到异质界面 时会发生反射、折射、端点衍射及波型转换。
A型脉冲反射法超声波探伤，就是利用缺陷处反射回来的 声波大小来评价缺陷的。缺陷越大或说反射面越大，反 射回波就越强。
第二章 超声波探伤的物理基础
A型脉冲反射式超声波探伤
在实际工作中是先用标准反射体（试块）确定基准波高， 根据不同的深度基准反射体的回波高度可以画出一条与 深度相关的基准曲线（距离——波幅曲线或距离——分 贝曲线），调整好基准波后按标准要求进行工件探测， 根据缺陷回波的大小与基准波高进行比较，来判定缺陷 当量大小，判定缺陷是否超标
但是，任何实际物体的振动总要受到阻力的作用。
由于克服阻力做功，振动物体的能量不断减少。其振幅 随能量的减少而减小，这种振幅随时间不断减小的振动 称为阻尼振动。阻尼振动演示
阻尼振动方程：y=Ae-βtcos（ωt+φ）
β——阻尼系数
特点：谐振动是无阻尼振动,其振幅与周期不变;
阻尼振动的振幅不断减小,而周期不变。阻尼振动不符合
标准中基准反射体有： 平底孔、横通孔、大平底、短横孔、线切割槽等
第二章 超声波探伤的物理基础
本章节需掌握的内容：
一、振动与波动的概念与区别 二、波的类型 三、超声波的传播速度 四、波的叠加、干涉、衍射与惠更斯原理 五、超声波声场的特征值 六、分贝与奈培 七、超声波垂直入射到界面时的反射和透射 八、超声波倾斜入射到界面时的反射和折射 九、超声波的聚焦与发散 十、超声波的衰减
超声波探伤的物理基础
第一章 绪论
1.1 超声检测的定义和作用 1.2 超声检测的发展简史和现状 1.3 超声检测的基础知识
1.3.1 次声波、声波和超声波 1.3.2 超声检测工作原理 1.3.3 超声检测方法的分类 1.3.4 超声检测的优点和局限性 1.3.5 超声检测的适用范围
第二章 超声波伤的物理基础