超声波检测理论基础.ppt

超声波检测
2011.11
2020/10/19
第一章 绪论
1.1超声检测的定义及作用 超声检测一般是指超声波与工件相互作用，就反射、
透射和散射的波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、 几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表 征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。 特种设备行业中，超声检测通常指宏观缺陷测量和材 料厚度测量。 超声检测是五大常规无损检测技术之一。 作用：实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提高 劳动生产率。 设备维护中不可或缺的手段之一。
平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵 面为同轴圆柱面，球面波的波阵面为同心球面。 当声源是一个点时，在各向同性介质中的波阵 面为以声源为中心的球面。
可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源 的距离成反比。 当声源的尺寸远小于测量点 距声源的距离时，可以把超声波看成是球面波。
2020/10/19
相遇后各列波的波长、频率、振动方向和传播 方向都保持不变，波的叠加原理或者波的独立 性原理。
2020/10/19
2 波的干涉
两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相 位差恒定的波相遇，介质中某些地方的振动互 相加强，而另外一些地方的振动互相减弱或完 全抵消的现象叫波的干涉现象。
A=（A21+A22+2A1A2cos2πδ/λ）1/2 注意： （1）当δ=nλ（n为正数）时，A=A1+A2， （2）当δ=(2n+1)λ/2时，A=∣A1-A2∣.
2020/10/19
1.2.4超声检测的优点和局限性
1、优点 适用于金属、非金属和复合材料等多种材料的
无损检测 穿透力强，多较大厚度工件内部缺陷进行检测 缺陷定位较准确 面积型缺陷的检出率高 灵敏度高 检测成本低、速度快、设备轻便、使用方便，
对人和环境无害
2020/10/19
1.2.4超声检测的优点和局限性
2020/10/19
1.2超声检测的基础知识
1.2.1次声波、声波和超声波 机械波是机械振动在弹性介质中的传播。如水
波、声波、超声波 声波是在弹性介质中的传播的机械纵波，频率
在20~20000Hz 频率低于20Hz的声波不能被人听到，称为次
声波 频率高于20000Hz的声波人耳也听不到，称为
2.2.3 按振动的持续时间分类
1、连续波 波源持续不变的振动所辐射的波。 2、脉冲波 波源振动持续时间很短，间歇辐射的波称为脉
冲波。 通常是微秒数量级
2020/10/19
2.3 波的叠加、干涉和衍射
2.3.1波的叠加：几列波在空间某处相遇，则 相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成， 在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的 矢量和。
机械波的主要物理量
4、周期T：声波向前传播一个波长距离时所需 的时间；
5、角频率ω： 其中频率和周期是由波源决定的，声速与传声
介质的特性和波型有关。
T 1 2π λ f ωc
2020/10/19
2.2 波的类型
2.2.1按波型分类 1、纵波L：介质中质点振动方向和波的传播方
向平行的波。 压缩波 疏密波 承受压缩或拉伸 应力即可传播
2.5 超声场的特征值
2.5.2声阻抗Z 任一点的声压p与该处质点振动速度之比叫声
阻抗Z，单位：g/(cm2.s)；kg/(m2.s)。声阻抗 表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。在同 一声压下，介质的声阻抗越大，质点的振动速 度就越小。
实验证明，气体、液体与金属之间的特性声阻抗之比大约 为1:3000:8000。
方向或特征被改变 3、改变后的超声波通过检测设备被接收，并对其处理分析 4、根据接收的超声波的特征，评估工件本身及其内部是否存在缺
陷及缺陷的特征 通常用来发现缺陷和用来评估的基本信息： 1、是否存在来自缺陷的超声波信号及其幅度 2、入射声波与接收声波之间的传播时间 3、超声波通过材料后能量的衰减
2020/10/19
2.5 超声场的特征值
2.5.4分贝和奈培
分贝的概念
以 声引学起上听称觉为的“最闻弱 阈声 ”强 ，即I0=f1=01-0160W0H/czm时2为引声起强人标耳准听，觉在的 声强最小值。
将某一声强I与标准声强I0之比取常用对数得到二者相 差的数量级，称为声强级，声强级的单位为贝尔B， 即
超声波。探伤用超声波频率在(0.5~10)MHz
2020/10/19
超声波的特点
超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广 泛应用于无损检测。
1、 方向性好 超声波具有像光波一样定向束射的特性。 2、穿透能力强 对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。
例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。 3、能量高 超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能
同一固体介质中，纵波声速CL大于横波声速Cs，横波声 速Cs又大于表面波声速CR。对于钢材，CL ≈1.8Cs， Cs≈1.1CR。
2020/10/19
1.无限大固体介质中的声速
2. 细长棒中的纵波声速CLb 3.声速和温度、应力、均匀性的关系 温度高，声速低 应力增加，声速增加（缓慢） 晶粒细，声速大
势能最大，动能为零。 只有弹力或重力做功。
2020/10/19
2.1.2机械波
振动的传播过程称为波动。 机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。 必备条件： 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
2020/10/19
机械波的主要物理量
1、声速c：单位时间内，超声波在介质中传播的距离； 超声波的速度就是声音的速度,即声在空气(15℃)中
量远大于声波的能量。 4、遇有界面时，将产生反射、折射和波型的转换。利用超声波在
介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作 的灵活性、精确度得以大幅度提高。 5、对人体无害。
2020/10/19
1.2.2超声检测工作原理
原理： 1、声源产生超声波，采用一定方式进入工件 2、超声波在工件中传播，与工件材料和其中缺陷相互作用，传播
2020/10/19
2.3.2 波的绕射
1.惠更斯-菲涅尔原理
2.波的绕射（衍射） TOFD成为可能 绕射能使超声波在介质中顺利传播 绕射使小缺陷回波幅度显著下降，造成漏检 超声检测灵敏度约为λ/2
2020/10/19
2.4 超声波的传播速度
声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声 波的波型有关，还与介质的密度和弹性模量有 关。声速是一个表征介质声学特性的重要参量。
各点所连成的面称为波前。 在各向同性介质中波线垂直于波阵面。在任何
时刻，波前总是距声源最远的一个波阵面。波 前只有一个，而波阵面可以有任意多个。
2020/10/19
2.2.2 按波形分类
2020/10/19
波线、
(a) 平面波； (b) 柱面波； (c) 球面波
2.2.2 按波形分类
根据波阵面的形状(波形)，可将超声波分为平 面波、柱面波和球面波等。
2020/10/19
2.2.1 按波型分类
2、横波S：介质中质点的振动方向和波的传 播方向相互垂直的波。
切变波 剪切波 能承受剪切 应力才能传播
2020/10/19
2.2.1 按波型分类
3、表面波R：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。
瑞利1887年首提，又称瑞利波。介质表面的质点作椭 圆运动。椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行 于波的传播方向，介质质点的椭圆振动可视为纵波与 横波的合成。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明， 因此表面波又称为瑞利波（Rayleigh wave），常用R 表示。
的速度是340米/秒,只不过它们的频率不同而已 ；超 声波在20 ℃的钢中是5 900米/秒;在铝中的传播速度 为5100米/秒。 2、频率f：单位时间内，超声波在介质中任一给定点 所通过完整波的个数； 3、波长λ：声波在传播时，同一波线上相邻两个相位 相同的质点之间的距离；
2020/10/19
2.4.1固体介质中的声速：纵波、横波和表面波 的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松 比决定的，而与频率无关，不同材料声速值有 较大的差异。 在给定的材料中，频率越高，波 长越短。
2020/10/19
1.无限大固体介质中的声速
无限大固体介质中的纵波声速：
E(1 ) cL (1 )(1 2 )
2020/10/19
2.4.2 液体、气体介质中的声速
1.声速公式 C=（B/P）1/2 式中B—容变弹性模量；P密度 2 .液体介质中声速与温度的关系 水CL=1557-0.0245（74-t）2 其他，温度升高，B减小，声速降低
2020/10/19
2.4.3 声速的测量
1.超声检测仪器测量法 （1）检测仪器按时间刻度 （2）检测仪器按深度刻度 2.测厚仪测量法 （1）共振式测厚仪 （2）脉冲反射式测厚仪 3.示波器测量法
无限大固体介质中的横波声速：
cS
G
E
2(1 )
2020/10/19
1.无限大固体介质中的声速
无限大固体介质中的表面波声速： CR= [（0.87+1.12σ）/(1+σ)]CS
E-------介质的杨氏弹性模量， MPa ； G-------介质的剪切弹性模量， MPa ; Ρ------介质的密度 Σ------介质的泊松比 0~0.5
1KHz=103Hz 1MHz=106Hz T=1/f
2020/10/19
谐振动
物体（或质点）在受到跟位移大小成正比，而 方向总是指向平衡位置的回复力的作用下的振 动。
位移随时间的变化符合余弦定理（或正弦）规 律的振动形式称为谐振动。
Y=Acos（ωt+φ）ω=2πf=2π/T 平衡位置势能为零，动能最大，位移最大位置