超声检测原理培训资料

第二章 超声检测
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2-1 超声检测原理
电子线路
探头
始脉冲
缺陷波 底波
缺陷
工件
显示终端
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超声检测是一种利用超声波在介质中传播的 性质来判断工件和材料的缺陷和异常。
人耳能听到的声音频率为16Hz～20kHz， 超 声是一种看不见、听不到的弹性波。
超声检测一般为0.5～25MHz，常用频率范围 为 0.5～10MHz。
当两个振幅与频率都相同的相干波，在同一直 线上沿相反方向彼此相向传播时，叠加而成的波 称为驻波，驻波是波的干涉现象的特例。
当在声波传播方向上的介质厚度恰为半波长的 整数倍时就会产生驻波现象。这种驻波在介质的 厚度方向引起共振，这就是所谓共振法超声检测 的基本原理。
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(2)波的衍射
波在弹性介质中传 播时，如果遇到障 碍物或其它不连续 的情况，而使波阵 面发生畸变的现象 称为波的衍射。
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2-1-2 声波的波动特性
声波的波动特性，主要是指几个波相遇时出 现的干涉、叠加以及衍射现象。
(1)波的干涉叠加
当几个波在同一介质中传播至某处相遇，则 相遇处质点的振动是各个波所引起的振动的合 成，相遇点上质点的位移是各个波在该点所引 起的位移的矢量和，这就是波的叠加原理。
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脉冲波由若干正弦波叠加而成，1MHz的脉冲波 是由0.85MHz、1MHz和1.21MHz正弦波叠加而 成的。
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板波与表面波不同，其传播要受到两个界面的 束缚，从而形成对称型(S型，图2-1d)和非对称 型(A型，图2-1e)两种情况。
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对称型板波在传播中，质点的振动以板厚为中心 面对称，上下表面上质点振动的相位相反，中心 面上质点的振动方式类似于纵波。
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非对称型板波在传播中，上下表面质点振动的相 位相同，质点的振动方式类似于横波。
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任意形状的波在传 播过程中遇到一个 障 碍 AB 时 ， AB 上 有一个宽度大小与 波长相当的狭缝， 穿过狭缝的波是以 狭缝为中心的球形 波，与原来的波阵 面无关。
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这说明可以把狭缝 看作新的波源。波 前上的所有点，都 可看作产生球面子 波的点源，经过一 段时间后，该波前 的新位置将是这些 子波波前相切的包 迹面，这称之谓惠 更斯原理。
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超声波特性
(1) 在 液 体 和 固 体 介 质 中 长 距 离 传 输 ( 虽 然 在 气 体中衰减很快)； (2)超声波能量在传输时有明确的方向性； (3)超声波在一定介质中传输时速度不变； (4)超声波传输通过不同材料界面时，可能会改 变其振动模式。
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超声检测就是利用超声波来对材料和工件进行 检验和测量。
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所以虽然看来脉冲波每个质点的振动没有表示出 同样高度，但它的确是由若干正弦波所组成。
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为合成某一脉冲，脉冲宽度愈窄，需要数量愈 多的正弦子波，子波具有与中心频率不同的频 率。根据傅利叶分析，脉冲是由某一频谱范围 内的波构成，脉冲愈窄时频谱愈宽。
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叠加波，若符合相干条件(频率相同，传播方 向一致和有一定的相位关系)，则在空间某些地 方振动始终加强，而在另一些地方则始终减弱或 完全消失，这种现象称为波的干涉。
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研究超声波传播时，可以将弹性介质看成是 相互间由弹性力联系着的无数质点所组成。
当在弹性介质的表面层上施加一个正弦变化的 外力时，由于各质点间有弹性力联系，相邻层 上的质点也将产生振动，一层推动一层，振动 也由近及远地传播。
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2-1-1 波动的种类与波型
波的种类是根据质点振动方向和波动传播方 向的关系来区分，可分为纵波、横波、表面波 和板波，如图所示。
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惠更斯原理在超 声检测中获得了 广泛应用，不仅 适用于机械波， 同样也适用于电 磁波。它用几何 方法比较广泛地 解决了波的传播 问题。
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横波用符号T或S表示。在介质中传播时，仅 使介质各部分产生形变而介质体积不变。
由于液体和气体介质没有剪切弹性，因此不 能传播横波。
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(3) 表面波
半无限大弹性介质与气体的交界面，受到交 替变化的表面张力作用时，介质表面质点发生 纵向和横向振动，质点绕其平衡位置作椭圆运 动，并作用于相邻质点而在表面传播，这种波 称为表面波，也称瑞利波。
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(1) 纵波
当介质受到交替变化的正弦拉--压应力作用 时，质点产生疏密相间的纵向振动，质点振动 方向与波的传播方向一致
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纵波常用 L 表示，它在介质中传播时，仅使 介质各部分改变体积而不产生转动。任何弹性 介质 (固体、液体和气体)中都能传播纵波。
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(2) 横波
当介质受到交替变化的正弦剪切应力时，质 点产生具有波峰与波谷的横向振动，并在介质 中传播，其振动方向与波的传播方向垂直，这 种波称为横波，也称切变波。
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表面波常用符号 R 表示，图中表示的是瞬时 的质点位移状态。表面波传播深度约l～2个波 长，振幅随深度的增加而迅速减小，当深度达 到两个波长时，振幅降至最大振幅的0.37倍
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(4) 板波
板状介质受到交 替变化的表面张 力作用，而且板 厚与波长相当， 质点的纵向和横 向振动轨迹也是 椭圆，声场遍布 整个板厚。这种 波称为板波，也 称兰姆波。板波 常用符号 P 表示
典型的应用，是超声探伤以及材料和工件的物 理性能与力学性能检验。
在测量方面，许多非声学特性和某些状态参量， 例如液位、流量等都可用超声方法测定。
超声波应用非常广泛。如超声加工和处理，利 用超声能量来改变物质特性和状态，如超声钻孔、 清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。
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超声检验与测量之间的关系非常密切，如超声 探伤和超声液位测量，技术原理相仿。
超声检测和超声加工处理之间的区别明显，超 声加工往往着重大功率的连续波超声，而超声检 测则太多使用灵敏度高、功率不大的脉冲波。
超声加工处理时非常重视一些描述声场强弱的 物理量(如声压、声强、声功率等)的测定。
而超声检测则着重描述介质中超声传播特性的 物理量(如声速、声衰减、声阻抗等)的测定。
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超声波是一种机械振动所产生的波。 质点的往复运动称为振动，振动是波动的产 生根源，波动是振动的传播过程。 超声波的产生，依赖于作高频机械振动的声源 和弹性介质的传播 超声波的传播，包括振动过程和能量传播。