无损检测超声波二级培训教材(培训材料)

UT
第1章 绪论
超声检测通常是指工件内部宏观缺陷检测和材料厚度测量。
1.1超声检测基础知识
1.1.1次声波、声波和超声波
它们都是在弹性介质中传播的机械波，同一波形在同一介 质中的传播速度是相同的，它们的区别主要在于频率不同。
人们日常所听到的各种声音，是由于各种声源的振动通过
空气等弹性介质传播到耳膜，引起耳膜振动，牵动听觉神
A：振幅，表征振动质点离开平衡位置的最大位移； ：振动相位，表征振动质点在某一时刻 t的位置和
3. 改变后的超声波通过检测设备接收，并对其进行处理和 分析；
4. 根据接收到的超声波信号特征，评估工件表面及其内部 是否存在缺陷及缺陷的特征。
通常用来发现缺陷并对其进行评估的基本信息是：
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1. 是否存在来自缺陷的超声信号及其幅度； 2. 回波的传播时间； 3. 超声波通过材料后的能量衰减。
周期：当物体作往复运动时完成一次全振动所需的时间， 称为振动周期，用 T 表示。常用单位为秒（s）。
对于非周期性振动，往复运动已不再是周期性的，但周期 这个物理量仍然可以反映这种运动的往复情况。
频率：振动物体在单位时间内完成全振动的次数，称为振 动频率，用 f 表示。常用单位是赫兹（Hz）。1Hz=1次/s。 频率和周期互为倒数：
当小球运动到O点左侧时，位移方向向左，而弹力方向却 向右。
该弹力的方向总是跟小球对平衡位置的位移方向相反，指 向平衡位置。这个弹力就是使小球振动的回复力。
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根据胡克定律，弹簧提供的回复力F的大小与小球相对平 衡位置的位移X成正比。
F=-Kx
K为弹簧的倔强系数（又称劲度系数或弹性系数---反映弹 簧的软硬程度，它与弹簧的材料性质，截面积和原长度有 关。单位是N/m），负号表示回复力与位移方向相反。
波的特点就是频率高，因而使超声波具有一些重要特性， 使其能广泛用于无损检测。
1.超声波方向性好：超声波频率高，波长短，扩散角小， 可以定向发射，犹如手电筒发出的一束光，可在黑暗中找 到所需物品一样在被检材料中发现缺陷。
2.超声波能量高：超声波的检测频率远高于声波，其声强
与频率的平方成正比。
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3.超声波能在异质界面产生反射、折射、衍射和波形转换： 在超声检测中，特别是在脉冲反射法检测中，利用了超声 波几何声学的一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产 生反射、折射等。
4.超声波穿透能力强：超声波在大多数介质中传播时，传 播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在很多金属材 料中其穿透能力可达数米。
T=
1 f
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振幅：振动物体离开平衡位置的最大距离，称为振动的振 幅，用 A 标示。
1.谐振动：物体（或质点）在受到跟位移大小成正比、而 方向总指向平衡位置的回复力作用下的振动，就叫做谐振 动。（P8）
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弹簧振子的谐振动：弹簧一端固定，质量不计；另一端连 接一小球。
当小球处于O点时，所受外力为零，弹簧没有变形，小球 不受力，该点就是平衡位置。
将小球从平衡位置O向右拉到A点，然后释放，小球将左 右振动。
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小球振动过程中，其重力与表面支持力始终平衡，假定小 球的运动没有任何其他阻力，对振动起作用的只有弹簧作 用在小球上的弹力。
当小球受到外力作用被拉到O点右侧的A点时，它对平衡 位置的位移方向向右，而所受弹力的方向却向左。
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从运动学角度分析，弹簧振子的运动可以用振动图像直观 地表示出来，表示振动质点的位移随时间变化的规律。
运动学（kinematics），从几何的角度（指不涉及物体本 身的物理性质和加在物体上的力) 描述和研究物体位置随 时间的变化规律的力学分支。
下图是以纵轴表示时间，横轴表示质点位移而形成的谐振 动图像。
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1.1.2 超声检测工作原理
超声检测主要基于超声波在工件中的传播特性，如超声波 在通过材料时能量会损失；在遇到声阻抗不同的两种介质 的界面时会发生反射等。其主要的工作过程是：
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1. 声源产生超声波，并通过一定的方式进入工件；
2. 超声波在工件中传播并与工件材料及其中的缺陷相互作 用，使其传播方向或特征发生改变；
2.1.1 机械振动
物体（或质点）在某一平衡位置附近作来回往复的运动， 称为机械振动。
振动是自然界最常见的一 种运动形式。
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振动产生的必要条件是：物体一离开平衡位置就会受到回 复力的作用；阻力要足够小。
物体（或质点）受到一定力的作用，将离开平衡位置，产 生一个位移；
该力消失后，在回复力作用下，它将向平衡位置运动，并 且还要越过平衡位置移动到相反方向的最大位移位置，然 后再向平衡位置运动。
经，使人产生听觉。
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能引起人们听觉的机械波称为声波，其频率为20~20kHz之 间；频率低于20Hz的机械波称为次声波；频率高于20kHz 的机械波称为超声波。次声波和超声波，人耳是听不到的。
用于宏观缺陷检测的超声波，其常用频率为0.5~25MHz， 对于钢等金属材料的检测，常用频率为0.5~10MHz。超声
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这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振 动”。
每经过一定时间后，振动体总是回复到原来的状态（或位 置）的振动称为周期性振动，不具有上述周期性规律的振 动称为非周期性振动。
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振动是往复的运动，振动的快慢常用振动周期和振动频率 两个物理量来描述。振动的强弱用振幅来表征。
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第2章 超声波探伤的物理基础 超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播。 机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。 超声波探伤中，主要涉及到几何声学和物理声学中的一些 基本定律和概念。 如几何声学中的反射、折射定律及波型转换； 物理声学中波的叠加、干涉、衍射等。
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2.1 机械振动与机械波
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弹
F
簧
A
振பைடு நூலகம்
v
子
x -A
的
F
振
动
v
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谐振动与做匀速圆周运动的质点在 X轴上投影的运动特点 完全一致。
以振幅 A为半径作园，质点M沿圆周作匀速运动，质点M 的水平位移X和时间t的关系可用下式描述：
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x Acos(t )
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式中：