自动检测-第七章

入射角 α 的正弦与折射角 β 的正弦之比，等于超声 波在入射波所处介质 1 的声速 c1 与折射波所处介质 2 中 的传播速度cs之比，即：sinα/sinβ = c1 /cs 在图中看到，折射角大 于入射角，说明第二介质的 声速cs大于第一介质的声速 c1（与密度有关）。如果当 入射角α足够大时，将导致 折射角β =90°，则折射波 转换为表面波。
当声波垂直入射到光滑的界面上时的示意图如图 所示，入射声压 pi 、反射声压 pr 、透射声压 pd 三者之 间满足如下关系： p i+ pr = pd 反射波和透射波声压的比例与组成界面的两种介 质的声阻抗 Z 有关。界面一侧的总声压等于另一侧的 总声压，压强处于平衡状态。将反射声压pr与入射波 声压pi之比称为声压反射率γ。 pr Z 2 Z1 pi Z 2 Z1 与此对应，透射波声压pd与入射波声压pi之比称 为声压透射率d： p 2Z
常用频率范围：0.5~10MHz， 常见晶片直径：5~30mm
接触式直探头（ 纵波垂直入射到 被检介质）
保护膜
外壳用金属制 作，保护膜用硬度 很高的耐磨材料制 作，防止压电晶片 磨损。
接插件
超声脉冲电压输入端
接地端
保护膜 被测物上表面
耦合剂
将两个单晶探头组合装配 在同一壳体内，其中一片发射 超声波，另一片接收超声波。 两晶片之间用一片吸声性能强 、绝缘性能好的薄片加以隔离 。双晶探头的结构虽然复杂些 ，但检测精度比单晶直探头高 ，且超声信号的反射和接收的 控制电路较单晶直探头简单。 发射晶片 接收晶片
a、声速是声波在介质当中传播的速度，它的量值取 决于介质的弹性系数、密度以及声阻抗。声阻抗Z 等于介质的密度ρ和声速c的乘积，即：Z= ρc 其中固体的横波声速约为纵波声速的50%。而表面波 （慢波）声速又约为横波声速的90%。介质的声速 与温度成反比。 b、波长λ与波频率f的乘积等于声速c，即： λ f= c c、超声波的波束是以一定的角度向外扩散的，声场 指向性及指向角如图所示。在声束横截面的中心轴 线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小 。指向角θ（单位为rad）与超声源的直径D以及波 长λ之间的关系为：sinθ=1.22 λ/ D
瑞利波：一种界面弹性波。是沿半无限弹性介质自 由表面传播的偏振波 。由 L.瑞利于 1887 年首先指出其 存在而得名。地震学中称其为R波或L波。在表层附近， 质点的运动轨迹为椭圆；在 离表面为 0.2 个波长的深度 以下，其运动轨迹仍为椭圆, 但运动方向与表层相反。 兰姆波：因物体两平行表面所限而形成的纵波与横 波组合的波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运 动。多用于金属薄板的无损探伤。选择较短波长的兰姆 波有利于缺陷的检出。
机械手定位
纸卷直径检测
平整度测量
超长距离检测
流水线计数
F1发射的超声波先到达 T1，F2发射的超声波后到达 T2
时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一
定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（ F1，
T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播
的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超
选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或 线聚焦。
使用高分子压电薄膜（聚偏二氟乙烯），制作 出的薄膜式探头。可以发射0.2mm的超细声束，应 用于医疗诊断，来获得高清晰的图像。
a）超声发射器 b）超声接收器 1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶片 5—引脚 6—阻抗匹配器 7—超声波束
纵波在钢材中的传播 纵波
纵波质点的运动方向
横波 表面波在钢材表面的传播
1－超声波发生器 2－钢材
纵波是指在介质中传播时，波的传播方向与质点 振动方向一致。
横波也称“凹凸 波”，是介质粒子振动 方向和波行进方向垂直 的一种波。也称S波,若 此波沿着x轴移动，则振 动方向为与x轴垂直的方 向上。
固体的质点在固体表面的平衡位置附近做椭圆 形轨迹的振动，使振动波只沿着固体的表面向前传 播即为表面波。
当超声发射器 与接收器分别置于 被测物两侧时，这 种类型称为透射型。 透射型可用于遥控 器、防盗报警器、 接近开关等。超声 发射器与接收器置 于同侧的属于反射 型。 反射型超声波传感器可用于接近开关、测距、金属 探伤以及测厚等。
质量检查
紧固件的安装错误检测
叠放高度测量
物件放置错误检测
透明塑料张力控制
焦距范围：5~40mm, 频率范围：2.5~5MHz， 在钢中的折射角：45 ~70
接插件
底部耐磨材料
压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45 等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被 测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折 射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播 到较远处去。
声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超
声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流
量。
F1发射的超声波到达 F2的时间较短
F1、F2 是完全相同的超声探头，安装在管壁外面 ，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与 接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通过 管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后 再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲 ， 可以测得F1的脉冲重复频率为f1。紧接着，由F2发射 超声脉冲，而F1作接收器。同理可以测得F2的脉冲重 复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f 2的频 率差 f与被测流速v成正比 。
超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的 工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在 检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探 头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水 探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他 专用探头等。
1、固体传导介质超声探头
a）单晶直探头 b）双晶直探头 c）斜探头 1－接插件 2－外壳 3－阻尼吸收块 4－引线 5－压电晶体 6－保护膜 7－隔离层 8－延迟块 9－有机玻璃斜楔块 10－耦合剂 11－试件
并到达钢板底面时，若底面是钢、水界面，再求反射率 γ2及透射率d2。 14.8 460 0.938 0 解：与上题相反， 14.8 460 Ｚ2＝Ｚ水， 2 14.8 d 0.062 1 Ｚ1＝Ｚ钢，所以有： 1.48 460
以上计算表明，超声波从声阻抗大的材料透射到 声阻抗小的材料时，声压的大部分被反射。本例中， 反射率γ高达93.8%，透射到水中的声压pd1只有6.2% 。如果钢板的底面是与空气交界时，则泄漏量就更小 了。超声波的这一特性有利于金属探伤和测厚。
F1
F2
首先由F1顺流发射出第一个超声脉冲，它通过管
壁、流体及另一侧管壁，被F2接收，F2的输出电压经
放大后，再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声 脉冲，以此类推。在第一个时间段t1里，F1的脉冲重复
Z钢=460MPa· s· m-1，则有
以上计算说明，超声波从声阻抗小的材料（密度 通常也较小），入射到声阻抗大的材料（密度通常也 较大，例如钢）时，透射声压增大。本例中，透射率 d达到了193.8%，而反射率也较大，γ达93.8%，必须 予以吸收，才不至于造成干扰。
例：上例中，当超声波已经在钢板中传播了一段距离l，
以固体介质为例，设超声波进入 介质时的声强为Ii，通过一定距离x的 介质后的声强衰减为Ix，衰减系数为K， 则有： Ix= I ie -K x
1－超声探头 2－耦合剂 3－试件 4－被测试点
介质的晶粒越粗或密度越小，K 就越大，衰减就 越快；频率越高，衰减也越快。气体的密度很小,因此 衰减较快，因此在空气中传导的超声波的频率选得较 低，约数十千赫。而在固体、液体中则选用较高的超 声频率（MHz数量级）。
常用频率范围：1~5MHz
由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以 它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直 径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷， 这种探头称为聚焦探头。
聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波； 也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也 可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚 焦超声波。
超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体 表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间 强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。 为此，必须将接触面之间的空气排挤掉。 在工业中，经常使用耦合剂，使之充满在接触 层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自 来水、机油、甘油、胶水、化学浆糊等。
次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到， 但可与人体器官发生共振，8Hz左右的次声波会引起人 的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。
如果用 音乐领域中 的频段来划 分，可以分 为低音和中 音以及高音 。
蝙蝠能 发出和接收 超声波。
频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。 它的特性指向性很好，能量集中，因此穿透本领 大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在 遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界 面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波 的频率越高，其声场指向性就愈好。
本章介绍超声波的物理基础，超声 波换能器的分类、结构，耦合技术等， 介绍超声波在检测技术中的应用，也涉
及无损探伤的原理、方法及设备。
7.1 7.2 7.3
超声波物理基础 超声波换能器及耦合技术 超声波传感器的应用
7.4
无损探伤
1、声波的分类：次声波、可闻声波与超声波。
频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。 超声波的特性：指向性好，能量集中。1MHz的 超声波的能量,相当于振幅相同,频率为1000Hz可闻 声波的100万倍,能穿透几米厚的钢板,而能量损失不 大。但在遇到两种介质的分界面,能产生明显的反射 和折射现象。
解：查表7-1可得，Z水=14.8MPa· s· m-1，
460 14.8 0.938 0 460 14.8 注：透射声强Id仍然小于 2 46 入射声强I i，而且遵守能 d 1.938 1 量守恒定律： I d +I r =Ii 460 14.8 d 1
甘油
水(20℃) 机油
1.27
1.0 0.9
24
14.8 12.8
1.9
1.48 1.4
—
— —
空气
0.0012
4×10-3
0.34
—
Pc－入射波 α－入射角 Pr－反射波 αr－反射角 Ps－折射波 β－折射角
超声波入射角α的正弦与反射角α r的正弦之比， 等于入射波所处介质的声速 c1与反射波所处介质的声 速cr之比，即：sinα/sinαr=c1/cr 如果反射波的波型与入射波的波型都是纵波， 则有：αr=α
a、声压是指介质质点所受的交变压强与静压强的差 值。声压p与介质密度ρ、声速c、介质质点的振
幅x以及振动角频率ω成正比关系，即：p=
ρ*cxω b、声强是指单位时间内垂直于声波传播方向上的单 位面积A内所通过的声能。声强I与声压p的二次 方成正比关系，与声阻抗Z成反比关系，即：
I=1/2*p2/Z
d
d源自文库
pi

2
Z 2 Z1
Z1——介质1的声阻抗；Z2——介质2的声阻抗
1 ）当介质 1 与介质 2 的声阻抗相等或十分接近时， γ=0， d=1。即不产生反射波，可以视为全透射。 2）当超声波从声阻抗（Z1）低的介质射向声阻抗（Z2） 高的介质时，反射声压 pr 与入射声压 pi 相位相同， 但透射声压pd却大于入射声压p i （能量仍然守恒） 。 3）当超声波从声阻抗（Z1）大的介质射向声阻抗（Z2） 小的介质时，反射声压 pr 与入射声压 pi 相位相反， 且透射声压pd小于入射声压pi。
几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系（环境温度为0℃） 材料
钢 铜 铝
有机玻璃
密度
声阻抗
纵波声速
横波声速
ρ/103kg· m-1
7.7 8.9 2.7 1.18
Z /MPa· s· m-1
460 420 170 32
cL/km· s-1
5.9 4.7 6.3 2.7
cS/km· s-1
3.2 2.2 3.1 1.20