无损检测超声波

2.1 超声波检测技术基础
• (3)吸收衰减： • 超声波在介质中传播时， • 由于介质质点间的内摩擦和热传导， • 引起的声波能量减弱的现象， • 叫做超声波的吸收衰减。
2.1 超声波检测技术基础
（3）只能在弹性介质中传播，不能在真空（空 气近似看成真空）中传播； 强调：横波不能在气体、液体中传播！表面波看作是纵波与横波的合成， 所以，也不能在气体、液 体中传播！
（4）遇到界面将产生： 反射、折射和波型转换现象；
（5）对人体无害——优于射线的性质。
压电晶片
N 近场区长度
N=D2 /4λ
超声场及 近场区
主声轴
2.1 超声波检测技术基础
• 3.24?
2.2 超声波在介质中的传播
2.2.1 超声波在金属中的衰减定律
超声波在金属中主要的衰减原因是散射和扩散；在液体中主要是吸收。
• 一般说来： • 超声波通过异质薄层时： • 声压反射率和透射率，不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波长之比( )
有关。
d2 / 2
• (1)、当一、三介质为同一介质时，对均匀介质中的异质薄层有如下规律性：
•
（反射） 2-21
•
•
•
1 (m 1（)透2 s射in）2 22-22d2
研究表明，超声波在金属中的衰减规律可用下面的关系式表达：
PX = P0 ·e-α·x α——衰减系数；dB/m
(2-2)
x ——声束传播的距离，即声程 m。
• (2-2)式表明，超声波的声压在其传播的路径上，呈负指数规律衰减。
• 这里强调指出：衰减系数α为频率f4和晶粒尺寸d3的函数。
所以，对粗晶检测时，应适当降低超声波频率，弥补能量的不足。
2.1 超声波检测技术基础
• (1)扩散衰减 • 声波在介质中传播时，因其波前在逐渐扩展， • 从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的 扩散衰减。 • 它主要取决于波阵面的几何形状， • 而与传播介质无关。
2.1 超声波检测技术基础
• (2)散射衰减 • 散射是物质不均匀性产生的。 • 不均匀材料含有声阻抗急剧变化的界面， • 在这两种物质的界面上， • 会产生声波的反射、折射和波型转换现象， • 必然导致声能的降低。
2.3 超声波在介质中的传播
• 描述： 超声场的物理量 • 充满超声波的空间，或在介质中超声振动波所及的“质点占据的范围”叫超声场。 • 对超声场我们常用： • 1.声压、 • 2.声强、 • 3.声阻抗、 • 4.质点振动位移和质点振动速度
等物理量,来描述超声波声场。
2.3 超声波在介质中的传播
r
4
m
2
1 1 (m 1 )2 sin2 2d2
4
m
2
1
t 11(m 1)2 sin2 2d2
4m
2
• 式中：d2-异质薄层的厚度，
-异质薄层的波长，
-两种介质的声阻抗之比，
• 由公式(2-21)(2-22)可知：
• ①当
时(n为2 正整数)，
。
• ②当 • ③当
m 时(n为正整数)，r最高， 。
2.1 超声波检测技术基础
（4）板波 ——板厚与波长相当的薄板中传播的超声波，板的两表面介质质点沿介质表面做椭圆运动， 板中间也有超声波传播。又称兰姆波；a)对称型 b)非对称型
• 注意！ ① 液体和气体介质（不能传递切向力） 中，所以只能传播纵波！ ② 同一介质中，声速的关系有：
CL > CS > CR ③ 同一介质中，声速、波长、频率之间
2.1.3 超声波波型的分类 • 按质点的振动方向与声波的传播方向之间的关系分为： （1）纵波 L—— 介质质点的振动方向与波的传播方向一致；
2.1 超声波检测技术基础 （2）横波 S—— 介质质点的振动方向与波的传播方向垂直；
2.1 超声波检测技术基础 （3）表面波 R——介质质点沿介质表面做椭圆运动；又称瑞利波；
• 注意： • 在垂直入射时， • 介质两侧的声波必须满足两个边界条件： (1)、一侧总声压等于另一侧总声压。 否则界面两侧受力不等，将会发生界面运动。 (2)、两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。
• 上述的是超声波纵波：
• 垂直入射到单一平界面上的，声压、声强与其反射率、透射率的计算公式，同样适用于横波入射的 情况。
具有压电效应的晶体材料就称为压电材料。
• 压电效应图解
压电效应
正压电效应 －－－－－－－－
＋＋＋＋＋＋＋＋
逆压电效应
－/＋ ～
＋/－
a. 拉伸或压缩时表面产生电荷
b. 施加交流电场时内部质点产生振动
(2) 超声波的发射与接收
①发射——在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电压，由于逆压电效应，晶片中 就会产生超声频率的机械振动——产生超声波；
• 研究表明，声压p与超声波探伤仪示波屏上的波高h成正比关系：
p1/p2 = h1/h2
(2-3)
• 实际探测时，超声波探伤仪示波屏上的波高h能够反映声波的衰减状况。
超声波探伤仪示波屏上 波高h的衰减状况
• 这里，B1～ B6代表超声波在工件底面的 6次反射波。波高h依次递减。
T B1 B2 B6
• 按声耦和方式不同分为： 直接接触法、液浸法超声检测；
• 本章将重点介绍： 脉冲反射法原理、 直接接触法、 A型显示方式、 纵波法、横波法 超声检测技术。
2.1 超声波检测技术基础
2.1.1 超声波的物理本质 它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性介质中的转播行为。 即超声频率的机械波。 一般地说，超声波频率越高，其能量越大，探伤灵敏度也越高。 超声检测常用频率在 0.5～10 MHZ。
束射性，象手电筒的光束一样，能集中在超声场内定向辐射。
声束的扩散角满足如下关系：
θ= arcsin 1.22(λ/D)
(2-1)
可见： 波长越短，扩散角θ越小，
声能越集中。
2.1 超声波检测技术基础
(2)具有较强的穿透性，但有衰减； 穿透性——来自于它的高能量，因为声强正比于频率的平方； 所以，超声波的能量比普通声波大100万倍！可穿透金属达数米！ 衰减性——源于三个方面： 扩散、散射、吸收；
2.3 超声波在介质中的传播
• 超声波的声强： ①、正比于质点振动位移振幅的平方； ②、正比于质点振动角频率的平方； ③、正比于质点振动速度振幅的平方。
• 注意： 由于超声波的频率高，其强度(能量)是远远大于 可闻声波 的强度。
• 例如： 1MHz声波的能量等于100kHz声波能量的100倍，等于lkHz声波能量的100万倍。
• 1、在单一界面上反射波声压与入射波声压之比，称为界面的 声压反射率： 用表示。
式中： • Z1- 介质1的声阻抗， • Z2-介质2的声阻抗。
r pr Z2 Z1 p0 Z2 Z1
• 2、在单一界面上透射波声压与入射波声压之比，称为界面的 声压透射率：
• 用t表示：
•
• 3、在界面上反射波声强与入射波声强之比，称为 声强反射率：
2.1.2 超声波的产生（发射）与接收 (1) 超声波的产生机理——利用了压电材 料的压电效应。 试验发现，某些晶体材料（如石英晶体）做成的晶体薄片，当其受到拉伸或压缩时，表面就会产生 电荷；此现象称为正压电效应； 反之，当对此晶片施加交变电场时，晶体内部的质点就会产生机械振动，此现象称为逆压电效应。
的关系为： C = λ·f = 常数。
• 按超声波振动持续时间分为： (1)连续波——在有效作用时间内声波不间 断地发射；
(2)脉冲波——在有效作用时间内声波以脉 冲方式间歇地发射。
注意: 超声波检测过程常采用脉冲波。
2.1.4 超声波的基本性质
(1)具有良好的指向性：
直线传播，符合几何光学定律；象光波一样，方向性好；
时，即 时，则薄层厚度愈小，透射率愈大，反射率愈小。
d2
n 2
2
d2 (2n1) 4
d2 0
d2Leabharlann 4r0,t 1t 0
• •
(例2)如、：晶片Z—，1保即护非Z薄均2膜匀—介工Z质3件中，的或薄晶层片有—如耦下合规剂律—性工：件等情况。
• 此时 声压往复透射率 为：
•
（2-23）
T(Z1Z3)2co2 sd 224 Z (1Z Z2 3Z Z 1Z 23)2si2n 2 d 22
反射系数K % 0
81 77 88 17 100 100
④反射现象的辩证分析 反射现象： 对发射超声波不利 ； 对脉冲反射法接收有利。
⑤影响反射系数K的因素 反射系数K值的大小，决定于相邻介质的声阻抗之差： Δ Z =| Z 2－Z 1| Δ Z 越大，K 值越大。 而与何者为第一介质无关。
• (一)、在单一界面上 • 当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时： • ①.在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波。 • ②.在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。 • ③.反射波与透射波的声压(声强)是按一定比例分配。 • ④.分比例由声压反射率(或声强反射率)， • 和声压透射率(或声强透射率)来表示。
• A-介质质点的振幅，
•
-介质中质点振动的圆频率()，
• A -质点振动的速度振幅()，
• T -时间，
• x-至波源的距离。
•
且有关系式：
•
式中： -声压的极大值。
pm cA
pm
2.3 超声波在介质中的传播
• 可见： 声压的绝对值，与波速、质点振动的速度振幅(或角频率)成正比。
• 因为超声波的频率高，所以超声波比声波的声压大。
• (一)声压
• 超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强 ,与没有超声场存在时，同一点的静态压强之差为该点的