无损检测超声波二级培训教材

2.1 机械振动与机械波
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。
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。
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。
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：
波前：某一时刻，波动所到达的空间各点所连成的面为波 前。
波线：波的传播方向称为波线。
波前是最前面的波阵面，是波阵面的特例。任意时刻，波 前只有一个，而波阵面却很多。在各向同性的介质中，波 线恒垂直面的波，其波源为一平 面。
尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的均匀介质中 辐射的波，可视为平面波。平面波波束不扩散，平面波各 质点振幅是一个常数，不随距离而变化。
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。
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。
横波：质点振动方向与波的传播方向相垂直. 特征：具有交替出现的波峰和波谷.
3.表面波：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，称为表面波，常用（R）表示。
表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭 圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。 椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横 波的合成。因此表面波同横波一样只能在固体介质中传 播，不能在液体或气体介质中传播。
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：
T =1f
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。
特征：具有交替出现的密部和疏部.
2.横波：介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直 的波称为横波，用（S）或（T）表示。
当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变形变， 从而形成横波。故横波又称为切变波。
只有固体介质才能承受剪切应力，液体和气体介质不能承 受剪切应力，因此横波只能在固体介质中传播，不能在液 体和气体介质中传播。
1.纵波：介质中质点的振动方向与波的传播方向相互平行 的波，称为纵波（L）
凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。固体介质 能承受拉伸或压缩应力，因此固体介质可以传播纵波。液 体和气体虽然不能承受拉伸应力，但能承受压应力产生体 积的压缩和膨胀，因此液体和气体也可以传播纵波。
纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致. 例如：弹簧波、 声波
（2）兰姆波： 分为对称型（S型）和非对称型（A型）。
对称型兰姆波：薄板中心质点作纵向振动，上下表面质点 作椭圆运动，振动相位相反并对称于中心。
非对称型兰姆波： 薄板中心质点作横向振动， 上下表面质点作椭圆运动， 相位相同，不对称。
2.2.2按波的形状分类：
波的形状是指波阵面的形状。
波阵面：同一时刻，介质中振动相位相同的所有质点所连 成的面称为波阵面。
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；
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：
在介质内部，各质点间以弹性力连接在一起，称为弹性介 质。
在弹性力的作用下，弹性介质中一个质点的振动就会引起 临近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振 动，于是振动就以一定的速度由近及远地向各个方向传播 开来，从而就形成了机械波。
产生机械波必须具备以下两个条件：
（1） 要有作机械振动的波源。
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。
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。
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）。
谐振动的振幅、频率和周期保持不变，其频率为振动系统 的固有频率，是最简单、最基本的一种振动。
任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。
作谐振动的物体在平衡位置时动能最大、势能为零；在位 移最大处势能最大、动能为零。其总能量保持不变。
2.阻尼振动：谐振动是理想条件下的振动，不考虑摩擦和 其它阻力的影响。但任何实际物体的振动，总要受到阻力 的作用。由于要克服阻力做功，则振动物体的能量不断减 少。这种振幅或能量随时间不断减少的振动，称为阻尼振 动。
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 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。
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。
弹
F
簧
A
振
v
子
x -A
的
F
振
动
v
F=0 x=0
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。
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。
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。
2.机械波的主要物理量
（1）波长λ：同一波线上相邻两振动相位相同的质点的距 离，称为波长，用λ表示。
波源或介质中任意一质点完成一次全振动，波正好前进一 个波长的距离。波长的常用单位为毫米（mm）。或米（ m）。
Ay
u
O
x
-A
（2）周期T和频率f：
为波动经过的介质质点产生机械振动的周期和频率。
机械波的周期和频率只与振源有关，与传播介质无关。
表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。当传播深度超 过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了。因此，一般认 为，表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度范围内 的缺陷。
4.板波：在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板 波。
根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。
（1）SH波：水平偏振的横波在薄板中传播的波。薄板中 各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向，相 当于固体介质表面中的横波。
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。
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。
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。
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。
次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波， 在同一介质中的传播速度相同。它们的区别主要在于频率 不同。
= C/f
C = λf 或 λ
振动的传播速度称为波速（声速），不要把波速与质点的 振动速度混淆起来，质点的振动方向与波动的传播方向也 不一定相同。
2.2 波的分类
2.2.1按波的类型分类：
3.受迫振动：物体受到周期性变化的外力作用时，产生的 振动。
受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间后达到稳定 状态，变为周期性的谐振动。其振动频率与策动力频率相 同，振幅保持不变。
受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动力频率与受 迫振动物体固有频率相同时，受迫振动的振幅达最大值。 这种现象称为共振。
（2）要有能传播机械振动的弹性介质。
一般固体、液体、气体都可视为弹性介质。
液体和气体不能用上述弹性力的模型来描述，其弹性波是 在受到压力时体积的收缩和膨胀产生的。