1-3超声波探伤基础(产生、类型、参数和超声场、特征值)

波是物质的一种运动形式，可分为电磁波
和机械波两类。

产生机械波需要两个必要条件：一是要有
作机械振动的振源；二是要有能传递机械振动
的弹性介质。
超声波探伤基础
二、超声波的产生

在超声波探伤中应用最广的是利用某些压
电材料（石英、锆钛酸铅等）的压电效应，来
实现超声波的发生和接收。

超声波在传播过程中，实际上只是振动能
T 1 f
从定义中可以看出：周期是时间量，通常单位
为秒(s)，在超声波探伤中，则通常使用微秒
为单位（μs）。
周期单位换算关系：
1s=106μs或1μs=10-6s
超声波探伤基础
超声波超声波的基本参数
4.波长（λ） 同一波线上相邻两振动相位相
同的质点间的距离称为波长。
5.声速（C） 声波在弹性介质中，单位时间
平面波、柱面波和球面波
超声波探伤基础
平面波、柱面波和球面波图谱
超声波探伤基础
不同波形分类及特性
波 形 特 性
1．无限大平面（即波长与声源尺寸相比可忽略不计）作简谐 平面波 振动时，在各向同性的弹性介质中传播的波 2．如不考虑介质吸收波的能量，声压不随声源的距离而变化 球面波 1．声源为点状球体，波阵面是以声源为中心的球面 2．声强与距声源距离的平方成反比 1．声源为一无限长的线状直柱，波阵面是同轴圆柱面 2．声强与距声源的距离成反比
固体、液体和气体 钢板、锻件探伤等
横波S
固体
焊缝、钢管探伤等
表面波R
固体
钢板、锻件、 钢 管探伤等
兰 姆 波
对称型 （S型）
固体（厚度与波 长相当的薄板）
厚度＜6mm
非对称型 薄板中心质点作横向运动，上下 （A型） 表面作相位相同的椭圆运动
固体（厚度与波 长相当的薄板）
厚度＜6mm
超声波探伤基础
纵波的传播图谱
有的压强（P1）与该点没有超声波存在时的静
态压强（P0）之差称为该点的声压（P）。
超声波探伤基础
（三）超声场及其特征值
（2）声阻抗
介质中某一点的声压与该点
的振动速度之比称为声阻抗（Z）。
（3）声强 单位时间内，垂直通过单位面
积的声能量称为声强（Ｉ）。
任意两波高之比H1/H2等于相应的声压之比
P1/P2，两者的分贝差为：
在钢轨探伤中0°探头就是使用的纵波。
超声波探伤基础
横波的传播图谱
在钢轨探伤中70°、37探头就是使用的横波。
问题:横波不能在液体中传播，横波探伤时为什么可使 用耦合剂；使用不同的耦合剂对最后的折射角是否会产 生影响？
超声波探伤基础
（一）超声波常见的三种分类方式 :
2.按振动持续时间分类
根据波源振动持续时间的长短，超声波可分
超声波探伤基础
（一）超声波探伤的优点
5.高效低价
检测速度快，在较短的时间
内就可完成对工件的检测，仅耗损少量电能和
耦合剂。
超声波探伤基础
（二）超声波探伤缺点：
1.检测结果受人为影响 对试件中缺陷的发现
与评价，主要取决于探伤人员对仪器的调节和
判断。
2.探测面状态影响检测 探测表面要求制备，
不良的探测面影响伤损检测灵敏度。
D 2 2 D 2 A N 4 4
超声波探伤基础
（三）超声场及其特征值
2.波束指向性与指向角（θ0） 超声波能量集中在一定区域并向一个方向辐
射的现象称为波束指向性。
非扩散的区域为近场长度（N）的1.67倍，
大于1.67 N为扩散区。
超声波探伤基础
（三）超声场及其特征值
柱面波
超声波探伤基础
（二）超声波超声波的基本参数
1.振幅（A）从平衡位置到振动最大位移之 间的距离。 2.周期（T）质点完成一次全振动所需要的 时间。 3.频率（f）质点在单位时间内完成全振动 的次数。
超声波探伤基础
（二）超声波超声波的基本参数
按照以上的定义，容易看出：频率与周期 是互为倒数的，即：
波的类型 纵波L 质点振动特点（定义） 传播介质 应 用
介质质点振动方向平行于波的传 播方向
介质质点振动方向垂直于波的传 播方向 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 薄板中心质点作纵向运动，上下 表面质点作相位相反并对称于中 心的椭圆运动
量的传播，并没有产生物质的迁移，介质质点
本身仅限于平衡位置附近振动。
超声波探伤基础
（一）超声波常见的三种分类方式 :
1wk.baidu.com按质点的振动方向分类
根据波动传播时介质质点的振动方向与波
的传播方向不同，可将超声波分为纵波（压缩
波）、横波（剪切波）、表面波（瑞利波）、
兰姆波等。
超声波探伤基础
纵波、横波、表面波、兰姆波定义
无损检测基础知识
超声波探伤基础
声波是机械波的一种。按频率的不同可以分
为：
1.可闻声波 20Hz≤f≤20000Hz(频率、音 量关系) 2.次声波 f<20Hz 3.超声波 f>20000Hz，工业探伤最常用的 频段为0.5MHz~10MHz 从乐器到人与人说话的声音讲解频率即音 调的概念
超声波探伤基础
为连续波和脉冲波两种。其中连续波是指波源
持续不断地振动所辐射的波，常用于穿透法探
伤和共振法测厚。而脉冲波则指波源振动持续
时间很短（微秒级1μｓ＝10－6ｓ）、间歇辐射
的波，超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。
超声波探伤基础
连续波与脉冲波图谱
超声波探伤基础
（一）超声波常见的三种分类方式：
3.按波的形状分类 波形是根据波阵面的形状来区分的，所谓波 阵面，是指同一时刻介质中振动相位相同的所 有质点联成的面。 根据波阵面形状的不同，波又可以分为三种：
超声波探伤基础
（二）超声波探伤缺点
3.工件状态影响检测结果
工件形状过于
复杂，材料晶粒和组织不均匀对探伤结果均有
一定的影响。
4.定量精度差
探测出缺陷的当量或延伸
度与实际缺陷大小均有一定的误差。
超声波探伤基础
二、超声波的产生
人们把声源振动在介质（如空气等）中的
传播过程，称为波动，简称波 。

内所传播的距离，也可称为波速。
单位为米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。
C 波长、声速和频率之间的关系式： f
超声波探伤基础
（三）超声场及其特征值
1.超声场概述
超声场
充满超声波的空间。
N表示直探头的近场区长度；D表示为圆形压
电晶片的直径；λ表示超声波波长；A表示方晶
片（或矩形晶片）面积。
2.波束指向性与指向角（θ0） 对圆盘声源辐射的纵波声场，其声束声束
指向角（θ0）计算式如下：
D D 式中：D-为晶片的直径；λ-为超声波波长
0 sin 1.22
1

70

超声波探伤基础
（三）超声场及其特征值
3.超声场的特征值 描述超声场的特征值主要有声压、声强和声
阻抗。
（1）声压 超声场中某一点某一瞬时所具
频率用字母“f”表示
频率的单位为“赫兹”用字母“Hz”表示
赫兹（Hz）换算关系为：
1MHz=106Hz 或1Hz=10-6 MHz
超声波探伤基础
一、超声波探伤的特点
（一）超声波探伤优点：
1.指向性好
超声波波长很短，像光波一
样，可以定向发射，因而能方便、准确地对缺
陷定位。
2.穿透力强
超声波能量高，在大多数介
质中传播时能量损失小，在一些金属材料中传
播时，其穿透能力可达数米。
超声波探伤基础
（一）超声波探伤优点
3.灵敏度高
一个存在于钢中的空气分层厚
度为10－6mm，反射率可超过21%，当分层厚度在 10－5mm以上时，反射率可超过94%。 4.适用面广 可检测金属、非金属、复合材
料等多种材料制件的检测；采用多种波型以及各 种探头作不同方向的探测，能探出工件内部和表 面各种取向的缺陷。
P H1 1 20lg 20lg P2 H2