超声波检测基础知识

超声波检测基础知识

第一章超声波检测

超声波检测定义：使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。

超声检测的优点：（1）适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；（2）穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；（3）缺陷定位较准确；（4）对面积型缺陷的检出率较高；（5）灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；（6）检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。

超声检测的局限性：（1）对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深入研究；(2)对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难；(3)缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响；(4)材质、晶粒度等对检测有较大影响；(5)以常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，且检测结果无直接见证记录。

超声波检测的适用范围：从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和复合材料；从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等；从检测对象的形状来说，可用于板材、棒材、管材等；从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1mm，也可大至几米；从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。

1.1超声波检测的基础知识

1.1.1 超声波

声波：频率在20～20KHz之间；

次声波：频率低于20Hz；不容易衰减,不易被水和空气吸收.而次声波的波长往往很长,因此能绕开某些大型障碍物发生衍射.某些次声波能绕地球2至3周.某些频率的次声波由于和人体器官的振动频率相近,容易和人体器官产生共振,对人体有很强的伤害性,危险时可致人死亡

超声波：频率大于20KHz。方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,

V

p Z = (1.4) 声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，介质的声阻抗越大，质点的振动速度越小。介质不同，声阻抗不同。同一种介质，如果波形不同，声阻抗也不同。当超声波由一种介质传入另一种介质时，或者从介质的界面反射时，主要取决于这两种介质的声阻抗。

气体、液体、固体的声阻抗差别很大，实验测定，其声阻抗之比接近于1：3000：8000。

（2）声速

声波在介质中传播的速度称为声速。在同一种介质中，波形不同，其传播速度也各不相同。超声波的声速还取决于介质的特性（如密度、弹性模量）。

声波分为相速度和群速度。

相速度：是声波传播到介质的某一选定的相位点时，在传播方向上的声速。 群速度：是指传播声速的包络上，具有某种特性的点上，声波在传播方向上的速度。群速度是波群的能量传播速度，在非频散介质中，群速度等于相速度。

ρK c =

(1.5)

1.1.3 超声波的传播

1）超声波的分类 ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧球面波柱面波平面波按波面的形状分类型型板波表面波横波纵波系分类波的传播方向之间的关按质点的振动方向与声A S

根据介质中质点的振动方向和声波的传播方向，超声波的波形可分为以下几种：（1）纵波

质点的振动方向和传播方向一致的波形称为纵波。如图1-1所示。它能在固体、液体、气体中传播，在探伤中用于纵波探伤法。

图1-1 纵波

（2）横波

质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波。如图1-2所示。它只能在固体中传播，用于横波探伤法。

图1-2横波

（3）表面波（瑞利波）

质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波。如图1-3所示。表面波质点振动轨迹为椭圆。质点位移的长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。它用于表面波探伤法。

图1-3 表面波

（4）兰姆波（板波）

兰姆波只产生在有一定厚度的薄板内，在板的两表面和中部都有质点的振动，声场遍布整个板的厚度，沿着板的两表面及中部传播，所以又称为板波。如果两表面质点振动的相位相反，中部质点以纵波的形式振动则称为对称性兰姆波。如果两表面质点振动的相位相同，中部质点以横波的形式振动，则称为非对称性兰姆波。如图1-4所示。兰姆波可检测板厚及分层、裂纹等缺陷。还可以检测材料的晶粒度和复合材料的粘合质量。

图1-4 兰姆波

超声波在介质中以一定的速度传播。纵波、横波、表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数和介质密度。兰姆波的传播速度除与介质的弹性常数有关外，还与介质的厚度和兰姆波的频率有关。

在无限大的固体介质中，各种波的传播速度为： 纵波：ρ

G

K c L 3/4+= （1.6） 横波：ρG c S = （1.7）

表面波：μ

μ++=112.187.0R c (1.8) 通常认为，横波声速是纵波的一半，表面波声速约为横波的90%。

兰姆波的声速对于每一介质而言，取决于薄板厚度(或缺陷深度)和频率的乘积。由于速度和频率有关，又有群速度和相速度之分。脉冲波是以群速度来传播的,连续波是以相速度来传播的。相速度是以声波〔或电磁波)沿行进路线变更相位的速度。群速度是声能(或电磁能)变更的速度。·因为脉冲波不可能只包括一个频率，而是包括一群不同频率不同幅度的正弦波之和。它的传播速度是群速度。当传播速度与频率无关时，群速度等于相速度。

2）平面波、柱面波、球面波

图1-5 平面波、柱面波、球面波

3）连续波与脉冲波

连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波是质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波。对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率。

图1-6 连续波