超聲波探傷課件1

1、 1.1 無損檢測的定義無損檢測技術(shù)(Non-Destructive Testing,簡稱NDT) 是第二次世界大戰(zhàn)后迅速發(fā)展起來的一門新興的、多學科綜合應(yīng)用的工程科學。 此項技術(shù)是在不改變及損傷被檢對象的各種性能(其中包括物理性能、化學性能、幾何形狀、 表面狀態(tài) 等)的前提下，采用多種適用的方法對被檢對象進行檢測，以確定其質(zhì)量，即確定該被檢對象的實際使用性能是否能滿足事先設(shè)計的需要，以及確定其某些特性，如幾何尺寸、所使用的材料、表面狀況、均勻性、密度等。 五大常規(guī)無損檢測 射線檢測（RT） 超聲檢測（UT） 磁粉檢測（MT） 滲透檢測（PT） 渦流檢測（ET） 磁粉、滲透和渦流統(tǒng)稱為表面檢測

2、。 超聲波是一種機械波，是機械振動在介質(zhì)中的傳播。 該章主要涉及幾何聲學和物理聲學的基本定律和概念。 幾何聲學：反射定律、折射定律、波形轉(zhuǎn)換。 物理聲學：波的疊加、干涉、衍射等 11振動 物體(或物體一部分）在某一中心位置兩側(cè)所做的往復(fù)周期性的運動,稱為機械振動，常常簡稱為震動。 振動產(chǎn)生的必要條件： 一是，物體一旦離開平衡位置，就會受到回復(fù)力的作用；二是阻力足夠小。 全振動：我們把從某一震動狀態(tài)出發(fā)，又回到該震動狀態(tài)所發(fā)生的震動稱為一次全震動。 回復(fù)力：能夠使震動物體回到平衡位置的力。振動的表示：可用周期和頻率表示振動的快慢；用振幅表示振動的強弱。 周期T 振動物體完成一次全振動所需要的時間

3、,稱為振動周期.單位：秒（S） 頻率f 振動特物體在單位時間內(nèi)完成全振動的次數(shù),稱為振動頻率.單位：赫茲（Hz） 振幅A 振動物體離開平衡位置的最大距離。f1T 簡諧振動 物體在受到大小跟位移成正比而方向恒相反的合外力作用下的運動 簡諧振動動能和勢能相互轉(zhuǎn)化，總機械能守恒。圖1.1 質(zhì)點諧振動參考圖 質(zhì)點諧振動等效圖 簡諧振動方程 質(zhì)點的水平位移和時間t的關(guān)系式：y=Acos(t+)其中：A：振幅，最大水平位移 ：圓頻率， =2f=2 / T ：初相位，即t=0時質(zhì)點的相位 t+：質(zhì)點在t時刻的相位 簡諧振動方程描述了諧振動物體在任意時刻的位移情況。 阻尼振動 在機械系統(tǒng)振動時，由于受到摩擦力

4、或其他阻力的作用，系統(tǒng)的能量會不斷損耗，質(zhì)量振動的振幅逐漸減小，以至于振動停止。所以，阻尼振動是一個比較普遍情況，也稱為衰減振動。(不符合機械能守恒) 受迫振動 由于振動系統(tǒng)內(nèi)部的阻尼作用，能量逐漸消耗，因初始激發(fā)引起的自由振動，將因為能量逐漸損耗，振動逐漸減弱，以至運動停止。要維持振動必須由另一系統(tǒng)不斷給以激發(fā)，即不斷地補充能量，這種由外加作用維持的振動，稱為強迫振動。 (不符合機械能守恒)y=Acos(Pt+)其中：A：振幅，最大水平位移 P：策動力的圓頻率T ：初相位 12波動 振動的傳播過程，成為波動。 波動分為機械波和電磁波兩大類。 機械波是機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程。如水波、聲

5、波、超聲波等。 電磁波是交變電磁場在空間的傳播過程。如無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、射線等。 超聲波是機械波，因此下面只討論機械波。 物質(zhì)的彈性模型 彈性介質(zhì)：這種質(zhì)點間以彈性力聯(lián)系在一起的介質(zhì)稱為彈性介質(zhì)。一般固體、液體、氣體都可視為彈性介質(zhì)。 機械波的產(chǎn)生：彈性介質(zhì)中的一個質(zhì)點的振動就會引起鄰近質(zhì)點的振動，鄰近質(zhì)點的振動又會引起較遠質(zhì)點的振動，于是振動就以一定的速度由近及遠地向各個方向傳播開來，從而就形成了機械波。 機械波：是機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程. 機械波必須具備以下兩個條件:1）要有作機械振動的波源；2）能傳播機械振動的彈性介質(zhì)。 振動與波動是互相關(guān)聯(lián)的，振動是產(chǎn)生

6、波動的根源，波動是振動狀態(tài)的傳播。波動中介質(zhì)各質(zhì)點并不隨波前進，只是以交變的振動速度在各自的平衡位置附近往復(fù)運動。 波動是振動狀態(tài)的傳播過程，也是振動能量的傳播過程。這種能量的傳播，不是靠質(zhì)點的遷移來實現(xiàn)的，而是由各質(zhì)點的位移連續(xù)變化來逐漸傳播出去的 。 機械波的主要物理量 波長 ： 單位：mm、m 同一波線上相鄰兩振動相位相同的質(zhì)點間的距離.或者說：沿著波的傳播方向，兩個相鄰的同相位質(zhì)點間的距離。 頻率 ：f 單位：赫茲（Hz） 波動過程中,任一給定點在1秒鐘內(nèi)所通過的完整波的個數(shù). 波速 ：C 單位：m/s km/s 波動中,波在單位時間內(nèi)所傳播的距離稱為波速. C= f 或=C/f波長與

7、波速成正比，與頻率成反比。當頻率一定時，波速愈大，波長就愈長；當波速一定時，頻率愈低，波長就愈長。 超聲波是聲波的一種，廣泛地應(yīng)用于無損超聲波是聲波的一種，廣泛地應(yīng)用于無損檢測中。聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的機械檢測中。聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的機械波，其種類按頻率范圍可以分為三類：波，其種類按頻率范圍可以分為三類： 次聲波頻率在次聲波頻率在20Hz以下，人耳聽不到；以下，人耳聽不到； 聲波在聲波在20Hz20KHz之間，人耳可聞；之間，人耳可聞； 超聲波在超聲波在20KHz以上，人耳不可聞。以上，人耳不可聞。 超聲波探傷常用的頻率為超聲波探傷常用的頻率為 0.5MHz10MHz。 對鋼等金屬材料的

8、檢驗，常用的頻率為對鋼等金屬材料的檢驗，常用的頻率為 15MHz。1、根據(jù)質(zhì)點的振動方向分類 根據(jù)波動傳播時介質(zhì)質(zhì)點的振動方向相對于波的傳播方向的不同,可將波動分為縱波、橫波、表面波和板波等. 縱波：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向平行。用 L 表示，又稱壓縮波或疏密波。 當介質(zhì)質(zhì)點受到交變正應(yīng)力作用時，質(zhì)點之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波。這時介質(zhì)質(zhì)點疏密相間，故縱波又稱為壓縮波或疏密波。 凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。所以，縱波可以在固體、液體和氣體中傳播。橫波：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向垂直。用T 表示 當介質(zhì)質(zhì)點受到交變的剪切應(yīng)力作用時，產(chǎn)生切變變形，從而形成

9、橫波。只有固體能夠承受剪切應(yīng)力，液體和氣體不能承受剪切應(yīng)力，因此，橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體中傳播。 表面波：當介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?。用R表示，表面波是瑞利在1887年首次提出的，因此，表面波又稱瑞利波。 表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r，質(zhì)點作橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運動可以視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波和橫波的合成。所以，表面波和橫波一樣，只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體中傳播。 表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?。表面波的能量隨傳播深度的增加而迅速減弱。一般認為，表面波檢測只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長深度范圍內(nèi)

10、的缺陷。 板波： 我們把在板厚與波長相當?shù)谋“逯袀鞑サ牟ǚQ為板波。 各 種 類 型 波 的 比 較波的類型質(zhì)點振動特點傳播介質(zhì)應(yīng)用縱波質(zhì)點振動方向平行于波傳播方向固、液、氣體介質(zhì)鋼板、鍛件檢測等橫波質(zhì)點振動方向垂直于波傳播方向固體介質(zhì)焊縫、鋼管檢測等表面波質(zhì)點作橢圓運動，橢圓長軸垂直波傳播方向，短軸平行于撥傳播方向固體介質(zhì)鋼管檢測等2、按波的形狀分類按波的形狀分類 波形（波的形狀）：是指波陣面的形狀。 波陣面：同一時刻，介質(zhì)中振動相位相同的所有質(zhì)點所聯(lián)成的面稱為波陣面。 波 前：某一時刻，波動所到達的空間各點聯(lián)成的面積稱為波前。 波 線：波的傳播方向稱為為波線。 由以上定義可知，波前是最前面的

11、波陣面。任意時刻，波前只有一個，而波陣面卻有很多。在各向同性的介質(zhì)中，波線恒垂直于波陣面或波前。 據(jù)波陣面形狀不同，可以把不同波源發(fā)出的波分為平面波、柱面波和球面波。（1）平面波 波陣面為互相平行的平面的波稱為平面波。平面波的波源為一個平面。 尺寸遠大于波長的剛性平面波源在各向同性的均勻介質(zhì)中輻射的波可視為平面波。 平面波波束不擴散，平面波各質(zhì)點振幅是一個常數(shù)，不隨距離而變化。)(coscxtAy （2）柱面波 波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波的波源為一條線 。 長度遠大于波長的線狀波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為柱面波。柱面波波束向四周擴散，柱面波各質(zhì)點的振幅與距離平方根成反比。

12、)(coscxtxAy （3）球面波 波陣面為同心圓的波稱為球面波。球面波的波源為一點 。 尺寸遠小于波長的點波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為球面波。球面波波束向四面八方擴散，球面波各質(zhì)點的振幅與距離成反比。 實際應(yīng)用的超聲波探頭中的波源近似活塞振動，在各向同性的介質(zhì)中輻射的波稱為活塞波。當距離源的距離足夠大時，活塞波類似于球面波。)(coscxtxAy 3、按振動的持續(xù)時間分類、按振動的持續(xù)時間分類 根據(jù)波源振動的持續(xù)時間長短，將波動分為連續(xù)波和脈沖波。 （1） 連續(xù)波 波源持續(xù)不斷地振動所輻射的波稱為連續(xù)波。 超聲波穿透法檢測常采用連續(xù)波。 （2） 脈沖波 波源振動持續(xù)時間很短（通常是

13、微秒數(shù)量級），間歇輻射的波稱為脈沖波。 目前超聲波檢測中廣泛采用的就是脈沖波。 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度（聲速）是表征介質(zhì)聲學特性的重要參數(shù)。 超聲波的傳播速度與下列因素有關(guān)： 1）介質(zhì)：彈性模量、密度、彈性變形形式、尺寸大小、均勻性等 2）超聲波的波型：如縱波、橫波與表面波等 3）溫度: 一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低 4）應(yīng)力：一般固體的應(yīng)力增加，聲速緩慢增加 3-1 無限大固體介質(zhì)中的聲速縱波聲速：橫波聲速：表面波聲速：E：介質(zhì)的楊氏彈性模量；：介質(zhì)的伯松比； ：介質(zhì)密度G：介質(zhì)的切變彈性模量)1)(21 ()1 (ECL)1 (2ECSGCR112. 187. 0由以上三式可知：

14、1）固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有關(guān)，不同的介質(zhì)聲速不同； 介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。2）聲速與波的類型有關(guān)，在同一種固體介質(zhì)中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并存在如下關(guān)系：CLCSCR 對于鋼材: CL:CS:CR=1.8 : 1 : 0.93-2 細長棒中的縱波聲速 CLb 細長棒中(棒徑d0.1)縱波的聲速與無限大介質(zhì)中的縱波聲速不同.ECLB :液體、氣體介質(zhì)的容變彈性模量，表示產(chǎn)生單位容積相對變化量所需的壓強； ：液體、氣體介質(zhì)的密度 幾乎除水以外的所有液體當溫度升高時，容變彈性模量減小，聲速降低。 水是溫度在74攝氏度左右時聲速達最大值。BC 4-

15、1 波的疊加原理 幾列波相遇后仍保持自已原有的頻率、波長、振動方向等特性并按原來的傳播方向繼續(xù)前進，好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣，這就是波的疊加原理。又稱波的獨立性原理。 波的迭加現(xiàn)象可以從許多事實觀察到，如兩石子落水，可以看到兩個以石子入水處為中心的圓形水波的迭加情況和相遇后兩波仍按原來的方向進行傳播的情況。 4-2 波的干涉 兩列頻率相同，振動方向相同，位相相同或位相差恒一的波相遇時，介質(zhì)中某些地方的振動互相加強，而另一些地方的振動互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。 駐波 兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播時互相疊加而成的波，稱為駐波 4-3惠更斯原理 波動是振動

16、狀態(tài)的傳播，如果介質(zhì)是連續(xù)的，那么介質(zhì)，中任何質(zhì)點的振動都將引起鄰近質(zhì)點的振動，鄰近質(zhì)點的振動又會引起較遠質(zhì)點的振動，因此波動中任何質(zhì)點都可以看作是新的波源。據(jù)此惠更斯于1690年提出了著名的惠更斯原理：介質(zhì)中波動傳播到的各點都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其后任意時刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。 利用惠更斯原理可以確定波前的幾何形狀和波的傳播方向。 惠更斯原理圖 4-4 波的衍射 波在傳播過程中遇到與波長相當?shù)恼系K物時，能繞過障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進的現(xiàn)象，稱為波的衍射或波的繞射。 波的衍射現(xiàn)象是衍射時差法超聲檢測（TOFD）的物理基礎(chǔ)。 波的衍射 波的衍射和障礙物的尺寸Df及波長的相對

17、大小有關(guān).當Df 時,反射強,繞射弱,幾乎全反射;當Df , 22111sinsinsinsinsinSsLLSsLLLLCCCCCLLLS LS 第一臨界角：第一臨界角： 當CL2 CL1 時，L L ,隨著L 增大,L 也增大，當 L 90時，所對應(yīng)的縱波入射角,1第二臨界角：第二臨界角： 211arcsinLLCC21arcsinSLCC21sinsinSsLLCC21sinsinLLLLCC（1）當縱波入射角小于第一臨界角時，第二介質(zhì)中既有縱波又有橫波；（2）當縱波入射角介于第一臨界角和第二臨界角時，第二介質(zhì)中只有橫波，沒有縱波，這就是常用橫波斜探頭的制作原理。（3）當縱波入射角大于等

18、于第二臨界角時，第二介質(zhì)中即沒有縱波也沒有橫波，這是其介質(zhì)的表面存在表面波，這就是常用表面波探頭的制作原理。 橫波入射SZ1Z2SL L SLs 橫波入射反射、折射定律第三臨界角： 當橫波入射角增大到一定程度，反射縱波沿著界面?zhèn)鞑?，這時所對應(yīng)當橫波入射角為第三臨界角。 當橫波入射角大于等于第三臨界角時，第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒有反射縱波，即橫波全反射。 11arcsinLSIIICC111sinsinLLSsCC 82 端角反射端角反射：超聲波在兩個平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射叫做端角反射。 超聲波是一種頻率很高波長很短的機械波，當超聲波入射到曲界面上時，與可見光入射到曲界面上的情況相似，具有聚焦

19、和發(fā)散的特性。而且，由于超聲波在界面上會產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，因此超聲波的聚焦與發(fā)散更為復(fù)雜。為了便于討論，這里不考慮波型轉(zhuǎn)換存在。超聲波在遇到曲界面時的聚集與發(fā)散，與入射波的波形，曲界面兩側(cè)的聲速等因素有關(guān)，存在多種可能性。下面就超聲波檢測中經(jīng)常遇到的情況，作簡單的介紹。 91 聲壓距離公式1、平面波 平面波不擴散，而是相互平行，因此，聲壓不隨距離而擴散。2、球面波 球面波的波振面為同心球面，超聲場中某一點的聲壓與該點至波源的距離成反比。P0：初始聲壓X：某點至波源的距離XPP0 3、柱面波 柱面波的波振面為同軸柱面，聲壓與距離的平方根成反比。XPP01、平面波在曲界面上的反射 當平面波入射到曲界面上時，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散。平面波束與曲界面上各入射的法線成不同的夾角：入射角為0C的聲束沿原方向返回，稱為聲軸，其余聲線的反射則隨著距聲軸距離的增大，反射角逐漸增大。 當曲界面為凹球面時，反射線匯聚于一個焦點上； 當曲界面為凹圓柱面時，反射線匯聚于一條焦線上。此時，焦距為：式中：r