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1、超 聲 波 檢 測(cè) 下一頁在線超聲波探傷一、超聲波檢測(cè)物理基礎(chǔ)二、超聲檢測(cè)儀器、探頭和試塊 三、超聲波檢測(cè)的通用技術(shù)目 錄結(jié)束第一章 超聲波檢測(cè)物理基礎(chǔ)第一節(jié) 機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波一、機(jī)械振動(dòng)一個(gè)物理量的值在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)不停地經(jīng)過極大值和極小值的周期變化,這種變化狀態(tài)稱為振動(dòng)。如果振動(dòng)量是個(gè)力學(xué)量,如位移、角位移等,所作的振動(dòng)稱之為機(jī)械振動(dòng)。如圖11。1、表征振動(dòng)的參數(shù)周期T:完成一次全振動(dòng)所需的時(shí)間,常用單位秒(s)。頻率f:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成全振動(dòng)的次數(shù),單位為赫茲(Hz)。1Hz1次/秒秒1;1MHz106Hz。 圖11 彈簧的振動(dòng) 平擺的振動(dòng)2、振動(dòng)方程最簡(jiǎn)單最基本的直線振動(dòng)稱為諧振動(dòng),任何復(fù)雜

2、的振動(dòng)都可視為多個(gè)諧振動(dòng)的合成。描述諧振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)M位移y與時(shí)間t關(guān)系的諧振動(dòng)方程如下: yAcos(t) (11)式中:y為振動(dòng)幅度在任一瞬間時(shí)t的數(shù)值; A為振幅,是y的最大值; 角頻率(角速度),2f; 初始相位角,即t0時(shí)質(zhì)點(diǎn)M的相位; (t)質(zhì)點(diǎn)M在t時(shí)刻的相位。可用圖12來進(jìn)一步說明物體諧振動(dòng)時(shí),位移是時(shí)間的正弦或余弦函數(shù)。圖12二、機(jī)械波和聲波1、機(jī)械波的形成機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播稱為機(jī)械波,機(jī)械振動(dòng)在彈性體中的傳播稱之為彈性波(聲波)。圖13是彈性體的模型,可用來說明機(jī)械波的形成。產(chǎn)生機(jī)械波的兩個(gè)條件:作機(jī)械振動(dòng)的波源;傳播振動(dòng)的介質(zhì)。圖1-34、波動(dòng)方程如圖24所示,當(dāng)振動(dòng)從O點(diǎn)

3、傳播到B點(diǎn)時(shí),B點(diǎn)開始振動(dòng)。由于振動(dòng)從O點(diǎn)傳播到B點(diǎn)需要時(shí)間x / c,因此B點(diǎn)的振動(dòng)滯后于O點(diǎn)x / c秒,即B點(diǎn)在t時(shí)刻的位移等于O點(diǎn)在(tx / c)時(shí)刻的位移: (13)式中:k波數(shù),k/ t2/;xB至O點(diǎn)的距離。波動(dòng)方程式(13)描述了波線上任意一點(diǎn)在任意時(shí)刻的位移情況。圖145、連續(xù)波、簡(jiǎn)諧波和脈沖波連續(xù)波:介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為無窮的波動(dòng),見圖15a。簡(jiǎn)諧波:介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)都作同頻率的諧振動(dòng)的連續(xù)波。脈沖波:介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間有限的的波動(dòng),見圖15b。圖15 連續(xù)波與脈沖波第二節(jié) 超聲波的傳播一、波的類型縱波:介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波,一般用L表示,圖17。橫

4、波:介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向向垂直的波,一般用S表示,圖18。 圖17 縱波圖18表面波:當(dāng)固體彈性介質(zhì)表面受到交替變化的表面張力作用時(shí),介質(zhì)表面的質(zhì)點(diǎn)就產(chǎn)生相應(yīng)縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng),其結(jié)果導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)作這兩種振動(dòng)的合成振動(dòng),即繞其平衡位置作橢圓軌跡的振動(dòng),這種振動(dòng)的傳播形成表面波,是一種沿固體表面?zhèn)鞑サ牟āD19。由于液體和氣體不能產(chǎn)生剪切應(yīng)變,故不能傳播橫波和表面波,只能傳播縱波圖19由于液體和氣體不能產(chǎn)生剪切應(yīng)變,故不能傳播橫波和表面波,只能傳播縱波二、波形(指波的形狀)波形中波線、波前和波陣面的概念,圖110。波線:波動(dòng)的傳播方向。波前:某一時(shí)刻振動(dòng)傳播到最前沿的各質(zhì)點(diǎn)的軌跡。波陣面

5、:在同一時(shí)刻介質(zhì)中振動(dòng)的相位相同的所有軌跡。 圖110 波線、波前、波陣面第三節(jié) 聲波的波動(dòng)特性一、波的疊加當(dāng)幾列波在同一介質(zhì)中傳播時(shí),如果在空間某處相遇,則相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是各列波引起振動(dòng)的合成,在任意時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)的位移是各列波引起位移的矢量和。幾列波相遇后仍保持自己原有的頻率、波長(zhǎng)、振動(dòng)方向等特性并按原來的傳播方向繼續(xù)前進(jìn),好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣,這就是波的迭加原理,又稱波的獨(dú)立性原理。波的迭加現(xiàn)象可以從許多事實(shí)觀察到,如兩石子落水,可以看到兩個(gè)以石子入水處為中心的圓形水波的迭加情況和相遇后的傳播情況。又如樂隊(duì)合奏或幾個(gè)人談話,人們可以分辨出各種樂器和各人的聲音,這些都可以說明波

6、傳播的獨(dú)立性。二、波的干涉當(dāng)兩個(gè)頻率相同,振動(dòng)方向相同、相位相同或相位差恒定的波在介質(zhì)某點(diǎn)相遇后,會(huì)使一些點(diǎn)處的振動(dòng)始終加強(qiáng),而在另一些點(diǎn)處的振動(dòng)始終減弱或完全抵消,這種現(xiàn)象稱為波的干涉。這兩束波稱為相干波,波源稱為相干波源。如圖111,點(diǎn)波源S1、S2分別在M點(diǎn)引起的振動(dòng)為:點(diǎn)M的合振幅為:yAcos (t) 式中:A1、A2S1、S2在M點(diǎn)引起的振幅; AM點(diǎn)的合振幅;波長(zhǎng); 波程差,=x2x1。(1-6)圖111 (2)駐波波線上波節(jié)和波腹的位置是特定的,相鄰兩波節(jié)或波腹的間距可用下述方法求得。對(duì)于波節(jié)處cos2x0有2x(2n+1)2波節(jié)的位置:x(2n+1)4于是相鄰兩波節(jié)的間距為:

7、x2(n+1)+14一(2n+1)42同理可得相鄰兩波腹的間距也等于2。由于波節(jié)與波腹相間出現(xiàn),所以相鄰波節(jié)與波腹的距離為4。由此可見,對(duì)于兩端固定的弦線,只有當(dāng)弦線長(zhǎng)度等于半波長(zhǎng)2的整數(shù)倍時(shí),才能形成駐波。這就是超聲波探頭中壓電晶片(波源)的設(shè)計(jì)依據(jù)。(3)形成駐波時(shí),在界面處產(chǎn)生波節(jié)還是波腹與兩種介質(zhì)的疏密程度有關(guān),當(dāng)波從波疏介質(zhì)垂直入射到波密介質(zhì),又從波密介質(zhì)反射回到波疏介質(zhì)時(shí),在界面反射處產(chǎn)生波節(jié);反之,則在界面反射處產(chǎn)生波腹。如超聲波垂直入射到水鋼界面,就會(huì)在水鋼界面處形成位移波節(jié);超聲波垂直入射到鋼水界面,就會(huì)在鋼水界面處形成位移波腹。圖 112 駐波四、惠更斯原理如前所述,波動(dòng)是

8、振動(dòng)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(diǎn)的振動(dòng)都將引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng),鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng),因此波動(dòng)中任何質(zhì)點(diǎn)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(dòng)傳播到的各點(diǎn),都可以看作是發(fā)射子波的波源,在其后任意時(shí)刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。圖112是其例證?;莞乖碓诔暀z測(cè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。如圖113所示,一個(gè)作活塞式振動(dòng)的壓電晶片,振動(dòng)面上各點(diǎn)以速度c向外輻射超聲波,設(shè)在t時(shí)刻的波前為S1,在tt時(shí)刻的波前為S2,具體畫法如下,先以Sl面上各點(diǎn)為中心,以ct為半徑,畫出許多球形子波,再柞相切于各子波的波前的包跡面,就得新的

9、波前S2。 圖113 按惠更斯原理從子波畫出新的波前圖112 障礙物的狹縫成為新的波源第四節(jié) 聲場(chǎng)及其特征量充滿聲波的空間稱為聲場(chǎng)。聲場(chǎng)特征量有聲壓、聲阻抗、聲強(qiáng)。聲壓:超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的壓強(qiáng)P1與沒有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差,稱為該點(diǎn)的壓強(qiáng)P。PP1P0根據(jù)動(dòng)量原理和波動(dòng)方程可導(dǎo)出:P cAcos(t)cv (18)式中:介質(zhì)密度;v介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度;c波速。聲壓P的絕對(duì)值與介質(zhì)密度、波速c、角頻率成正比,而2f,所以聲壓也和頻率f成正比。超聲波檢測(cè)中測(cè)量的量值就是聲壓。聲壓的單位是壓強(qiáng)的單位:Pa(帕斯卡)聲阻抗:超聲場(chǎng)中任意點(diǎn)的聲壓與該點(diǎn)振動(dòng)速度之比,Zp / vc

10、v / vc (19)由vp / Z可看出,聲壓不變,v與Z成反比,Z,v聲強(qiáng):在垂直于聲波傳播方向的單位面積上,單位時(shí)間內(nèi)通過的平均能量,稱為聲強(qiáng)度,簡(jiǎn)稱聲強(qiáng),用符號(hào)I表示,單位:瓦/2。 (110)聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比。聲強(qiáng)級(jí)及單位:聲強(qiáng)I1與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I0之比的常用對(duì)數(shù)稱為聲強(qiáng)級(jí),單位:貝爾 ILlg(I1/I0) (Bel,貝爾) (111)標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)是聽覺的最小聲強(qiáng):I01016瓦/2實(shí)際使用嫌貝爾太大,取其1/10,稱為分貝dB IL10lg(I1/I0) dB (112)因聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比,故式(112)可寫為: IL10lg(P12/P22)20lg(P1/P2) (113

11、)第五節(jié) 波速聲波在介質(zhì)中傳播的速度稱為波速,又稱聲速。波速的大小取決于波型和傳播介質(zhì)特性,其一般表達(dá)式為: (114)式中:E正彈性模量;介質(zhì)密度;K與材料泊松比有關(guān)的常數(shù)。一、液體的縱波波速如前所述,液體介質(zhì)只能傳播縱波,其縱波波速為: (115)式中:cl縱波波速;Ka介質(zhì)的體積彈性模量;介質(zhì)密度。 二、無限大固體介質(zhì)的縱波波速 (116)式中:cl縱波波速;E介質(zhì)的楊氏彈性模量;介質(zhì)的泊松比。三、無限大固體介質(zhì)的橫波波速 (117)式中:ct橫波波速;G介質(zhì)的剪切彈性模量;介質(zhì)密度。四、半無限大固體介質(zhì)中的表面波波速當(dāng)泊松比在00.5的范圍內(nèi),其近似式為: (118)在同一固體介質(zhì)中c

12、l / ct2;對(duì)鋼而言cl / ct1.8,cr / ct0.92。因此,在固體介質(zhì)中,clctcr。這一性質(zhì)在超聲檢測(cè)中有其實(shí)際意義。 1、介質(zhì)對(duì)反射、透射的影響Z2Z1以水/鋼界面為例,如圖115所示:從而可知,反射聲壓、透射聲壓與入射聲壓都是同相位。Z2Z1以鋼/水界面為例,如圖216所示:從而可知,反射聲壓與入射聲壓相位相反,透射聲壓相位與入射聲壓仍相同。圖115 圖116從鋼入射至水的界面兩邊聲壓分布Z1Z2 例:鋼空氣界面,此時(shí)Z1(鋼)46106kg/m2s,Z2(空氣)0.0004106kg/m2s,則聲壓反射率為: rp(0.000446)/ 0.000446 1聲壓透射率

13、為:tP1rp1(1)0結(jié)果表明,在這種情況下聲波全反射。Z1Z2rp (Z2Z1 )/ (Z2Z1) 0 tP1rp101例如普通碳鋼焊縫的母材金屬和焊縫金屬聲阻抗僅相差1,在焊縫探傷時(shí),超聲波從母材金屬射入焊縫金屬,其m0.99,則聲壓反射率為: rp ( 1m )/ (1m )(10.99)/ (10.99) 0.005 聲壓透過率為: tP1rp10.0051結(jié)果表明,在這種情況下聲波全透射。3、薄層雙平界面(1)Z1Z3Z2 ,如圖117所示,當(dāng)薄層厚度很小時(shí),通過薄層的聲壓反射率和透射率可由式125和式126表示。 (1-25) (1-26)式中:d2異質(zhì)薄層厚度;2異質(zhì)薄層中的波

14、長(zhǎng);mZ1/Z2 上兩式說明:當(dāng)d2n2/2(n1、2、3),即d2等于2/2的整數(shù)倍時(shí),r0,t1,如工件中有一缺陷(例如鋼板中的夾層),其厚度剛好為2/2的整數(shù),超聲波就探不出來。當(dāng)d2(2n1)2/4,即d2等于2/4的奇數(shù)倍時(shí), rrmax,ttmin,超聲波反射率最高,透射率最低,有利于缺陷的檢出。當(dāng)d2/2、Z2一定時(shí),Z1,mZ1/Z2,r,t,這說明大的工件檢測(cè)靈敏度高。總的說來,超聲波垂直入射到薄層時(shí),其聲壓反射率、透射率不僅與兩種介質(zhì)的聲阻抗Z1、Z2有關(guān),而且與d2/2有關(guān)。(2)Z1Z2Z3 這種情況下的聲強(qiáng)透射率T可由下式描述: (1-27) 由上式可知:當(dāng)d2n2/

15、2(n1、2、3)或d20時(shí), T4 Z1Z3/ (Z1Z3)2 (1-28)當(dāng)d2(2n1)2/4,即d2等于2/4的奇數(shù)倍,且Z2(Z1Z3)1/2時(shí)這說明在這種條件下,聲強(qiáng)透射率與薄層無關(guān),好像不存在薄層。 (1-29)這一點(diǎn)對(duì)于探頭保護(hù)膜的設(shè)計(jì)很重要。為了使保護(hù)膜透聲良好,選擇材料時(shí),應(yīng)使其聲阻抗?jié)M足Z保護(hù)膜(Z晶片Z工件)1/2,且厚度應(yīng)設(shè)計(jì)為保護(hù)膜/4的奇數(shù)倍 第七節(jié) 超聲波傾斜入射到界面的反射和透射一、 傾斜入射到界面的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換1、縱波傾斜入射(如圖118a所示),當(dāng)縱波L傾斜入射到固/固界面時(shí),會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反射縱波L、反射橫波S、折射縱波L”和折射橫波S”。它們的反射

16、角或折射角遵守斯涅耳定律,由下式表示: (1-30)式中:cL1、cS1分別為第一介質(zhì)中的縱波、橫波波速;cL2、cS2分別為第二介質(zhì)中的縱波、橫波波速;L、L分別為縱波入射角、反射角;L、S分別為縱波、橫波折射角;S橫波反射角。 上式表明,所有入射角、反射角或折射角的正切與所在介質(zhì)相應(yīng)波速之比都相等。就反射而言,因在同一介質(zhì)中,故縱波反射角等于縱波入射角??v波傾斜入射會(huì)產(chǎn)生反射橫波和折射橫波,這種現(xiàn)象通常稱之為波型轉(zhuǎn)換。(波型轉(zhuǎn)換是一個(gè)很重要的概念)圖218 聲波傾斜入射示意圖2、橫波傾斜入射如圖118b所示,當(dāng)橫波S傾斜入射到固/固界面時(shí),同樣會(huì)產(chǎn)生反射縱波L、反射橫波S、折射縱波L”和折

17、射橫波S”。它們的反射角或折射角同樣遵守斯涅耳定律,由下式表示: (1-31)式中:S橫波入射角。其余符號(hào)同式130。橫波傾斜入射時(shí)同樣會(huì)超生波型轉(zhuǎn)換。圖118 聲波傾斜入射示意圖二、臨界角1、第一臨界角由式130及圖119a可以看出,當(dāng)cL2cL1時(shí),則LL,隨著L的增加,L也跟著增加。當(dāng)L增加到一定程度時(shí),L90如圖120a所示,這時(shí)所對(duì)應(yīng)的縱波入射角稱之為第一臨界角,用1表示,這時(shí)在第二介質(zhì)中只有橫波存在。 (1-32)圖119 臨界角示意圖2、第二臨界角圖119 臨界角示意圖由式130及圖119a可以看出,當(dāng)cS2cL1時(shí),則S2L1,隨著L1的繼續(xù)增加,S也跟著增加。當(dāng)L繼續(xù)增加到一

18、定程度時(shí),S290如圖119b所示,這時(shí)所對(duì)應(yīng)的縱波入射角稱之為第二臨界角,用2表示。 (1-33)這時(shí)在第二介質(zhì)中即無縱波也無橫波,開始在界面出現(xiàn)表面波。3、第三臨界角 由式131及圖119b可以看出,因cL1cS1,則LS,隨S增加,L也增加。當(dāng)S繼續(xù)增加到一定程度時(shí),L90如圖120c所示,這時(shí)所對(duì)應(yīng)的橫波入射角稱之為第三臨界角,用3表示。 (1-34)在這種情況下第一介質(zhì)中只存在反射橫波。在實(shí)際的橫波斜探頭探傷中,入射到工件中的橫波斜射到與探測(cè)面平行的底面,對(duì)底面的橫波入射角都大于第三臨界角,故不會(huì)出現(xiàn)反射縱波;如射到不平行探測(cè)面的反射面上,則橫波入射角有可能小于第三臨界角,從而出現(xiàn)反

19、射縱波與反射橫波同時(shí)存在的情況,如圖1-20所示示例。圖120 橫波入射產(chǎn)生變形縱波示例三、傾斜入射到界面的反射率、折射時(shí)的往復(fù)透過率 前面只談到了聲波傾斜入射反射波和折射波的方向,而在各方向的聲壓或往復(fù)透射率怎么樣,也應(yīng)是我們關(guān)注的問題。1、傾斜入射到鋼空氣界面的反射率 圖121是一個(gè)極坐標(biāo)圖,經(jīng)線表示角度,緯線表示聲壓反射率。該圖表示的是縱波入射到鋼/空氣時(shí)的情況。隨著縱波入射角從0逐漸增加,縱波聲壓反射率從1.0逐漸下降;而在60與70之間縱波聲壓反射率達(dá)到極小值;縱波入射角繼續(xù)增大,縱波聲壓反射率又隨之增大直到1.0。圖121右邊的圖是表示的橫波反射率的變化。隨著縱波入射角從0逐漸增加

20、,橫波聲壓反射率逐漸增加,大約在橫波反射角達(dá)到25左右時(shí),橫波聲壓反射率達(dá)到極大值(注意橫波反射角小于縱波入射角)。該極大值與縱波反射率的極小值基本上是相對(duì)應(yīng)的,即反射縱波聲壓進(jìn)入極小值的區(qū)域,其能量大部分給予了反射橫波。 圖121圖122表示的是橫波入射到鋼/空氣時(shí)的情況。隨著橫波入射角從0逐漸增加,橫波聲壓反射率從1.0逐漸下降;而在20與30之間橫波聲壓反射率達(dá)到極小值;橫波入射角繼續(xù)增大,橫波聲壓反射率繼續(xù)隨之增大,當(dāng)橫波反射角S33.2時(shí)橫波聲壓反射率等于1.0。圖122右邊的圖是表示的縱波反射率的變化。隨著橫波入射角從0逐漸增加,縱波聲壓反射率逐漸增加,直到達(dá)到第三臨界角(注意縱波

21、反射角大于橫波入射角),縱波聲壓反射率可達(dá)到4.0以上。這時(shí)與橫波反射率的極小值基本上是相對(duì)應(yīng)的,即反射橫波聲壓進(jìn)入極小值的區(qū)域,其能量大部分給予了反射縱波。 圖1222、傾斜入射到水/鋼、有機(jī)玻璃/鋼界面的往復(fù)透過率實(shí)際超聲波探傷中橫波斜探頭探傷時(shí),超聲波往復(fù)透過同一探測(cè)面,因此聲壓往復(fù)透過率更具實(shí)際意義。如圖123所示,超聲波傾斜入射,其折射波垂直射到一反射面上產(chǎn)生全反射。探頭接收到的回波聲壓Pa與入射聲壓P0之比稱為聲壓往復(fù)透射率,用T表示,TPa/ P0。圖124為縱波斜入射至水/鋼界面時(shí)的聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系圖。圖上表明,當(dāng)縱波入射角小于14.5(第一臨界角)時(shí),折射縱波往復(fù)

22、透射率不超過13,折射橫波往復(fù)透射率小與6。當(dāng)縱波入射角為14.527.27(第二臨界角)之間時(shí),鋼中沒有折射縱波,只有折射橫波,其折射橫波往復(fù)透射率最高不到20。 圖123斜入射聲壓往復(fù)透射率示意圖圖124水/鋼界面聲壓往復(fù)透射率 圖125為縱波斜入射至有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)的聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系圖。圖中表明,當(dāng)縱波入射角小于27.6(第一臨界角)時(shí),折射縱波往復(fù)透射率小于25,折射橫波往復(fù)透射率小與10。當(dāng)縱波入射角為14.527.27(第二臨界角)之間時(shí),鋼中沒有折射縱波,只有折射橫波,其折射橫波往復(fù)透射率最高不超過30,最高往復(fù)透射率時(shí)所對(duì)應(yīng)的縱波入射角約為30,橫波折射角約為37

23、。 從圖上還可看出,折射角在3550之間往復(fù)透射率比較高,更大的折射角往復(fù)透射率相對(duì)較低。 圖125有機(jī)玻璃/鋼界面聲壓往復(fù)透射率四、端角反射 (圖126端角反射示意圖)超聲波在兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射稱為端角反射,如圖126所示。在端角反射中超聲波經(jīng)歷了兩次反射,如不考慮波型轉(zhuǎn)換,第二次反射回波與入射波互相平行,回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比稱為端角反射率,用T端表示,即T端Pa/ P0。 圖127為鋼空氣界面上鋼中的端角反射率與入射角(指聲束射至端角平面的角,如圖127中的)的關(guān)系圖。圖127(a)是縱波入射端角的情況,端角反射率大都很低,這是因?yàn)榭v波在端角的兩次反射中分離出較強(qiáng)的橫波

24、。圖127(b)是橫波入射端角的情況,入射角等于30或60附近時(shí),端角反射率最低。入射角在3555之間時(shí),端角反射率達(dá)100。也就是說,橫波斜探頭的折射角S為3555(KtgS0.71.43)之間時(shí),探測(cè)類似端角的缺陷(例如焊縫中的未焊透)靈敏度較高,S55(K1.5)靈敏度較低。 從圖127還可看出,對(duì)端角的入射角在0或90附近時(shí),無論是縱波還是橫波,端角反射率理論上都是很高的。但實(shí)際上由于邊界效應(yīng),探測(cè)靈敏度并不一定高。 圖126端角反射示意圖圖127 端角反射率與入射角的關(guān)系第八節(jié) 聲波在曲面上的聚焦和發(fā)散一、平面波在曲面上的反射和折射1、平面波在曲面上的反射:當(dāng)平面波入射到曲界面上時(shí),

25、其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散,如圖128。反射波的聚焦或發(fā)散與曲面的凹凸(從入射方向看)有關(guān)。凹曲面的反射波聚焦,凸曲面的反射波發(fā)散。平面波入射到球面時(shí),其反射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波。在曲面軸線上距曲面頂點(diǎn)x處的反射波聲壓Px為: (1-35)式中:f焦距,fr2,(r為曲率半徑);x軸線上某點(diǎn)至頂點(diǎn)的距離; P0頂點(diǎn)處入射波聲壓; “土”“”用于發(fā)散,“一”用于聚焦。平面波入射到柱面時(shí),其反射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波。在曲面軸線上距曲面頂點(diǎn)x處的反射波聲壓Px為:(式中字母含義同1-35)。 (1-36)圖128 平面波在曲界面上的反射2、平面波在曲面上的透射 平面波入射到曲界面上時(shí),其折

26、射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散,如圖129。這時(shí)折射波的聚焦或發(fā)散不僅與曲面的凹凸有關(guān),而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的波速有關(guān)。對(duì)于凹透鏡,當(dāng)c1c2時(shí)聚焦,當(dāng)c1c2時(shí)發(fā)散;對(duì)于凸透鏡,當(dāng)clc2時(shí)聚焦,當(dāng)clc2時(shí)發(fā)散。圖129 平面波在曲界面上的透射平面波入射至球面透鏡時(shí),其折射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波,曲面軸線上距曲面頂點(diǎn)x處的折射波聲壓Px為: (138) 式中:t聲壓透射率; f焦距;“土”“”用于發(fā)散,“一用于聚焦。fr(1一c2c1)r(1一1n) (139)式中:nc1/c2 平面波入射到柱面透鏡,其折射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波。軸線上x處的折射波聲壓Px為: (式中字母含義同1-38)

27、實(shí)際探傷用的水浸聚焦探頭就是根據(jù)平面波入射到clc2的凸透鏡上,折射波發(fā)生聚焦的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)的,如圖130,這樣可以提高探傷靈敏度。通常用有機(jī)玻璃或環(huán)氧樹脂作聲透鏡,晶片與透鏡接觸的聲入射面為平面,其焦距按式139計(jì)算。當(dāng)聲射線離開鏡面后,匯聚于軸線上距鏡面f處附近,由于波在焦點(diǎn)附近的干涉結(jié)果,聲束并非聚焦為一個(gè)“點(diǎn)” ,而是一個(gè)具有一定大小的橢球,形成一個(gè)聚焦區(qū)域。圖130 使用聚焦探頭示意圖二、球面波在曲面上的反射和透射1、球面波在曲面上的反射球面波入射到曲界面上,其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散,如圖131。凹曲面的反射波聚焦,凸曲面的反射波發(fā)散。(1)球面波在球面上的反射波,可視為從像點(diǎn)發(fā)出的球

28、面波。軸線上距頂點(diǎn)為x處的反射波聲壓Px為: (1-40) (2)球面波在柱面上的反射波,既不是單純的球面波,也不是單純的柱面波,而是近似為兩個(gè)不同的柱面波疊加。軸線上距頂點(diǎn)為x處的反射波聲壓為: (1-41) 以上兩式中 P1a球面頂點(diǎn)處入射波聲壓; f焦距,fr2; a球面頂點(diǎn)至波源的距離;“土”“”用于發(fā)散, “一用于聚焦。圖131 球面波在曲界面上的反射 (3)球面波在實(shí)心圓柱體中的反射采用超聲波徑向探傷大型實(shí)心圓柱形鍛件時(shí),如圖132,類似于球面波在凹柱面上的反射,反射波聚焦于像點(diǎn)。以xa,fa4代入(141)式取“一”得到圓柱面上入射點(diǎn)處的反射回波聲壓: P柱 P1/2a P平 (

29、142)這說明實(shí)心圓柱體曲底面反射與同距離平底面反射,二者在入射點(diǎn)處的反射回波聲壓理論值是相同的。實(shí)際上,由于柱面耦合不良(接觸面小)其回波一般都低于平底面回波。(4)球面波在空心圓柱體中的反射采用超聲波徑向探傷大型空心圓柱形鍛件時(shí),如圖133,類似于球面波在凸柱面上的反射,反射波發(fā)散。以 x=a,fr/2代入式(141)取“”得到圓柱面上入射點(diǎn)處的反射回波聲壓:這說明入射點(diǎn)處空心圓柱體的反射聲壓總是低于同距離的平底面的反射聲壓。這是由于凸曲面反射波發(fā)散的結(jié)果。另外還可看出,當(dāng)圓柱體外徑(2R)一定,內(nèi)孔徑直徑(2r)增加時(shí),其反射回波升高。圖132實(shí)心圓柱體反射波聲壓圖133 空心圓柱體反射

30、波聲壓2、球面波在曲面上的透射球面波入射到曲界面上,當(dāng)其發(fā)生透射時(shí),其折射波同樣會(huì)發(fā)生聚焦和發(fā)散,如圖134。軸線上距頂點(diǎn)x處的折射波聲壓為:(式中:c2/c1透射介質(zhì)與入射介質(zhì)波速之比。)球形界面:柱形界面: 圖134 球面波在曲界面上的折射第九節(jié) 超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)傳播時(shí),隨著傳播距離的增大聲壓逐漸減弱的種現(xiàn)象稱為衰減。一、衰減的原因1、由聲束擴(kuò)展引起的衰減 在聲波的傳播過程中,隨著傳播距離的增大,非平面聲波的聲束不斷擴(kuò)展增大,因此單位面積上的聲能(或聲壓)隨距離的增大而減弱,這種衰減稱為擴(kuò)散衰減。 擴(kuò)散衰減僅取決于波陣面的幾何形狀而與傳播介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。在遠(yuǎn)離聲源的聲場(chǎng)中,球面波

31、的聲壓P與至聲源距離a成反比(即P1/a),而柱面波則為P(1/a)1/2。對(duì)于平面波,聲能(或聲壓)不隨傳播距離而變化,不存在擴(kuò)散衰減。2、由散射引起的衰減 由于實(shí)際材料不可能是絕對(duì)均勻的,例如材料中有外來雜質(zhì)、金屬中的第二相析出、晶粒的任意取向等均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)材料聲阻抗不均,從而引起聲的散射。被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去,最終變成熱能,聲能被消耗,聲強(qiáng)(或聲壓)被減弱,這種衰減稱為散射衰減。3、由介質(zhì)的吸收引起的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),由于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦,從而使一部分聲能轉(zhuǎn)變成熱能。同時(shí),由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo),介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換,從而導(dǎo)致聲

32、能的損耗,以及由于分子弛豫造成的吸收,這些就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象,這種衰減稱為吸收衰減。二、衰減規(guī)律和衰減系數(shù)1、衰減規(guī)律對(duì)于平面余弦波來說,聲壓衰減規(guī)律可用下式表示: PP0e2s (246)式中:P0入射到材料界面上時(shí)的聲壓; P超聲波在材料中傳播一段距離s后的聲壓; 衰減系數(shù)。 需要指出的是,對(duì)于大多數(shù)固體和金屬介質(zhì)來說,通常所說的超聲波的衰減,即由(衰減系數(shù))表征的衰減僅包括散射衰減s和吸收衰減a,它們與被檢材料的材質(zhì)有關(guān),故稱為材質(zhì)衰減。而不包括僅與波陣面形狀有關(guān)的擴(kuò)散衰減如果考慮衰減的擴(kuò)散部分,則在距聲源(晶片)中心軸線上某一距離處(s3N),可將衰減公式寫成: (1-47)式中:衰減

33、系數(shù),sa ;A聲源(晶片)面積;波長(zhǎng);s距聲源距離。吸收衰減系數(shù)a 可表示為: ac1f(c1與晶粒大小和各向異性無關(guān)的常數(shù));f超聲波頻率。散射衰減系數(shù)s 根據(jù)晶粒大?。╠)與波長(zhǎng)()之比分為三種情況: d :s = c4F/d式中:c2、c3、c4常數(shù);F各向異性因子;d晶粒直徑。上述表明,材質(zhì)衰減與超聲頻率有關(guān),頻率f,則,反之亦然。三、衰減系數(shù)的實(shí)用測(cè)量方法1、對(duì)于薄材料: (148)式中:材料的單程衰減系數(shù);m、n底波的反射次數(shù);Bm、Bn第m、n次底波高度;每一次反射的損失(一般為0.51.0dB);T工件厚度。2、對(duì)于厚工件 (20lgB1/B26)/ 2T (149) 式中:

34、B1、B2第1、2次底波高度;6擴(kuò)散衰減引起的分貝差;反射損失;T工件厚度。第十節(jié) 超聲場(chǎng)超聲波分布的空間稱為超聲場(chǎng)。一、超聲波產(chǎn)生原理簡(jiǎn)介 原則上,凡是能將其他形式能量轉(zhuǎn)換成超聲的能量,都可以用來產(chǎn)生超聲波。但在超聲檢測(cè)中,目前應(yīng)用最多的是利用某些晶體或多晶陶瓷,例如石英、鋯鈦酸鉛、鈮酸鋰等,的壓電效應(yīng)來獲得超聲波。 在壓電晶體某一方向(如厚度方向)施加應(yīng)力,使其應(yīng)變,晶體兩面這時(shí)會(huì)分別產(chǎn)生正、負(fù)電荷,形成電場(chǎng),這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng);在壓電晶體的某一方向施加電場(chǎng),晶體兩面這時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變,這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱壓電效應(yīng)。如在晶體兩面施加高頻交變電壓,晶體就會(huì)相應(yīng)地伸長(zhǎng)或縮

35、短,產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),從而通過彈性介質(zhì)輻射出高頻聲波。二、縱波超聲場(chǎng)縱波圓盤聲源在聲束軸線上聲壓的分布根據(jù)疊加原理和波的干涉理論,聲束軸線上任何一點(diǎn)處的聲壓等于聲源上各點(diǎn)輻射的聲壓在該點(diǎn)的迭加,如圖135所示。由于壓電晶片上各點(diǎn)到達(dá)該點(diǎn)的距離不同,疊加時(shí)有相位差,因而在整個(gè)聲束軸線上出現(xiàn)有聲壓極大值和聲壓極小值的起伏。如果聲源發(fā)出的波為連續(xù)簡(jiǎn)諧波,且不考慮衰減,則圓盤形縱波聲源在聲束軸線上瞬時(shí)的聲壓分布可由式(150)表示,按該式得出的聲束軸線上瞬時(shí)的聲壓分布曲線如圖136所示。公式(150): 式中:P0聲源的起始聲壓;P聲束軸線上距聲源距離為a處的聲壓;D晶片直徑;波長(zhǎng);a距聲源距離。圖135

36、 圓盤源軸線上聲壓推導(dǎo)圖圖136 從圖137和式150可知,聲束軸線上聲壓隨距離的變化規(guī)律是一個(gè)正弦周期函數(shù),在N區(qū)(近場(chǎng))內(nèi)瞬時(shí)聲壓Pa在02P0(聲壓幅值)內(nèi)變化,有幾個(gè)極大極小值。只有當(dāng)傳播距離a(聲程)大于N值時(shí),聲壓隨a的增加呈單調(diào)下降,只有當(dāng)a6N時(shí),Pa與a的關(guān)系才符合Pa1/a,即距離增加一倍,聲壓下降一半。最后一個(gè)極小值在N/2處。1、近場(chǎng)距離(長(zhǎng)度)聲束軸線上最后一個(gè)聲壓極大值點(diǎn)至聲源的距離稱為近場(chǎng)距離或近場(chǎng)長(zhǎng)度以N表示。根據(jù)數(shù)學(xué)原理,可從式(150)推導(dǎo)出:式中:A晶片面積;D晶片直徑;波長(zhǎng)。當(dāng)晶片直徑D遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí),4可忽略不計(jì),則N可由公式表達(dá) (1-51)對(duì)方形晶片

37、,把方晶片的面積,代入式151算出近場(chǎng)長(zhǎng)度: (1-51)式中:a、b分別為方形晶片的兩個(gè)邊長(zhǎng)。F晶片面積。 距離小于N的范圍稱為近距離聲場(chǎng),簡(jiǎn)稱近場(chǎng);距離大于N的范圍稱為遠(yuǎn)距離聲場(chǎng), 簡(jiǎn)稱遠(yuǎn)場(chǎng)。圖137中還表示出了球面波聲壓曲線(圖中虛線所示曲線)??梢钥闯?,在遠(yuǎn)場(chǎng)中,在距離a3N時(shí),圓盤源軸線上的聲壓與球面波的聲壓之間的差別已甚小,a6N時(shí),已基本符合球面波規(guī)律,即:P1/a;a2N時(shí),誤差近乎為10,a1.6N時(shí),誤差約為15。 圖1372、軸線聲壓的簡(jiǎn)化計(jì)算當(dāng)a3N時(shí),式147可近似地簡(jiǎn)化為: (153)式中:Fs聲源面積。式153表明,當(dāng)a3N時(shí),圓盤源軸線上的聲壓與距離成反比,與聲

38、源面積成正比,符合球面波規(guī)律。3、近場(chǎng)區(qū)在二種介質(zhì)中的分布 在實(shí)際工作中,有時(shí)近場(chǎng)區(qū)分布于兩種不同的介質(zhì)中,如圖138。此時(shí)需要了解近場(chǎng)在兩種介質(zhì)中的分布,特別是在被檢測(cè)工件內(nèi)近場(chǎng)的長(zhǎng)度。 如果超聲場(chǎng)全部在第一介質(zhì)中,近場(chǎng)值為N1FS / ()D2f / (4c1)(c1為第一種介質(zhì)的聲速);如果超聲場(chǎng)全部在第二介質(zhì)中,近場(chǎng)值為N2FS / ()D2f / (4c2)(c2為第二種介質(zhì)的聲速)。設(shè)聲波先經(jīng)厚度為l1的第一種介質(zhì)再進(jìn)入第二種介質(zhì),見圖138,則可將第一種介質(zhì)的厚度L1折合成第二種介質(zhì)的長(zhǎng)度L1,則:N N2L1 N2L1 c1/ c2 - L1 c1/ c2 (154) 圖138

39、4、指向性 同樣根據(jù)疊加原理,聲源輻射場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)的聲壓也可以用聲源上各點(diǎn)輻射聲壓在該點(diǎn)疊加來計(jì)算,如圖139。 圖140用直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)表示了在遠(yuǎn)場(chǎng),垂直于聲束軸線的某一截面的聲壓分布情況。圖中說明,超聲波能量主要集中在聲束軸線附近,兩側(cè)的聲壓很低并略有起伏,對(duì)應(yīng)Y3.83、7.02、10.17的位置出現(xiàn)零值。將Y3.83的第一零值至晶片中心的連線與聲束軸線形成的夾角定義為指向角,(也稱半擴(kuò)散角),其值可由下式求出:=sin1(1.22/ D) 1.22/ D (弧度) (155a) 70/ D (弧度) (155b )式中:波長(zhǎng);D晶片直徑。對(duì)于方形晶片其值可由下式求出:=sin1(/ a

40、(或b) / a(或b) (弧度) (156a) 57/ a(或b)(度) (156b) 式中:a、b方晶片的邊長(zhǎng)。圖139 遠(yuǎn)場(chǎng)中任意一點(diǎn)聲壓推導(dǎo)圖圖140 圓盤源聲束指向性 關(guān)于非擴(kuò)散區(qū),人們一般將距晶片距離為b的一段,超聲能量未溢出以晶片面積為底的圓柱體稱為非擴(kuò)散區(qū),如圖141所示。按幾何關(guān)系可求出:圓盤源聲束指向性 b1.64N (157)三、假想橫波波源目前常用的橫波探頭,是使縱波傾斜入射到界面。橫波斜探頭超聲場(chǎng)面上,通過波型轉(zhuǎn)換來獲得橫波的。當(dāng)入射角在第1臨界角和第2臨界角之間時(shí),縱波全反射,第二介質(zhì)中只有折射橫波。橫波探頭輻射的聲場(chǎng)由第一介質(zhì)中的縱波聲場(chǎng)與第二介質(zhì)中的橫波聲場(chǎng)兩部

41、分組成,兩部分聲場(chǎng)是彎折的,如圖142所示。為了便于對(duì)橫波聲場(chǎng)的描述并象縱波那樣處理其計(jì)算,特將第一介質(zhì)中的縱波波源轉(zhuǎn)換為軸線與第二介質(zhì)中橫波波束軸線重合的假想橫波波源,這時(shí)整個(gè)聲場(chǎng)可視為由假想橫波波源輻射出來的連續(xù)的橫波聲場(chǎng)。 當(dāng)實(shí)際波源為圓形時(shí),其假想橫波波源為橢圓形,橢圓的長(zhǎng)軸等于實(shí)際波源的直徑DS,短軸為 D S DS cos/ cos (158) 式中橫波折射角; 縱波入射角。 圖141 非擴(kuò)散區(qū)示意圖圖142 引入假想源的橫波聲場(chǎng)四、橫波聲場(chǎng)聲束軸線上的聲壓 橫波聲場(chǎng)同縱波聲場(chǎng)一樣由于波的干涉存在近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。當(dāng)聲程x3N時(shí),橫波聲場(chǎng)聲束軸線上的聲壓為:P KFs cos/(S2

42、 a cos) (159) 式中; K系數(shù);Fs波源的面積;s2第二介質(zhì)中橫波波長(zhǎng); a軸線上某點(diǎn)至假想波源的距離。由式(159)可知,橫波聲場(chǎng)中,當(dāng)x3N,時(shí),波束軸線上的聲壓與波源面積成正比;與至假想波源的距離成反比,類似縱波聲場(chǎng)。1、近場(chǎng)長(zhǎng)度橫波聲場(chǎng)近場(chǎng)長(zhǎng)度為: N Fs cos/(S2 cos) (260)式中:N近場(chǎng)長(zhǎng)度,從假想聲源算起。橫波聲場(chǎng)的近場(chǎng)長(zhǎng)度和縱波聲場(chǎng)一樣,與波長(zhǎng)成反比,與波源面積成正比。橫波聲場(chǎng)中,第二介質(zhì)中的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為: N NL2 Fs cos /S2 cos L1 tg / tg (261)式中:Fs波源面積;S2介質(zhì)中橫波波長(zhǎng);L1入射點(diǎn)至波源的距離;L2入

43、射點(diǎn)至假想波源的距離。 為便于計(jì)算,教材中將采用有機(jī)玻璃做楔塊的斜探頭,探測(cè)鋼時(shí)的cos/ cos和tg/ tg比值與K值的關(guān)系,列了對(duì)照表,見表11。 cos/cos和tg/tg與K值的關(guān)系 表11K值10152025cos/cos08807806806tg/tg075066058052、指向性: 橫波聲場(chǎng)的擴(kuò)散角與縱波聲場(chǎng)不同,對(duì)于圓盤源,在入射平面內(nèi),兩個(gè)指向角并不對(duì)稱,而是上指向角大于下指向角,即上下,如圖143。在通過軸線與入射平面垂直的平面內(nèi),指向角是對(duì)稱的,指向角為: = sin1(1.222/ D) 702/ D (262) 式中:2第二介質(zhì)(鋼)中的波長(zhǎng); D晶片尺寸。圖14

44、3 斜探頭(2MHz、12、60)在鋼中的指向角第十一節(jié) 遠(yuǎn)聲場(chǎng)中規(guī)則反射體的反射規(guī)律 在前面已討論了超聲波入射到大平面上的行為,而實(shí)際超聲檢測(cè)中缺陷的尺寸相對(duì)較小,形狀各異,現(xiàn)討論幾種典型理想化界面的情況。一、超聲波的散射和衍射 超聲波在傳播過程中如果遇到一個(gè)障礙物,就可能產(chǎn)生反射、散射和衍射等現(xiàn)象,這些現(xiàn)象的發(fā)生不僅與聲阻抗有關(guān),還與障礙物的大小有關(guān)。 如果障礙物的尺寸比超聲波的波長(zhǎng)小得多,則它們對(duì)超聲波的傳播幾乎沒有影響,見圖144a。如果障礙物的尺寸小于超聲波的波長(zhǎng),則波到達(dá)這障礙物后,根據(jù)惠更斯原理,將使其成為新的波源而向四周發(fā)射波,見圖144b。如果障礙物的尺寸與超聲波的波長(zhǎng)近似,

45、其聲阻抗與周圍介質(zhì)不同,則超聲波將發(fā)生不規(guī)則的反射、折射和透射。 如果障礙物的尺寸比超聲波的波長(zhǎng)大得多,且聲阻抗與周圍介質(zhì)的聲阻抗差別很大,則在障礙物界面上發(fā)生超聲波的反射而無透射,此時(shí)在障礙物后面將形成一個(gè)聲影區(qū)。但是根據(jù)惠更斯原理,聲波可繞過障礙物的邊緣不按原來的方向而折向障礙物后面?zhèn)鞑ィ此^衍射(繞射)。聲影區(qū)也因此隨著離障礙物的距離的增則逐漸縮小,到一定的距離后聲影區(qū)消失。,見圖144 c。圖144二、遠(yuǎn)聲場(chǎng)中規(guī)則反射體的反射1、遠(yuǎn)聲場(chǎng)中的聲壓當(dāng)聲程S3N時(shí),其聲場(chǎng)可看成球面波,聲束軸線上的聲壓P可用式(153)描述,也可寫為: (163) 式中:P0聲源的聲壓; DS聲源直徑;波長(zhǎng)

46、;2、大平底面的反射: 大平面是常見的規(guī)則反射面,如工件平底面等。處于遠(yuǎn)聲場(chǎng)中的大平底面為B,它距聲源的距離為SB,見圖145根據(jù)式(163),則入射到大平底面B上的入射聲壓為: 大平底面反射到晶片上的返回聲壓為PB,若把大平底面看作鏡面反射,那么探頭上接收的返回聲壓,相當(dāng)于傳播了2SB聲程遠(yuǎn)處。假想晶片D上接收到的聲壓,PB可由下式求得: (1-64) 圖1453、圓盤形反射體的反射:如圖146所示,離探頭晶片距離S處有一直徑為的平底孔底面反射體(1時(shí),用一次波測(cè)定,如圖212b;當(dāng)K1時(shí),用二次波測(cè)定,如圖212c。這是因?yàn)镵值較小時(shí),一次波聲程短,往往在近場(chǎng)區(qū)內(nèi),測(cè)試誤差大。探頭主聲束偏

47、離,將會(huì)影響對(duì)缺陷的定位和判別。圖2122、雙峰平行移動(dòng)探頭,同一反射體產(chǎn)生兩個(gè)波峰的現(xiàn)象稱為雙峰,這是波束分叉引起的。直探頭和斜探頭都可能出現(xiàn)雙峰,下面以斜探頭為例說明之。斜探頭雙峰常用橫孔試塊來測(cè)定,如圖213a。探頭對(duì)準(zhǔn)橫孔,并前后移動(dòng),當(dāng)示波屏上出現(xiàn)圖213b所示的雙峰包絡(luò)線時(shí),說明探頭具有雙峰。探頭主聲束出現(xiàn)雙峰,也會(huì)影響對(duì)缺陷的定位和判別。3、斜探頭前沿長(zhǎng)度斜探頭主聲束軸線與探測(cè)面的交點(diǎn)稱為入射點(diǎn)。斜探頭入射點(diǎn)至探頭前邊沿的距離稱為斜探頭的前沿長(zhǎng)度。測(cè)定探頭的入射點(diǎn)和前沿長(zhǎng)度是為了便于對(duì)缺陷定位和測(cè)定斜探頭折射角(K值)。將斜探頭放在IIW試塊上,如圖214的A位置,前后移動(dòng)探頭,

48、使半徑R100圓柱曲底面回波達(dá)最高,此時(shí)R100圓柱曲底面圓心所對(duì)應(yīng)的斜楔底面的點(diǎn)就是該探頭的入射點(diǎn)。這時(shí)探頭的前沿長(zhǎng)度L0為: L0RM (27) 式中M是試塊前邊緣至探頭前沿的距離。圖2134、斜探頭折射角(K值):斜探頭的折射角(K值)對(duì)于缺陷的定位非常重要,必須準(zhǔn)確測(cè)試。斜探頭的折射角(K值)常用IIW試塊或CSKIA試塊上的50和1.5橫孔來測(cè)定,如圖214。當(dāng)探頭置于B位置時(shí),可測(cè)定s為3560(K0.71.73);探頭置于C位置時(shí),可測(cè)定s為6075(K1.733.0);探頭置于D位置時(shí),可測(cè)定s為7580(K3.735.67)。 下面以C位置為例說明斜探頭的折射角(K值)的測(cè)試

49、方法。探頭對(duì)準(zhǔn)試塊上50橫孔,前后移動(dòng)探頭找到最高回波,此時(shí)可從探頭入射點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的刻度讀出s或K值。為獲得較準(zhǔn)確的值,找到最高回波時(shí),測(cè)出探頭前邊沿至試塊端頭的距離L,則有下式: 式中:L0探頭的前沿長(zhǎng)度。 值得注意的是:測(cè)定斜探頭的折射角(K值)也應(yīng)在近場(chǎng)區(qū)以外進(jìn)行。因?yàn)榻鼒?chǎng)區(qū)內(nèi),聲束軸線上的聲壓不一定是最高點(diǎn),測(cè)試誤差大。圖214 L35l0K stg1K (28) 30三、超聲波檢測(cè)儀器和探頭組合的主要性能1、儀器與探頭組合的分辨力儀器與探頭組合的分辨力是指在示波屏上區(qū)分相鄰兩缺陷的能力。能區(qū)分的相鄰兩缺陷的距離愈小,分辨力就愈高。影響分辨力的主要因素有晶片的Qm值和發(fā)射強(qiáng)度等。Qm值大

50、,發(fā)射強(qiáng)度大,分辨力低,反之亦然。儀器與直探頭組合分辨力的測(cè)定抑制至“0”,探頭置于CSK1A試塊上如圖215所示,左右移動(dòng)探頭,使示波屏上出現(xiàn)85、91、100三個(gè)臺(tái)階的反射回波A、B、C。當(dāng)A、B、C三個(gè)波不能分開時(shí)如圖216a),則分辨力F為: () (29)c當(dāng)A、B、C三個(gè)波能分開時(shí)如圖216b),則分辨力F為: () (210)一般要求分辨力F6mm。圖215直探頭分辨力的測(cè)試圖216直探頭分辨力的測(cè)試波形圖儀器與斜探頭組合分辨力的測(cè)定斜探頭置于CSKIA試塊上,如圖217a所示,對(duì)準(zhǔn)50、44、40三個(gè)臺(tái)階孔,示波屏上便出現(xiàn)三個(gè)反射波。平行移動(dòng)探頭并調(diào)節(jié)儀器,使50、44圓弧面回

51、波等高,如圖217b,其波峰為hl,波谷為h2則其分辨力X為: (dB) (211)實(shí)際測(cè)試時(shí),用衰減器將h1衰減到h2,其衰減量N為分辨力,即XNdB。一般要求X6dB。圖2172、儀器與探頭組合的靈敏度余量 超聲波檢測(cè)中靈敏度廣義的含意是指整個(gè)探傷系統(tǒng)(儀器與探頭)發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力。發(fā)現(xiàn)的缺陷愈小,靈敏度就愈高。儀器與探頭組合的靈敏度常用靈敏度余量來衡量。靈敏度余量是指儀器最大輸出時(shí)(增益、發(fā)射強(qiáng)度最大,衰減和抑制為0),使規(guī)定反射體回波達(dá)到基準(zhǔn)波高所需衰減總量。靈敏度余量大,說明儀器與探頭的靈敏度高。靈敏度余量與儀器和探頭組合的綜性能有關(guān),因此又叫儀器與探頭的綜合靈敏度。儀器與直探頭組

52、合的靈敏度余量的測(cè)定儀器增益至最大,抑制至“0”,發(fā)射強(qiáng)度至“強(qiáng)”,連接探頭,并使探頭懸空,調(diào)衰減器使電噪聲電平10,記下此時(shí)的衰減器的讀數(shù)N1dB。將探頭對(duì)準(zhǔn)2002平底孔試塊(聲程為200mm、平底孔直徑2mm)上的2平底孔,見圖218(a)。調(diào)衰減器使2平底孔回波高達(dá)50,記下此時(shí)衰減器讀數(shù)N2dB。則儀器與探頭的靈敏度余量N為:NN2N1(dB) (212)一般要求儀器與直探頭組合的靈敏度余量要30dB。儀器與斜探頭組合的靈敏度余量的測(cè)定 增益至最大,抑制至“0”,發(fā)射強(qiáng)度至“強(qiáng)”,連接探頭并懸空,記下電噪聲電平10的衰減量N1。探頭置于IIW試塊上對(duì)準(zhǔn)R100mm圓弧面,見圖21(b

53、),前后移動(dòng)探頭獲取R100mm圓弧面反射的最大波高,將其調(diào)為滿幅度 50時(shí),記下衰減量N2。則儀器與斜探頭組合的靈敏余量N為:NN2N1(dB) (213)一般要求儀器和斜探頭的靈敏度余量40dB。圖2183、始脈沖占寬和盲區(qū)始脈沖占寬及其測(cè)定:始脈沖占寬是指在一定的靈敏度下,示波屏上高度超過垂直滿幅度20時(shí)的始脈沖延續(xù)長(zhǎng)度,如圖2-19所示。其測(cè)定方法如下:按規(guī)定調(diào)好靈敏度并校準(zhǔn)“0”點(diǎn),圖220所示的示波屏上始脈沖后沿達(dá)20高處至水平刻度“0”點(diǎn)的距離Wn,即為始脈沖占寬。始脈沖占寬與晶片的機(jī)械品質(zhì)因子Qm和發(fā)射強(qiáng)度有關(guān)。Qm值大,發(fā)射強(qiáng)度大,始脈沖寬度大,反之亦然。 盲區(qū)及其測(cè)定:盲區(qū)

54、是指從探測(cè)面到能夠發(fā)現(xiàn)缺陷的最小距離。盲區(qū)內(nèi)靈敏度很低,難于發(fā)現(xiàn)缺陷。盲區(qū)的測(cè)定可在盲區(qū)試塊上進(jìn)行,如圖221所示。示波屏上能清晰地顯1平底孔獨(dú)立回波的最小距離即為所測(cè)的盲區(qū)。如果沒有盲區(qū)試塊,也可利用IIW或CSK-IA試塊來估計(jì)盲區(qū)的范圍,如圖222。若探頭于I處有獨(dú)立回波,則盲區(qū)小于或等于5mm。若I處無獨(dú)立回波,處有獨(dú)立回波,則盲區(qū)在510mm之間。若處仍無獨(dú)立回波,則盲區(qū)大于10mm。盲區(qū)的大小與儀器的阻塞時(shí)間和始脈沖寬度有關(guān)。 圖219圖220圖222盲區(qū)簡(jiǎn)易測(cè)試示意圖圖2214、信噪比:信噪比是指示波屏上有用的最小缺陷信號(hào)幅度與無用的噪聲雜波幅度之比。信噪比高,雜波少,對(duì)探傷有利

55、。信噪比太低,容易引起漏檢或誤判,嚴(yán)重時(shí)甚至無法進(jìn)行探傷。一般以2001平底孔反射回波H信與噪聲雜波高H噪之間的分貝差來表示信噪比的大小,即20lg(H信H噪)。第五節(jié) 數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,超聲波檢測(cè)儀的技術(shù)性能不斷提高,功能不斷增加,自動(dòng)化程度愈來愈高,技術(shù)先進(jìn)的數(shù)字化智能化的儀器不斷涌現(xiàn)。這種儀器以高精度的運(yùn)算、控制和邏輯判斷功能來替代大量人的體力和腦力勞動(dòng),減少了人為因素造成的誤差,提高了檢測(cè)的可靠性,一定程度上解決了記錄存檔問題,具有良好的發(fā)展前景:一、數(shù)字智能化探傷儀與傳統(tǒng)探傷儀比較具有以下特點(diǎn):1、檢測(cè)速度快:數(shù)字智能化探傷儀一般都可自動(dòng)檢

56、測(cè)、計(jì)算、記錄,有些儀器還能自動(dòng)進(jìn)行深度補(bǔ)償和自動(dòng)設(shè)置檢測(cè)靈敏度,因此檢測(cè)速度快,效率高。2、檢測(cè)精度高:數(shù)字化儀器能對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集、量化、計(jì)算和判別,檢測(cè)精度高于傳統(tǒng)儀器檢測(cè)結(jié)果。3、可靠性高、穩(wěn)定性好:數(shù)字智能化儀器可全面客觀地采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù),并以采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或后處理,對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域或圖象分析,還可通過模式識(shí)別對(duì)工件質(zhì)量進(jìn)行分級(jí),減少了人為因素的影響,提高了檢測(cè)的可靠性和穩(wěn)定性。4、記錄與存檔:數(shù)字智能化儀器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可存儲(chǔ)和記錄檢測(cè)原始信號(hào)和檢測(cè)結(jié)果,對(duì)工件質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)綜合評(píng)價(jià)。對(duì)在役設(shè)備定期檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析處理,為材料評(píng)價(jià)和壽命予測(cè)提供依據(jù)。5、可編程性:

57、數(shù)字智能化儀器的性能和功能的實(shí)現(xiàn)很大程度上取決于軟件系統(tǒng)的支持。因此可方便地通過變更或擴(kuò)充軟件程序來改變或增加儀器的功能。二、數(shù)字式超聲檢測(cè)儀的類型1、菜單式:菜單式儀器的面板上只有很少幾個(gè)按鍵,通過【上】【下】鍵,【左】【右】鍵及【確認(rèn)】等鍵來調(diào)用儀器的某項(xiàng)功能和設(shè)置參數(shù),儀器的面板簡(jiǎn)潔,一目了然,但操作較為復(fù)雜。2、功能鍵式:功能鍵式儀器的面板上不僅有上述按鍵,還布置了較多的功能鍵。一般一鍵可調(diào)用兩個(gè)功能,通過重復(fù)按鍵來改變功能。按功能鍵調(diào)出相應(yīng)功能,然后通過【上】【下】鍵,【左】【右】鍵及【確認(rèn)】等鍵來設(shè)置參數(shù)。儀器面板按鍵多,相對(duì)較復(fù)雜,但經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間訓(xùn)練后,操作較為簡(jiǎn)單、快捷。第三章

58、 超聲波檢測(cè)的通用技術(shù)第一節(jié) 超聲波檢測(cè)方法分類超聲波檢測(cè)方法分類如下:一、按原理分類超聲波檢測(cè)方法按原理分類,可分為脈沖反射法、穿透法和共振法。1、脈沖反射法脈沖反射法:超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被檢試件內(nèi),根據(jù)反射波的情況來檢測(cè)試件缺陷的方法,稱為脈沖反射法。脈沖反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。(1)缺陷回波法根據(jù)儀器示波屏上顯示的缺陷波形進(jìn)行判斷的方法,稱為缺陷回波法。該方法是反射法的基本方法。圖31是缺陷回波探傷法的基本原理,當(dāng)試件完好時(shí),超聲波可順利傳播到達(dá)底面,探傷圖形中只有表示發(fā)射脈沖T及底面回波B兩個(gè)信號(hào),如圖31a)所示。若試件中存在缺陷,在探傷圖形中,底面回波前有

59、表示缺陷的回波F如圖3一1b)所示。(2)底波高度法:當(dāng)試件的材質(zhì)和厚度不變時(shí),底面回波高度應(yīng)是基本不變的。如果試件內(nèi)存在缺陷,底面回波高度會(huì)下降甚至消失,如圖32所示。這種依據(jù)底面回波的高度變化判斷試件缺陷情況的探傷方法,稱為底波高度法。圖31圖323)多次底波法如圖33所示,當(dāng)透人試件的超聲波能量較大,而試件厚度較小時(shí),超聲波可在探測(cè)面與底面之間往復(fù)傳播多次,示波屏上出現(xiàn)多次底波B1、B2、B3。如果試件存在缺陷,則由于缺陷的反射以及散射而增加了聲能的損耗,底面回波次數(shù)減少,同時(shí)也打亂了各次底面回波高度依次衰減的規(guī)律,并顯示出缺陷回波。這種依據(jù)底面回波次數(shù)來判斷試件有無缺陷的方法,即為多次

60、底波法。2、穿透法穿透法是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件之后的能量變化來判斷缺陷情況的一種方法,如圖34所示。穿透法常采用兩個(gè)探頭,一個(gè)作發(fā)射用,一個(gè)作接收用,分別放置在試件的兩側(cè)進(jìn)行探測(cè),圖34a)為無缺陷時(shí)的波形,圖34b)為有缺陷時(shí)的波形。圖33圖343、共振法頻率可調(diào)的連續(xù)超聲波在被檢工件內(nèi)傳播,當(dāng)試件的厚度為超聲波的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),將引起共振,儀器顯示出共振頻率,用相鄰的兩個(gè)共振頻率之差可算出試件厚度。當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷或工件厚度發(fā)生變化時(shí),將改變?cè)嚰墓舱耦l率。依據(jù)試件的共振特性,來判斷缺陷情況和工件厚度變化的方法稱為共振法。共振法常用于試件測(cè)厚。二、按波型分類根據(jù)檢測(cè)采用的波型,可分

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