超聲波基礎(chǔ)知識講解

超聲波基礎(chǔ)知識的一般講解一、超聲波探傷物理基礎(chǔ)1、超聲波是一種機械波機械振動：物體沿直線或曲線在某一平衡位置附近作往復(fù)周期性的運動稱為機械振動。機械波：機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程，稱為機械波；如水波、聲波、超聲波等。產(chǎn)生機械波的條件：（1）要有作機械振動的波源（2）要有能傳播機械振動的彈性介質(zhì)2、 波長、波速、頻率1） 波長：同一波線上相鄰兩振動相位相同的質(zhì)點之間的距離，符號入2） 波速：波動在彈性介質(zhì)中單位時間內(nèi)所傳播的距離，符號C3） 頻率：波動過程中，任一給定點在1秒內(nèi)能通過的完整波的個數(shù)，符號f三者的關(guān)系：C=A?f3、 次聲波、聲波和超聲波1） 次聲波：頻率低于20Hz的機械波2） 聲波：頻率在20?20000Hz的機械波3） 超聲波：頻率高于20KHz的機械波4、 超聲波的特性1） 方向性好，猶如手電簡燈光在黑暗中尋找到所需物品2） 能量高3） 能在界面上產(chǎn)生反射折射和波型轉(zhuǎn)換4） 超聲波穿透能力強5、 超聲波的類型a、按質(zhì)點的方向分類1） 縱波：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相同的波2） 橫波：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直的波3） 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?） 板波：在板厚與波長相當?shù)膹椥员“逯袀鞑サ牟–、按波的形狀分類1） 平面波：波陣面為互相平行的平面的波2） 柱面波：波陣面為同軸圓柱面的波3） 球面波：波陣面為同心球面的波6、 聲速縱波：鋼5900m/s鋁6300m/s水1500m/s有機玻璃2700m/s空氣340m/s橫波：只能在固體中傳播鋼3200m/s鋁3130m/s有機玻璃1120m/s表面波：聲速大約為橫波的0.9倍，縱波的0.45倍7、 超聲波垂直入射到平面上的反射和透射當超聲波垂直入射到足夠大的光滑平面時，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射波設(shè)入射波聲壓為P，反射聲壓為P,透射聲壓為P,TOC\o"1-5"\h\z0 r t其聲壓反射率r=P/P=（z-z）/（z+z）r 0 21 21其聲壓透射率t=P/P=2z/（z+z）t 0 2 21

8、超聲波斜射到平面上的反射與折射波型轉(zhuǎn)換：當超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時，除了產(chǎn)生與入射波同類型的反射波和折射波外,還會產(chǎn)生與入射波不同類型的反射波和折射波，稱為波型轉(zhuǎn)換，波型轉(zhuǎn)換只可能在固體中產(chǎn)生。第一臨界角：超聲波縱波傾斜入射到異質(zhì)界面上，若第二介質(zhì)縱波波速C大于第一介質(zhì)縱波L2波速C，即C〉C，則縱波折射角0，即0〉a，隨著a增加，P也增加。當a增加到L1 L2L1 L L L L L L一定程度時0l=90°，這時所對應(yīng)的縱波入射角稱為第一臨界角。第二臨界角：超聲波縱波傾斜入射到異質(zhì)界面上，若第二介質(zhì)橫波波速C大于第二介質(zhì)縱波S2波速C，即C〉C，則橫波折射角0，即0〉a，隨著a增加，0也增加。當a增加到TOC\o"1-5"\h\zL1 S2L1 SSL l L L一定程度時0=90°，這時所對應(yīng)的縱波入射角稱為第二臨界角。第三臨界角：超聲波縱波傾斜入射到異質(zhì)界面上，若第二介質(zhì)中的橫波波速C,在第一介質(zhì)中產(chǎn)生反射縱波和橫波，由于在同一介質(zhì)中縱波聲速C恒大于橫波聲速C，所以縱波折射角L S1恒大于縱波折射角，即Y〉a，隨著a的增加丫也增加，當a增加到一定角度時，Y=90°，L S s L s L這時橫波入射角稱為第三臨界角。第一，二臨界角的物理意義:當a<ai時，第二介質(zhì)中既有折射縱波也有折射橫波a=a?a時，第二介質(zhì)中只有折射橫波當a〉ai時，第二介質(zhì)中既無折射橫波又無折射縱波例：有機玻璃中，縱波聲速C=2700m/s，鋼中縱波C=5900m/s,C=3230m/s。求此有機玻璃橫波斜探頭縱波入射角的范圍？ L2 S2解：Sin解：Sina/C=Sin90°/CL1 L2Sina=27.6°Sina'/C=Sin90°/CL1 S2Sina=57.6°iiSina=CXI/C=2700/5900L1 L2Sina=CX1/C=2700/3230L1 S2第三臨界角的物理意義當a三a時第一介質(zhì)中只存在反射橫波，不存在反射縱波S I9、超聲波的衰減主要包括擴散衰減、散射衰減和吸收衰減a、 擴散衰減：由于波束的擴散引起的衰減隨著傳播距離的增加，波束截面越來越大，單位上的能量逐漸減小。b、 散射衰減：聲波傳播過程中遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面，產(chǎn)生反射折射和波型轉(zhuǎn)換c、 吸收衰減：超生波在介質(zhì)中傳播時由于介質(zhì)質(zhì)點間的內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)引起的衰減當工件厚度x±3N時，并具有平行底面或圓柱曲底面時x=【20log（F/0）-6】/2入 x0/mm（不考慮底面反射損失）210、關(guān)于縱波發(fā)射聲場（圓盤聲源）圓盤聲源軸線上聲壓分布：波源附近的軸線上聲壓上下起伏變化，存在著若干個極大極小值，距波源的距離越近聲壓極大極小值的點就越密。聲學上把由于波的干涉在波源附近的軸線上產(chǎn)生一系列聲壓極大極小值的區(qū)域稱為超聲波的近場區(qū)近場區(qū)長度N=D2/4入（超聲波是有探頭的X電晶片（激波），發(fā)出的而這個波源可以看作是由許多發(fā)射聲波的子波源組成這些子波波源作同相位，同振幅振動，各自發(fā)出球面子波，并相互疊加長生干涉使一些地方聲強互相加強，另一些地方互相減弱探超聲場的近場長度與波長成反比，與波源面積成正比超聲波頻率越高，波長越短超聲場的近場長度就越長由于近場區(qū)存在聲壓極大極小值，處于聲壓極大值處的較小缺陷可能回波較高，而處于聲壓極小值處的較大缺陷可能回波較低，因此超聲波探傷總是盡量避免在近場區(qū)定量。波束半徑擴散角8二arcsinl.22入/D~70入/D未擴散區(qū)與擴散區(qū)（未擴散區(qū)用b表示）當xWb=1.64N,波束可視為直徑為D的圓柱體，波陣面近似于平面，波束并不擴散，因此，這一區(qū)域內(nèi)聲場可視為平面波聲場平均聲壓基本不變，實際探傷中薄板或塊狀工件前幾次底波高度相差無幾就是這個原因。X〉b區(qū)域內(nèi)，波束開始擴散，稱為擴散區(qū)這時主波束可視為底波直徑為D的截頭圓錐體，當x〉3N時，波束按環(huán)面波規(guī)律開始擴散11、規(guī)則反射體的回波聲壓（條件x±3N）a、 平底孔的回波聲壓：P=PF/入二PFF/入2X2P：平底孔回波聲壓P°:晶片起好聲壓F:晶片的面積F:平底孔面積0:平底孔直徑入：波長X:平底孔至波源的距離b、 長橫孔的回波聲壓：P=PF/入X?（0/8x）i/20 Oc、 球孔的回波聲壓：P=PF/入X?d/4x0 Od:球孔直徑d、 大平底回波P=PF/2AxBOD應(yīng)用舉例：用2.5MH014mm的直探頭，探測厚度為350mm的鍛件，探傷靈敏度為03（平底孔當量），問如何用STBGV-2調(diào)節(jié)儀器的探傷靈敏度？答：P2=P/FF2=P?FF/入2X22P3=P/fF3=P?FF3/入2X23△dB=20log（P/P2）=20log【（F3/F2）?X2丿X23】=40log【（F3/F2）?x丿x3】10 03 02 10 03 02 02 03 10 03 02 02 03=40gq3X150/2X350=-7.8dB所以應(yīng)提高7.8dB二、儀器、探頭1、超聲波探傷儀概述作用：超聲波探傷儀是超聲波探傷的主體設(shè)備，作用是產(chǎn)生振蕩并加于換能器一一探頭，激勵探頭發(fā)射超聲波同時將探頭送回來的電信號進行放大通過一定方式顯示出來從而得到被探工件內(nèi)部有無缺陷及缺陷位置和大小等信息2、儀器分類按超聲波的連續(xù)性分類分為A、脈沖波探傷儀B、連續(xù)波探傷儀C、調(diào)頻波探傷儀。A、 脈沖波探傷儀：儀器通過探頭向工件周期性的發(fā)射不連續(xù)且周期不變的超聲波，根據(jù)超聲波的傳播時間及中度判斷工件中的缺陷位置和大小。這是目前應(yīng)用最廣泛的探傷儀B、 連續(xù)波探傷儀：儀器通過探頭向工件中發(fā)射連續(xù)且頻率不變的超聲波，根據(jù)透過工件的超聲波強度變化判斷工件中有無缺陷及缺陷大小。C、 調(diào)頻波探傷儀：儀器通過探頭向工件中發(fā)射連續(xù)的頻率周期性變化的超聲波，根據(jù)發(fā)射波和反射波的差頻變化情況判斷工件中有無缺陷。按缺陷顯示方式分類：A型顯示探傷儀：是一種波形顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標代表聲波的傳播時間，縱坐標代反射波的幅度。B型顯示探傷儀：是一種圖形顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標是靠機械掃描來代表探頭的掃查軌跡，縱坐標是靠電子掃描來代表波的傳播時間，因而可以直觀的顯示出被探工件橫-縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。C型顯示探傷儀：也是一種圖形顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標與縱坐標都是靠機械掃描來代表探頭在工件表面的位置，當探頭在工件表面移動時熒光屏便顯示出工件內(nèi)部缺陷的平面圖像。邊能顯示其深度。A型脈沖探傷儀幾個主要組成部分：同步電路、掃描電路、發(fā)射電路、接受電路、顯示電路和電源電路。3探頭的作用和原理作用：將電能轉(zhuǎn)換成超生能和將超生能轉(zhuǎn)換成電能（產(chǎn)生超生波、接受超聲波）壓電效應(yīng)：某些晶體受到壓力或拉力產(chǎn)生形變時，在晶體的界面上出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象叫正壓電效應(yīng)。而在電場的作用下，晶體發(fā)生彈性形變的現(xiàn)象叫逆壓電效應(yīng)，正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，正壓電效應(yīng)接受超聲波。壓電晶體的主要性能參數(shù)a、 壓電應(yīng)變常數(shù)d33壓電應(yīng)變常數(shù)表示單位電壓產(chǎn)生的形變大小。若施加一定電壓U，使高度變化，貝V：d二At/u（米/伏）33 aa它反映晶體的逆壓電性能，它關(guān)系著晶片的發(fā)射靈敏度，d大，晶體發(fā)射性能好，制作單33發(fā)射超聲波探頭，應(yīng)選用d較大的壓電晶片33b、 壓電電壓常數(shù)g壓電電壓常數(shù)表示單位壓力產(chǎn)生的相對形變電壓的大小，若施加應(yīng)力為P,晶體產(chǎn)生的電壓為u，則g=u/p（伏米/牛頓）壓電電壓常數(shù)反映壓電晶體的正壓電特性，它關(guān)系著晶片的接受靈敏度，因此也稱壓電接受系數(shù)；g大晶片接受性能好，接受到微弱的超聲波信號就可以產(chǎn)生較高的電壓，制作高接的33超聲波探頭，應(yīng)選用g較大的壓電晶片。33A型脈沖反射式超聲波探傷儀的工作過程：同步電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖同時加至掃描電路和發(fā)射電路，掃描電路受觸發(fā)開始工作，產(chǎn)生鋸齒波掃描電壓，加至示波管水平偏轉(zhuǎn)板，使電子束發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)在熒光屏上產(chǎn)生一條水平掃描線。與此同時，發(fā)射電路受觸發(fā)產(chǎn)生高頻脈沖，加至探頭，激勵壓電晶片振動，在工件中產(chǎn)生超聲波。超聲波在工件中傳播，遇到缺陷或底面發(fā)生發(fā)射，返回探頭時，又被壓電晶片轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)接受電路放大和檢波，加至示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上，使電子束發(fā)生垂直偏轉(zhuǎn),

在水平掃描線的相應(yīng)位置上，產(chǎn)生缺陷或底波。根據(jù)缺陷波的位置可以確定缺陷的埋藏深度,根據(jù)缺陷波的幅度可以估算缺陷的當量大小同步電路：又稱觸發(fā)電路，它每秒產(chǎn)生數(shù)十至千個脈沖，用來觸發(fā)探傷儀其它電路（掃描電路、發(fā)射電路等），使之步調(diào)一致，有條不紊的工作。掃描電路：又稱時基電路，用來產(chǎn)生鋸齒波電壓，加在示波管水平偏轉(zhuǎn)板上，使示波管熒光屏上的光點沿水平方向作等速移動，產(chǎn)生一條水平掃描線（即時基線），（深度粗調(diào)、微調(diào)、掃描延遲，都是掃描電路的控制旋鈕）發(fā)射電路：利用閘流管或可控硅的開關(guān)，它產(chǎn)生幾百伏至上千伏的電脈沖。電脈沖加于發(fā)射探頭，激勵壓電晶片振動，使之發(fā)射超聲波。接受電路由衰減器、射頻放大器、檢波器和視頻放大器組成，它將來自探頭的電信號進行放大、檢波，最后加至示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板上，并在熒光屏上顯示。C、機電耦合系數(shù)k從能量觀點出發(fā)，壓電效應(yīng)是一種電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的效應(yīng)，機械能和電能之間耦合強弱用機電耦合系數(shù)k表示，其定義為：I電能轉(zhuǎn)化成機械能泊乍比鴻弋左電、ki=共總的由能（從逆壓電效應(yīng)考慮）k=機械能轉(zhuǎn)化成電能k=機械能轉(zhuǎn)化成電能2共總的電能（從正壓電效應(yīng)考慮）機電耦合系數(shù)關(guān)系著晶片的轉(zhuǎn)化效率，k大轉(zhuǎn)化效率高，晶片的發(fā)射靈敏度和接收靈敏度高,反之則低。D、居里溫度Tc所有壓電材料當溫度達到一定值后，壓電效應(yīng)會自行消失，物理學上稱該溫度為材料的居里溫度或居里點；壓電體有上居里溫度和下居里溫度。如鋯鈦鉛T約為300°CT約為-80°C。c_上 c下因此探測高溫工件的探頭，應(yīng)采用上居里溫度較高的壓電晶片，而在寒冷地區(qū)應(yīng)選用下居里溫度低者。機械品質(zhì)因素e壓電晶片諧振時貯存的機械能e與在一個振動周期內(nèi)損耗的能量e之比稱為機械品質(zhì)因素:貯 損機械品質(zhì)因素em反映了壓電晶片諧振時由于內(nèi)摩擦能消耗的機械能的大小，e大機械能損耗小，靈敏度高，但脈沖寬度大，分辨率低，盲區(qū)大；e小則反之。一般探頭中壓電晶片背面的吸收塊的設(shè)置，就是為了降低探頭的機械品質(zhì)因素em，從而提高探頭的分辨率，減少盲m區(qū)。探頭的種類和結(jié)構(gòu)a、 種類：按波形分為：縱波探頭、橫波探頭、板波探頭和表面波探頭。按晶片數(shù)目分為：單晶探頭、雙晶探頭和多晶探頭按入射束方向分為：直探頭和斜探頭按頻譜分類：寬頻帶探頭和窄頻帶探頭b、 探頭的結(jié)構(gòu)：常用的探頭主要有：直探頭、斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭、水浸探頭和聚焦探頭直探頭：壓電晶片是探頭的核心元件，它的作用是發(fā)射和接收超聲波。晶片由壓電學晶片體按一定方式和一定方向切割而成或者由壓電陶瓷經(jīng)極化制成。晶片兩面敷有作為電極的銀層，目的是供給晶片的電壓均勻，晶片上電極火線引至電路，底面則接地線與電路的公共點相接以便形成回路。保護膜：壓電晶片（直探頭）前面一般都加保護膜，作用是保護壓電晶片和電極，防止磨損和破壞。它還須耐磨性能好、強度高、材質(zhì)聲衰減小、透聲性能好、厚度合適，一般分為軟保護膜和硬保護膜，硬保護膜常用氧化鋁（剛玉）、金屬片等。軟保護膜常用軟性塑料制成。阻尼塊：也稱吸收快，粘附在壓電晶片背面，其作用是阻止晶片的慣性振動和吸收晶片背面輻射的聲能，從而減小脈沖寬度和雜波信號干擾，阻尼塊常用鎢粉和環(huán)氧樹脂按一定比例配制而成。斜探頭：表面波探頭：是斜探頭的一個特例，當斜探頭入射角等于第二臨界角時，由波形轉(zhuǎn)換得到沿被探材料表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?，這種探頭成為表面波探頭。雙晶探頭：又稱聯(lián)合雙探頭或分割式雙探頭，這種探頭含兩個壓電晶片，裝在同一個殼體內(nèi)。一個晶片發(fā)射，一個晶片接收，兩個晶片之間用隔聲層隔開。防止發(fā)射聲波直接串入接收晶片。晶片前帶有機玻璃延遲塊使聲波延遲一段時間進入工件。由于使用了延遲塊，所以大大減小了盲區(qū)，利于近表面探測。多數(shù)雙晶探頭的兩個晶片都傾斜一定角度（3-18°）。若兩個晶片同時發(fā)射超聲波束，使其交叉覆蓋區(qū)即為探傷區(qū)，聲束中心線交點F處靈敏度最高。離開F點靈敏度降低很快。改變晶片傾角，可改變交點F處的位置和覆蓋區(qū)的大小。傾角越大，交點F離探測面愈近，覆蓋區(qū)越短粗，探測厚度越??；傾角愈小，交點F離探測面愈遠，覆蓋區(qū)越窄長，探測厚度越大。三、超聲波探傷方法和通用探傷技術(shù)1、 探傷方法概述按原理分類，可分為脈沖反射法、穿透法和共振法脈沖反射法：超聲波以持續(xù)極短的時間發(fā)射脈沖到被檢工件內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測試塊缺陷的方法。按判斷缺陷情況的回波性質(zhì)，脈沖放射法還可分為：a、 缺陷回波法，根據(jù)示波屏上顯示的缺陷探傷圖形進行判斷的探傷b、 底波回波高度法，依據(jù)底波回波高度變化判斷試件缺陷情況的探傷方法。c、 底面多次回波法穿透法：是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件的能量變化來判斷缺陷情況的方法。共振發(fā)：若聲波在被檢工件內(nèi)傳播，當試件的厚度為超聲波的半波長或半波長的整數(shù)倍時，由于入射波和反射波的相位相同，則引起共振，因而儀器可顯示出共振頻率點，用相鄰的兩個共振頻率之差，由公式5二 C 算出試件厚度，當試件內(nèi)存在缺陷時，將改變試件2（fn-fn-1）的共振頻率特性，來判斷缺陷情況的方法稱為共振法。常用于測厚。按波形分為：縱波法、橫波法、表面波法、板波法表面波波長比橫波還短，因此衰減也大于橫波，同時它僅沿表面?zhèn)鞑?，對于表面上的?fù)層、油污、不光潔等，聲束反應(yīng)敏感，并被大量衰減，利用此特點，可以通過手沾油在聲束傳播方向上進行觸摸并觀察缺陷回波高度的變化，對缺陷定位按探頭數(shù)目分類：單探頭法、雙探法、多探頭法按探頭接觸方式分類：直接接觸法、液浸發(fā)2、 儀器與探頭的選擇探傷儀的選擇a、 對于定位要求高的情況，應(yīng)選擇水平線性誤差小的儀器b、 對于定量要求高的情況，應(yīng)選擇垂直線性好衰減精度高的儀器c、 對于大型零件的探傷，應(yīng)選擇靈敏度量高，信噪比高、功率大的儀器d、 為了有效的發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和區(qū)分相鄰缺陷，應(yīng)選擇盲區(qū)小、分辨率好的儀器e、 對于室外現(xiàn)場探傷，應(yīng)選擇重量輕，熒光屏亮度好，抗干擾能力強的攜帶式儀器探頭的選擇：鋼板中，鍛件中的夾層、折疊等缺陷，應(yīng)選用直探頭探傷。焊縫中的焊縫、夾渣、未熔金屬缺陷，應(yīng)選用斜探頭探傷。表面波探頭用于探測工件表面缺陷。雙晶探頭用于探測工件近表面缺陷聚焦探頭用于水浸探測管材或板材頻率選擇：頻率高，靈敏度和分辨率高，指向性好，對探傷有利，但頻率高，近場區(qū)度大，衰減大，又對探傷不利。實際探傷中，一般在保證探傷靈敏度的情況下盡看可能選擇較低的頻率。對于晶粒較細的鍛件、軋制件和焊接件，一般選用較高的頻率，常用2.5-5MHz。對于晶粒粗大的鑄件、奧氏體鋼等宜選用較低的頻率，常用0.5-2.5MHz，如果頻率過高，就會引起嚴重衰減，示波屏上出現(xiàn)林狀回波，信噪比嚴重下降，甚至無法判斷。晶片直徑的選擇晶片直徑大小對探傷也有一定的影響，選擇晶片尺寸時要考慮以下因素：a、 由0二arcsinl.22”可知，晶片直徑增加，半擴散較、波束指向性變好，超聲波能量集0 D中，對探傷有利。D人2b、 由N=D上可知，晶片尺寸增加，近場區(qū)長度迅速增加，對探傷不利。4九c、 晶片