超聲檢測1單元課件

緒論超聲波檢測發(fā)展簡史超聲波檢測原理超聲波檢測的優(yōu)點與局限性超聲波檢測的試用范圍1—

機械振動與機械波2超聲波屬于機械波的一種，而機械振動又是機械波的源頭。因此，學好超聲波檢測就必須了解機械振動與機械波的有關知識。重點：機械振動的運動特點和類型；機械波的產(chǎn)生和類型及物理量和特點。難點：波動方程?！?/p>

機械振動與機械波波是物質運動的一種形式，它是運動狀態(tài)的傳遞而非物質的自身運動，也可以是物質本身的運動結果，甚至把波直接看作一種粒子。波動類型電磁波機械波水波聲波……機械振動在彈性介質中的傳播稱為機械波。3—

機械振動與機械波一、機械振動物體在某一固定的位置（即平衡位置）附近作周期性的往復運動，這種運動形式被稱為機械振動，簡稱振動。如右圖的彈簧振子。相關參數(shù)：周期T---振動的物體完成一次全振動需要的時間。頻率ｆ---單位時間內物體的振動次數(shù)，單位Hz。振幅---振動中，物體離開平衡位置的最大位移。周期和頻率的關系：T=1/ｆ4—

機械振動與機械波振動類型自由振動不在外力作用下的振動稱為自由振動。 理想的無阻尼情況下的振動稱為無阻尼振動，振幅將一直保持不變。最簡單最基本的直線無阻尼自由振動稱為簡諧振動，簡稱諧振。諧振規(guī)律：受迫振動在周期性外力的作用下產(chǎn)生的振動稱為受迫振動，這個周期性的外力稱為策動力。如揚聲器中紙盆的振動。5—

機械振動與機械波要點：①自由振動時的周期、頻率分別稱為固有周期、固有頻率。它們由振動系統(tǒng)的自身系統(tǒng)決定，與振幅無關。②受迫振動時的振動頻率與外加的策動力頻率一致，當其等于振動系統(tǒng)的固有頻率時，將引起系統(tǒng)的共振。二、機械波機械振動在彈性介質中的傳播過程，稱為機械波。波源 媒介產(chǎn)生條件67—機械振動與機械波三、次聲波、聲波和超聲波1）次聲波、聲波和超聲波都是彈性介質中傳播的機械波，在同一介質中的傳播速度相同。2）人們把能引起聽覺的機械波稱為聲波，頻率在20～20000Hz之間；頻率低于20Hz的機械波稱為次聲波；頻率高于20000Hz的機械波稱為超聲波；次聲波、超聲波是不能引起人們聽覺的機械波?！?/p>

機械振動與機械波彈性介質示意圖波的物理量

波長：在同一波線上兩個相鄰的振動相位相同的質點之間的距離，稱為波長（即一個“波”的長度），用符號λ表示。波長的常用單位是毫米（mm）或米（m）。8

頻率：單位時間內波動通過的完整波的數(shù)目，稱為波動頻率，也是質點在

單位時間內的振動次數(shù)，用符號f表示。頻率的常用單位是赫茲（Hz），即（次）/秒?！?/p>

機械波振動與機械波速：在波動過程中，某一振動狀態(tài)（即振動相位）在單位時間內所傳播的距離叫做波速，用c表示，其常用單位為米/秒（m/s）。c=λｆ波動方程910—

機械振動與機械波小結：本節(jié)主要講授了振動的含義，機械振動的類型及它們的特點、機械波的傳播方式、常用的物理量和波動方程表達式等。從中可以看出，機械振動是機械波的源頭，機械波是振動形式和能量的傳播，沒有物質的遷移。振動和波動的規(guī)律可分別用振動方程和波動方程來描述。作業(yè)：如何理解機械振動和機械波之間的關系？機械波的產(chǎn)生需要哪些條件？11二 機械波的衍射與干涉導入：超聲檢測時，我們必須知道超聲波是如何在工件中傳播的，遇到缺陷或者幾列波碰到一起，會表現(xiàn)出那些特性，因此有必要學習波的衍射與干涉。課時：2學時。授課方式：新授（有條件的可借助實驗器材）。重點：惠更斯原理、衍射、干涉。難點：干涉和駐波。二 機械波的衍射與干涉一、惠更斯原理原理介質中波動傳播到的各點都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其后的任一時刻，這些子波波陣面的包跡就決定新的波陣面。應用t

時刻波陣面→t+Δt

時刻波陣面→波的傳播方向。如下圖所示。荷蘭物理學家(1629-1695)12二 機械波的衍射與干涉t+Δt

時刻波陣面t

時刻波陣面子波源子波子波源子波13二 機械波的衍射與干涉a

~

λ二、波的衍射現(xiàn)象波傳播過程中當遇到障礙物時,能繞過障礙物的邊緣而傳播的現(xiàn)象。作圖（可用惠更斯原理）陰影區(qū)陰影區(qū)aa

<<

λ比較兩圖1415二機械波的衍射與干涉波的傳播過程中當遇到障礙物時，使波的傳播方向改變。波的衍射和障礙物的尺寸Dｆ及波長λ的大小有關。當Dｆ<<λ時,波的繞射強，反射弱；Dｆ>>λ時，波的繞射弱，反射強。二 機械波的衍射與干涉可見，相對而言，長波衍射現(xiàn)象明顯，方向性不好；短波衍射現(xiàn)象不明顯，方向性好。(長波、短波是以波長與障礙物的線度相比較而言的)★如你家在大山后,聽廣播和看電視哪個更容易?(若廣播臺、電視臺都在山前側)★a(女)、b(男)在說話，c

在墻后較容易聽到誰的聲音？當然，c不應該這樣去偷聽!墻16cab(俯視圖)17二 機械波的衍射與干涉三、波的疊加波的獨立作用原理幾列波相遇時，能夠保持各自的運動狀態(tài)繼續(xù)傳播，不互相影響。波的疊加原理介質質點的位移、速度、加速度都等于幾列波單獨轉播時引起的位移、速度、加速度的矢量和。四、波干涉兩相干波在空間相遇，某些點的振動始終加強另一些點的振動始終減弱，即出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。二 機械波的衍射與干涉1.相干條件頻率相同，振動方向相同，相位差恒定r1O1Pr2O2設：18二 機械波的衍射與干涉其中：設：當：當：19相長相消二 機械波的衍射與干涉五、駐波當兩列振幅相同，頻率相同，振動方向相同的波以相反方向傳播時，疊加形成駐波。1.表達式20二 機械波的衍射與干涉t=0t=T/6t=T/4t=T/3t=T/2x21O右行波左行波合成波22二 機械波的衍射與干涉在超聲檢測中，當波從波疏介質垂直入射到波密介質，又從波密介質反射回到波疏介質時，在界面處形成波節(jié)；反之則形成波腹。如超聲波垂直入射到鋼/水界面，就會在鋼/水界面處產(chǎn)生波腹；超聲波垂直入射到水/鋼界面，就會在水/鋼界面處產(chǎn)生波節(jié)。小結衍射和干涉是波的特有特征，深入理解了衍射和干涉的原理對于分析超聲檢測的一些現(xiàn)象就不難想象了。作業(yè)：教材P50：一923三 機械波的類型導入：超聲檢測時，根據(jù)不同的檢測對象和檢測要求應用不同的波型進行檢測，否則可能漏檢。課時：2學時。授課方式：新授。重點：縱波與橫波、表面波、板波、平面波、柱面波、球面波等波型的定義和傳播特點。難點：板波。三 機械波的類型一、按質點振動方式分類1.縱波和橫波縱波：質點振動方向與波的傳播方向平行。橫波：質點振動方向與波的傳播方向垂直。振動方向傳播方向橫波縱波傳播方向振動方向2425三機械波的類型縱波用符號L表示，它可以在固體、液體和氣體中傳播。橫波只能在固體介質中傳播。質點振動方向與波的傳播方向垂直，傳播介質受剪切作用；因此不能在液體和氣體中傳播。三 機械波的類型2.表面波表面波：介質質點同時產(chǎn)生縱向振動和橫向振動，合成繞其平衡位置振動的橢圓軌跡。2627三 機械波的類型在實際的檢測中認為表面波只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長深度范圍內的缺陷。它一般用來檢測工件表面裂紋、滲碳層和覆蓋層質量等。3.板波當板厚、頻率和波速之間滿足一定的關系時，將在一個板厚與波長相當?shù)谋“逯挟a(chǎn)生另一種波動形式，那就是板波。它分為對稱型（S）、非對稱型（A）兩類，如下圖所示。三 機械波的類型2829三機械波的類型二、按波的形狀分類波線：用有向直線表示波的傳播方向。波陣面：某一時刻波的前方達到的各點構成的連續(xù)的面，又稱波前。1.平面波波陣面為一系列相互平行的平面的波稱為平面波。平面波的波源為一平面。三 機械波的類型平面波的波動方程平面波波束不擴散，平面波中各質點的振幅為一個常數(shù)，不隨距離變化而變化。30三 機械波的類型2.柱面波波動方程柱面波波束向四周擴散，柱面波中各質點的振幅與距離的平方根成反比。31模三 機械波的類型3.球面波波動方程球面波波束向四面八方擴散，球面波中各質點的振幅與距離成反比。32三 機械波的類型4.活塞波當一個小的片狀波源沿著剛性壁作簡諧振動，且其表面各質點具有相同的振動相位和振幅，則在無限大各向同性的彈性介質中輻射的波稱為活塞波。當距離波源足夠遠時，活塞波類似于球面波。33三 機械波的類型三、按波源振動的持續(xù)時間分類連續(xù)波波源持續(xù)不斷的振動所輻射的波稱為連續(xù)波。連續(xù)波通常用于穿透法超聲檢測。脈沖波波源間歇性振動，振動持續(xù)時間通常是微秒數(shù)量級，在介質中間歇性輻射的波稱為脈沖波，3435三 機械波的類型小結超聲波的類型很多，常用的縱波、橫波、表面波、板波；平面波、柱面波和球面波；脈沖波和連續(xù)波；活塞波等。不同類型的超聲波有著不同的特點，其使用場合也不一樣。36四 超聲波的產(chǎn)生導入：超聲檢測用的超聲波是如何產(chǎn)生的呢？它有什么特點？課時：1學時。授課方式：新授（借助解剖的探頭實物）。重點：壓電效應、超聲波的特點。難點：壓電效應。四 超聲波的產(chǎn)生超聲波：頻率高于20000Hz的聲波。一、產(chǎn)生常用的有壓電效應方法、磁致伸縮效應方法、靜電效應方法和電磁效應方法等。壓電效應法3738四超聲波的產(chǎn)生晶體材料在交變拉壓應力作用下，產(chǎn)生交變電場的效應稱為正壓電效應。反之，當晶體材料在交變電場作用下，產(chǎn)生伸縮變形的效應稱為逆壓電效應。正、逆壓電效應統(tǒng)稱為壓電效應。探頭發(fā)射超聲波的過程產(chǎn)生逆壓電效應；探頭接收超聲波的過程產(chǎn)生正壓電效應。39四 超聲波的產(chǎn)生二、特點方向性好。能量高。穿透力強。能在界面上反射、折射、波型轉換。40四 超聲波的產(chǎn)生小結超聲波的產(chǎn)生方式較多，目前工業(yè)上普遍采用的是壓電效應法。之所以選用超聲波檢測工件，是由于它具有方向性好、能量高等四個特點。作業(yè)：什么是壓電效應？41五 超聲場的特征導入：充滿超聲波能量的空間稱為超聲場，那么超聲場的能量是如何分布的呢？本節(jié)將從不同角度進行分析。課時：6學時。授課方式：新授。重點：超聲場的特征值、超聲場中聲壓分布。難點：橫波聲場縱聲壓分布。五 超聲場的特征一、超聲場的特征值聲壓在超聲場中某一位置的質點由于超聲波的傳播而受到的附加壓強稱為該處的聲壓，用符號P表示。平面余弦波的波動方程P=ρｃｕ聲阻抗聲阻抗指超聲場中某一點的聲壓P與該處質點的振動速度之比，用符號Z表示。42五 超聲場的特征聲阻抗反映了介質質點對其振動的阻礙作用大小，而并非介質對超聲波通過介質能力的阻礙。3.聲強聲波傳播時也伴隨著能量的傳播，聲波能量的強弱即為聲強。通常聲強被定義為單位時間、單位面積上垂直通過的聲波能量，用符號I表示。平面余弦波的平均聲強4344五 超聲場的特征4.聲強計量聲強級：LI=lg(I/I0)LI=10lg(I/I0)（BeL）（dB）聲壓級：

LP=20lg(P/P0)

（dB）對于垂直線性較好的超聲波檢測儀，顯示屏上的波高與聲壓成正比，因此LP=20lg(H/H0)

（dB）二、縱波聲場五 超聲場的特征1.聲束軸線上的聲壓近場區(qū)長度：45五 超聲場的特征軸線上聲壓：當距離x＞3N最后一個聲壓極大點的表達式Ｎ=Ｄ2/4λ46五 超聲場的特征2.聲束指向性47五 超聲場的特征在聲源軸線上至聲源的距離＞N的同一橫截面上各點的聲壓是不同的，以聲源軸線上的聲壓最高。因此在實際超聲波檢測中，要求以聲束軸線垂直于缺陷時的回波幅度來定量缺陷。在聲束的橫截面上，聲壓的零值點對應了很多個半擴散角。當y＞3.83，即θ＞θ0時，Dc＜0.15。這說明θ0以外的聲壓很低，超聲波的能量主要集中在2θ0范圍內。因此常取y=3.83時的θ0作為聲束的邊緣界限，稱θ0為聲束的半擴散角或指向角，也稱為第一零值發(fā)散角。48五 超聲場的特征固體和液體介質中聲束指向性比較3.聲束未擴散區(qū)與擴散區(qū)未擴散區(qū)長度49五 超聲場的特征4.橫截面上聲壓分布二、橫波聲場50五 超聲場的特征在實際超聲波檢測中，橫波是通過縱波在檢測面上轉

換而來的，這時超聲場是一個在界面處折斷的聲場，在第

一種介質中為縱波聲場，在第二種介質中為橫波聲場。為

了討論方便，通常將實際的波源往橫波聲束方向垂直投影，得到一假想波源。這樣，工件中傳播的橫波好似直接從假

想波源直接產(chǎn)生，并由此得到了橫波聲場的一些近似規(guī)律。51五 超聲場的特征假想聲源到入射點的距離近場區(qū)長度軸線上聲壓指向性52五 超聲場的特征在聲束軸線與界面法線組成的平面內在通過聲束軸線與入射平面垂直的平面內，聲束對稱于軸線，這時半擴散角同縱波聲場53五 超聲場的特征五、實際聲場與理想聲場5455五 超聲場的特征理想聲場軸線上聲壓存在一系列極大值和極小值，且最大值為2P0，極小值為零。實際聲場軸線上聲壓雖然也存在很多極大值和極小值，但是聲壓的波動幅度小，極大值遠小于2P0，極小值遠大于零。在遠場區(qū)，實際聲場與理想聲場軸線上聲壓分布基本一致。原因：1)近場區(qū)內聲壓極值點是由于波的干涉造成的。2）總聲場是各個不同頻率的聲場的迭加。3)實際聲源中心振幅最大，邊緣振幅最小，這種非均勻激發(fā)的實際聲源產(chǎn)生的干涉小于均勻激發(fā)的理想聲源。56五超聲場的特征理想聲場是針對液體介質而言的，而實際探傷對象往往是固體介質。在遠場區(qū)，由于聲源各點到聲束軸線上某點的聲程差較小，使波的干涉大大減弱，甚至不產(chǎn)生干涉。因此，實際聲場與理想聲場的軸線上聲壓基本一致。小結超聲場是一種看不見的物質，通過測定場中不同點的聲壓的分布，可以知道超聲場的分布規(guī)律。從而更好地利用超聲波檢測工件中的缺陷。57六 超聲波在介質中的傳播導入：超聲波在介質中的傳播規(guī)律直接影響到對缺陷的檢測和判讀。課時：6學時。授課方式：新授。重點：超聲波的傳播速度、超聲波在異質界面處的反射和折射、超聲波的衰減。難點：超聲波在曲界面處的反射和折射。六 超聲波在介質中的傳播一、超聲波的傳播速度1.固體介質中的聲速無限大固體介質：58六 超聲波在介質中的傳播1）固體介質中的聲速與介質的彈性模量和介質的密度等因素有關；介質的彈性模量越大，密度越小，則聲速越大。2）聲速還與介質中的波型有關，在同一固體介質中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同細長棒中聲速聲速的影響因素：溫度因素。一般固體中的聲速隨溫度升高而降低。材料組織狀態(tài)因素。應力因素。59六 超聲波在介質中的傳播液體和氣體中聲速板波聲速相速度 單一頻率的聲波在介質中的傳播速度稱為相速度。在均勻且各向同性的無限大彈性薄板中的板波相速度可由其頻率方程給出：對稱型板波60六 超聲波在介質中的傳播非對稱型板波群速度 多個頻率相差不多的波在同一介質中傳播時互相合成后的包絡線的傳播速度稱為群速度。61六 超聲波在介質中的傳播鋼板中板波相速度與頻率、板厚的關系62六 超聲波在介質中的傳播鋼板中板波群速度與頻率、板厚的關系63六 超聲波在介質中的傳播二、超聲波的反射、折射1.平面波垂直入射到平界面（1）單一的平界面6465六 超聲波在介質中的傳播由以上的公式可以看出：T+R=1，說明在界面上超聲波的反射和透射符合能量守恒。聲強的反射率和透射率與超聲波從何種介質入射無關。當Z2

＞Z1時，聲壓反射率r＞0。這時反射波的聲壓與入射波的聲壓同相位，合成后的振幅增大。當Z2＜Z1時，聲壓反射率r＜0。這時反射波的聲壓與入射波的聲壓反相位，合成后的振幅減小。當Z2≈Z1

時，聲壓反射率r≈0，t≈1。這時入射的超聲波幾乎全部透射，沒有反射，好像不存在界面一樣。當Z1>>Z2時，r≈-1，t≈0。這時入射的超聲波幾乎全部反射，沒有透射。六 超聲波在介質中的傳播聲壓往復透過率：66六 超聲波在介質中的傳播（2）薄層界面當時：67六 超聲波在介質中的傳播由上式可見：當不反射。當當?shù)?。時， 。這時超聲波幾乎全透射，時，聲壓的透射率最低，而反射率最高。時，薄層厚度越小，透射率越高，反射率越（2）非均勻介質的薄層68六 超聲波在介質中的傳播由以上公式可知：當 （n為整數(shù)）， 。這說明超聲波通過薄層的聲強透射率與薄層的性質無關，好像不存在薄層一樣。當 （n為非負整數(shù)），且 時，T=1，超聲波全透射。當 時，薄層厚度越小，超聲波的透射率越高。69六 超聲波在介質中的傳播3.平面波傾斜入射到單一的平界面70六 超聲波在介質中的傳播4.臨界角第一臨界角：使縱波折射角達到90°的縱波入射角稱之。αⅠ第二臨界角：使橫波折射角達到90°的縱波入射角稱之。αⅡ第三臨界角：使縱波反射角達到90°的橫波入射角稱之。αⅢ7172六 超聲波在介質中的傳播1.3.5

端角反射六 超聲波在介質中的傳播5.超聲波入射到曲界面上的反射、透射（1）反射分為兩種73六 超聲波在介質中的傳播一束平面波入射到球形曲界面上時，其反射波可視為從焦點發(fā)出的球面波。在凹界面上的反射波將會聚焦，凸界面上的反射波則發(fā)散。超聲波入射到柱形的曲界面上時，反射波也將聚焦或發(fā)散。不同的是反射波將聚焦成一條實線或發(fā)散為一條虛線，稱為焦軸。這時反射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波74六 超聲波在介質中的傳播（2）平面波在曲界面上的折射75六 超聲波在介質中的傳播當平面波入射到凹或凸的球形曲界面上時，其折射波在或時將聚焦為一點。相反，折射波將發(fā)散，且其反向延長線聚于虛焦點。當平面波入射到凹或凸的球形曲界面上時，其折射波在或時將聚焦為一點。相反，折射波將發(fā)散，且其反向延長線聚于虛焦點。當平面波入射到凹或凸的柱形曲界面上時，折射波也會聚焦或發(fā)散。不同的是，焦點將變?yōu)橐粭l線——焦軸。76六 超聲波在介質中的傳播5.球面波入射到平界面

(1)單一的平界面上的反射77六 超聲波在介質中的傳播（2）單一的平界面上的折射78六 超聲波在介質中的傳播（3）雙界面上的反射 如圖1-51所示，球面波在互相平行的雙界面間的多次反射仍符合球面波的變化規(guī)律。當入射角較小，前后壁全反射，且距離較大時，各反射波不產(chǎn)生干涉，這時前壁各次反射波聲壓比為：后壁各次反射波聲壓比為：79六 超聲波在介質中的傳播6.球面波入射到曲界面（1）球面波在曲界面上的反射 當球面波入射到凹曲界面上時，反射波產(chǎn)生聚焦，反之則發(fā)散，80六 超聲波在介質中的傳播在球曲面上反射波的聲壓為：在球曲面上反射波的聲壓為：81六 超聲波在介質中的傳播（2）球面波在曲界面上的折射82六 超聲波在介質中的傳播球曲界面上折射波的聲壓：83六 超聲波在介質中的傳播柱曲界面上折射波的聲壓：三、超聲波的衰減1.超聲波衰減的原因聲束的擴散衰減聲波的散射衰減吸收衰減除了以上的三種衰減外，還有位錯引起的衰減、磁疇引起的衰減和殘余應力引起的衰減等。通常所說的衰減主要指介質對超聲波的衰減，即吸收衰減和散射衰減，不包括擴散衰減。84六 超聲波在介質中的傳播2.衰減系數(shù)和衰減方程（1）衰減系數(shù)85六 超聲波在介質中的傳播3.衰減系數(shù)測定（1）薄板工件衰減系數(shù)的測定（2）厚板工件的衰減系數(shù)測定8687六 超聲波在介質中的傳播小結超聲波在介質中傳播時，聲速的大小除了與超聲波本身的性質有關外，還與介質的密度、彈性模量、形狀、尺寸以及傳播時所處的溫度有關系。當傳播過程中，碰到各種各樣的異質界面時，會發(fā)生反射、折射、波型轉換等現(xiàn)象，具體的反射和折射等變化與界面的形狀和兩側介質的聲速有關。另外，超聲波傳播過程中，超聲波的能量會逐漸衰減，對于厚大工件的檢測，這是務必考慮的問題88七 規(guī)則反射體的回波聲壓導入：這個模塊主要講授