超聲波檢測-超聲波探傷基礎(chǔ)（無損檢測課件）

超聲波探傷基礎(chǔ)——超聲波垂直入射異質(zhì)界面時的反射和透射目錄超聲波垂直入射異質(zhì)界面時的反射和透射定義1超聲波垂直入射單層介面時的反射和透射2超聲波垂直入射雙層界面時的反射和透射3超聲波垂直入射異質(zhì)界面時的反射和透射定義011定義超聲波垂直入射異質(zhì)界面時的反射和透射超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的分界面上，部分能量反射回原介質(zhì)的現(xiàn)象稱為反射。另有一部分能量透過界面進(jìn)入另一種介質(zhì)的現(xiàn)象稱為透射。超聲波垂直入射單層介面時的反射和透射022.1超聲波垂直入射單層介面時的反射和透射公式設(shè)入射波的聲壓為P0（聲強(qiáng)為Ｉ0），反射波的聲壓為Pr（聲強(qiáng)為Ir，透射波的聲壓為Pt（聲強(qiáng)為It），如圖所示：PePr12Z1=ρ1·C13Z2=ρ2·C2（1—入射波，2—反射波，3—透射波，Z—聲阻抗）入射波的另一部分透過界面進(jìn)入第二介質(zhì)形成透射波，其方向與入射波相同，波型不變，但聲速隨著第二介質(zhì)性質(zhì)的不同發(fā)生變化。2.1超聲波垂直入射單層介面時的反射和透射公式當(dāng)超聲波從聲阻抗為Z1介質(zhì)垂直入射到聲阻抗為Z2的介質(zhì)，由于二種介質(zhì)的聲阻抗不同，在其界面上入射的一部分按原來的途徑被反射回來形成反射波，反射波的方向與入射波相反，聲速不變。透射波聲壓Pt與入射波聲壓Pe之比稱為聲壓透射率D。2.1超聲波垂直入射單層介面時的反射和透射公式聲壓反射率：超聲波垂直入射異質(zhì)界面，反射波聲壓Pr與入射波聲壓Pe之比稱為聲壓反射率R。

2.1超聲波垂直入射單層介面時的反射和透射公式超聲波從第一介質(zhì)垂直入射到第二介質(zhì)并在第二介質(zhì)底面由空氣界面完全反射后返回穿過第一、二介質(zhì)的界面時的返回聲壓與入射聲壓之比稱為聲壓往復(fù)透過率T。

Z2=ρ2·C2Z≈0PrPe

PtZ1=ρ1·C12.2超聲波垂直入射單層介面時的反射和透射的幾種情況超聲波垂直入射到平介面上時，聲壓或聲強(qiáng)的分配比例僅與介面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。1Z2>Z1時，反射波聲壓與入射波聲壓同相位。例如超聲波平面波垂直入射到水/鋼界面。按計算反射率為93.5%，透射率為193.5%。介面上反射波與入射波疊加類似駐波,合成聲壓振幅增大。2Z1>Z2時，即反射波聲壓與入射波聲壓相位相反，反射波與入射波合成聲壓振幅減小，例如超聲波平面波垂直入射到鋼/水界面。聲壓透射率很低，聲壓反射率很高，反射率為93.5%，透射率為6.5%。2.2超聲波垂直入射單層介面時的反射和透射的幾種情況超聲波垂直入射到平介面上時，聲壓或聲強(qiáng)的分配比例僅與介面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。3Z當(dāng)Z1>>Z2

時，如鋼和空氣界面，反射率為100%，透射率為0%。超聲波從鋼進(jìn)入空氣界面時將有100%的反射，即聲壓幾乎全反射，無透射，具有對缺陷檢測的良好效果，只是反射波聲壓與入射波聲壓有180°相位的變化，探傷中，探頭直接放在工件上，形成固體/氣體介面,超聲波將無法射到工件。所以探頭與工件之間施加一層透聲介質(zhì)，稱為耦合劑。耦合劑的作用在于排除探頭與探測面之間的空氣。2.2超聲波垂直入射單層介面時的反射和透射的幾種情況耦合劑一般應(yīng)滿足以下要求①能潤濕工件和探頭表面，流動性、黏度和附著力適當(dāng)，不難清洗。②聲阻抗高，透聲性能好。③來源廣，價格便宜。④對工件無腐蝕，對人體無害，不污染環(huán)境。⑤性能穩(wěn)定，不易變質(zhì)，能長期保存。2.2超聲波垂直入射單層介面時的反射和透射的幾種情況超聲波中常用的耦合劑有機(jī)油、變壓器油、甘油、水、水玻璃等耦合劑聲阻抗Z〔X106kg/㎡·s〕優(yōu)劣勢機(jī)油1.28機(jī)油和變壓器油黏度、流動性、附著力適當(dāng)，對工件無腐蝕，價格也不貴，目前應(yīng)用最廣。水1.5水的來源廣，價格低，常用于水浸探傷和現(xiàn)場中的鋼軌探傷。水玻璃2.17水玻璃聲阻抗較高，但清洗不太方便且對工件有腐蝕作用。甘油2.43甘油聲阻抗高，耦合性能好，但價格較高且對工件有腐蝕作用。2.2超聲波垂直入射單層介面時的反射和透射的幾種情況近年來化學(xué)糨糊也常用來作耦合劑，耦合效果比較好。在我國北方，有時在水中加入鹽或者酒精，以降低耦合劑的冰點。2.2超聲波垂直入射單層介面時的反射和透射的幾種情況超聲波垂直入射到平介面上時，聲壓或聲強(qiáng)的分配比例僅與介面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。4當(dāng)Z1≈Z2時，聲壓反射率近似為零，入射波幾乎全部透射入第二介質(zhì)。例如：鋼軌接頭的淬火部分和非淬火部分，焊縫母材與焊接金屬之間阻抗很小，在探傷中無異常反射回波。超聲波垂直入射雙層界面時的反射和透射03超聲波垂直入射雙層界面時的反射和透射如復(fù)合板的探傷、工件中片狀缺陷的檢測、探頭與保護(hù)膜間的耦合，以及鋼軌擦傷引起表面剝離層等，由于薄層中聲波的疊加，使反射和透射規(guī)律更加復(fù)雜。超聲波垂直入射雙層界面時的反射和透射1

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超聲波探傷基礎(chǔ)——超聲波的參數(shù)目錄超聲波各參數(shù)的定義1超聲場的特征值2超聲波各參數(shù)的定義011超聲波各參數(shù)的定義振幅（A）指振動質(zhì)點偏離平衡位置的最大距離。頻率（ｆ）振動質(zhì)點單位時間（通常指1秒，以下同）內(nèi)圍繞平衡位置完成全振動的次數(shù)稱為振動頻率，其數(shù)值與波動頻率相等。波動頻率：波動過程中任一給定質(zhì)點在單位時間內(nèi)通過完整波的個數(shù)。單位為赫茲（Hz）1超聲波各參數(shù)的定義頻率（ｆ）工作頻率：指探頭發(fā)射的超聲波頻率；重復(fù)頻率：指探頭每秒鐘向試件發(fā)射超聲波的次數(shù)。為提高探傷速度，一般要求重復(fù)頻率越高越好，但過高的重復(fù)頻率會導(dǎo)致發(fā)射和接收間的干擾，產(chǎn)生幻象回波，因此，重復(fù)頻率應(yīng)根據(jù)被檢工件的大小，一次聲程所需要的時間，儀器接收和發(fā)射超聲波的能力，以及探傷速度等多方面因素決定。目前鋼軌探傷儀的重復(fù)頻率為500~1000Hz，大型鋼軌探傷車的重復(fù)頻率為10~5000Hz。1超聲波各參數(shù)的定義波長（λ）同一波線上相鄰兩振動相位相同的質(zhì)點間的距離稱為波長。波源或介質(zhì)中任一質(zhì)點完成一次全振動，波正好前進(jìn)一個波長的距離。單位為毫米（mm）或米（m）。周期（T）指振動質(zhì)點完成一次全振動所需要的時間。單位為秒（ｓ）。周期與頻率成倒數(shù)的關(guān)系。1超聲波各參數(shù)的定義聲速（C）聲波在彈性介質(zhì)中，單位時間內(nèi)所傳播的距離，也可稱為波速。單位為米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。波長、聲速和頻率之間的關(guān)系式：1超聲波各參數(shù)的定義聲速（C）聲速的大小與介質(zhì)的彈性模量成正比。在同一種固體材料中，縱波聲速（CL）大于橫波聲速（Cs），橫波聲速（CS）又大于表面波聲速（CR）。液體和氣體介質(zhì)只能傳播縱波。1超聲波各參數(shù)的定義聲速（C）探傷常用材料的聲速材料聲速（km/s）縱波波長（mm）橫波波長（mm）縱波橫波2MHZ2.5MHZ2MHZ2.5MHZ鋼5.93.232.952.361.6151.292有機(jī)玻璃2.731.431.371.090.7150.572尼龍10102.4——1.20.96————水1.48——0.740.59————油1.4——0.700.56————空氣0.34——0.170.14————超聲場的特征值022.1超聲場的各種指標(biāo)概念聲壓聲阻抗聲強(qiáng)2.1超聲場的各種指標(biāo)概念（1）聲壓a超聲場中某一點某一瞬時所具有的壓強(qiáng)（P1）與該點沒有超聲波存在時的靜態(tài)壓強(qiáng)（P0）之差稱為該點的聲壓。b聲壓幅值與介質(zhì)密度、聲速和頻率成正比。c聲壓的幅值與密度、聲速和頻率成正比——超聲波的聲壓很高。d反射聲壓與回波高度成正比,超聲檢測儀器顯示的信號幅度的本質(zhì)就是聲壓P。P1/P2=H1/H22.1超聲場的各種指標(biāo)概念（2）聲阻抗a介質(zhì)中某一點的聲壓與該點的振動速度之比稱為聲阻抗。b聲阻抗等于介質(zhì)密度（ρ）與聲速（C）的乘積。Z=ρCc聲阻抗表示超聲場中介質(zhì)對質(zhì)點振動的阻礙作用。2.1超聲場的各種指標(biāo)概念（3）聲強(qiáng)b?=10lgI/I?=20lg（P1/P2

）（dB）c通常規(guī)定引起聽覺的最弱聲強(qiáng)為I1=10-16W/cm2作為標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)。a單位時間內(nèi)，垂直通過單位面積的聲能量稱為聲強(qiáng)（Ｉ）。2.2超聲場中的常用單位分貝(dB)在超聲場內(nèi)，由于聲強(qiáng)的變化范圍很大，數(shù)量級可以相差很多，用通用數(shù)字表示和運算很不方便，采用對數(shù)（貝爾數(shù)，單位B）來表示兩個聲波強(qiáng)度之比：貝爾數(shù)=lgI/I?(B)實際上，貝爾這個單位太大，通常用其1/10（分貝數(shù)，單位為dB）表示。?=10lgI/I?（dB)2.3示波屏概述示波屏上波高與聲壓成正比，即任意兩波高之比等于相應(yīng)的聲壓之比。兩者的分貝差為：當(dāng)?=0dB時，說明兩波高相等，二者的分貝差為零。當(dāng)?=6dB時，說明兩H2為H1的2倍，H2比H1高6dB。當(dāng)?=-6dB時，說明兩H2為H1的1/2倍，H2比H1低6dB。2.3示波屏數(shù)據(jù)計算例1示波屏上一波高為80mm，另一波高為20mm，問前者比后者高多少dB？解?=201g（H2/H1）

=201g80/20=12（dB）答：前者比后者高12dB

2.3示波屏數(shù)據(jù)計算例2示波屏上有A，B，C三個波，其中A波比B波高3dB，C波比B波低3dB，已知B波高為50mm，求A，C的波高各為多少？解2.3示波屏數(shù)據(jù)計算6dB法測長由于波高降低6dB后正好為原來的一半，因此6dB法又稱半波高度法。具體做法：移動探頭找出缺陷的最大反射波后，調(diào)節(jié)增益，使缺陷波高降至80％，然后用衰減器將儀器增益值提高6dB，沿缺陷方向左右移動探頭，當(dāng)缺陷波高降至80％時，探頭中心線之間的距離就是缺陷的指示長度。超聲波探傷基礎(chǔ)——超聲波的傳播特性目錄超聲場的聲壓分布規(guī)律1波束指向性與指向角2超聲波的疊加、干涉、散射、繞射3超聲波的衰減4超聲場的聲壓分布規(guī)律011.1超聲場的概述超聲場：充滿超聲波的空間由圖可知，波源附近的軸線聲壓上下起伏變化，存在若干個極大極小值。距波源的距離愈近，聲壓極大極小值的點就愈密。聲學(xué)上把由子波的干涉在波源附近的軸線上產(chǎn)生的一系列聲壓極大極小值的區(qū)域稱為超聲場的近場區(qū)。1.2圓盤聲源聲束軸線上的聲壓分布1.2圓盤聲源聲束軸線上的聲壓分布波源軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區(qū)長度，用N表示直探頭的近場區(qū)長度：式中D——為圓形壓電晶片的直徑

λ——為超聲波波長

A——方晶片（或矩形晶片）面積1.2圓盤聲源聲束軸線上的聲壓分布波源軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區(qū)長度，用N表示由于近場區(qū)存在聲壓極大極小值，處于聲壓極大值的較小缺陷可能回波較高，而處于聲壓極小值的較大缺陷可能回波較低，引起漏檢，所以超聲波探傷中總是盡量避開這一區(qū)域。在遠(yuǎn)場區(qū)中，軸線上的聲壓隨距離增加而單調(diào)減少，在距離>3N時，圓盤源聲束上的聲壓與球面波的聲壓相差甚小。波束指向性與指向角022.1波束指向性晶片發(fā)出的超聲波束看作是筆直的傳播，經(jīng)過一段距離后，按一定角度擴(kuò)展輻射，非擴(kuò)散區(qū)域為近場長度（N）的1.67倍，大于1.67N為擴(kuò)散區(qū)，其優(yōu)劣常用指向角（θ?）表示。晶片發(fā)出的超聲波束與手電筒發(fā)出的光柱類似，在靠近晶片較短的范圍2.1波束指向性探頭發(fā)出的超聲波束波束指向性：探頭發(fā)出的超聲波能量集中在一定區(qū)域并向一個方向輻射的現(xiàn)象。探頭發(fā)出的超聲波能量集中在一定區(qū)域并向一個方向輻射的現(xiàn)象稱為波束指向性。超聲波的能量主要集中在2θ?以內(nèi)的錐形區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域稱為主聲束，主聲束邊緣聲壓為零。主聲束旁側(cè)的波束為副聲束，副聲束能量低，傳播距離小。2.2波束指向角指向角θ0與λ比值有關(guān)，相同條件下，若晶片直徑（D）愈大或波長（λ）愈短（頻率愈高），則指向角（θ0

）就愈小，波束指向性就愈好，超聲波能量集中，探傷靈敏度高，分辨率好，定位精確，不過近場長度（N）也將愈大。對圓盤聲源輻射的縱波聲場，其聲束指向角（θ0）計算公式如下：D——為晶片的直徑λ——為超聲波波長邊長為a的方晶片聲束指向角計算式：超聲波的疊加、干涉、散射、繞射033.1波的疊加當(dāng)幾列波同時在一個介質(zhì)中傳播時，如果在某些點相遇，則相遇處質(zhì)點的振動是各列波所引起的振動的合成。合成聲場的聲壓等于每列聲波聲壓的矢量和，這就是聲波的疊加原理。3.1波的疊加相遇后各列聲波仍保持它們各自原有的特性（頻率、波長、幅度、傳播方向等）不變繼續(xù)前進(jìn)，好像在各自的傳播過程中沒有遇到其他波一樣。比如樂隊，各自樂器發(fā)出來的聲波，我們最終聽到的這個效果是各種樂器都有，和單獨聽到某一個樂器的效果是一樣的，這種現(xiàn)象就充分證明波的疊加原理它的正確性。再比如水波，單獨觀察一個波紋時，仍然是原來單個波的狀態(tài)。3.2波的干涉兩列頻率相同，波型相同，相位相同或相位差恒定的波相遇時，由于波的疊加作用，在某些位置上振動始終加強(qiáng)，而在另一些地方振動始終減弱或完全抵消，這種現(xiàn)象稱為波的干涉。3.2波的干涉波的疊加原理是波的干涉的基礎(chǔ)，疊加包括干涉；波的干涉是波的疊加的一部份。在超聲檢測中，由于波的干涉，使超聲波波源附近出現(xiàn)聲壓極大、極小值。從微觀上來講，要把晶片分解成各個質(zhì)點，每個質(zhì)點作為振源它發(fā)射出來的這個超聲波，就符合相干波源的條件，它產(chǎn)生的超聲波在探頭的附近就會產(chǎn)生干涉，干涉就會造成某個地方加強(qiáng)，某個地方減弱，就會造成屏幕上看到的在始波的附近，右側(cè)較小的區(qū)域內(nèi)雜波較多的現(xiàn)象。3.2波的干涉3.3波的散射超聲波在介質(zhì)中傳播時遇到小于超聲波的波長的障礙物或其他不連續(xù)，而使超聲波向各個不同方向產(chǎn)生無規(guī)則反射、折射或衍射的現(xiàn)象稱為散射。散射的結(jié)果是聲能分散、穿透力降低和引起不規(guī)則的草狀雜波，導(dǎo)致信噪比和靈敏度下降。3.3波的散射當(dāng)被檢工件為鑄件、探測面或反射面不平整、工件內(nèi)存在與波長相當(dāng)?shù)臍饪缀蛫A雜時，散射現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。波在傳播過程中遇到障礙物時繞過其邊緣并繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象稱為波的衍射或繞射。3.4波的衍射（繞射）3.4波的衍射（繞射）繞射現(xiàn)象取決于障礙物的尺寸（D）和波長（λ）之比，當(dāng)D?λ時，聲波只有繞射；當(dāng)D≈λ時，有繞射和反射，且產(chǎn)生陰影區(qū)；當(dāng)D>λ時，以反射為主。超聲波發(fā)現(xiàn)的最小缺陷約為λ/2；缺陷小于λ/2,超聲波遇到缺陷發(fā)生繞射；缺陷大于λ/2，超聲波遇到該缺陷以反射為主，產(chǎn)生回波信號。超聲波的衰減044.1超聲波的衰減定義超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，超聲波的能量逐漸減弱的現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。4.2超聲波的擴(kuò)散衰減超聲波在傳播過程中，由于波束的擴(kuò)散使超聲波的能量隨距離增加而逐漸減弱的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散衰減。1平面波波陣面為平面，波束不擴(kuò)散，不存在擴(kuò)散衰減。2柱面波波陣面為柱面，波束向四周擴(kuò)散，存在擴(kuò)散衰減，聲壓與距離的平方根成反比。3球面波波陣面為同心球面，波束向四面八方擴(kuò)散，存在擴(kuò)散衰減，聲壓與距離成反比。4.3超聲波的散射衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時，遇到聲阻抗不同的介面產(chǎn)生散亂反射引起衰減的現(xiàn)象，稱為散射衰減。1散射衰減與材質(zhì)的晶粒密切相關(guān)，當(dāng)材質(zhì)晶粒粗大時，散射衰減嚴(yán)重，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播到探頭，在示波屏上引起林狀回波（又叫草狀回波），使信噪比下降，嚴(yán)重時噪聲會淹沒缺陷波。4.4超聲波的吸收衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)中質(zhì)點間內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)引起超聲波的衰減，稱為吸收衰減。1通常所說的介質(zhì)衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包括擴(kuò)散衰減。2對于固體介質(zhì)，吸收衰減相對于散射衰減可忽略不計，但對液體介質(zhì)來說，吸收衰減是主要的。超聲波探傷基礎(chǔ)——超聲波傾斜入射時的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換目錄超聲波傾斜入射時的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換概述1超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的折射3臨界角4超聲波在特殊部位的反射5超聲波傾斜入射時的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換概述011概述超聲波傾斜入射時的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換當(dāng)超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時，除產(chǎn)生反射、折射現(xiàn)象以外，還往往伴隨著波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，即產(chǎn)生與入射波不同類型的反射波和折射波。只發(fā)生在斜入射且介質(zhì)為固體的場合，并與界面兩側(cè)介質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)。超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射022超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射有兩束超聲波，其中一束是橫波一束是縱波，這種現(xiàn)象叫波型轉(zhuǎn)換。在反射過程中遵循反射定律在同一介質(zhì)中反射縱波和入射縱波的速度相同，所以縱波入射角等于縱波反射角；在同一介質(zhì)中反射縱波的速度大于橫波，所以縱波入射角大于橫波反射角。超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的折射033超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的折射超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面時，傳播線路發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫折射，在折射過程中也發(fā)生了波型轉(zhuǎn)換，即一束超聲波斜入射折射出去又變成兩束超聲波，其中一束是橫波一束是縱波。在折射過程中遵循折射定律：速度相同角度相等，速度大的角度大。臨界角044.1定義超聲波在斜入射至異質(zhì)界面時，當(dāng)入射角超過某一值時，反射或者折射的某種特定波型不再存在，則相應(yīng)的入射角稱為臨界角。14.2第一臨界角在折射過程中，當(dāng)入射角增大時折射角也隨之增大，當(dāng)折射縱波的折射角達(dá)到90°時，稱此時入射縱波入射角為第一臨界角。用αⅠ表示。對于有機(jī)玻璃與鋼的界面，αⅠ=27.6°。產(chǎn)生第一臨界角的前提是C1<C2，當(dāng)入射角大于第一臨界角時，第二介質(zhì)不再有折射縱波。24.3第二臨界角在折射過程中，當(dāng)入射角增大時折射角也隨之增大，當(dāng)折射橫波的折射角達(dá)到90°時，稱此時入射縱波入射角為第二臨界角。用αⅡ表示。對于有機(jī)玻璃與鋼的界面，αⅡ=56.3°。產(chǎn)生第一臨界角的前提是C1<C2，當(dāng)入射角大于