超声波探伤物理基础ppt课件

超声波探伤的物理基础 1 第一章绪论 1 1超声检测的定义和作用 1 2超声检测的发展简史和现状 1 3超声检测的基础知识 1 3 1次声波 声波和超声波 1 3 2超声检测工作原理 1 3 3超声检测方法的分类 1 3 4超声检测的优点和局限性 1 3 5超声检测的适用范围 2 前言 第二章超声波伤的物理基础 超声波探伤是目前应用最广泛的无损检测方法之一 特点 超声波是一种机械波 超声波波长短 能量高 可以在介质中直线传播 在传播过程中遇到异质界面时会发生反射 折射 端点衍射及波型转换 A型脉冲反射法超声波探伤 就是利用缺陷处反射回来的声波大小来评价缺陷的 缺陷越大或说反射面越大 反射回波就越强 目前 较先进的超声波探伤方法有 超声相控阵检测技术 TOFD检测技术超声相控阵 TOFD技术在无损检测领域的应用 pdf 3 4 在实际工作中是先用标准反射体 试块 确定基准波高 根据不同的深度基准反射体的回波高度可以画出一条与深度相关的基准曲线 距离 波幅曲线或距离 分贝曲线 调整好基准波后按标准要求进行工件探测 根据缺陷回波的大小与基准波高进行比较 来判定缺陷当量大小 判定缺陷是否超标 标准中基准反射体有 平底孔 横通孔 大平底 短横孔 线切割槽等 第二章超声波探伤的物理基础 A型脉冲反射式超声波探伤 5 第二章超声波探伤的物理基础 本章节需掌握的内容 一 振动与波动的概念与区别 二 波的类型 三 超声波的传播速度 四 波的叠加 干涉 衍射与惠更斯原理 五 超声波声场的特征值 六 分贝与奈培 七 超声波垂直入射到界面时的反射和透射 八 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射 九 超声波的聚焦与发散 十 超声波的衰减 6 第二章超声波探伤的物理基础 1 振动的基本概念与特点 2 谐振动的概念与特点 3 阻尼振动的概念与特点 4 受迫振动的概念与特点 共振的概念与应用 5 机械波 6 波长 频率和波速之间的关系计算 第一节振动与波动 本节主要内容 7 第二章超声波探伤的物理基础 第一节振动与波动 一 振动 1 振动的基本概念 物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动 称为机械振动 被手拨动的弹簧片 上下跳动的皮球 小鸟飞离后颤动的树枝 8 特点 振动是往复周期性的运动 振动的快慢常用振动的周期或频率表示 第二章超声波探伤的物理基础 周期T 振动物体完成一次全振动所用的时间 称为振动周期 用T表示 单位是 秒 s 1Hz 1次 秒T 1 f 频率f 振动物体在单位时间内完成振动的次数 称为振动频率 用f表示 单位 赫兹Hz 1Hz表示1秒钟完成1次全振动 单位还有KHz MHz 9 第二章超声波探伤的物理基础 如 人能听到的声音就是空气的机械振动 人能听到的声音频率范围是20 20000Hz 中音一般在1000 1500Hz 因人而异 每人说话的音频不一样 所以能区分不同人的声音 音调 音域 高音 低音不是声音高低 而是频率高低 声音大小用振幅表示 如果人说话的频率是1000Hz 即每秒钟声带振动1000次 返回 10 第二章超声波探伤的物理基础 2 谐振动 最简单最基本的直线振动称为谐振动 任何复杂的振动均可视为多个谐振动的合成 或说任何复杂的振动均可分解为多个简单的谐振动 谐振动动画演示 弹簧振子的振动 单摆与音叉的振动等 如 11 2 谐振物体的振动振幅不变 为自由振动 其频率为固有频率 第二章超声波探伤的物理基础 3 谐振动时由于只有弹力或重力做功 符合机械能守恒的条件 机械能守恒 在平衡位置时动能最大 势能为0 在位移最大时 势能最大 动能为0 其总能量保持不变 谐振动的特点 1 物体受到的回复力大小与位移成正比 其方向总是指向平衡位置 12 13 第二章超声波探伤的物理基础 谐振振动方程的推导 质点作均速圆周运动时 其水平方向的投影是一种水平方向的谐振动 谐振动方程 y Acos t 其中y 时间t时的位移 A 振幅 最大位移 圆频率 即1秒钟内变化的弧度数 2 f 2 T 返回 14 3 阻尼振动 第二章超声波探伤的物理基础 但是 任何实际物体的振动总要受到阻力的作用 由于克服阻力做功 振动物体的能量不断减少 其振幅随能量的减少而减小 这种振幅随时间不断减小的振动称为阻尼振动 阻尼振动演示 如上所述 谐振动是理想条件下的振动 即不考虑磨擦和其它阻力的影响 特点 谐振动是无阻尼振动 其振幅与周期不变 阻尼振动的振幅不断减小 而周期不变 阻尼振动不符合机械能守恒定律 返回 15 4 受迫振动 第二章超声波探伤的物理基础 概念 物体受到周期性外力的作用时产生的振动 如 汽缸中的活塞的振动 扬声器中的纸盆振动 演示 受迫振动的振幅与策动力的频率有关 当策动力的频率与物体的固有频率相同时 受迫振动的振幅达到最大值 这种现象称为共振 特点 受迫振动是受外力的作用不符合机械能守恒定律 16 第二章超声波探伤的物理基础 探头的频率由晶片厚度决定 高频电脉冲是一个前沿很陡的电脉冲 例如 超声波探头的压电晶片在发射超声波时 一方面在高频电脉冲激励下产生受迫振动 另一方面在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用 因此又是阻尼振动 即先是受迫振动后是阻尼振动 压电晶片在接收超声波时同样产生受迫振动和阻尼振动 在设计探头时应使高频电脉冲的频率等于压力晶片的固有频率 从而产生共振 这时压电晶片的电声能转换效率最高 返回 17 第二章超声波探伤的物理基础 二 波动 波动分电磁波和机械波两大类 机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程 如水波 声波 超声波 电磁波是交变电磁场在空间传播的过程 如无线电波 可见光 紫外线 X射线 射线等等 电磁波和机械波区别 我们这里只讨论机械波 演示 18 第二章超声波探伤的物理基础 弹性质点的振动会引起邻近质点的振动 邻近质点的振动又会引起较远质点的振动 于是振动就以一定的速度由近及远地向各个方向传播 从而形成机械波 机械波的形成 产生机械波必备的两个条件 1 产生振动的波源 2 能传播振动的弹性介质 振动是波动的根源 波动是振动状态和能量的传播 波动中介质各质点并不随波前进 只是以交变的振动速度在各自的平衡位置附近往复运动 振动与波动的区别 返回 19 第二章超声波探伤的物理基础 2 波长 频率和波速 波长 同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离 称为波长 用 表示 单位常用mm或m 频率f 在1秒钟内所振动的次数 用f表示 单位Hz 波速C 波在单位时间内所传传播的距离 对于超声波检测来讲 波速就是声速 用C表示 单位 m s或Km S 20 第二章超声波探伤的物理基础 三者之间的关系是 C f C f f C 声速越大 波长越长 频率越高波长越短 波长是超声波检测的重要参数 波长短可以发现较小的缺陷 3 波动方程y Acos t x c Acos t Kx 返回 21 第二章超声波探伤的物理基础 三 次声波 声波和超声波 1 次声波 声波和超声波的划分 次声波 声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波 它们在同一介质中传播的速度相同 只是频率不同 人耳能听到的声音叫声波 频率范围在20 20000Hz之间 低于20Hz的声波人耳听不到 叫次声波 高于20000Hz人耳也听不到 叫超声波 22 2 超声波的应用 第二章超声波探伤的物理基础 目前探伤用的超声波频率一般在0 5 10MHz范围 对于金属材料检测 常用的频率为1 5MHz 超声波的特点 1 指向性好2 波长很短 能量高3 能在界面上产生反射 折射和波型转换4 穿透力强 超声波除应用在无损检测外 还应用在医疗诊断 治疗 工业清洗 焊接 加工等等 3 次声波的应用次声波波长长 绕射能力强 传播衰减小 传播距离远 次声波在气象 海洋 地震 和地质勘探等方面得到应用 23 第二章超声波探伤的物理基础 总结 本节重点 1 振动的基本概念与特点 2 谐振动的概念与特点 3 阻尼振动的概念与特点 4 受迫振动的概念与特点 共振的概念与应用 5 机械波的形成 6 产生机械波必备的两个条件 7 振动与波动的区别与联系 8 波长 频率和波速之间的关系计算 返回 24 机械波的分类方法 有三类 第二章超声波探伤的物理基础 一 按质点的振动方向 二 按波阵面 三 按脉冲持续时间分类 1 纵波L 2 横波S 3 表面波R 4 板波 1 平面波 2 柱面波 3 球面波 1 连续波 2 脉冲波 第二节波的类型 25 第二章超声波探伤的物理基础 一 按质点的振动方向分类 传声介质凡能承受压缩或拉伸应力的介质都能传播纵波 固体介质能承受拉伸应力和压缩应力 因此固体介质可以传播纵波 液体和气体虽然不能承受拉应力 但在承受压应力时产生容积变化 因此液体和气体也可以传播纵波 概念 质点的振动方向与传播方向平行的波称为纵波 用L表示 又称压缩波或疏密波 1 纵波L 返回 26 第二章超声波探伤的物理基础 2 横波S 传声介质 只有固体介质才能承受切变应力 液体和气体不能承受切变应力 因此横波只能在固体介质中传播 当质点受到交变的剪切应力用时 产生切变形变 从而形成横波 故又称切变波 概念 质点的振动方向与波的传播方向垂直的波 称为横波 用S表示 纵波横波特点演示 纵波横波波形演示 返回 27 3 表面波R 第二章超声波探伤的物理基础 特点 表面波在固体表面传播 其能量随传播深度的增加而迅速减弱 当传播深度超过2倍波长时质点的振幅就很小了 因此表面波只能发现距工件表面2倍波长以内的缺陷 传声介质 表面波只能在固体表面传播 不能在液体和气体表面传播 表面波是由纵波与横波在表面的合成波 介质表面的质点呈椭圆运动 概念 当介质表面受到交变应力作用时 产生沿介质表面传播的波 称为表面波 用R表示 表面波是由瑞利提出来的 因此又称瑞利波 28 4 板波 第二章超声波探伤的物理基础 小结 以上4种波除纵波外其它波只能在固体中传播 纵波可以在固体 液体 气体中传播 根据质点的振动方向又分为SH波和兰姆波 在表面上下振动的波称为兰姆波 在表面横向振动的波为SH波 概念 在板厚与波长相当的薄板中传播的波 称为板波 返回 29 第二章超声波探伤的物理基础 二按波阵面分类 波阵面 同一时刻振动相位相同的所有质点所联成的面称为波阵面 波源 刚性平面波源 尺寸远大于波长 波阵面 平面 特征 波束不扩散 振幅为常数 按波阵面的形状不同分为 平面波 柱面波 球面波 1 平面波 30 波源 线状波源 尺寸远大于波长 波阵面 柱面 特征 波束向四周扩散 振幅与距离平方根成反比 波源 点波源 尺寸远小于波长 波阵面 球面 特征 波束向四面八方扩散 振幅与距离成反比 超声波探伤的波源近似活塞振动 在各向同性的介质中的波叫活塞波 当离源的距离足够大时 活塞波类似球面波 第二章超声波探伤的物理基础 2 柱面波 3 球面波 返回 31 连续波 波源持续不断的振动 穿透法常采用连续波脉冲波 短时间的脉冲波 持续时间很短 微秒级 第二章超声波探伤的物理基础 三 按振动的持续时间分 例 返回 重点 纵波 横波 表面波的概念 质点振动特点 传播介质 32 第三节超声波的传播速度 超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关 对特定的介质其弹性模量和密度为常数 故声速度也是常数 第二章超声波探伤的物理基础 不同的介质有不同的声速度 超声波波型不同时 介质弹性变形型式不同 声速也不一样 一 固体介质中纵波 横波与表面波声速 1 无限大固体介质中纵波 横波与表面波声速 33 对于钢材有 CL 1 8CS CR 0 9CS 从上述公式可知 1 固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量有关 不同的介质声速不同 介质的弹性模量越大 密度越小 则声速越大 2 声速与波的类型有关 在同一固体介质中 纵波 横波 表面波的声速各不相同 其相互之间的关系如下 CL CS CR 2 细长棒中 d 纵波声速CLb与无限大介质中纵波声速不同 第二章超声波探伤的物理基础 纵波1 10 横波1 11 表面波1 12 34 3 常见介质中的声速m s 4 声速与温度的关系 一般固体中的声速随温度的升高而降低 第二章超声波探伤的物理基础 35 由上式可知 液体的弹性模量越大 密度越小 则声速越大 第二章超声波探伤的物理基础 二 板波声速 三 液体 气体介质中的纵波声速 B 液体 气体介质的容变弹性模量 液体 气体的密度 概念 板波是在板厚与波长相当的薄板中传播 板波的传播是以相速度和群速度传播 液体和气体中不能传播横波 36 温度对液体声速的影响 综上所述 固体和液体介质在温度升高时 声速都下降 唯有水例外 水在74 时声速有极大值 几乎所有的液体 当温度升高时 声速降低 唯有水例外 温度升高时声速增大 在74 时声速达到最大 之后又有所下降 第二章超声波探伤的物理基础 37 四 声速的测量 1 探伤仪测量法 用超声波探伤仪测量是最简单的方法 原理是脉冲反射法 声速比较法 用已知厚度和声速的工件 调节好仪器时基线 并记录 仪器各控制旋钮不变 测量待测工件 该工件是已知厚度 第二章超声波探伤的物理基础 38 则有 t1 2d1 C1t2 2d2 C2 上述两式中 t1为仪器时基线上底波的位置 格数 d1和C1为已知工件的厚度和声速 t2为被测工件的底波在时基线上的位置 格数 此值通过与t1比较而得出 d2为被测工件的厚度 C2是未知数 第二章超声波探伤的物理基础 39 例 第二章超声波探伤的物理基础 如 使用CSK IA试块和直探头 调节器时基线 根据测量厚度进行调节 将25mm的一次底波调到2 5格 将二次波调到5格 三次波调到7 5格 此时每格所代表的时间是 当测量厚度为60mm的另一工件 一次底波在5格处出现时 则该工件的纵波声速为 这种方法不是很精确 可能有几 几十米的误差 其准确度受基准试块的声速 试块精度 时基线的线性 读数误差影响 用水作测量基准原理相同 40 另外一种解题方法 解 t1 t2 2d1 C1 2d2 C2 d1 C1 d2 C2 第二章超声波探伤的物理基础 用A型脉冲反射式超声波探伤仪测试两种工件时 t1 t2分别表示一次底波的格数或水平距离 用测厚仪测试两种工件时 t1 t2分别表示仪器的读数 41 2 测厚仪测量法 原理与超声波探伤仪法相同 现在测厚仪基本上都是脉冲反射法 该方法比用探伤仪要精确一些 由驻波理论可知 当试件厚度为 2的整数倍时 入射波与反射波在试件内形成驻波 产生共振 据共振原理得声速计算公式为 C 2fnd n实际工作中均为脉冲反射式 常用测厚仪有共振法和脉冲反射法两种 第二章超声波探伤的物理基础 1 共振法 2 脉冲反射法 42 3 示波器测量法 示波器的时基线可以读出两次反射波的时间差 通过公式可直接计算出声速 C 2d t 第二章超声波探伤的物理基础 本节重点 声速与介质的关系 声速与温度的关系 声速的测量方法 返回 43 第四节波的叠加 干涉 衍射与惠更斯原理 一 波的叠加与干涉 1 波的迭加原理 第二章超声波探伤的物理基础 几列波在同一介质中传播时 如果在某点相遇 则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成 在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和 几列波相遇后仍保持自己原有的频率 波长 振动方向等特性 并按原来的传播方向继续前进 好象在各自的途径中没有遇到其它波一样 这就是波的迭加原理 又称波的独立性原理 动画演示1 动画演示2 44 2 波的干涉 1 当 n n为整数 时 A A1 A2 合振幅最大 2 当 2n 1 2 n为整数 时 A A1 A2的绝对值 合振幅最小 当A1 A2时 则A 0 完全抵消 超声波探伤中由于波的干涉在使声源附近出现声压极大值和极小值 波的迭加原理是以波的干涉现象为基础 两列频率相同 振动方向相同 相位相同或相差一定值 相遇时在某处振动互相加强 而在另一些地方振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象 产生干涉现象的波互称相干波 第二章超声波探伤的物理基础 45 二 驻波 第二章超声波探伤的物理基础 如声波从水入射到钢时产在水 钢界面上产生波节 波从钢入射到水时在钢水界面上就产生波腹 声波从波密介质入射到波疏介质时在界面上产生波节 当声波从波疏介质入射到波密介质时在界面上产生波腹 两列振幅相同的相干波 频率相同 在同一直线上沿相反方向传播时 互相迭加而成的波 称为驻波 驻波又称节波 在波节位置 振幅恒为零 驻波演示 46 三 惠更斯原理和波的衍射 1 惠更斯原理 2 波的绕射 第二章超声波探伤的物理基础 概念 介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源 在其后任意时刻这些子波的包迹就决定新的波阵面 障碍物与波长相比越小则产生绕射越强 反射越弱 当障碍物很小时几乎全绕射不反射 这就是超声波探伤灵敏度的问题 障碍物越大反射越强 反之则反射越弱 当障碍物的大小与波长相当时 波能绕过障碍物继续前进 这种现象称为波的绕射 演示1 演示 演示2 47 3 波的衍射 这种现象在新标准中得到应用 利用衍射波测量缺陷的高度和长度就是这个原理 波的衍射是惠更斯原理的体现当波传播到缺陷的端部时 在缺陷的端部会产生一个波源 第二章超声波探伤的物理基础 演示 超声波探伤灵敏度约为 2 这是一个重要的原因 当障碍物与波长之比很大时 波几乎全反射不绕射 返回 48 第五节超声场的特征值 超声波所存在的空间或超声波振动所涉及的部分空间叫超声场 描述超声场的特征值主要有声压 声强和声阻抗 一 声压P 第二章超声波探伤的物理基础 声场中某点某一时刻的压强P1与没有超声波存在时的静态压强P0之差 称为该点该时刻的声压 P P1 P0单位 帕斯卡Pa Pa 超声场中 某点的声压幅值与介质密度 波速和频率成正比 超声波频率很高 因此声压远大于声波的声压在示波屏上波高与声压成正比 49 二 声阻抗Z 超声场中任意一点的声压与该处质点的振动速度之比称为声阻抗 用Z表示 第二章超声波探伤的物理基础 从上式可见 在同一声压下 声阻抗增加 对两种介质而说 则质点振动速度下降 因此声阻抗可以理解为介质对质点振动的阻碍作用 类似电学中的欧姆定律R U I 即声阻抗等于该点的介质密度与声速之积 Pm cu ZuZ Pm u Z P u cu u c单位 克 厘米2秒 或千克 米2秒 50 声阻抗是表征介质声学特性的重要物理量 超声波在两种介质界面上的反射与透射直接与声阻抗相关 第二章超声波探伤的物理基础 常用材料的声阻抗 材料的声阻抗与温度有关 一般材料的声阻抗随温度的升高而降低 这是因为大多数材料温度增加密度降低 声速降低 51 第二章超声波探伤的物理基础 三 声强 单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强 用I表示 单位 瓦 厘米2 或焦尔 厘米2 秒 超声波传播到介质某处时 原来静止不动的质点开始振动 因而具有动能 同时该处介质产生弹性变形 因而具有弹性势能 其总能量为二者之和 由以上公式可知 1 超声波的传播是能量的传播 体积元的动能和势能同时最大 同时为0 与单独的谐振系统不同 2 超声波的声强与频率的平方成正比 3 超声波的声强与声压的平方成正比 52 第二章超声波探伤的物理基础 本节重点 声压 声阻抗 声强的物体意义声压与声强的区别 返回 53 第六节分贝与奈培 第二章超声波探伤的物理基础 分贝与奈培的概念 在科学生产过程中 两个数之比相差很大 用起来不方便 常将其比值取对数后计算就大大简便 尤其是在声学和电学领域得到广泛应用 分贝与奈培是用来比较两个数的大小的 即将两个同量纲的数进行比较后取对数后的单位 54 第二章超声波探伤的物理基础 实际应用贝尔太大 故常取1 10贝尔即分贝 dB 来作单位 55 第二章超声波探伤的物理基础 1 分贝的应用 例1 示波屏上波高为80 另一波高为20 问前者比后者高多少dB 例2 示波屏上有三个波A B C A波比B波高3dB C波比B波低3dB 已知B波高为50 求A C两波各为多高 56 第二章超声波探伤的物理基础 也可以直接从HA与HC相差6dB得到HC 35 3分贝数可以直接从仪器衰减器中读出 衰减系数的测定要用到分贝 重点 分贝的计算 返回 57 第七节超声波垂直入射到界面时的反射与透射 超声波垂直入射到异质界面时 会发生反射和透射 并遵循一定规律 一 单一界面的反射率与透射率 第二章超声波探伤的物理基础 58 第二章超声波探伤的物理基础 59 解上述方程组得 第二章超声波探伤的物理基础 60 由以上几式可以得出 T R 11 r t 以上各式说明超声波垂直入射到平界面上时 声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关 第二章超声波探伤的物理基础 61 下面讨论几种常见界面上声压 声强反射与透射情况 例如 超声波垂直入射到水 钢界面 即从水入射到钢 如图1 27 第二章超声波探伤的物理基础 62 以上计算表明 超声波垂直入射到水 钢界面时 其声压反射率r 0 935 声压透射率t 1 935 粗略地看 t 1似乎违返能量守恒 其实不然 因为声压是力的概念 而力只会平衡 P0 Pr Pt 不会守恒 但从声强方面看 R T 0 125 0 875 1说明能量守恒 第二章超声波探伤的物理基础 63 例如超声波垂直入射到钢 水界面 即从钢入射到水 如图1 28 第二章超声波探伤的物理基础 64 以上计算表明 超声波垂直入射到钢 水界面时 其声压反射率r 0 935高 声压透射率t 0 065很低 声强反射率和透射率与水 钢界面相同 即两种介质的界面对于声强来说 其反射率与透射率不变 与从哪种介质入射无关 第二章超声波探伤的物理基础 65 声压反射率 从声阻抗大的介质中入射到声阻抗小的介质中时 反射率高 透射率低 从声阻抗小的介质中入射到声阻抗大的介质中时 反射率高 透射率更高 第二章超声波探伤的物理基础 66 以上计算表明 当入射波介质的声阻抗远大于透射波介质的声阻抗时 声压反射率趋近于 1 透射率趋近于0 即声压几乎全反射 无透射 只是反射声压与入射声压相位相反 超声波探伤中 如果探头与工件之间不施加耦合剂 则形成固 气界面 超声波将无法进入工件 第二章超声波探伤的物理基础 67 4 当Z1 Z2时 即界面两侧的声阻抗近似相等时 这说明超声波垂直入射到两种介质声阻抗相差很小的介质时 几乎全透射 不反射 因此在焊缝探伤中 若母材与填充金属结合面没有任何缺陷 是不会产生界面回波的 如 复合钢板复合层检测 当复层与基层复合良好时 没有反射波 当复层与基层复合不好时 中间有空气 反射波强烈 第二章超声波探伤的物理基础 68 以上讨论的超声波纵波垂直入射到单一平界面上的声压 声强反射率和透射率公式同样适用于横波入射的情况 但必须注意的是在固 液或固 气界面上 横波全反射 因为横波不能在液体和气体中传播 二 簿层界面的反射率与透射率 第二章超声波探伤的物理基础 常用物质界面的纵波声压反射率见表1 6 P25 69 异质薄层很薄 进入薄层内的超声波会在异质薄层内进行多次反射与透射 形成一系列的反射波和透射波 如图1 29 第二章超声波探伤的物理基础 当超声波的脉冲宽度相对于薄层较窄时 薄层两侧的各次反射波 透射波互不干涉 当脉冲宽度较薄层厚度较宽时 薄层两侧的各次反射与透射就会互相叠加产生干涉 超声波通过薄层的反射与透射是一个很复杂的过程 70 第二章超声波探伤的物理基础 图1 30与图1 31 图表明空气和水在钢和铝中的声压的反射率与透射率 71 第二章超声波探伤的物理基础 钢和铝中气隙 水隙声压透射率 钢和铝中气隙 水隙声压反射率 72 第二章超声波探伤的物理基础 2 薄层两侧介质不同的双界面 Z1 Z2 Z3 即非均匀介质中的薄层 这一点对于设计超声波探头保护膜具有重要指导意义 73 第二章超声波探伤的物理基础 三 声压往复透射率 探头发射的声波进入工件 声波到达底面时全反射后再次通过同一界面被探头接收 如图1 32 超声波单探头探伤时 探头即作发射又作接收 即先发射脉冲 之后等待接收返回的脉冲 74 第二章超声波探伤的物理基础 同理 水浸法探伤时 钢水界面的往复透射率为12 5 往复透射率的高低直接影响探伤灵敏度的高低 往复透射率高则灵敏度高 反之则低 声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关 与从何种介质入射到界面无关 界面两侧介质的声阻抗相差越小 声压往复透射率就越高 反之则低 重点 界面条件 反射率和透射率的计算 特殊薄层厚度界面的反射率和透射率 声压往复透射率计算 返回 75 第二章超声波探伤的物理基础 第八节超声波倾斜入射到界面时的反射与折射 一 波型转换与反射 折射定律 当超声波倾斜入射到界面时 除产生同种类型的反射和折射波外 还会产生不同类型的反射波和折射波 这种现象称为波型转换 1 纵波斜入射 当纵波倾斜入射到固 固界面时 除产生反射纵波和折射纵波外 还会产生反射横波和折射横波 如图1 33所示 76 第二章超声波探伤的物理基础 各种反射波和折射波方向符合反射 折射定律 声速大 则角度大 声速小 则角度小 在同一介质中 纵波声速大于横波声速 因此纵波角度大于横波角度 77 第二章超声波探伤的物理基础 1 第一临界角 概念 当入射纵波在第二介质中产生的折射纵波 其折射角达到90 时 即折射纵波全反射时 入射纵波的入射角 称为第一临界角 超声波横波探伤时 纵波入射角大于第一临界角 工件内只有横波没有纵波 折射纵波全反射 产生条件 第一介质中的纵波声速小于第二介质中的纵波声速 78 第二章超声波探伤的物理基础 概念 当入射纵波在第二介质中产生的折射横波 其折射角达到90 时 即折射横波全反射时 入射纵波的入射角 称为第二临界角 2 第二临界角 超声波表面波探伤时 纵波入射角大于第二临界角 工件只有表面波没有纵波和横波 折射纵波和折射横波全反射 产生条件 第一介质中的纵波声速小于第二介质中的横波声速 79 第二章超声波探伤的物理基础 当纵波入射角大于第一临界角小于第二临界角时 工件内只有横波没有纵波 当纵波入射角小于第一临界角时 工件既有纵波又有横波 当纵波入射角大于第二临界角时 工件内即没有纵波也没有横波 只有表面波 由此可见 有机玻璃横波探头 L 27 6 57 7 之间 有机玻璃表面波探头 L 57 7 80 第二章超声波探伤的物理基础 在固体介质中 入射横波会产生反射纵波和反射横波 由于纵波声速大于横波声速 当入射横波的入射角达到一定值时 反射纵波的反射角达到90 此时工件内只有反射横波 没有反射纵波 横波全反射 此时的横波入射角称为第三临界角 2 横波入射 横波入射同样符合反射 折射定律 第三临界角 81 第一个波为根部焊瘤反射波 第二个波为焊缝表面反射纵波 第三个波为焊缝表面反射横波 这种情况在用横波探测异型工件时 会发生 S 33 2 的情况 此时工件内即有反射纵波又有反射横波 会引起误判 如焊缝探伤时有时会产生山形回波就是这个原因 第二章超声波探伤的物理基础 82 第二章超声波探伤的物理基础 现只介绍由理论计算结果绘制的曲线图 二 声压反射率 由于超声波倾斜入射 其声压反射率不仅与介质的声阻抗有关而且还与入射角有关 是一个复杂的计算过程 这里不再讨论 本节讨论下列两种情况 1 纵波倾斜入射到钢 空气界面的反射 2 横波倾斜入射到钢 空气界面的反射 83 第二章超声波探伤的物理基础 1 纵波倾斜入射到钢 空气界面的反射见图1 35 纵波入射到钢 空气界面时 纵波声压反射率与横波声压反射率随入射角而变化 当入射角等于60度左右时 纵波反射率很低 横波反射率很高 原因是纵波入射角等于60度左右时 产生一个较强的变型反射横波 84 第二章超声波探伤的物理基础 2 横波倾斜入射到钢 空气界面反射见图1 36 横波倾斜入射到钢 空气界面 横波反射率与纵波反射率随入射角而变化 当入射角在30度左右时 横波反射率很低 纵波反射率很高 当横波入射角大于33 2度时 横波全反射 即钢中只有横波没有纵波 85 第二章超声波探伤的物理基础 超声波探伤常采用反射法 超声波往复透过同一探测面 因此声压往复透过率更具有实际意义 三 声压往复透射率 86 第二章超声波探伤的物理基础 图1 38为纵波倾斜入射至水 钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系曲线 当纵波入射角小于14 5度时 折射纵波的往复透射率不超过13 折射横波的往复透射率不超过6 87 第二章超声波探伤的物理基础 当入射角在14 5 27 27度时 钢中只有横波没有纵波 横波往复透射率最高不到20 实际探伤中 水浸探伤就属于这种情况 当入射角在27 57 7度时 钢中只横波没有纵波 横波往复透射率最高不到30 这时对应的纵波入射角为30度 横波折射角为37度 图1 39为纵波倾斜入射至有机玻璃 钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系曲线 当纵波入射角小于27 6度时 折射纵波的往复透射率不超过25 折射横波的往复透射率不超过10 实际探伤中 有机玻璃探头探测钢材就属于这种情况 88 第二章超声波探伤的物理基础 回波声压与入射波声压之比称为端角反射率 用T端表示 四 端角反射 概念 超声波在两个平面构成的直角内的反射 叫端角反射 如图1 40 在端角反射中超声波经历了两次反射 当不考虑波型转换时 二次反射波与入射波平行 且 90 89 第二章超声波探伤的物理基础 图1 41为钢 空气界面上钢中的端角反射率 图1 41a中可知 纵波入射时 端角反射率都很低 这是因为纵波在端角的两次反射分离出较强的横波 90 第二章超声波探伤的物理基础 图1 41b中可知 横波入射时 在 s 30 或 s 60 附近时 端角反射率最低 s 30 55 时 端角反射率达100 此时K tg s 0 7 1 43 实际工作中横波探伤根部未焊透或裂纹的情况就属于这类情况 当 s 56 即K 1 5时 探伤灵敏度较低 可能引起漏检 重点 反射和折射定律的应用 第一 二 三临界角的概念 端角反射的概念 液体和气体中只传播纵波 返回 91 P P1 xP1 声场中距离单位为1处的声压 第二章超声波探伤的物理基础 第九节超声波的聚焦与发散 超声波指向性好 它与可见光一样具有聚焦和发散的特性 一 声压距离公式 对于平面波 波束不扩散 因此声压不随距离而变化 球面波与柱面波其波束随距离的增加而扩散 其扩散规律有所不同 1 球面波声压距离公式 球面波的波阵面为同心球面 球面波声场中某处质点的振幅与该点至声源的距离成反比 而声压又与振幅成正比 因此球面波的声压与距离成反比 92 第二章超声波探伤的物理基础 柱面波的波阵面为同轴柱面 柱面波声场中某处质点的振幅 与该点至波源的距离的平方根成反比 即该点的声压与该点至声源的距离的平方根成反比 2 柱面波声压距离公式 93 反射波还是球面波 反射波源与入射波源相对于平面对称 如远场探伤 大平底的反射 二 球面波在平界面上的反射与折射 1 单一的平界面上的反射 第二章超声波探伤的物理基础 反射波声压 94 第二章超声波探伤的物理基础 2 双界面的反射 球面波在互相平行的双界面间的多次反射仍符合球面波的变化规律 前壁各次反射波声压比 1 1 2 1 3 后壁各次反射波声压比 1 1 3 1 5 实际探伤中 当距离较大时 超声波探头发出的波可视为球面波 大于3N 远场 示波屏上各次底面反射波的高度之比近似符合 1 1 2 1 3的规律 95 球面波在平面上的折射遵循折射定律 当球面波入射到水 钢界面时 球面波更加发散 见图1 44 实际工作中 水 钢界面有这种情况 3 单一平界面上的折射 第二章超声波探伤的物理基础 96 三 平面波在曲界面上的反射与折射 凹面聚焦 凸面发散 焦点为r 2 实际工作中 气孔和柱孔就类似这种类型 第二章超声波探伤的物理基础 1 平面波在曲界面上的反射 97 第二章超声波探伤的物理基础 2 平面波在曲界面上的折射 如 球面透镜和柱面透镜 98 第二章超声波探伤的物理基础 聚焦与发散与两侧介质的声速相关 水浸探头有机玻璃声速大于水的声速 制成凹面探头 可形成聚焦声束 有利于提高探伤灵敏度 99 凹曲面的反射波聚焦 凸曲面的反射波发散 第二章超声波探伤的物理基础 四 球面波在曲界面上的反射与折射 1 球面波在曲界面上的反射 球面波在曲界面上将发生聚焦或发散 曲界面为凹面时 球面波半径要大于曲面的半径 100 当球面波的半径小于曲面的半径时 反射波全发散 如超声波探伤从内侧探测大直径工件时 图1 48 W反射 第二章超声波探伤的物理基础 101 第二章超声波探伤的物理基础 凹面反射波聚集于像点 使像点处的声压很大 如果在像点处有一缺陷 那么经底面反射的波聚集在缺陷处 又经缺陷反射回底面 最后返回探头 则在示波屏上会先出现一个缺陷波 再出现底波 之后再出现一个缺陷波 在探伤时应按第一次缺陷波进行评定 从外侧探测空心圆柱体时 内径越大反射底波越强 反之则小 102 第二章超声波探伤的物理基础 2 球面波在曲界面上的折射 水浸探伤球形或柱形工件时 由于折射波发散 因此探伤灵敏度会降低 为了提高灵敏度 常常采用聚焦探头 球面波在曲面上的折射同样会产生聚焦和发散 图1 50 b d 不完全是这样的 有可能发散或平行 与介质两侧的声速大小有关 重点 反射波 聚焦与发散与反射面凹凸有关折射波 聚焦与发散不尽与界面凹凸有关 而且与界面两侧的声速有很大关系 会用作图法 返回 103 第二章超声波探伤的物理基础 第十节超声波的衰减 一 衰减的原因 1 扩散衰减 由于波的扩散而产生的衰减称为扩散衰减 平面波不产生扩散衰减 球面波扩散衰减与距离成反比 柱面波扩散衰减与距离的平方根成反比 104 第二章超声波探伤的物理基础 2 散射衰减 通常所说的衰减是指吸收衰减和散射衰减 不包括扩散衰减 超声波在介质中传播时 遇到声阻抗不同的界面产生散射 引起的衰减称为散射衰减 散射衰减与材质的晶粒度有关 晶粒度粗大时散射衰减严重 杂波多 信噪比下降 如图1 51 3 吸收衰减 超声波在介质中传播时由于质点的振动产生磨擦 而生热 从而引起衰减称为吸收衰减或收粘滞衰减 105 第二章超声波探伤的物理基础 1 衰减方程 二 衰减方程与衰减系数 平面波不存在扩散衰减 只有介质衰减 其声压衰减方程为 106 衰减系数只考虑散射衰减和吸收衰减 不考虑扩散衰减 第二章超声波探伤的物理基础 2 衰减系数 介质的晶粒度越大衰减越大 严重的会引起草状杂波 在实际工作中有时根据反射波的次数来判定介质的密实成度 介质的衰减与频率成正比 107 第二章超声波探伤的物理基础 利用多次反射的dB差值与穿透工件的总厚度之比 当有反射损失时要考虑反射损失 三 衰减系数的测定 1 薄板工件衰减系数的测定 108 厚度大于200mm的板或轴类工件 可根据第一 二次底波高度来测量 第二章超声波探伤的物理基础 厚板或粗圆柱体衰减系数的测定 109 第二章超声波探伤的物理基础 例 某工件厚度x 500mm 测得B1 80 B2 20 反射损失 0 5dB 则工件的衰减系数为 20lgB1 B2 6 2x 20lg80 20 6 0 5 20 500 0 005 dB mm 110 第二章超声波探伤的物理基础 重点 扩散衰减 散射衰减 吸收衰减的概念与区别理论衰减系数与实测衰减系数的区别 返回 111