无损检测超声波二级培训教材.ppt

UT第1章绪论超声检测通常是指工件内部宏观缺陷检测和材料厚度测量 1 1超声检测基础知识1 1 1次声波 声波和超声波它们都是在弹性介质中传播的机械波 同一波形在同一介质中的传播速度是相同的 它们的区别主要在于频率不同 人们日常所听到的各种声音 是由于各种声源的振动通过空气等弹性介质传播到耳膜 引起耳膜振动 牵动听觉神经 使人产生听觉 1 能引起人们听觉的机械波称为声波 其频率为20 20kHz之间 频率低于20Hz的机械波称为次声波 频率高于20kHz的机械波称为超声波 次声波和超声波 人耳是听不到的 用于宏观缺陷检测的超声波 其常用频率为0 5 25MHz 对于钢等金属材料的检测 常用频率为0 5 10MHz 超声波的特点就是频率高 因而使超声波具有一些重要特性 使其能广泛用于无损检测 1 超声波方向性好 超声波频率高 波长短 扩散角小 可以定向发射 犹如手电筒发出的一束光 可在黑暗中找到所需物品一样在被检材料中发现缺陷 2 超声波能量高 超声波的检测频率远高于声波 其声强与频率的平方成正比 2 3 超声波能在异质界面产生反射 折射 衍射和波形转换 在超声检测中 特别是在脉冲反射法检测中 利用了超声波几何声学的一些特点 如在介质中直线传播 遇界面产生反射 折射等 4 超声波穿透能力强 超声波在大多数介质中传播时 传播能量损失小 传播距离大 穿透能力强 在很多金属材料中其穿透能力可达数米 3 1 1 2超声检测工作原理超声检测主要基于超声波在工件中的传播特性 如超声波在通过材料时能量会损失 在遇到声阻抗不同的两种介质的界面时会发生反射等 其主要的工作过程是 4 1 声源产生超声波 并通过一定的方式进入工件 2 超声波在工件中传播并与工件材料及其中的缺陷相互作用 使其传播方向或特征发生改变 3 改变后的超声波通过检测设备接收 并对其进行处理和分析 4 根据接收到的超声波信号特征 评估工件表面及其内部是否存在缺陷及缺陷的特征 通常用来发现缺陷并对其进行评估的基本信息是 5 1 是否存在来自缺陷的超声信号及其幅度 2 回波的传播时间 3 超声波通过材料后的能量衰减 6 第2章超声波探伤的物理基础超声波是一种机械波 是机械振动在介质中的传播 机械振动与波动是超声波探伤的物理基础 超声波探伤中 主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概念 如几何声学中的反射 折射定律及波型转换 物理声学中波的叠加 干涉 衍射等 7 2 1机械振动与机械波2 1 1机械振动物体 或质点 在某一平衡位置附近作来回往复的运动 称为机械振动 振动是自然界最常见的一种运动形式 8 振动产生的必要条件是 物体一离开平衡位置就会受到回复力的作用 阻力要足够小 物体 或质点 受到一定力的作用 将离开平衡位置 产生一个位移 该力消失后 在回复力作用下 它将向平衡位置运动 并且还要越过平衡位置移动到相反方向的最大位移位置 然后再向平衡位置运动 9 这样一个完整运动过程称为一个 循环 或叫一次 全振动 每经过一定时间后 振动体总是回复到原来的状态 或位置 的振动称为周期性振动 不具有上述周期性规律的振动称为非周期性振动 10 振动是往复的运动 振动的快慢常用振动周期和振动频率两个物理量来描述 振动的强弱用振幅来表征 周期 当物体作往复运动时完成一次全振动所需的时间 称为振动周期 用T表示 常用单位为秒 s 对于非周期性振动 往复运动已不再是周期性的 但周期这个物理量仍然可以反映这种运动的往复情况 频率 振动物体在单位时间内完成全振动的次数 称为振动频率 用f表示 常用单位是赫兹 Hz 1Hz 1次 s 频率和周期互为倒数 T 11 振幅 振动物体离开平衡位置的最大距离 称为振动的振幅 用A标示 1 谐振动 物体 或质点 在受到跟位移大小成正比 而方向总指向平衡位置的回复力作用下的振动 就叫做谐振动 P8 12 弹簧振子的谐振动 弹簧一端固定 质量不计 另一端连接一小球 当小球处于O点时 所受外力为零 弹簧没有变形 小球不受力 该点就是平衡位置 将小球从平衡位置O向右拉到A点 然后释放 小球将左右振动 14 小球振动过程中 其重力与表面支持力始终平衡 假定小球的运动没有任何其他阻力 对振动起作用的只有弹簧作用在小球上的弹力 当小球受到外力作用被拉到O点右侧的A点时 它对平衡位置的位移方向向右 而所受弹力的方向却向左 当小球运动到O点左侧时 位移方向向左 而弹力方向却向右 该弹力的方向总是跟小球对平衡位置的位移方向相反 指向平衡位置 这个弹力就是使小球振动的回复力 15 根据胡克定律 弹簧提供的回复力F的大小与小球相对平衡位置的位移X成正比 F KxK为弹簧的倔强系数 又称劲度系数或弹性系数 反映弹簧的软硬程度 它与弹簧的材料性质 截面积和原长度有关 单位是N m 负号表示回复力与位移方向相反 16 从运动学角度分析 弹簧振子的运动可以用振动图像直观地表示出来 表示振动质点的位移随时间变化的规律 运动学 kinematics 从几何的角度 指不涉及物体本身的物理性质和加在物体上的力 描述和研究物体位置随时间的变化规律的力学分支 下图是以纵轴表示时间 横轴表示质点位移而形成的谐振动图像 17 18 19 谐振动与做匀速圆周运动的质点在X轴上投影的运动特点完全一致 以振幅A为半径作园 质点M沿圆周作匀速运动 质点M的水平位移X和时间t的关系可用下式描述 20 式中 A 振幅 表征振动质点离开平衡位置的最大位移 振动相位 表征振动质点在某一时刻t的位置和质点的运动方向 即 表征质点的运动状态 X 某一时刻的水平位移 22 人们将位移随时间的变化符合余弦 或正弦 规律的振动形式称为谐振动 谐振动的振幅 频率和周期保持不变 其频率为振动系统的固有频率 是最简单 最基本的一种振动 任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成 作谐振动的物体在平衡位置时动能最大 势能为零 在位移最大处势能最大 动能为零 其总能量保持不变 23 2 阻尼振动 谐振动是理想条件下的振动 不考虑摩擦和其它阻力的影响 但任何实际物体的振动 总要受到阻力的作用 由于要克服阻力做功 则振动物体的能量不断减少 这种振幅或能量随时间不断减少的振动 称为阻尼振动 24 3 受迫振动 物体受到周期性变化的外力作用时 产生的振动 受迫振动刚开始时情况很复杂 经过一段时间后达到稳定状态 变为周期性的谐振动 其振动频率与策动力频率相同 振幅保持不变 受迫振动的振幅与策动力的频率有关 当策动力频率与受迫振动物体固有频率相同时 受迫振动的振幅达最大值 这种现象称为共振 超声波探头中的压电晶片在发射超声波和接收超声波时 产生的是受迫振动和阻尼振动 25 在设计探头中的压电晶片时 若使高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率 就会产生共振 这时压电晶片的电声能量转换效率最高 26 2 1 2机械波1 机械波的产生与传播振动的传播过程称为波动 分机械波和电磁波两大类 机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程 电磁波是交变电磁场在空间的传播过程 27 在介质内部 各质点间以弹性力连接在一起 称为弹性介质 在弹性力的作用下 弹性介质中一个质点的振动就会引起临近质点的振动 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开来 从而就形成了机械波 产生机械波必须具备以下两个条件 1 要有作机械振动的波源 2 要有能传播机械振动的弹性介质 28 一般固体 液体 气体都可视为弹性介质 液体和气体不能用上述弹性力的模型来描述 其弹性波是在受到压力时体积的收缩和膨胀产生的 29 振动与波动是互相关联的 振动是产生波动的根源 波动是振动状态的传播 波动中介质各质点并不随波前进 而是按照与波源相同的振动频率在各自的平衡位置上振动 并将能量传递给周围的质点 这种能量的传播 不是靠物质的迁移来实现的 也不是靠相邻质点的弹性碰撞来完成的 而是由各质点的位移连续变化来逐渐传递出去的 因此 机械波的传播不是物质的传播 而是振动状态和能量的传播 30 机械波的传播特点每个质点只在平衡位置附近振动 不向前运动 后面质点重复前面质点的振动状态 有相位落后 所有质点同一时刻位移不同 形成一个波形 振动状态 波形 能量向前传播 31 2 机械波的主要物理量 1 波长 同一波线上相邻两振动相位相同的质点的距离 称为波长 用 表示 波源或介质中任意一质点完成一次全振动 波正好前进一个波长的距离 波长的常用单位为毫米 mm 或米 m 33 2 周期T和频率f 为波动经过的介质质点产生机械振动的周期和频率 机械波的周期和频率只与振源有关 与传播介质无关 波动频率也可定义为波动过程中 任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数 与该点振动频率数值相同 单位为赫兹 Hz 而波前进一个波长的距离所需要的时间 即为周期 同样可以说 波经历一个完整周期所传播的距离 即为波长 34 3 波速C 波动中 波在单位时间内所传播的距离称为波速 用C表示 常用单位为米 秒 m s 次声波 声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波 在同一介质中的传播速度相同 它们的区别主要在于频率不同 C f或 C f振动的传播速度称为波速 声速 不要把波速与质点的振动速度混淆起来 质点的振动方向与波动的传播方向也不一定相同 35 2 2波的分类2 2 1按波的类型分类 1 纵波 介质中质点的振动方向与波的传播方向相互平行的波 称为纵波 L 凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波 固体介质能承受拉伸或压缩应力 因此固体介质可以传播纵波 液体和气体虽然不能承受拉伸应力 但能承受压应力产生体积的压缩和膨胀 因此液体和气体也可以传播纵波 36 纵波 质点的振动方向与波的传播方向一致 特征 具有交替出现的密部和疏部 例如 弹簧波 声波 2 横波 介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称为横波 用 S 或 T 表示 当介质质点受到交变的剪切应力作用时 产生切变形变 从而形成横波 故横波又称为切变波 只有固体介质才能承受剪切应力 液体和气体介质不能承受剪切应力 因此横波只能在固体介质中传播 不能在液体和气体介质中传播 38 横波 质点振动方向与波的传播方向相垂直 特征 具有交替出现的波峰和波谷 3 表面波 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 常用 R 表示 表面波在介质表面传播时 介质表面质点作椭圆运动 椭圆长轴垂直于波的传播方向 短轴平行于波的传播方向 椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成 即纵波与横波的合成 因此表面波同横波一样只能在固体介质中传播 不能在液体或气体介质中传播 40 表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱 当传播深度超过两倍波长时 质点的振幅就已经很小了 因此 一般认为 表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度范围内的缺陷 41 4 板波 在板厚与波长相当的薄板中传播的波 称为板波 根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波 1 SH波 水平偏振的横波在薄板中传播的波 薄板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向 相当于固体介质表面中的横波 42 2 兰姆波 分为对称型 S型 和非对称型 A型 对称型兰姆波 薄板中心质点作纵向振动 上下表面质点作椭圆运动 振动相位相反并对称于中心 非对称型兰姆波 薄板中心质点作横向振动 上下表面质点作椭圆运动 相位相同 不对称 43 2 2 2按波的形状分类 波的形状是指波阵面的形状 波阵面 同一时刻 介质中振动相位相同的所有质点所连成的面称为波阵面 波前 某一时刻 波动所到达的空间各点所连成的面为波前 波线 波的传播方向称为波线 波前是最前面的波阵面 是波阵面的特例 任意时刻 波前只有一个 而波阵面却很多 在各向同性的介质中 波线恒垂直于波阵面或波前 44 1 平面波 波阵面为相互平行的平面的波 其波源为一平面 尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的均匀介质中辐射的波 可视为平面波 平面波波束不扩散 平面波各质点振幅是一个常数 不随距离而变化 其波动方程为 45 2 柱面波 波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波 柱面波的波源为一直线 长度远大于波长的线状波源在各向同性的介质中辐射的波可视为柱面波 柱面波波束向四周扩散 柱面波各质点的振幅与距离的平方根成反比 其波动方程为 46 3 球面波 波阵面为同心球面的波称为球面波 球面波的波源为一点 尺寸远小于波长的点波源在各向同性的介质中辐射的波可视为球面波 球面波波束向四面八方扩散 球面波各质点的振幅与距离成反比 其波动方程为 47 实际应用的超声波探头中的波源近似活塞振动 其在各向同性介质中辐射的波称为活塞波 当距波源的距离足够大时 活塞波的声场特性类似于球面波 48 2 2 3按振动的持续时间分类1 连续波 波源持续不断的振动所辐射的波称为连续波 超声穿透法检测常采用连续波 49 2 脉冲波 波源振动持续时间很短 通常是微秒级 1 s 10 6s 间歇辐射的波称为脉冲波 目前超声检测中广泛采用的就是脉冲波一个脉冲波可分解为多个不同频率的谐振波的叠加 将一个复杂振动分解为谐振动的方法 称为频谱分析 50 51 一个声脉冲的频谱可用专门的频谱分析仪来进行显示 其中人们关心的频谱特征量有 峰值频率 频带宽度和中心频率 峰值频率fp 幅度峰值所对应的频率值 频带宽度 峰值两侧幅度下降为峰值的一半时的频率值fl和fu之间的频率范围 6db带宽 脉冲越短 则频带越宽 中心频率fe 频率值fl和fu之算数平均值 52 通常超声检验中使用的是窄频带 宽 长 脉冲的脉冲波 53 54 2 3波的叠加 干涉和衍射2 3 1波的叠加与干涉1 波的叠加原理当几列波在同一介质中传播时 如果在空间某处相遇 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 好象在各自的途中没有遇到其他波一样 这就是波的迭加原理 又称波的独立性原理 55 57 2 波的干涉波的干涉是在特定条件下波叠加所产生的现象 相遇时 介质中某些地方的振动相互加强 另一些地方的振动相互减弱或完全抵消的现象称为波的干涉现象 能产生干涉现象的波称为相干波 其波源称为相干波源 当两相干波的波程差等于波长的整数倍时 二者相互加强 合振动振幅最大 当两相干波的波程差等于半波长的奇数倍时 二者相互抵消 合振动振幅最小 水波干涉俯视图样 波的迭加原理是波的干涉现象的基础 波的干涉是波动的重要特征 在超声波探伤中 由于波的干涉 使超声波的波源附近出现声压极大 极小值 63 2 3 3惠更斯 菲涅耳原理与波的衍射1 惠更斯 菲涅尔原理 1690 1815 波动是振动状态的传播 如果介质是连续的 那么介质中任何质点的振动都将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 因此波动中任何质点都可以看作是新的波源 在其后任意时刻这些子波的包迹就决定了新的波阵面 利用惠更斯 菲涅尔原理可以确定波前的几何形状和波的传播方向 解释波的反射 折射和衍射等现象 64 2 波的衍射 绕射 波在传播过程中遇到障碍物时 能绕过障碍物的边缘 在障碍物的阴影区内继续传播的现象 波的绕射与障碍物尺寸Df及波长 的相对大小有关 65 当Df 时 波的绕射强 反射弱 缺陷回波很低 容易漏检 当Df 时 反射强 绕射弱 声波几乎全反射 超声检测灵敏度约为 2 这是一个重要原因 66 超声波探伤的灵敏度约为 2例 对钢 频率f 2 5MHz 根据C f纵波声速CL 5900m s L 2 36mm横波声速CS 3230m s S 1 29mm在频率相同的条件下 横波的检测灵敏度高于纵波的检测灵敏度 相同介质中 提高工作频率可以检出较小的缺陷 67 2 4超声波的传播速度超声波 次声波和声波的实质一样 都是机械波 它们在同一介质中的传播速度相同 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 弹性模量和密度为常数 故声速也是常数 不同的介质 有不同的声速 超声波波型不同时 介质弹性变形形式不同 声速也不一样 2 4 1固体介质中的声速固体介质不仅能传播纵波 而且还可以传播横波和表面波等 但它们的声速是不相同的 此外介质尺寸的大小对声速也有一定的影响 无限大介质与细长棒中的声速也不一样 68 1 无限大固体介质中的声速 当介质的尺寸远大于波长时 就可以视为无限大介质 无限大固体介质中纵波声速 CL 无限大固体介质中横波声速 CS 69 无限大固体介质中表面波声速 CR 式中E 介质的杨氏弹性模量G 介质的剪切弹性模量 介质的密度 介质的泊松比 所有固体介质的泊松比都在0 0 5之间 70 泊松比 英语 Poisson sratio 又译蒲松比 是材料力学和弹性力学中的名词 定义为材料受拉伸或压缩力时 材料会发生变形 而其横向变形量与纵向变形量的比值 是一无量纲的物理量 71 小结 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 声速还与波的类型有关 在同一固体介质中 纵波 横波和表面波的声速各不相同 对钢材而言 0 28 所以CL CS CR 1 8 1 0 9 72 2 细长棒中的纵波声速 棒径d CLb 73 3 声速与温度 应力及均匀性的关系 一般介质中的声速随介质温度升高而降低 当应力方向与声波的传播方向一致时 应力增加 声速加快 应力减小 声速减小 固体材料组织均匀 晶粒度细 声速大 固体材料组织不均匀 晶粒度粗 声速慢 74 4 兰姆波的声速 由于兰姆波传播时受到上下界面的影响 因此其声速与纵波 横波 表面波不同 它不仅与介质的性质有关 而且与板厚 频率等有关 对于特定的板厚和频率组合 还可有多个对称型和非对称型的振动模式 每个模式具有不同的波速 兰姆波声速分为相速度和群速度 75 2 4 2液体 气体介质中的声速C 式中B 液体 气体介质的容变弹性模量 表示产生单位容积相对变化量所需压强 液体 气体介质的密度 液体介质中声速与温度的关系 除水以外几乎所有液体 当温度升高时 容变弹性模量减小 声速降低 但水在74 左右时声速最大 水温低于74 时 声速随温度升高而增加 当水温高于74 时 声速随温度升高而降低 76 2 4 3声速的测量声速是衡量材料声学性质的重要参数 实际检测中有时需要测量材料中的声速 77 1 超声检测仪器测量法 固定时间t 则C钢 C水 78 这种方法测量声速 精度不高 影响误差的主要原因是 直探头前面有一层保护膜 声波在里面传播有一段时间 另外d b的测量存在误差 还有工件底波和水层底波前沿不一定完全重合 2 测厚仪测声速 3 示波器测声速 79 2 5超声场的特征量充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质 叫做超声场 超声场具有一定的空间大小和形状 只有当缺陷位于超声场内时 才有可能被发现 描述超声场的特征量主要有声压 声强 声阻抗 80 2 5 1声压 超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P1与没有超声波存在时的静态压强P0之差 称为该点的声压P 声压单位 帕斯卡1Pa 1N m2P c 式中 介质的密度c 波速 c dx dt 质点的振动速度 u A 2 fA 超声检测仪器显示的信号幅值的本质就是回波声压P 示波屏上的波高与回波声压成正比 在超声检侧中 就缺陷而论 其回波声压值反应缺陷的大小 81 2 5 2声阻抗 超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗 常用Z表示 Z P c c声阻抗的单位为 克 厘米2秒 g cm2s 或千克 米2秒 kg m2s 声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量 超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关 材料的声阻抗与温度有关 一般材料的声阻抗随温度升高而降低 这是因为声阻抗Z c 而大多数材料的密度 和声速c随温度增加而减少 82 2 5 3声强I单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强 常用I表示 单位是 瓦 厘米2 W cm2 或焦耳 厘米2秒 J cm2s 在同一介质中 超声波的声强与声压的平方成正比 I 83 2 5 4分贝与奈培通常规定引起听觉的最弱声强为I1 10 16瓦 厘米2作为声强的标准 另一声强 如平常谈话的声强为10 11瓦 厘米2 I2与标准声强I1之比的常用对数称为声强级 单位为贝尔 BeL lg I2 I1 BeL 实际应用贝尔太大 取1 10为单位 分贝 db 10lg I1 I2 20lg P1 P2 db 84 在超声探伤中 当超声波探伤仪的垂直线性较好时 仪器示波屏上的波高与声压成正比 这时有 20lg P2 P1 20lg H2 H1 dB 这里声压基准P1或波高基准H1可以任意选取 当H2 H1 1时 0dB 说明两波高相等时 二者的分贝差为零当H2 H1 2时 6dB 说明H2为H1的2倍时 二者波高差6dB 高 当H2 H1 1 2时 6dB 说明H2为H1的1 2倍时 二者波高差还是6db 低 85 若H2 H1或P2 P1取自然对数 则其单位为奈培 NP ln P2 P1 ln H2 H1 NP 令 P2 P1 e则ln P2 P1 lne 1 NP 20lg P2 P1 20lge 8 68db即 1NP 8 68db分贝与奈培就是两个同量纲的量之比取对数后的单位 86 用分贝值表示回波幅度的相互关系 不仅可以简化运算 而且在确定基准波高以后 可直接用仪器衰减器的读数表示缺陷波的相对波高 因此 分贝概念的引用对超声检测有很重要的实用价值 此外 在超声波探伤对缺陷的定量计算和衰减系数的测定中也常常用到分贝 87 2 6超声波垂直入射到界面时的反射和透射超声波从一种介质传播到另一种介质时 在两种介质的分界面上 一部分能量反射回原介质内 称反射波 另一部分能量透过界面在另一种介质内传播 称透射波 在界面上声能 声压 声强 的分配和传播方向的变化都将遵循一定的规律 关于垂直入射到平界面上时的反射和透射情况 重点是讨论声能的分配比例 88 2 6 1单一平界面的反射率与透射率设 入射波的声压为P0 反射波的声压为Pr 透射波的声压为Pt 则 rP Pr P0 tP Pt P0 89 该公式成立的条件是 1 界面两侧总声压相等 即 P0 Pr Pt1 r t 2 界面两侧质点振动速度幅值相等 即 90 设 入射声强为I0 反射声强为Ir 透射声强为It 则 RI Ir I0 r2TI It I0 1 r2I P33 91 以钢和水的界面为例 Z水 0 15 106g cm2 sZ钢 4 5 106g cm2 sZ空 0 00004 106g cm2 s 92 水 钢界面的声压反射率 rp 0 935水 钢界面的声压透射率 tp 1 935Z1 Z2水 钢界面的声强反射率 Ri 0 875水 钢界面的声强透射率 Ti 0 125 93 钢 水界面的声压反射率 rp 0 935钢 水界面的声压透射率 tp 0 065Z1 Z2钢 水界面的声强反射率 Ri 0 875钢 水界面的声强透射率 Ti 0 125 94 钢 空气界面声压反射率 rp 1钢 空气界面声压透射率 tp 0Z1 Z2钢 空气界面声强反射率 Ri 1钢 空气界面声强透射率 Ti 0Z1 Z2 95 2 6 2薄层界面反射率与透射率超声波通过一定厚度的异质薄层时 其反射和透射情况与单一平界面不同 计算起来也很复杂 一般来说 超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关 而且与薄层厚度同其波长之比d2 2有关 96 1 均匀介质中的异质薄层 Z1 Z3 Z2 1 当d2 n n为整数 时 r 0 t 1 这说明当薄层两侧介质声阻抗相等 且薄层厚度为其半波长的整数倍时 超声波全透射 几乎无反射 好像不存在异质薄层一样 这种透声层称为半波透声层 2 当d2 2n 1 n为整数 时 即异质薄层厚度等于其四分之一波长的奇数倍时 声压透射率最低 声压反射率最高 97 2 薄层两侧介质不同的双界面 Z1 Z2 Z3 1 当d2 n n为整数 时 即薄层厚度等于半波长的整数倍时 通过薄层的声强透过率与薄层的性质无关 好像薄层不存在一样 2 当d2 2n 1 n为整数 且Z2 时 即薄层厚度等于四分之一波长的奇数倍 且薄层声阻抗为两侧介质声阻抗的几何平均值时 其声强透过率等于1 超声波全透射 98 2 6 3声压往复透过率 在超声波单探头检测中 探头兼作发射和接收 探头发射的超声波透过界面进入工件 在固 气底面产生全反射后 再次通过同一界面被探头接收 此时探头接收到的回波声压Pa与入射声压P0之比 称为声压往复透过率 TpTP 1 r2 99 声压往复透过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 声压往复透过率就越高 反之就越小 声压往复透过率高低直接影响检测灵敏度的高低 往复透过率高 检测灵敏度就高 100 2 7超声波倾斜入射到界面时的反射和折射2 7 1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和折射波 这种现象称为波型转换 101 1 纵波斜入射 Z1 Z2 L L 根据反射 折射定律 同一介质中纵波的声速不变 因此 同一介质中纵波的声速大于横波的声速 因此 2 横波斜入射 Z1 Z2 S 已知有机玻璃中纵波声速为 2730M S 钢中纵波声速为5900M S 横波声速为3230M S水中纵波声速1480M S则 第一临界角为27 6 14 5 第二临界角为57 7 27 3 第三临界角为33 2 105 2 7 2声压反射率超声波反射 折射定律只讨论了各种反射波 折射波的方向问题 未涉及声压反射率和透射率问题 由于倾斜入射时 声压反射率 透射率不仅与介质的声阻抗有关 而且与入射角有关 其理论计算公式十分复杂 因此这里只介绍由理论计算结果绘制的曲线图形 106 1 纵波倾斜入射到钢 空气界面 当入射角为60 左右时 纵波反射很低 横波反射较高 原因是纵波斜入射 当入射角为60 左右时 会产生一个较强的变形反射横波 此时的横波反射角应为28 3 左右 107 2 横波倾斜入射到钢 空气界面的反射当横波入射角为30 左右时 横波反射很低 纵波反射较高 当横波入射角为33 2 时 横波全反射 108 2 7 3声压往复透过率超声波探伤中 常常采用反射法 超声波往复透过同一检测面 因此声压往复透射率更具有实际意义 超声波倾斜入射 折射波全反射 探头接收到的回波声压Pa与入射波声压P0之比称为声压往复透射率 常用T表示 T Pa P0 109 从纵波倾斜入射至水 钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系曲线可见 当纵波入射角小于14 5 时 折射纵波的往复透过率不超过13 折射横波的往复透过率不超过6 当纵波入射角在14 5 27 27 之间时 钢中没有折射纵波 只有折射横波 其最高往复透过率不到20 实际钢材水浸探伤就属于这种情况 110 从纵波倾斜入射至有机玻璃 钢界面时往复透过率与入射角之间的关系曲线可见 当入射角小于27 6 时 折射纵波的往复透过率小于25 折射横波的往复透过率小于10 当入射角为27 6 57 7 时 钢中只有折射横波 没有折射纵波 其往复透过率最高不足30 此时对应的纵波入射角约为30 横波折射角约为37 实际有机玻璃横波探头检测钢材就属于这种情况 111 2 7 4端角反射超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射 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 二次反射回波与入射波互相平行 即Pa P0 且 90 112 回波声压与入射声压之比称为端角反射率 T端 Pa P0纵波入射时 端角反射率都很低 原因是纵波在端角的两次反射中都分离出较强的横波 横波入射时 入射角为30 或60 附近时 端角反射率最低 当横波入射角 也就是探头的折射角 为35 55 时 即K 0 7 1 43时 端角反射率达100 检测灵敏度较高 当横波入射角大于 等于56 时 即K 1 5 检测灵敏度较低 113 上图还反映在0 或90 附近时 无论纵波还是横波的端角反射率理论上都很高 但实际上由于入射波 反射波在边界互相干涉而部分抵消 检测灵敏度并不高 114 横波入射时 入射角 S 30 或60 附近时 端角反射率最低 S在35 55 时端角反射率达100 实际工作中 横波检测焊缝单面焊根部未焊透的情况就类似于这种情况 当横波入射角 S 等于横波探头的折射角 S 35 55 即K tg S 0 7 1 43时 检测灵敏度最高 当 S 56 即K 1 5时 检测灵敏度较低 可能引起漏检 115 116 2 8超声波的聚焦与发散超声波是一种频率很高 波长很短的机械波 它与可见光一样具有聚焦和发散的特性 由于超声波还可能产生波型转换 因此超声波的聚焦与发散更为复杂 为了便于讨论 这里不考虑波型转换行为 117 1 平面波在曲界面上的反射 118 2 平面波在曲界面上的折射f r为曲率半径 C1 C2 119 f r为曲率半径 C1 C2 120 f r为曲率半径 C1 C2 121 f r为曲率半径 C1 C2 122 2 8 4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入射到曲界面上 其反射波将发生聚焦或发散 凹曲面的反射波聚焦 凸曲面的反射波发散 123 距离b叫做像距 距离a叫做物距 像距 物距和焦距的关系是 式中 适用于凹面镜 适用于凸面镜 124 球面波在柱面上的反射 在实际检测中具有现实意义 例如超声波径向检测大型圆柱形锻件属于这种情况 凹柱面反射波聚集于像点 使像点处声压趋大 如果像点处存在一较小的缺陷 那么经底面反射至缺陷 再从缺陷反射至底面 最后由底面反射回探头 形成类似W的反射路径 称为W反射 W反射时 示波屏上同时出现两个缺陷波 一前一后 一高一低 前者位于底波之前 高度较低 为缺陷直接反射回波 后者位于底波之后 经聚焦放大以后高度较高 为W反射回波 检测时应根据前者对缺陷进行定位和定量 125 126 2 球面波在曲界面上的折射也会发生聚焦和发散 127 128 实际检测中 水浸检测柱形或球形工件时属于前图a 的情况 由于折射波发散 检测灵敏度很低 为提高检测灵敏度 需采用聚焦探伤 129 2 9超声波的衰减超声波在介质中传播时 随着距离的增加 超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减 2 9 1衰减的原因引起超声波衰减的主要原因是波束扩散 晶粒散射和介质吸收 1 扩散衰减超声波在传播过程中 由于波束的扩散 使超声波的能量随距离增加而逐渐减弱的现象称为扩散衰减 超声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状 与介质的性质无关 平面波波阵面为平面 波束不扩散 不存在扩散衰减 130 柱面波波阵面为同轴圆柱面 波束向四周扩散 存在扩散衰减 声压与距离的平方根成反比 球面波波阵面为同心球面 波束向四面八方扩散 存在扩散衰减 声压与距离成反比 2 散射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乱反射引起衰减的现象 称为散射衰减 散射衰减与材质的晶粒度密切相关 当材质晶粒粗大时 散射衰减严重 被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头 在示波屏上引起林状回波 又叫草状波 使信噪比下降 严重时噪声会湮没缺陷波 131 3 吸收衰减超声波在介质中传播时 由于介质中质点间内摩擦 即粘滞性 和热传导引起超声波的衰减 称为吸收衰减或粘滞衰减 除了以上三种衰减外 还有位错引起的衰减 磁畴壁引起的衰减和残余应力引起的衰减等 通常所说的介质衰减是指吸收衰减和散射衰减 不包括扩散衰减 132 2 9 2衰减方程与衰减系数1 衰减方程平面波不存在扩散衰减刑 只存在介质衰减 其声压衰减方程为Px P0e x式中P0 波源的起始声压 Px 至波源距离为X处的声压 X 至波源的距离 介质衰减系数 单位为NP mm e 自然对数的底 e 2 718 133 球面波与柱面波既存在扩散衰减 又存在介质衰减 其衰减方程分别为 球面波 Px 柱面波 Px 式中 P1 至波源距离为单位1处的声压 134 2 衰减系数衰减系数 只考虑了介质的散射和吸收衰减 未涉及扩散衰减 对于金属材料等固体介质而言 介质衰减系数 等于散射衰减系数 s和吸收衰减系数 a之和 即 a s a c1f吸收衰减c2Fd3f4d s c3Fdf2d 散射衰减c4F dd 135 式中 f 超声波频率d 介质晶粒直径 波长F 各向异性系数c1 c2 c3 c4 常数 136 由上述公式可知 1 介质的吸收衰减与频率成正比 2 介质的散射衰减与f 超声波频率 d 介质晶粒直径 F 各向异性系数 有关 当d 时 散射衰减系数与f4 d3成正比 在实际探伤中 当介质晶粒较粗大时 若采用较高的频率 将会引起严重衰减 示波屏出现大量草状波 使信噪比明显下降 超声波穿透能力显著降低 这就是晶粒较大的奥氏体钢和一些铸件探伤的困难所在 137 对于液体介质而言 主要是液体的吸收衰减 a 式中 介质的粘滞系数 介质的密度c 波速一般液体的衰减系数随温度的升高而降低 这是因为温度升高 分子热运动加剧 有利于超声波的传播 138 2 9 3衰减系数的测定当T 3N时 当T 3N且n m 2n时 与47013标准一致 P52 139 140 141 142 143