超声波检测方法ppt

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绪论 超声波检测概述 第一章 绪论 河南省锅炉压力容器安全检测研究院 2009年11月 超声波检测概述 超声波检测是应用最广泛的无损检测方法之一。超声波检测是利用进入被检材料的超声波对材料表面或内部缺陷进行检测。利用超声波进行材料厚度的测量也是常规超声波检测的一个重要方面。此外，作为超声波检测技术的特殊应用，超声波还可用于材料内部组织和特性的表征以及应力的测量；超声波还可以用来测量介质流量，流速等。 1、超声波检测定义和作用 一般指超声波与工件作用，就反射、透射和衍射的波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用进行评价的技术。 工业检测中，超声检测通常指宏观缺陷检测和材料厚度测量。 作用： 通过超声检测发现工件或设备中存在的缺陷，从而实现产品质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率、消除安全隐患。 四大常规检测技术 新兴无损检测技术 RT 射线检测 ET 涡流检测 UT 超声波检测 AE 声发射检测 MT 磁粉检测 TOFD 衍射超声检测 PT 渗透检测 超声波相控阵检测 UGW超声导波检测 EMAT电磁超声检测 红外热像 2、超声波检测发展简史 利用超声波来进行无损检测始于20世纪30年代。1929年，前苏联人首先提出了用超声波检测金属物体内部缺陷的建议。并于第二次世界大战后研制成第一种穿透式检测仪器对材料进行检测。 这种方法检测灵敏度低，应用范围小，所以，不久这种仪器就被淘汰了。 20世纪40年代，美国的Firestone首次介绍了脉冲回波式超声检测仪，利用该技术，超声波可从物体的一面发射并接收，且能够检测小缺陷，较准确的确定其位置及深度，评定其尺寸。随后，由美国和英国开发出了A型脉冲回波式超声检测仪，并逐步用于锻钢和厚钢板的检测。 20世纪60年代，超声检测仪在灵敏度、分辨率和放大器线性等主要性能上取得了突破性进展，焊缝检测问题得到了很好的解决。脉冲回波技术至今仍是通用性最好、使用最广泛的一种超声检测技术。在此基础上，超声检测发展为一个有效而可靠的无损检测手段，并得到了广泛的工业应用。 随着工业生产对检测效率和检测可靠性要求的不断提高，人们要求超声检测更加快速，缺陷的显示更加直观，对缺陷的描述更加准确。因此，原有的以A型显示手工操作为主的检测方式不再能够满足要求。 20世纪70年代，英国人M.G.Silk提出衍射时差法超声检测（TOFD）。 TOFD是一种利用超声波衍射现象、利用缺陷端点的衍射波信号检测或测定缺陷尺寸的超声检测技术，近几年来在欧美等西方发达国家开始广泛应用。 20世纪80年代以来，超声波检测设备得到快速发展，对于规则的板、棒类等大批量生产的产品，逐渐发展了自动检测系统，配备了自动报警、记录等装置，发展了B型显示和C型显示。与此同时，对缺陷的定性定量评价的研究得到了较大的进展，利用超声波技术进行材料特性评价也成为了重要的研究方向。 随着电子技术和计算机技术的发展，超声检测设备不断向小型化、智能化方向改进，并于20世纪80年代末出现了数字式超声仪器。目前，数字式仪器已日益成熟，正逐渐取代模拟式仪器成为主流产品。检测技术也得到飞速发展，如超生三维成像，导波技术，电磁超生技术等。 我国超声检测的发展历史 1950~1982年 起步 仪器：汕头生产8A、8B、8C 1982年1990 发展 仪器：汕头生产CTS-22、CTS-23、CTS-26、CTS-33、CTS-36 1990~至今 数字超声时代 代表：武汉中科（1988）HS-系列 南通友联 PXUT-系列 汕头超声CTS-系列 北京七星 2、超声波检测的基础知识 2.1次声波、声波、超声波 次声波、声波、超声波都是在弹性介质中传播的机械波，同一波型在同一介质中传播的速度相同，它们的区别在于频率不同。 次声波：f < 20Hz 声波：能引起人们听觉的机械波 20Hz < f < 20kHz 超声波： f > 20kHz 超声波和次声波，人是听不到的。 超声检测所用的频率一般在0.5~10MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为1~5MHz。如2.5M、5M 2.2 工业用超声波的特点 1）方向性好 超声波是频率很高、波长很短的机械波，在超声波检测中使用的波长为毫米数量级。像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，从而在被检工件中发现缺陷。 2）能量高 超声波的能力（声强）与频率的平方成正比。 3）能在界面上产生反射、折射、衍射和波形转换 超声波具有几何声学的特点，在介质中直线传播，遇到界面产生反射、折射、衍射和波形转换。 4）穿透能力强 超声波在大多数介质中传播时，能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中穿透能力可达数米，这是其它检测方法无法比拟的。 2.3、超声波检测原理 超声波检测主要是基于超声波在工件中的传播特性，如在遇到声阻抗不同的两种介质的界面时会发生反射，声波通过材料时能量会损失等，以脉冲反射法为例，其原理如下： 1）超声波探伤仪（声源）产生高频电磁振荡信号（脉冲波）； 2）高频电磁振荡信号加到超声波探头上，产生超声波； 3）采用一定的方式，如耦合，使超声波进入工件； 4）超声波在工件中传播，遇到声阻抗有差异的界面或缺陷时部分声波被反射，反射回来的超声波被超声波探头接收； 5）超声波探头把接收到的声波信号再转换成脉冲电信号传给超声波探伤仪； 6）超声波探伤仪把接收到的脉冲电信号，进行检波、放大、衰减等一系列的信号处理，以一定的方式显示出来； 7）通过分析回波信号的幅度和位置等信息，从而得到被检工件中有无缺陷、缺陷的位置、大小等信息。 所以，超声波检测既可以定性，又可以定量。 通常用来发现缺陷和分析的基本信息： 1）是否存在缺陷的回波信号及其幅度； 2）缺陷回波信号的位置或传播时间； 3）超声波通过材料以后能量的衰减。 2.4 超声波检测方法分类（按原理分类） 1）脉冲反射法 根据反射波的情况来检测工件缺陷的方法。波形显示，不直观。 2）衍射时差法（TOFD） 利用缺陷部位衍射信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声波检测方法。图象显示。 3）穿透法 采用一收一发双探头分别放置在工件相对的两端面，依据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化来检测缺陷的方法。 4）共振法 利用共振特性检测工件厚度变化情况，常用于工件测厚。（按波形分类）纵波、横波、表面波、板波、爬波等（按检测接触方式分类） 1.直接法、2.液浸法、3.电磁耦合法 2.5 超声波检测的优点和局限性 与其它无损检测方法相比的优点： 1）适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测； 2）穿透能力强，可对较大厚度范围内的工件内部缺陷进行检测； 3）缺陷定位较准确； 4）对面积型缺陷的检出率较高； 5）灵敏度高，可检测工件内部很小的缺陷； 6）检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用方便等 缺点： 1）对缺陷的定性、定量仍需要作进一步研究，定性及定量仍然存在困难； 2）对具有复杂形状或不规则外型的工件进行超声波检测有困难； 3）缺陷的取向、位置和形状对检测结果有影响； 4）工件材质、晶粒度对检测有较大影响，影响超声波的衰减； 5）A型脉冲反射法检测结果是波形显示，不直观，模拟超声波探伤仪对检测结果无直接见证记录。 2.6 超声波检测的应用范围 超声波检测的应用范围非常广，从以下几个方面讲，就可以说明: 工件材料：金属、非金属和复合材料等制造工艺：锻件、铸件、焊接件、胶结件等工件形状：板材、棒材、管材等工件尺寸：厚度小至1mm，大至几米；缺陷部位：既可以是表面缺陷，又可以是内 部缺陷。第二章 超声波检测的物理基础 超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播。 该章主要涉及几何声学和物理声学的基本定律和概念。 几何声学：反射定律、折射定律、波形转换。 物理声学：波的叠加、干涉、衍射等 §1 振动与波动 §1－1振动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. 周期T 振动物体完成一次全振动所需要的时间，称为振动周期.单位：秒（S）频率f 振动特物体在单位时间内完成全振动的次数，称为振动频率.单位：赫兹（Hz）周期和频率互为倒数关系，即 T＝1/f 谐振（简谐振动） 最简单最基本的直线振动称为谐振.其特点是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. 简谐振动方程 质点的水平位移和时间t的关系式： y=Acos(ωt+φ) 其中：A：振幅，最大水平位移 ω：圆频率， ω=2πf=2π / T φ：初相位，即t=0时质点的相位 ωt+φ：质点在t时刻的相位 简谐振动方程描述了谐振动物体在任意时刻的位移情况。 阻尼振动在机械系统振动时，由于受到摩擦力或其他阻力的作用，系统的能量会不断损耗，质量振动的振幅逐渐减小，以至于振动停止。所以，阻尼振动是一个比较普遍情况，也称为衰减振动。(不符合机械能守恒) 受迫振动由于振动系统内部的阻尼作用，能量逐渐消耗，因初始激发引起的自由振动，将因为能量逐渐损耗，振动逐渐减弱，以至运动停止。要维持振动必须由另一系统不断给以激发，即不断地补充能量，这种由外加作用维持的振动，称为强迫振动。 (不符合机械能守恒) y=Acos(Pt+φ) 其中：A：振幅，最大水平位移 P：策动力的圆频率T φ：初相位 §1－2波动 振动的传播过程，成为波动。 波动分为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。如水波、声波、超声波等。 电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。如无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。 超声波是机械波，因此下面只讨论机械波。 物质的弹性模型 弹性介质：这种质点间以弹性力联系在一起的介质称为弹性介质。一般固体、液体、气体都可视为弹性介质。 机械波的产生：弹性介质中的一个质点的振动就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开来，从而就形成了机械波。 机械波：是机械振动在弹性介质中的传播过程. 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）能传播机械振动的弹性介质。 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，只是以交变的振动速度在各自的平衡位置附近往复运动。波动是振动状态的传播过程，也是振动能量的传播过程。这种能量的传播，不是靠质点的迁移来实现的，而是由各质点的位移连续变化来逐渐传播出去的 。 机械波的主要物理量 波长 ：λ 单位：mm、m 同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离.或者说：沿着波的传播方向，两个相邻的同相位质点间的距离。频率 ：f 单位：赫兹（Hz） 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. 波速 ：C 单位：m/s km/s 波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速. C= λf 或λ=C/f 波长与波速成正比，与频率成反比。当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。 §2 波的类型 1、根据质点的振动方向分类 根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，可将波动分为纵波、横波、表面波和板波等. 纵波：介质中质点的振动方向和波的传播方向平行。用 L 表示，又称压缩波或疏密波。 当介质质点受到交变正应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。这时介质质点疏密相间，故纵波又称为压缩波或疏密波。 凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。所以，纵波可以在固体、液体和气体中传播。 横波：介质中质点的振动方向和波的传播方向垂直。用S 表示 当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变变形，从而形成横波。只有固体能够承受剪切应力，液体和气体不能承受剪切应力，因此，横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体中传播。 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。用R表示，表面波是瑞利在1887年首次提出的，因此，表面波又称瑞利波。 表面波在介质表面传播时，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。椭圆运动可以视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波和横波的合成。所以，表面波和横波一样，只能在固体介质中传播，不能在液体和气体中传播。 表面波只能在固体表面传播。表面波的能量随传播深度的增加而迅速减弱。一般认为，表面波检测只能发现距工件表面两倍波长深度范围内的缺陷。 各 种 类 型 波 的 比 较 2、按波的形状分类 波的形状（波形）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联成的面称为波阵面。 波 前：某一时刻，波动所到达的空间各点联成的面积称为波前。 波 线：波的传播方向称为为波线。 由以上定义可知，波前是最前面的波阵面。任意时刻，波前只有一个，而波阵面却有很多。在各向同性的介质中，波线恒垂直于波阵面或波前。 据波阵面形状不同，可以把不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波。 （1）平面波 波阵面为互相平行的平面的波称为平面波。平面波的波源为一个平面。 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。 （2）柱面波波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。柱面波的波源为一条线 。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平方根成反比。 （3）球面波波阵面为同心圆的波称为球面波。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。实际应用的超声波探头中的波源近似活塞振动，在各向同性的介质中辐射的波称为活塞波。当距离源的距离足够大时，活塞波类似于球面波。 3、按振动的持续时间分类根据波源振动的持续时间长短，将波动分为连续波和脉冲波。（1） 连续波波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波。超声波穿透法检测常采用连续波。 （2） 脉冲波波源振动持续时间很短（通常是微秒数量级），间歇辐射的波称为脉冲波。目前超声波检测中广泛采用的就是脉冲波。 §3 超声波的传播速度 超声波在介质中的传播速度是表征介质声学特性的重要参数。 超声波、次声波和声波都是机械波，在同一介质中的传播速度是相同的。 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。 超声波的传播速度与下列因素有关： 1）介质：弹性模量、密度、弹性变形形式、尺寸大小、均匀性等 2）超声波的波型：如纵波、横波与表面波等 3）超声波本身的性质： C= λf 4）温度: 一般固体中的声速随介质温度升高而降低。 §3-1 无限大固体介质中的声速纵波声速： 横波声速： 表面波声速： E：介质的杨氏弹性模量； μ：介质的泊松比；ρ ：介质密度 G：介质的切变弹性模量 由以上三式可知： 1）固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量等有关，不同的介质声速不同； 介质的弹性模量愈大，密度愈小，则声速愈大。 2）声速与波的类型有关，在同一种固体介质中，纵波、横波和表面波的声速各不相同，并存在如下关系：CL>CS>CR 对于钢材: CL:CS:CR=1.8 : 1 : 0.9 §3-2 细长棒中的纵波声速 CLb 细长棒中(棒径d≤λ)纵波的声速与无限大介质中的纵波声速不同. 固体介质中的声速与介质温度、应力、均匀性有关。一般固体中的声速随介质温度升高而降低。一般应力增加，声速增加。 §3-3 液体、气体介质中纵波声速 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的压强； ρ ：液体、气体介质的密度几乎除水以外的所有液体当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低。水是温度在74摄氏度左右时声速达最大值。 §3-4 声速测量探伤仪测量法测厚仪测量法示波器测量法 §4 波的叠加、干涉、衍射和惠更斯原理 §4-1 波的叠加原理几列波相遇后仍保持自已原有的频率、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，这就是波的叠加原理。又称波的独立性原理。 波的迭加现象可以从许多事实观察到，如两石子落水，可以看到两个以石子入水处为中心的圆形水波的迭加情况和相遇后两波仍按原来的方向进行传播的情况。 §4-2 波的干涉两列频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象。产生干涉现象的波较相干波。波的干涉是一种特殊状态下的波的叠加。驻波两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波，称为驻波驻波是波的干涉的特例。 §4-3惠更斯原理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。据此惠更斯于1690年提出了著名的惠更斯原理：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。利用惠更斯原理可以确定波前的几何形状和波的传播方向。可以解释波的反射、折射及衍射等现象。 惠更斯原理图 §4-4 波的衍射波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，称为波的衍射或波的绕射。波的衍射现象是衍射时差法超声检测（TOFD）的物理基础。 波的衍射 波的衍射和障碍物的尺寸Df及波长λ的相对大小有关.当Df >> λ时，反射强，绕射弱，几乎全反射;当Df << λ时，反射弱，绕射强，缺陷回波很低，容易出现漏检. 超声波探伤的灵敏度约为λ/2 例:对钢 ，频率f=2.5MHz， 根据 C= λf 纵波声速CL=5900m/s λL= 2.36 mm 横波声速CS=3230m/s λS= 1.29 mm 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. 衍射对探伤有利的方面: 由于波的衍射，使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播. 衍射对探伤不利的方面: 由于波的衍射，使一些小的缺陷回波显著下降，以致造成漏检. §5 超声场的特征值 超声场：充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质。 超声场具有一定的形状和大小，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。 超声场的特征值主要有：声压、声强和声阻抗。 §5-1 声压 定义: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=P1-P0 声压的单位:帕斯卡 Pa，微帕斯卡 μPa 声压公式 超声场中t时刻，离振源距离x点的声压: P= -ρc Aωsinω(t-x/c) = - Pm sinω(t-x/c) 声压的幅值: Pm = ρc Aω= ρc μ μ:质点的振动速度， μ=ωA=2πf A 质点的振动速度μ和波速c不同！ 声压的幅值与介质的密度、声速和频率成正比。 超声波探伤仪示波屏上的波高与声压成正比。声压是一个矢量，有方向，表示力的概念。 §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。 Z=P / μ =ρc 由μ = P / Z不难看出，在相同声压下，Z增加，质点的振动速度μ下降，因此，声阻抗Z可以理解为介质对质点振动的阻碍作用。声阻抗的大小等于介质的密度与波速的乘积。一般材料的声阻抗随温度升高而降低。因为多数材料密度和声速随温度增加而减小 §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。 由以上公式可知： 1）声强与频率f的平方成正比，超声波的频率远大于声波，因此，超声波的声强远远大于声波的声强。这是超声波用于检测的重要原因。 2）在同一介质中，声强与声压的平方成正比，与声阻抗成反比。 大炮的声强 ，已经震耳欲聋，超声波的声强可达 ，比大炮的声强高出 ，9个数量级！ §6 分贝 在生产和科学实验中，所遇到的声强数量级往往相差悬殊，如引起听觉的声强范围 ，最大值和最小值相差12个数量级。显然采用绝对量来度量是不方便的，但如果对其比值（相对量）取对数来比较计算则可大大简化运算。分贝就是两个同量纲的量之比取常用对数后的结果。 在超声波检测中，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回波声压成正比。这时有 △=20lgP2/P1＝20lgH2/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，△＝0 dB，说明两波高相等时，二者的分贝差为零。 当H2/H1＝2时，△＝6 dB，说明H2为H1的两倍时，H2比H1高6 dB。 当H2/H1＝1/2时，△＝－6 dB，说明H2为H1的1/2时，H2比H1低6 dB。 分贝用于表示两个相差很大的量之比显得很方便，特别是在超声波检测中应用更广泛。例如示波屏上两波高的比较就常常用dB表示。例1：示波屏上一波高为80%，另一波高为20%，问前者比后者高多少dB？解：△＝20lgH2/H1＝20lg80/20＝12（dB）答：前者比后者高12dB。 例2：示波屏上有A、B、C三个波，其中A波比B波高3dB，C波比B波低3dB，已知B波高为50%，求A、C各为多少？解：由已知得△＝20lg A / B ＝3； lg A / B=0.15； A/B=1.41； A=1.41B＝1.41×50＝70.6% 又 △＝20lgC / B ＝－3； lgC / B=－0.15； C/B=１／1.41;C=B/1.41=50/1.41=35.4% 答：A、C分别为70.6%和35.4%。 用分贝值表示反射波幅度的相互关系，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。如果对声压取自然对数，则单位就是奈培所以1NP=8.68 dB §7 超声波垂直入射到界面时的反射与透射 §7－1 单一平界面的反射与透射 声压反射率： r = Pr / P0 声压透射率： t = Pt / P0 界面两侧的声波必须满足以下两个条件： 1）界面两侧的总声压相等 Pr＋ P0＝ Pt 2）界面两侧质点振动速度幅值相等 μ0 – μr = μt 由μ＝P/Z (P0- Pr) / Z1= Pt / Z2 由以上两个条件可得： 1＋r = t (1-r) / Z1= t / Z2 声强反射率： R= = r = ( ) 声强透射率： T= = t – r =1 T+R=1 下面讨论几种常见界面上声压和声强的反射和透射情况 （1） 当Z2 > Z1 如水/钢 r = (Z2-Z1) / (Z1+Z2)>0，反射声压Pr 和入射声压 P0同相位，界面上入射波和反射波叠加形成驻波，合成声压最大Pr＋ P0 水/钢界面：r =0.935 R=0.875 t =1.935 T=0.125 平面波垂直到水/钢界面 (Z2＞Z1) （2）当Z1 > Z2 如钢/水 r = (Z2-Z1) / (Z1+Z2)<0，反射声压Pr 和入射声压 P0相位相反，入射波和反射波合成声压振幅减小 钢/水界面：r =－0.935 R=0.875 t =0.065 T=0.125 超声波垂直入射到某一界面时的声强反射率与透射率与从何种介质入射无关。 平面波垂直到钢/水界面 (Z1＞Z2) （3）当Z1>>Z2 如钢/空气 钢/空气界面：r ≈-1 t ≈0 t –r =1 R ≈ 1 T ≈0 R+T=1 表明：当入射波声阻抗远大于透射波介质声阻抗时，声压反射率趋于－1，透射率趋于0，声压几乎全反射，无透射。 探伤中，探头与工件间如不施加耦合剂，则形成固/气界面，超声波无法进入工件。（4）当Z1≈Z2 如钢板和焊缝 r ≈0 t ≈1 R ≈ 0 T ≈1 超声波垂直入射的声阻抗相差很近的界面时，几乎全透射，无反射。 在焊缝探伤中，母材和填充焊缝金属，声阻抗非常接近，若没有任何缺陷，是不会产生界面回波的。 以上讨论的超声波纵波垂直入射到第一平界面上的声压、声强反射率和透射率公式同样适用于横波入射的情况，但必须注意的是在横波入射到固体/液体或固体/气体界面上，横波全反射。因为横波不能在液体和气体中传播。 例：超声波垂直入射至水/钢界面，已知水的声速CL1=1500m/s，密度为1000kg/m3，钢中声速CL2=5900m/s， Cs2=3230m/s，密度为7800kg/m3，试计算界面声压反射率r、声压投射率t、声强反射率R和声强透射率T？ 解： 根据声阻抗定义：Z=ρc 水的声阻抗：Z1= ρ1cL1 = 1000kg/m3×1500m/s ＝ 钢的声阻抗：Z2= ρ2cL2 = 7800kg/m3×5900m/s ＝ §7－2 薄层界面的反射率与透射率 薄层：耦合层、缺陷薄层 1、均匀介质中的异质薄层(Z1=Z3≠Z2) 声压反射率和声压透射率不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且还与 有关。（1）当 r≈0，t ≈1 即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，好象不存在异质薄层一样.这种透声层叫半波透声层。（2）当 r≈1，t ≈0 即当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. 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 （1）当f＝1MHZ时，钢中厚度为d= mm的气隙几乎100％反射。两块紧贴在一起的十分精密的钢块之间的间隙也有 mm。可见超声波对检测含有气体介质的裂纹等面积型缺陷的灵敏度是很高的。（2）当材料中的气隙或水隙厚度一定时，频率增加，声压反射率随着增加。 例：对钢中气隙d= mm时，f=1MHz，r=20%； f=5MHz，r=60% 提高超声波探伤频率对于提供探伤灵敏度是有利的。 2、薄层两侧介质不同的双界面(Z1 ≠ Z3≠Z2) 例如：晶片－保护膜－工件； 有机玻璃－耦合层－工件薄层的声强透射率T为： （1）当 时， 当薄层厚度等于半波长的整数倍时，通过薄层的声强透射率与薄层的性质无关; （2）当 时，且 当薄层厚度等于四分之一波长的奇数倍时，声强透射率等于1，超声波全透射。这对于直探头保护膜设计具有重要的理论指导意义。 §7－3声压往复透射率在超声波单探头检测中，探头兼作发射和接收超声波。探头发出的超声波透过界面进入工件，在固/气界面产生全反射后再次通过同一界面被探头接收。这时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T往 1、往复透射率高，探伤灵敏度高，反之，探伤灵敏度低。 2、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。 3、界面两侧的介质声阻抗相差愈小，声压往复透射率就愈高，反之就愈低。 §8 超声波斜入射到界面时的反射与折射 §8－1 波型转换与反射、折射定律 波型转换：当超声波斜入射的界面时，除产生同种类型的反射和折射外，还会产生不同类型的反射和折射。几何光学三定律： 1、在均匀介质中光线沿直线传播； 2、入射角＝反射角；入射线、反射线、折射线在同一平面内； 3、入射角α和折射角β满足： n: 折射率 纵波入射 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 > ， > 第一临界角： 当CL2 > CL1 时，βL > αL ，随着αL 增大，βL 也增大，当 βL ＝90°时，所对应的纵波入射角，α1 第二临界角： （1）当纵波入射角小于第一临界角时，第二介质中既有纵波又有横波；（2）当纵波入射角介于第一临界角和第二临界角时，第二介质中只有横波，没有纵波，这就是常用横波斜探头的制作原理。（3）当纵波入射角大于等于第二临界角时，第二介质中即没有纵波也没有横波，这是其介质的表面存在表面波，这就是常用表面波探头的制作原理。 例如，纵波倾斜入射到有机玻璃/钢界面时，有机玻璃中：CL1=2730m/s，钢中CL2=5900m/s，CS2=3230m/s。则第一、二临界角分别为： 由此可见有机玻璃横波探头αL=27.6°～57.7°，有机玻璃表面波探头αL≥57.7° 横波入射 横波入射反射、折射定律第三临界角： 当横波入射角增大到一定程度，反射纵波沿着界面传播，这时所对应当横波入射角为第三临界角。 当横波入射角大于等于第三临界角时，第一介质中只有反射横波，没有反射纵波，即横波全反射。 例：对钢/空气界面 ＝5900m/s， =3230m/s， =33.2 当 时，钢中横波全反射。 §8－2 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。 1、纵波斜入射到钢/空气界面的反射 如图所示，当纵波倾斜入射到钢/空气界面时，纵波声压反射率rLL与横波声压反率rLS 随入射角αL而变化。当αL=60°左右时，rLL很低，rLS很高。原因是纵波倾斜入射，当αL=60°左右时产生一个较强的变型反射横波。 2、横波斜入射到钢/空气界面的反射 如图所示，横波倾斜入射到钢/空气界面，横波声压反射率rSS 与纵波声压反射率rSL 随入射角而变化。当=30°左右时，rSS很低，rSL较高。当≥33.2°（αⅢ）时，rSS=100％，即钢种横波全反射。 §8－3 斜入射时的声压往复透射率 声压往复透射率：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。 超声波探伤中，常用的是反射法，超声波往复通过同一探测面，因此，声压往复透射率才具有实际意义。 水/钢界面声压往复透射率 下图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αL＜14.5°（αⅠ）时，折射纵波的往复透射率TLL不超过13%，折射横波的往复透射率TLS小于6％。当αL=14.5～27.27°（αⅡ）时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波的往复透射率TLS最高不到20％。实际检测中水浸检测钢材就属于这种情况。 有机玻璃/钢界面上的声压往复透射率 下图 为纵波倾斜入射至有机玻璃/钢界面时往复透射率与入射角之间的关系曲线。当αL＜27.6°（αⅠ）时，折射纵波的往复透射率TLL不超过小于25％ ，折射横波的往复透射率TLS小于10％ 。当αL=27.6°～57.7°（αⅡ）时，钢中只有折射横波，无折射纵波。折射横波的往复透射率TLS最高不超过30％。这时所对应的αL≈30，βS≈37°。实际检测中有机玻璃横波探头检测钢材就属于这种情况。 有机玻璃/钢界面上的声压往复透射率 §8－4 端角反射 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。 §8－4 端角反射 端角反射率： 回波声压Pa与入射波声压P0之比. T端＝ Pa / P0 钢/空气界面上钢中的端角反射率。下图可知，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中分离出较强的横波。 钢/空气界面上钢中的端角反射率 －横波入射时 横波入射时，入射角αS=30°或60°附近时，端角反射率最低。αS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αS（等于横波探头的折射角βS）=35°～55°，即K=tgβS=0.7～1.43时，检测灵敏度最高。当βS=56°，即K=1.5时，检测灵敏度较低，可能引起漏检。 §9 超声波聚焦与发散 超声波是一种频率很高波长很短的机械波，当超声波入射到曲界面上时，与可见光入射到曲界面上的情况相似，具有聚焦和发散的特性。而且，由于超声波在界面上会产生波型转换，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存在。超声波在遇到曲界面时的聚集与发散，与入射波的波形，曲界面两侧的声速等因素有关，存在多种可能性。下面就超声波检测中经常遇到的情况，作简单的介绍。 §9－1 声压距离公式 1、平面波 平面波不扩散，而是相互平行，因此，声压不随距离而扩散。 2、球面波 球面波的波振面为同心球面，超声场中某一点的声压与该点至波源的距离成反比。 P0：初始声压 X：某点至波源的距离 3、柱面波 柱面波的波振面为同轴柱面，声压与距离的平方根成反比。 §9－2 球面波在平界面上的反射与折射 1、球面波在单一平界面上的反射 球面波入射到平界面上，其反射波仍为球面波，且波源与入射波源对称，反射波声压为: 式中: r 为声压反射率; x为从虚拟波源O’算起的距离 2、球面波在双界面的反射 球面波在互相平行的双界间的多次反射仍符合球面波变化规律. 实际探伤中，当平行界面的间距d较大时，超声波探头发出的超声波可视为球面波，示波屏上各次底波反射波的高度近似符合 1： ： …… 的规律。 3、球面波在单一平面上的折射 由于声速的不同，球面波入射到平界面上时，其折射波不再是严格的球面波.只有当张角较小时，可视为近似的球面波，且有： 对水/钢界面: 这说明：球面波入射的水/钢界面时，其折射角更加发散。 折射声压： t ： 声压透射率; x ：从折射波源算起的距离 §9－3平面波在曲界面上的反射与折射 1、平面波在曲界面上的反射 当平面波入射到曲界面上时，其反射波将发生聚焦或发散。平面波束与曲界面上各入射的法线成不同的夹角：入射角为0ºC的声束沿原方向返回，称为声轴，其余声线的反射则随着距声轴距离的增大，反射角逐渐增大。 当曲界面为凹球面时，反射线汇聚于一个焦点上； 当曲界面为凹圆柱面时，反射线汇聚于一条焦线上。此时，焦距为： 式中：r—曲界面的曲率半径mm。 平面波入射到球面时，其反射波发生聚焦或发散，与球面的凹凸有关。反射波可视为从焦点发出的球面波，其反射声压为： 式中：f － 焦距 x － 轴线上某点至顶点的距离; P0 －顶点处入射波声压; ：+用于发散，-用于聚焦。 平面波入射到柱面时，其反射波可视为从焦轴发出的柱面波. 实际探伤中，球形、柱形气孔的反射就属于以上两种情况。 2、平面波在曲界面上的折射 平面波入射到曲面上时，其折射波也将聚焦和发散，这时聚焦和发散不仅仅与曲面的凹凸有关，而且，与界面两侧介质的波速有关。 对于凹面，当C1＜C2时聚焦，当C1＞C2时发散； 对于凸面，当C1＞C2时聚焦，当C1＜C2时发散。 平面波入射至球面透镜时，其折射波可视为从焦点发出的球面波，声压公式： 式中: t 为声压透射率; f 为焦距， P0 为 顶点处入射波声压; + 用于发散，- 用于聚焦 平面波入射到柱面透镜，其折射波可视为从焦轴发出的柱面波.其声压公式： 实际检测用的水浸聚焦探头就是根据平面波入射到C1>C2的凸透镜上，折射波发生聚焦的特点来设计的，这样可以提高检测灵敏度。 §9－4 球面波在曲界面上的反射和折射 1、球面波在曲界上的反射球面波在球面上的反射波，可视为从像点发出的球面波. 式中: P1 为球面顶点处入射波声压; a 为球面顶点至波源的距离; “±”－“＋”发散，“－” 聚焦 实际探伤中，距波源较远的球形气孔缺陷就属于球面波在凸球面上的反射。由于反射波进一步发散，回波较低，这就是超声波探伤对气孔缺陷灵敏度的的原因所在。 2、球面波在柱面上的反射 球面波在柱面上的反射波不是单纯的球面波，也不是单纯的柱面波，而是近似为两个不同的柱面波叠加. 超声波径向探伤大型圆柱形锻件属于这种情况 凹柱面反射波聚集于像点，使像点声压很大。如果像点处存在较小的缺陷，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。 §10 超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着距离的增加，超声能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减。 §10－1衰减的原因 扩散衰减、散射衰减、吸收衰减 扩散衰减－声束的扩散，使超声波的能量随距离增加而减弱的现象。 超声波的扩散衰减仅取决与波振面的形状，与介质的性质无关。 平面波：不存在衰减； 球面波：球面波的波振面为同心球面，声束向四面八方扩散，存在扩散衰减，声压与距离成反比。 柱面波：波振面为同轴圆柱面，声束向四周扩散，存在扩散衰减，声压与距离的平方根成反比。 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而引起的衰减现象。散射衰减与介质的晶粒密切相关－晶粒散射。当材质晶粒度大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿复杂的路径传到探头，在示波屏上引起林状回波（又称 草波）使信噪比下降，严重时噪声湮没缺陷波。 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和热传导引起超声波的衰减。 介质衰减通常是指吸收衰减和散射衰减，而不包括扩散衰减。 §10－2衰减方程和衰减系数 1、衰减方程平面波： 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 α 介质衰减系数 球面波： 柱面波： 2、衰减系数 衰减吸收只考虑介质的散射和衰减，未涉及扩散，对固体介质而言： α＝ αs＋αa 吸收衰减系数：αa=c1f d<λ 散射衰减系数： αs＝ d≈λ d>λ d：介质的晶粒直径 F：各项异性系数 c1、c2、c3、c4 常数 由以上公式可知：（1）介质的吸收系数与频率成正比；（2）介质的散射系数与f、d、F有关。 在实际探伤中，当介质的晶粒较粗大时，若采用较高的频率，将会引起严重衰减，示波屏出现大量草波，使信噪比明显下降，超声波的穿透能力也显著下降。这就是晶粒粗大的奥氏体钢和一些铸件探伤的困难所在。 §10－3 衰减系数的测定薄板工件衰减系数的测定 对于厚度较小，上下底面平行，表面光洁的薄板工件或试块，可用直探头放在薄板表面，使声波在上下表面往复反射，在示波屏上出现多次底波，由于介质的衰减和反射损失，使底波高度依次减小，如图所示，介质的衰减系数按下面公式计算： 式中:m、n 为底波的反射次数; Bm 、Bn 第m、n次底波高度； δ为反射损失，每次反射损失约为（0.5~1)dB； X 为薄板的厚度。 2、厚板或粗圆柱体的衰减系数的测定 对于厚度大于200mm的厚板或粗圆柱体类工件，可根据第一、二次底波B1、B2的高度，按照下面公式计算： 式中： B1、B2第一、二次底波的高度； δ：反射损失； 6：扩散衰减引起的分贝差； x：工件厚度PFd红软基地