无损检测超声波二级培训教材.ppt
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1、UT第第1章章 绪论超声超声检测通常是指工件内部宏通常是指工件内部宏观缺陷缺陷检测和材料厚度和材料厚度测量。量。1.1超声超声检测基基础知知识次声波、声波和超声波次声波、声波和超声波它它们都是在都是在弹性介性介质中中传播的机械波,播的机械波,同一波形在同一介同一波形在同一介质中的中的传播速度是相同的,播速度是相同的,它它们的区的区别主要在于主要在于频率不同。率不同。人人们日常所听到的各种声音,是由于各种声源的振日常所听到的各种声音,是由于各种声源的振动通通过空气等空气等弹性介性介质传播到耳膜,引起耳膜振播到耳膜,引起耳膜振动,牵动听听觉神神经,使人,使人产生听生听觉。1能引起人能引起人们听听觉
2、的机械波称的机械波称为声波,其声波,其频率率为2020kHz之之间;频率低于率低于20Hz的机械波称的机械波称为次声波;次声波;频率高于率高于20kHz的机械波称的机械波称为超声波。次声波和超声波,人耳是听不到的。超声波。次声波和超声波,人耳是听不到的。用于宏用于宏观缺陷缺陷检测的超声波,其常用的超声波,其常用频率率为0.525MHz,对于于钢等金属材料的等金属材料的检测,常用,常用频率率为0.510MHz。超声。超声波的特点就是波的特点就是频率高,率高,因而使超声波具有一些重要特性,因而使超声波具有一些重要特性,使其能广泛用于无使其能广泛用于无损检测。1.超声波方向性好超声波方向性好:超声波
3、:超声波频率高,波率高,波长短,短,扩散角小,散角小,可以定向可以定向发射,犹如手射,犹如手电筒筒发出的一束光,可在黑暗中找出的一束光,可在黑暗中找到所需物品一到所需物品一样在被在被检材料中材料中发现缺陷。缺陷。2.超声波能量高超声波能量高:超声波的:超声波的检测频率率远高于声波,其声高于声波,其声强与与频率的平方成正比。率的平方成正比。23.超声波能在异超声波能在异质界面界面产生反射、折射、衍射和波形生反射、折射、衍射和波形转换:在超声在超声检测中,特中,特别是在脉冲反射法是在脉冲反射法检测中,利用了超声中,利用了超声波几何声学的一些特点,如在介波几何声学的一些特点,如在介质中直中直线传播,
4、遇界面播,遇界面产生反射、折射等。生反射、折射等。4.超声波穿透能力超声波穿透能力强:超声波在大多数介:超声波在大多数介质中中传播播时,传播能量播能量损失小,失小,传播距离大,穿透能力播距离大,穿透能力强,在很多金属材,在很多金属材料中其穿透能力可达数米。料中其穿透能力可达数米。31.1.2 超声超声检测工作原理工作原理超声超声检测主要基于超声波在工件中的主要基于超声波在工件中的传播特性,如超声波播特性,如超声波在通在通过材料材料时能量会能量会损失;在遇到声阻抗不同的两种介失;在遇到声阻抗不同的两种介质的界面的界面时会会发生反射等。其主要的工作生反射等。其主要的工作过程是:程是:41.声源声源
5、产生超声波,并通生超声波,并通过一定的方式一定的方式进入工件;入工件;2.超声波在工件中超声波在工件中传播并与工件材料及其中的缺陷相互作播并与工件材料及其中的缺陷相互作用,使其用,使其传播方向或特征播方向或特征发生改生改变;3.改改变后的超声波通后的超声波通过检测设备接收,并接收,并对其其进行行处理和理和分析;分析;4.根据接收到的超声波信号特征,根据接收到的超声波信号特征,评估工件表面及其内部估工件表面及其内部是否存在缺陷及缺陷的特征。是否存在缺陷及缺陷的特征。通常用来通常用来发现缺陷并缺陷并对其其进行行评估的基本信息是:估的基本信息是:51.是否存在来自缺陷的超声信号及其幅度;是否存在来自
6、缺陷的超声信号及其幅度;2.回波的回波的传播播时间;3.超声波通超声波通过材料后的能量衰减。材料后的能量衰减。6第第2 2章章 超声波探超声波探伤的物理基的物理基础超声波是一种机械波,是机械振超声波是一种机械波,是机械振动在介在介质中的中的传播。播。机械振机械振动与波与波动是超声波探是超声波探伤的物理基的物理基础。超声波探超声波探伤中,主要涉及到几何声学和物理声学中的一些中,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。基本定律和概念。如如几何声学几何声学中的反射、折射定律及波型中的反射、折射定律及波型转换;物理声学物理声学中波的叠加、干涉、衍射等。中波的叠加、干涉、衍射等。72.1 机
7、械振机械振动与机械波与机械波2.1.1 机械机械振振动物体(或物体(或质点)在某一平衡位置附近作来回往复的运点)在某一平衡位置附近作来回往复的运动,称称为机械振机械振动。振振动是自然界最常是自然界最常见的一的一种运种运动形式。形式。8振振动产生的必要条件是:物体一离开平衡位置就会受到生的必要条件是:物体一离开平衡位置就会受到回回复力复力的作用;阻力要足的作用;阻力要足够小。小。物体(或物体(或质点)受到一定力的作用,将离开平衡位置,点)受到一定力的作用,将离开平衡位置,产生一个位移;生一个位移;该力消失后,在回复力作用下,它将向平衡位置运力消失后,在回复力作用下,它将向平衡位置运动,并,并且且
8、还要越要越过平衡位置移平衡位置移动到相反方向的最大位移位置,然到相反方向的最大位移位置,然后再向平衡位置运后再向平衡位置运动。9这样一个完整运一个完整运动过程称程称为一个一个“循循环”或叫一次或叫一次“全振全振动”。每每经过一定一定时间后,振后,振动体体总是回复到原来的状是回复到原来的状态(或位(或位置)的振置)的振动称称为周期性振周期性振动,不具有上述周期性,不具有上述周期性规律的振律的振动称称为非周期性振非周期性振动。10振振动是往复的运是往复的运动,振,振动的的快慢快慢常用常用振振动周期和振周期和振动频率率两个物理量来描述。两个物理量来描述。振振动的的强弱弱用用振幅来表征。振幅来表征。周
9、期:周期:当物体作往复运当物体作往复运动时完成一次全振完成一次全振动所需的所需的时间,称称为振振动周期,用周期,用 T 表示。常用表示。常用单位位为秒(秒(s)。)。对于非周期性振于非周期性振动,往复运,往复运动已不再是周期性的,但周期已不再是周期性的,但周期这个物理量仍然可以反映个物理量仍然可以反映这种运种运动的往复情况。的往复情况。频率:率:振振动物体在物体在单位位时间内完成全振内完成全振动的次数,称的次数,称为振振动频率,用率,用 f 表示。常用表示。常用单位是赫位是赫兹(Hz)。)。1Hz=1次次/s。频率和周期互率和周期互为倒数:倒数:T =11振幅:振幅:振振动物体离开平衡位置的最
10、大距离,称物体离开平衡位置的最大距离,称为振振动的振的振幅,用幅,用 A 标示。示。1.谐振振动:物体(或物体(或质点)在受到跟位移大小成正比、而点)在受到跟位移大小成正比、而方向方向总指向平衡位置的回复力作用下的振指向平衡位置的回复力作用下的振动,就叫做,就叫做谐振振动。(P8)12弹簧振子的簧振子的谐振振动:弹簧一端固定,簧一端固定,质量不量不计;另一端;另一端连接一小球。接一小球。当小球当小球处于于O点点时,所受外力,所受外力为零,零,弹簧没有簧没有变形,小球形,小球不受力,不受力,该点就是平衡位置。点就是平衡位置。将小球从平衡位置将小球从平衡位置O向右拉到向右拉到A点,然后点,然后释放
11、,小球将左放,小球将左右振右振动。14小球振小球振动过程中,其重力与表面支持力始程中,其重力与表面支持力始终平衡,假定小平衡,假定小球的运球的运动没有任何其他阻力,没有任何其他阻力,对振振动起作用的只有起作用的只有弹簧作簧作用在小球上的用在小球上的弹力。力。当小球受到外力作用被拉到当小球受到外力作用被拉到O点右点右侧的的A点点时,它,它对平衡平衡位置的位移方向向右,而所受位置的位移方向向右,而所受弹力的方向却向左。力的方向却向左。当小球运当小球运动到到O点左点左侧时,位移方向向左,而,位移方向向左,而弹力方向却力方向却向右。向右。该弹力的方向力的方向总是跟小球是跟小球对平衡位置的位移方向相反,
12、指平衡位置的位移方向相反,指向平衡位置。向平衡位置。这个个弹力就是使小球振力就是使小球振动的回复力。的回复力。15根据胡克定律,根据胡克定律,弹簧提供的回复力簧提供的回复力F的大小与小球相的大小与小球相对平平衡位置的位移衡位置的位移X成正比。成正比。F=-Kx K为弹簧的倔簧的倔强系数(又称系数(又称劲度系数或度系数或弹性系数性系数-反映反映弹簧的簧的软硬程度,它与硬程度,它与弹簧的材料性簧的材料性质,截面,截面积和原和原长度有度有关。关。单位是位是N/m),),负号表示回复力与位移方向相反。号表示回复力与位移方向相反。16从运从运动学角度分析,学角度分析,弹簧振子的运簧振子的运动可以用振可以
13、用振动图像直像直观地表示出来,表示振地表示出来,表示振动质点的位移随点的位移随时间变化的化的规律。律。运运动学(学(kinematicskinematics),从几何的角度(指不涉及物体本),从几何的角度(指不涉及物体本身的物理性身的物理性质和加在物体上的力和加在物体上的力)描述和研究物体位置随描述和研究物体位置随时间的的变化化规律的力学分支。律的力学分支。下下图是以是以纵轴表示表示时间,横,横轴表示表示质点位移而形成的点位移而形成的谐振振动图像。像。1718xFvvF-AAx=0F=0弹簧振子的振动弹簧振子的振动19谐振振动与做匀速与做匀速圆周运周运动的的质点在点在 X轴上投影的运上投影的运
14、动特点特点完全一致。完全一致。以振幅以振幅 A为半径作园,半径作园,质点点M沿沿圆周作匀速运周作匀速运动,质点点M的水平位移的水平位移X和和时间t的关系可用下式描述:的关系可用下式描述:20式中:式中:A:振幅,表征振:振幅,表征振动质点离开平衡位置的最大位移;点离开平衡位置的最大位移;:振:振动相位,表征振相位,表征振动质点在某一点在某一时刻刻 t的位置和的位置和质点的运点的运动方向,即:表征方向,即:表征质点的运点的运动状状态;X:某一:某一时刻的水平位移。刻的水平位移。22人人们将位移随将位移随时间的的变化符合余弦(或正弦)化符合余弦(或正弦)规律的振律的振动形式称形式称为谐振振动。谐振
15、振动的振幅、的振幅、频率和周期保持不率和周期保持不变,其,其频率率为振振动系系统的固有的固有频率,是最率,是最简单、最基本的一种振、最基本的一种振动。任何复任何复杂的振的振动都可都可视为多个多个谐振振动的合成。的合成。作作谐振振动的物体在平衡位置的物体在平衡位置时动能最大、能最大、势能能为零;在位零;在位移最大移最大处势能最大、能最大、动能能为零。其零。其总能量保持不能量保持不变。232.阻尼振阻尼振动:谐振振动是理想条件下的振是理想条件下的振动,不考,不考虑摩擦和摩擦和其它阻力的影响。但任何其它阻力的影响。但任何实际物体的振物体的振动,总要受到阻力要受到阻力的作用。由于要克服阻力做功,的作用
16、。由于要克服阻力做功,则振振动物体的能量不断减物体的能量不断减少。少。这种振幅或能量随种振幅或能量随时间不断减少的振不断减少的振动,称,称为阻尼振阻尼振动。243.受迫振受迫振动:物体受到周期性:物体受到周期性变化的外力作用化的外力作用时,产生的生的振振动。受迫振受迫振动刚开始开始时情况很复情况很复杂,经过一段一段时间后达到后达到稳定定状状态,变为周期性的周期性的谐振振动。其振。其振动频率与策率与策动力力频率相率相同,振幅保持不同,振幅保持不变。受迫振受迫振动的振幅与策的振幅与策动力的力的频率有关,当策率有关,当策动力力频率与受率与受迫振迫振动物体固有物体固有频率相同率相同时,受迫振,受迫振动
17、的振幅达最大的振幅达最大值。这种种现象称象称为共振。共振。超声波探超声波探头中的中的压电晶片在晶片在发射超声波和接收超声波射超声波和接收超声波时,产生的是受迫振生的是受迫振动和阻尼振和阻尼振动。25在在设计探探头中的中的压电晶片晶片时,若使高,若使高频电脉冲的脉冲的频率等于率等于压电晶片的固有晶片的固有频率,就会率,就会产生共振,生共振,这时压电晶片的晶片的电声能量声能量转换效率最高。效率最高。262.1.2 机械波机械波1.机械波的机械波的产生与生与传播播振振动的的传播播过程称程称为波波动。分机械波和。分机械波和电磁波两大磁波两大类。机械波是机械振机械波是机械振动在在弹性介性介质中的中的传播
18、播过程;程;电磁波是交磁波是交变电磁磁场在空在空间的的传播播过程。程。27在介在介质内部,各内部,各质点点间以以弹性力性力连接在一起,称接在一起,称为弹性介性介质。在在弹性力的作用下性力的作用下,弹性介性介质中一个中一个质点的振点的振动就会引起就会引起临近近质点的振点的振动,邻近近质点的振点的振动又会引起又会引起较远质点的振点的振动,于是振,于是振动就以一定的速度由近及就以一定的速度由近及远地向各个方向地向各个方向传播播开来,从而就形成了机械波。开来,从而就形成了机械波。产生机械波必生机械波必须具具备以下两个条件:以下两个条件:(1)要有作机械振要有作机械振动的波源。的波源。(2)要有能)要有
19、能传播机械振播机械振动的的弹性介性介质。28一般固体、液体、气体都可一般固体、液体、气体都可视为弹性介性介质。液体和气体不能用上述液体和气体不能用上述弹性力的模型来描述,其性力的模型来描述,其弹性波是性波是在受到在受到压力力时体体积的收的收缩和膨和膨胀产生的。生的。29振振动与波与波动是互相关是互相关联的,振的,振动是是产生波生波动的根源,波的根源,波动是振是振动状状态的的传播。播。波波动中介中介质各各质点并不随波前点并不随波前进,而是按照与波源相同的,而是按照与波源相同的振振动频率在各自的平衡位置上振率在各自的平衡位置上振动,并将能量,并将能量传递给周周围的的质点。点。这种能量的种能量的传播
20、,不是靠物播,不是靠物质的迁移来的迁移来实现的,也不是靠的,也不是靠相相邻质点的点的弹性碰撞来完成的,而是由各性碰撞来完成的,而是由各质点的位移点的位移连续变化来逐化来逐渐传递出去的出去的。因此,机械波的因此,机械波的传播不是物播不是物质的的传播,而是振播,而是振动状状态和能和能量的量的传播。播。30机械波的机械波的传播特点播特点每个每个质点只在平衡位置附近振点只在平衡位置附近振动,不向前运,不向前运动。后面后面质点重复前面点重复前面质点的振点的振动状状态,有相位落后。,有相位落后。所有所有质点同一点同一时刻位移不同,形成一个波形。刻位移不同,形成一个波形。振振动状状态、波形、能量向前、波形、
21、能量向前传播。播。312.机械波的主要物理量机械波的主要物理量(1)波)波长:同一:同一波波线上相上相邻两振两振动相位相同的相位相同的质点的距点的距离,称离,称为波波长,用,用表示。表示。波源或介波源或介质中任意一中任意一质点完成一次全振点完成一次全振动,波正好前,波正好前进一一个波个波长的距离。波的距离。波长的常用的常用单位位为毫米(毫米(mm)。或米)。或米(m)。)。33OyA A -(2)周期)周期T和和频率率f:为波波动经过的介的介质质点点产生机械振生机械振动的周期和的周期和频率。率。机械波的周期和机械波的周期和频率只与振源有关,与率只与振源有关,与传播介播介质无关。无关。波波动频率
22、也可定率也可定义为波波动过程中,任一程中,任一给定点在定点在1秒秒钟内内所通所通过的完整波的个数,的完整波的个数,与与该点振点振动频率数率数值相同,相同,单位位为赫赫兹(Hz)。)。而波前而波前进一个波一个波长的距离所需要的的距离所需要的时间,即,即为周期。周期。同同样可以可以说:波:波经历一个完整周期所一个完整周期所传播的距离,即播的距离,即为波波长。34(3)波速)波速C:波波动中,波在中,波在单位位时间内所内所传播的距离称播的距离称为波速,用波速,用C表表示。常用示。常用单位位为米米/秒(秒(m/s)。)。次声波、声波和超声波都是在次声波、声波和超声波都是在弹性介性介质中中传播的机械波,
23、播的机械波,在同一介在同一介质中的中的传播速度相同。它播速度相同。它们的区的区别主要在于主要在于频率率不同。不同。C=f 或或 =C/f振振动的的传播速度称播速度称为波速(声速),不要把波速与波速(声速),不要把波速与质点的点的振振动速度混淆起来,速度混淆起来,质点的振点的振动方向与波方向与波动的的传播方向也播方向也不一定相同。不一定相同。352.2 波的分波的分类按波的按波的类型分型分类:1.纵波:介波:介质中中质点的振点的振动方向与波的方向与波的传播方向相互平行播方向相互平行的波,称的波,称为纵波(波(L)凡能承受拉伸或凡能承受拉伸或压缩应力的介力的介质都能都能传播播纵波。固体介波。固体介
24、质能承受拉伸或能承受拉伸或压缩应力,因此固体介力,因此固体介质可以可以传播播纵波。液波。液体和气体体和气体虽然不能承受拉伸然不能承受拉伸应力,但能承受力,但能承受压应力力产生体生体积的的压缩和膨和膨胀,因此液体和气体也可以,因此液体和气体也可以传播播纵波。波。36纵波:质点的振动方向与波的传播方向一致纵波: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特征:具有交替出现的密部和疏部.例如:弹簧波、例如:弹簧波、声波声波2.横波:介横波:介质中中质点的振点的振动方向与波的方向与波的传播方向互相垂直播方向互相垂直的波称的波称为横波,用(横波,用(S)或()或(T)表示。)表示。当
25、介当介质质点受到交点受到交变的剪切的剪切应力作用力作用时,产生切生切变形形变,从而形成横波。故横波又称从而形成横波。故横波又称为切切变波。波。只有固体介只有固体介质才能承受剪切才能承受剪切应力,液体和气体介力,液体和气体介质不能承不能承受剪切受剪切应力,因此横波只能在固体介力,因此横波只能在固体介质中中传播,不能在液播,不能在液体和气体介体和气体介质中中传播。播。38横波:质点振动方向与波的传播方向相横波:质点振动方向与波的传播方向相垂直垂直.特征:具有交替出现的波峰和波谷特征:具有交替出现的波峰和波谷.3.表面波:当介表面波:当介质表面受到交表面受到交变应力作用力作用时,产生沿介生沿介质表面
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