超声波检测总复习.ppt
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1、超声波检测总复习超声波检测总复习第一部分第一部分 专业知识专业知识 一、物理基础一、物理基础1 1、机械振动、机械振动 、振动、振动-物体沿直线或曲线在某一平衡位物体沿直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性运动称为机械振动。置附近作往复周期性运动称为机械振动。、振动的周期和频率、振动的周期和频率 T=1/f T=1/f2 2、波动和机械波、波动和机械波 、波动、波动振动的传播过程称波动。振动的传播过程称波动。机械振动在弹性介质中的传播过程称机机械振动在弹性介质中的传播过程称机械波。械波。超声波是机械波。超声波是机械波。电磁振荡在空间的传播过程称电磁波。电磁振荡在空间的传播过程称电磁波。X X
2、射线属于电磁波。射线属于电磁波。(392)(392)、产生机械波的条件:、产生机械波的条件:要有机械振动的波源;要有机械振动的波源;要有传播机械振动的弹性介质。要有传播机械振动的弹性介质。、波动是振动形式和振动能量的传播过程波动是振动形式和振动能量的传播过程,波动过程中介质质点不发生迁移波动过程中介质质点不发生迁移,而是由各质,而是由各质点的位移连续变化来实现的。点的位移连续变化来实现的。、波长、频率和波速、波长、频率和波速 =C/f=C/f 波长与频率成反比,与波速成正比。波长与频率成反比,与波速成正比。、声波、次声波和超声波、声波、次声波和超声波 次声波:频率次声波:频率20Hz20Hz的
3、机械波;的机械波;声波:频率声波:频率=20=2020000Hz20000Hz的机械波;的机械波;超声波:频率超声波:频率20000Hz20000Hz的机械波的机械波.波长计算:波长计算:(449)(449)例例 题题:已已 知知 钢钢 中中 的的 纵纵 波波 声声 速速 为为5900m/s5900m/s,横横波波声声速速为为3230 3230 m/sm/s。试试求求2.5MHz2.5MHz的声波在钢中的纵波和横波波长。的声波在钢中的纵波和横波波长。解:解:3 3、波的类型和特性、波的类型和特性 、按质点振动方向分类、按质点振动方向分类 纵波(压缩波)纵波(压缩波)LL质点振动方向与波质点振动
4、方向与波传播方向相同。传播方向相同。介质质点承受交变拉伸压缩应力,质点疏介质质点承受交变拉伸压缩应力,质点疏密相间。密相间。能在固体、液体和气体中传播。能在固体、液体和气体中传播。横波(切变波)横波(切变波)S S(T T)质点振动方向质点振动方向与波传播方向垂直。与波传播方向垂直。介质质点承受交变剪切应力。介质质点承受交变剪切应力。只能在固体只能在固体中传播。中传播。表面波(瑞利波)表面波(瑞利波)RR沿固体介质表沿固体介质表面传播的波。介质表面质点作椭圆振动。面传播的波。介质表面质点作椭圆振动。只能在固体表面传播。传播深度约只能在固体表面传播。传播深度约2 2倍倍波长波长。板波(兰姆波)板
5、波(兰姆波)PP在厚度与波长相在厚度与波长相近的薄板中传播的波。两表面介质质点作近的薄板中传播的波。两表面介质质点作对称或非对称的椭圆振动,板中心质点作对称或非对称的椭圆振动,板中心质点作纵向或横向振动。纵向或横向振动。在厚度与波长相当的薄板中传播。在厚度与波长相当的薄板中传播。(393)(393)液体中只能传播纵波,不能液体中只能传播纵波,不能传播横波。这是因为:传播横波。这是因为:凡能承受拉伸和压缩应力的介质都凡能承受拉伸和压缩应力的介质都能传播纵波,液体虽然不能承受拉伸压能传播纵波,液体虽然不能承受拉伸压缩应力,但能承受压应力而产生容积变缩应力,但能承受压应力而产生容积变化,所以能传播纵
6、波。化,所以能传播纵波。介质传播横波时,介质受交变剪切介质传播横波时,介质受交变剪切应力作用,液体不能承受剪切应力,所应力作用,液体不能承受剪切应力,所以不能传播横波。以不能传播横波。、按波阵面形状分类、按波阵面形状分类 平面波。平面波。柱面波柱面波 球面波球面波 活塞波:刚性固定的薄片状声源类似活活塞波:刚性固定的薄片状声源类似活塞振动所产生的波。距离足够大时,活塞波类塞振动所产生的波。距离足够大时,活塞波类似于球面波。似于球面波。超声探头发生的波是活塞波。超声探头发生的波是活塞波。、按振动持续时间分类、按振动持续时间分类 连续波:波源不间断振动所辐射的波。连续波:波源不间断振动所辐射的波。
7、脉冲波:波源间歇振动所辐射的波。脉冲波:波源间歇振动所辐射的波。4 4、超声的的传播速度、超声的的传播速度 、固体中的声速与介质的密度和弹性模、固体中的声速与介质的密度和弹性模量有关,还与波的类型的关。量有关,还与波的类型的关。不同介质,声速不同;介质的弹性模量不同介质,声速不同;介质的弹性模量愈大,密度愈小,声速愈大。愈大,密度愈小,声速愈大。在同一固体介质中,纵波、横波和表面在同一固体介质中,纵波、横波和表面波的声速各不相同,并且有以下关系:波的声速各不相同,并且有以下关系:CLCSCR CLCSCR 对于钢材:对于钢材:CL:CS:CR1.8:1:0.9 CL:CS:CR1.8:1:0.
8、9 一般近似认为:横波声速约为纵波声束一般近似认为:横波声速约为纵波声束的二分之一。的二分之一。、液体和气体中的纵波速度与容积弹性、液体和气体中的纵波速度与容积弹性模量和密度有关,弹性模量愈大,密度愈小,模量和密度有关,弹性模量愈大,密度愈小,声速愈大。声速愈大。、板波的波速与频率和板厚有关,它是、板波的波速与频率和板厚有关,它是fd fd 的函数。的函数。、声速与温度、应力和介质均匀性有关:、声速与温度、应力和介质均匀性有关:一般固体介质的声速随温度的升高而降一般固体介质的声速随温度的升高而降低。大多数液体介质的声速也随温度的升高而低。大多数液体介质的声速也随温度的升高而降低。水是例外,低于
9、降低。水是例外,低于74740 0C C时,随温度的升高时,随温度的升高而增加。高于而增加。高于74740 0C C随温度的升高而降低。随温度的升高而降低。固体介质一般应力增加,声速增加。固体介质一般应力增加,声速增加。晶粒细,声速大,晶粒粗,声速小。晶粒细,声速大,晶粒粗,声速小。5、波的衍射波的衍射 波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物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时,能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象,称波的衍射或绕射。象,称波的衍射或绕射。波的绕射和障碍物尺寸波的绕射和障碍物尺寸D Df f及波长及波长的相对的相对大小有关。当大小有关。
10、当D Df f时,波的绕射强,当时,波的绕射强,当D Df f时,反射强,绕射弱,声波几乎全反射。时,反射强,绕射弱,声波几乎全反射。6、超声场的特征值超声场的特征值 、声压、声压P P 超声场中某点在某一时刻所具有的压强超声场中某点在某一时刻所具有的压强P P1 1与没有超声波存在时的静压强与没有超声波存在时的静压强P P0 0之比称为该点之比称为该点的声压。的声压。声阻抗声阻抗Z Z 超声场中任意一点的声压与该处质点振动超声场中任意一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗。速度之比称为声阻抗。声阻抗的大小等于介质密度和声速的乘积。声阻抗的大小等于介质密度和声速的乘积。Z=c Z=c 、声
11、强、声强I I 单位时间内垂直通过单位面积的声能称为单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强。声强。在同一介质中,超声波在同一介质中,超声波 的声强与声压的平方成正比。的声强与声压的平方成正比。7、分贝与奈培分贝与奈培 、分贝、分贝 、奈培、奈培 、关系:、关系:1NP=8.86 dB 1NP=8.86 dB 1dB=0.115NP 1dB=0.115NP8 8、超声波垂直入射到界面时的反射和透射、超声波垂直入射到界面时的反射和透射 、声压反射率和声压透射率声压反射率和声压透射率 声压反射率:声压反射率:声压透射率:声压透射率:t-r=1 t-r=1 、声强反射率和声强透射率、声强反射率和声强
12、透射率 声强反射率:声强反射率:声强透射率:声强透射率:T+R=1 T+R=1 、讨论:、讨论:超声波垂直入射到平界面时,声超声波垂直入射到平界面时,声压或声强的分配比例与界面两侧介质的声压或声强的分配比例与界面两侧介质的声阻抗有关。阻抗有关。声阻抗差越大,声压反射率越大。声阻抗差越大,声压反射率越大。当当Z Z1 1Z Z2 2或或Z Z2 2 Z Z1 1时,声波几乎全射,时,声波几乎全射,无透射。无透射。声阻抗差越小,声压反射率越小,声阻抗差越小,声压反射率越小,声压透射率越大。当声压透射率越大。当Z Z1 1ZZ2 2时,声波几乎时,声波几乎全透射,无反射。全透射,无反射。、声压往复透
13、射率声压往复透射率 超声探头发射的声波透过工件界面,经底超声探头发射的声波透过工件界面,经底面反射后再透过界面被探头接收。接收的回波面反射后再透过界面被探头接收。接收的回波声压与入射波声压之比称往复透射率。声压与入射波声压之比称往复透射率。在底面全反射的情况下,声压往复透射率:在底面全反射的情况下,声压往复透射率:与声强透射率数值相等。与声强透射率数值相等。若底面反射率为:若底面反射率为:则声压往复透射率为:则声压往复透射率为:声压反射率、透射率和声压往复透射声压反射率、透射率和声压往复透射率计算:率计算:(458)(458)例题例题1 1:不锈钢与碳钢的声阻抗差:不锈钢与碳钢的声阻抗差约为约
14、为1%1%,试计算复合界面上的声压反射,试计算复合界面上的声压反射率?率?解解:设设碳碳钢钢的的声声阻阻抗抗Z Z钢钢=1=1,则则不不锈锈钢钢的的声声阻抗阻抗Z Z不不=1-1%=0.99=1-1%=0.99(471)(471)例例题题2 2、已已知知钛钛和和钢钢的的声声阻阻抗抗差差约约为为40%40%。若若从从钢钢一一侧侧探探测测钛钛/钢钢复复合合板板,求复合层回波与底面回波的分贝差。求复合层回波与底面回波的分贝差。解:解:9、超声波斜入射到界面的反射和折射超声波斜入射到界面的反射和折射 、反射、折射和波型转换反射、折射和波型转换 反射:反射:超声波斜入射至界面时,一部分声波返回超声波斜入
15、射至界面时,一部分声波返回原介质中,改变方向传播,称为反射。原介质中,改变方向传播,称为反射。折射:折射:超声波斜入射至界面时,一部分声波进入超声波斜入射至界面时,一部分声波进入第二种介质,改变方向继续传播,称为折射。第二种介质,改变方向继续传播,称为折射。波型转换:波型转换:超声波斜入射至界面时,除产生同种波型超声波斜入射至界面时,除产生同种波型的反射和折射波外,不产生不同类型的反射和的反射和折射波外,不产生不同类型的反射和折射波,这种现象称为波型转换。折射波,这种现象称为波型转换。、反射、折射定律反射、折射定律 超声波斜入射到界面时,其产生的反射波、超声波斜入射到界面时,其产生的反射波、折
16、射波和入射波的角度之间存在下列关系折射波和入射波的角度之间存在下列关系(反(反射折射定律):射折射定律):纵波斜入射纵波斜入射 横波斜入射横波斜入射 斯奈尔定律可简化为下式表示:斯奈尔定律可简化为下式表示:由公式得知:超声波斜入射至平界面时,由公式得知:超声波斜入射至平界面时,其反射角、折射角的大小只与界面两侧介质的其反射角、折射角的大小只与界面两侧介质的声速有关。声速大则角大,声速小则度小,声声速有关。声速大则角大,声速小则度小,声速相等则角度相等速相等则角度相等 反射折射定律计算:反射折射定律计算:(494)(494)例题:采用钢焊缝探伤用的例题:采用钢焊缝探伤用的K=1K=1斜探头斜探头
17、(C CL1L1=2700m/s,=2700m/s,钢钢C CS S=3200m/s=3200m/s),检验某种硬质检验某种硬质合焊缝(合焊缝(C CS S=3800m/s=3800m/s),其实际),其实际K K值为多大?值为多大?解:解:K=1 tgK=1 tg1 1=1 =1 1 1=45=45O O 根据折射定律:根据折射定律:K K2 2=tg=tg57.1=tg=tg57.1o o=1.5=1.5解法二:解法二:、临界角临界角 第一临界角(纵波斜入射)第一临界角(纵波斜入射)第二临界角(纵波斜入射)第二临界角(纵波斜入射)第三临界角(横波斜入射)第三临界角(横波斜入射)、斜入射的声
18、压反射率斜入射的声压反射率 斜入射时的声压反射率和透射率不仅与介斜入射时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗有关,而且与入射角有关质声阻抗有关,而且与入射角有关。、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超声波在两个平面构成的直角内的反射叫端角反射。端角反射。超声波在端角经历了两次反射,纵波入射超声波在端角经历了两次反射,纵波入射时端角反射率都很低,横波入射时,当入射角时端角反射率都很低,横波入射时,当入射角在在30300 0和和60600 0(K=0.7K=0.7和和1.5)1.5)附近时端角反射率很附近时端角反射率很低。低。1010、超声波的在曲面上的反射和透射、超声波的在
19、曲面上的反射和透射 、球面波在曲界面上的反射和折射、球面波在曲界面上的反射和折射 球面波在曲界面上的反射球面波在曲界面上的反射 球面波入射到凹曲面时,其反射波聚焦;球面波入射到凹曲面时,其反射波聚焦;入射到凸曲面时,其反射波发散。入射到凸曲面时,其反射波发散。球面波透过曲界面后也发生聚焦或发散,球面波透过曲界面后也发生聚焦或发散,折射波的聚焦还是发散与曲面凹凸有关,还与折射波的聚焦还是发散与曲面凹凸有关,还与界面两侧介质的声速有关。界面两侧介质的声速有关。曲面为凹面,当曲面为凹面,当C1C1C2C2时,透射波聚焦;时,透射波聚焦;当当C1C1C2C2时,透射波发散。时,透射波发散。曲面为凸面,
20、当曲面为凸面,当C1C1C2C2时,透射波发散;时,透射波发散;当当C1C1C2C2时,透射波聚焦。时,透射波聚焦。1111、超声波的衰减、超声波的衰减 (404)(404)、衰减及产生原因、衰减及产生原因 衰减:超声波在介质中传播时随距离增加能衰减:超声波在介质中传播时随距离增加能量逐渐减弱的现象量逐渐减弱的现象。产生原因:产生原因:扩散衰减:超声波传播过程中,由于波束扩散衰减:超声波传播过程中,由于波束的扩散使超声波的能量随距离增加而逐渐减弱。的扩散使超声波的能量随距离增加而逐渐减弱。散射衰减:超声波在介质中传播时,遇到散射衰减:超声波在介质中传播时,遇到声阻抗不同的界面时产生散乱反射引起
21、超声波的声阻抗不同的界面时产生散乱反射引起超声波的衰减,同时在示波屏上形成草状回波。衰减,同时在示波屏上形成草状回波。吸收衰减:超声波在介质中传播时,由于吸收衰减:超声波在介质中传播时,由于介质中质点间内磨擦(即粘滞性)和热传导引起介质中质点间内磨擦(即粘滞性)和热传导引起超声波的衰减。超声波的衰减。通常所说衰减指吸收和散射衰减,不包括扩通常所说衰减指吸收和散射衰减,不包括扩散衰减。散衰减。、影响衰减的因素、影响衰减的因素 介质的衰减程度与介质的晶粒尺寸、各介质的衰减程度与介质的晶粒尺寸、各向异性系数和超声波的频率有关。晶粒尺寸向异性系数和超声波的频率有关。晶粒尺寸越大、各向异性越强、超声波频
22、率越高,衰越大、各向异性越强、超声波频率越高,衰减越大。减越大。、衰减系数测定、衰减系数测定 工件上下表面平行,表面平整光洁,厚工件上下表面平行,表面平整光洁,厚度度T T3N3N时:时:厚度厚度T3NT3N时:时:二、超声场和规则反射体回波声压二、超声场和规则反射体回波声压1、圆盘波源发射的纵波声场圆盘波源发射的纵波声场 、波束轴线上的声压、波束轴线上的声压 当当 时,经简化处理得:时,经简化处理得:、近场区和近场长、近场区和近场长 波源附近由于波的干涉而出现的一系列波源附近由于波的干涉而出现的一系列声压极大和极小值的区域称为近场区。声压极大和极小值的区域称为近场区。最后一个极大值至波源的距
23、离称近场长。最后一个极大值至波源的距离称近场长。其值为:其值为:、远场区、远场区 波源轴线上至波源距离大于波源轴线上至波源距离大于N N的区域称远的区域称远场区。远场区轴线上的声压随距离单调减小,场区。远场区轴线上的声压随距离单调减小,当当x x3N3N时,声压与距离成反比,声波可视为时,声压与距离成反比,声波可视为球面波。球面波。、波束指向性与半扩散角、波束指向性与半扩散角 半扩散角:半扩散角:声束横截面上偏离轴线的第一个声压零值声束横截面上偏离轴线的第一个声压零值点与波源连线和中心轴线的夹角称半扩散角。点与波源连线和中心轴线的夹角称半扩散角。圆形晶片发射的纵波声场,半扩散角:圆形晶片发射的
24、纵波声场,半扩散角:波束指向性:波束指向性:以确定的扩散角向固定方向辐射超声波的以确定的扩散角向固定方向辐射超声波的 特性称为波束指向性。特性称为波束指向性。半扩散角越小,指向性就越好。半扩散角越小,指向性就越好。、波束未扩散区与扩散区、波束未扩散区与扩散区 超声波不是从声源开始扩散,存在一个超声波不是从声源开始扩散,存在一个未未扩散区扩散区b b:b1.64N b1.64N 未扩散区内波束不扩散,不存在扩散衰减。未扩散区内波束不扩散,不存在扩散衰减。离声源距离大于离声源距离大于b b的区域称为扩散区,声束的区域称为扩散区,声束存在扩散衰减。存在扩散衰减。2、矩形波源辐射的纵波声场矩形波源辐射
25、的纵波声场 、声束轴线上的声压:、声束轴线上的声压:、半扩散角半扩散角 、近场区长度、近场区长度3、实际声场与理想声场比较实际声场与理想声场比较 远场区基本一致,近场区差别较大。实际远场区基本一致,近场区差别较大。实际声场在近场也存在极大极小值,但其极值点少声场在近场也存在极大极小值,但其极值点少且波动幅度小。且波动幅度小。5 5、横波发射声场、横波发射声场 、声束轴线上的声压(、声束轴线上的声压(x3N)x3N)、近场区长度、近场区长度 、第二介质中的近场长度、第二介质中的近场长度(460)(460)例题:试计算例题:试计算2.5P1310K1.52.5P1310K1.5斜探头在钢中斜探头在
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