无损检测超声波二级培训教材精讲

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。23.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。31.1.2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：41.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：51.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。72.1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=f111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。1718xFvvF-AAx=0F=0弹簧振子的振动弹簧振子的振动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)cos(tAx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。232.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。243.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。2620LCtfNt022fCtLL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。312.机械波的主要物理量（1）波长λ：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λ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）。33OyAA-ux（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=λf或λ=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。352.2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。414.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。432.2.2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。441.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