超声波检测理论基础总结

2020/6/27超声波检测2011.112020/6/27第一章绪论1.1超声检测的定义及作用超声检测一般是指超声波与工件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，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性进行评价的技术。特种设备行业中，超声检测通常指宏观缺陷测量和材料厚度测量。超声检测是五大常规无损检测技术之一。作用：实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率。设备维护中不可或缺的手段之一。2020/6/271.2超声检测的基础知识1.2.1次声波、声波和超声波机械波是机械振动在弹性介质中的传播。如水波、声波、超声波声波是在弹性介质中的传播的机械纵波，频率在20~20000Hz频率低于20Hz的声波不能被人听到，称为次声波频率高于20000Hz的声波人耳也听不到，称为超声波。探伤用超声波频率在(0.5~10)MHz2020/6/27超声波的特点超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测。1、方向性好超声波具有像光波一样定向束射的特性。2、穿透能力强对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。3、能量高超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。4、遇有界面时，将产生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。5、对人体无害。2020/6/271.2.2超声检测工作原理原理：1、声源产生超声波，采用一定方式进入工件2、超声波在工件中传播，与工件材料和其中缺陷相互作用，传播方向或特征被改变3、改变后的超声波通过检测设备被接收，并对其处理分析4、根据接收的超声波的特征，评估工件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特征通常用来发现缺陷和用来评估的基本信息：1、是否存在来自缺陷的超声波信号及其幅度2、入射声波与接收声波之间的传播时间3、超声波通过材料后能量的衰减2020/6/271.2.3超声检测方法的分类1、按原理：脉冲反射法、衍射时差法、穿透法、共振法2、按显示方式：A型显示、超声成像显示3、按波型：纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法4、按探头数目：单探头法、双探头法、多探头法5、按探头与工件的接触方式：接触法；液浸法、电磁耦合法6、按人工干预的程度：手工检测、自动检测2020/6/271.2.4超声检测的优点和局限性1、优点适用于金属、非金属和复合材料等多种材料的无损检测穿透力强，多较大厚度工件内部缺陷进行检测缺陷定位较准确面积型缺陷的检出率高灵敏度高检测成本低、速度快、设备轻便、使用方便，对人和环境无害2020/6/271.2.4超声检测的优点和局限性2、局限性对工件中的缺陷进行精确的定性和定量仍需做深入研究对具有复杂形状或不规则外形的工件检测困难缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响工件材质和晶粒度对检测有较大影响常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，检测结果无直接见证记录2020/6/27第二章超声检测的物理基础2.1机械振动和机械波2.1.1机械振动物体或质点在某一平衡位置附近做来回往复的运动，称为机械振动。产生的必要条件：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。振幅：振动物体离开平衡位置的最大距离，A。周期：当物体作往复运动时完成一次全振动所需要的时间，T（s）。频率：振动物体在单位时间内完成全振动的次数，f（Hz）1KHz=103Hz1MHz=106HzT=1/f2020/6/27谐振动物体（或质点）在受到跟位移大小成正比，而方向总是指向平衡位置的回复力的作用下的振动。位移随时间的变化符合余弦定理（或正弦）规律的振动形式称为谐振动。Y=Acos（ωt+φ）ω=2πf=2π/T平衡位置势能为零，动能最大，位移最大位置势能最大，动能为零。只有弹力或重力做功。2020/6/272.1.2机械波振动的传播过程称为波动。机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。必备条件：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2020/6/27机械波的主要物理量1、声速c：单位时间内，超声波在介质中传播的距离；超声波的速度就是声音的速度,即声在空气(15℃)中的速度是340米/秒,只不过它们的频率不同而已；超声波在20℃的钢中是5900米/秒;在铝中的传播速度为5100米/秒。2、频率f：单位时间内，超声波在介质中任一给定点所通过完整波的个数；3、波长λ：声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点之间的距离；2020/6/27机械波的主要物理量4、周期T：声波向前传播一个波长距离时所需的时间；5、角频率ω：其中频率和周期是由波源决定的，声速与传声介质的特性和波型有关。cλωπfT212020/6/272.2波的类型2.2.1按波型分类1、纵波L：介质中质点振动方向和波的传播方向平行的波。压缩波疏密波承受压缩或拉伸应力即可传播2020/6/272.2.1按波型分类2、横波S：介质中质点的振动方向和波的传播方向相互垂直的波。切变波剪切波能承受剪切应力才能传播2020/6/272.2.1按波型分类3、表面波R：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。瑞利1887年首提，又称瑞利波。介质表面的质点作椭圆运动。椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向，介质质点的椭圆振动可视为纵波与横波的合成。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，因此表面波又称为瑞利波（Rayleighwave），常用R表示。如采用表面波探伤只能发现工件的表面缺陷。一般只能发现距离工件表面两倍波长深度范围内的缺陷。2020/6/27表面波2020/6/272.2.2按波形分类波的形状是指波阵面的形状。波线：用波线表示传播的方向波阵面：将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面波前：某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面称为波前。在各向同性介质中波线垂直于波阵面。在任何时刻，波前总是距声源最远的一个波阵面。波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。2020/6/272.2.2按波形分类波线、(a)平面波；(b)柱面波；(c)球面波2020/6/272.2.2按波形分类根据波阵面的形状(波形)，可将超声波分为平面波、柱面波和球面波等。平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵面为同轴圆柱面，球面波的波阵面为同心球面。当声源是一个点时，在各向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。当声源的尺寸远小于测量点距声源的距离时，可以把超声波看成是球面波。2020/6/272.2.3按振动的持续时间分类1、连续波波源持续不变的振动所辐射的波。2、脉冲波波源振动持续时间很短，间歇辐射的波称为脉冲波。通常是微秒数量级2020/6/272.3波的叠加、干涉和衍射2.3.1波的叠加：几列波在空间某处相遇，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。相遇后各列波的波长、频率、振动方向和传播方向都保持不变，波的叠加原理或者波的独立性原理。2020/6/272波的干涉两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇，介质中某些地方的振动互相加强，而另外一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫波的干涉现象。A=（A21+A22+2A1A2cos2πδ/λ）1/2注意：（1）当δ=nλ（n为正数）时，A=A1+A2，（2）当δ=(2n+1)λ/2时，A=∣A1-A2∣.2020/6/272.3.2波的绕射1.惠更斯-菲涅尔原理2.波的绕射（衍射）TOFD成为可能绕射能使超声波在介质中顺利传播绕射使小缺陷回波幅度显著下降，造成漏检超声检测灵敏度约为λ/22020/6/272.4超声波的传播速度声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型有关，还与介质的密度和弹性模量有关。声速是一个表征介质声学特性的重要参量。2.4.1固体介质中的声速：纵波、横波和表面波的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的，而与频率无关，不同材料声速值有较大的差异。在给定的材料中，频率越高，波长越短。2020/6/271.无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的纵波声速：无限大固体介质中的横波声速：)21)(1()1(EcL)1(2EGcS2020/6/271.无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的表面波声速：CR=[（0.87+1.12σ）/(1+σ)]CSE-------介质的杨氏弹性模量，MPa；G-------介质的剪切弹性模量，MPa;Ρ------介质的密度Σ------介质的泊松比0~0.5同一固体介质中，纵波声速CL大于横波声速Cs，横波声速Cs又大于表面波声速CR。对于钢材，CL≈1.8Cs，Cs≈1.1CR。2020/6/271.无限大固体介质中的声速2.细长棒中的纵波声速CLb3.声速和温度、应力、均匀性的关系温度高，声速低应力增加，声速增加（缓慢）晶粒细，声速大2020/6/272.4.2液体、气体介质中的声速1.声速公式C=（B/P）1/2式中B—容变弹性模量；P密度2.液体介质中声速与温度的关系水CL=1557-0.0245（74-t）2其他，温度升高，B减小，声速降低2020/6/272.4.3声速的测量1.超声检测仪器测量法（1）检测仪器按时间刻度（2）检测仪器按深度刻度2.测厚仪测量法（1）共振式测厚仪（2）脉冲反射式测厚仪3.示波器测量法2020/6/272.5超声场的特征值2.5.1声压P：当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强p1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声压，用p表示,单位为帕，Pa，)Pa(01ppp2020/6/272.5超声场的特征值2.5.2声阻抗Z任一点的声压p与该处质点振动速度之比叫声阻抗Z，单位：g/(cm2.s)；kg/(m2.s)。声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，介质的声阻抗越大，质点的振动速度就越小。实验证明，气体、液体与金属之间的特性声阻抗之比大约为1:3000:8000。Z=P/V=ρC一般材料随温度升高而Z降低。2020/6/272.5超声场的特征值2.5.3声强I：在超声场的传播方向上，单位时间内垂直通过单位面积上的声能叫声强，用I表示，单位W/cm2。I=ρcA2ω2/2=ZV2/2=P2/2Z超声波的声强和频率的平方成正比，同一介质中，超声波的声强和声压成正比。2020/6/272.5超声场的特征值2.5.4分贝和奈培分贝的概念以引起听觉的最弱声强I0=10-16W/cm2为声强标准，在声学上称为“闻阈”，即f=1000Hz时引起人耳听觉的声强最小值。将某一声强I与标准声强I0之比取常用对数得到二者相差的数量级，称为声强级，声强级的单位为贝尔B，即△=lg(I2/I1)贝尔（B）在实际应用过程中，贝尔这个单位太大，常用分贝（dB）作为声强级的单位。2020/6/272.5超声场的特征值1分贝人类耳朵刚刚能听到的声音20分贝以下认为是安静的，15分贝以下,认为是“死寂”的20-40分贝大约是情侣耳边的喃喃细语40-60分贝正常的交谈声音60分贝以上属于吵闹范围70分贝很吵的，而且开始损害听力神经汽车噪音介乎80-100分贝90分贝以上会使听力受损100-120分贝如无意外，一分钟人类就得暂时性失聪（致聋）2020/6/272.5超声场的特征值在实际应用过程中，超声波的幅度或强度也用相同的方