《无损检测》超声波

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1、第2章超声波检测本章提要：超声检测（UT）是利用其在物质中传播、界面反射、折射(产生波型转换)和衰减等物理性质来发现缺陷的一种无损检测方法，应用较为广泛。按其工作原理不同分为：共振法、穿透法、脉冲反射法超声检测；按显示缺陷方式不同分为：A型、B型、C型、3D型超声检测；按选用超声波波型不同分为：纵波法、横波法、表面波法超声检测；按声耦和方式不同分为：直接接触法、液浸法超声检测；本章将重点介绍：脉冲反射法原理、直接接触法、A型显示方式、纵波法、横波法超声检测技术。2.1超声波检测技术基础2.1.1超声波的物理本质它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性介

2、质中的转播行为。即超声频率的机械波。一般地说，超声波频率越高，其能量越大，探伤灵敏度也越高。超声检测常用频率在0.5～10MHZ。2.1.2超声波的产生（发射）与接收(1)超声波的产生机理——利用了压电材料的压电效应。试验发现，某些晶体材料（如石英晶体）做成的晶体薄片，当其受到拉伸或压缩时，表面就会产生电荷；此现象称为正压电效应；反之，当对此晶片施加交变电场时，晶体内部的质点就会产生机械振动，此现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体材料就称为压电材料。压电效应压电效应图解＋/－b.施加交流电场时内部质点产生振动拉伸或压缩时表面产生电荷－－－－－－－

3、－＋＋＋＋＋＋＋＋正压电效应～－/＋逆压电效应(2)超声波的发射与接收①发射——在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电压，由于逆压电效应，晶片中就会产生超声频率的机械振动——产生超声波；若此机械振动与被检测的工件较好地耦合，超声波就会传入工件——这就是超声波的发射。②接收——若发射出去的超声波遇到界面被反射回来，又会对探头的压电晶片产生机械振动，由于正压电效应，在晶片的上下电极之间就会产生交变的电信号。将此电信号采集、检波、放大并显示出来，就完成了对超声波信号的接收。可见，探头是一种声电换能元件，是一种特殊的传感器，在探伤过程中发挥

4、重要的作用。2.1超声波检测技术基础2.1.3超声波波型的分类按质点的振动方向与声波的传播方向之间的关系分为：（1）纵波L——介质质点的振动方向与波的传播方向一致；（2）横波S——介质质点的振动方向与波的传播方向垂直；2.1超声波检测技术基础（3）表面波R——介质质点沿介质表面做椭圆运动；又称瑞利波；2.1超声波检测技术基础（4）板波——板厚与波长相当的薄板中传播的超声波，板的两表面介质质点沿介质表面做椭圆运动，板中间也有超声波传播。又称兰姆波；a)对称型b)非对称型2.1超声波检测技术基础注意！①液体和气体介质（不能传递切向力）中，所以只能传播纵

5、波！②同一介质中，声速的关系有：CL>CS>CR③同一介质中，声速、波长、频率之间的关系为：C=λ·f=常数。按超声波振动持续时间分为：(1)连续波——在有效作用时间内声波不间断地发射；(2)脉冲波——在有效作用时间内声波以脉冲方式间歇地发射。注意:超声波检测过程常采用脉冲波。2.1.4超声波的基本性质(1)具有良好的指向性：直线传播，符合几何光学定律；象光波一样，方向性好；束射性，象手电筒的光束一样，能集中在超声场内定向辐射。声束的扩散角满足如下关系：θ=arcsin1.22(λ/D)(2-1)可见：波长越短，扩散角θ越小，声能越集中。2.1超声

6、波检测技术基础(2)具有较强的穿透性，但有衰减；穿透性——来自于它的高能量，因为声强正比于频率的平方；所以，超声波的能量比普通声波大100万倍！可穿透金属达数米！衰减性——源于三个方面：扩散、散射、吸收；(1)扩散衰减声波在介质中传播时，因其波前在逐渐扩展，从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的扩散衰减。它主要取决于波阵面的几何形状，而与传播介质无关。2.1超声波检测技术基础(2)散射衰减散射是物质不均匀性产生的。不均匀材料含有声阻抗急剧变化的界面，在这两种物质的界面上，会产生声波的反射、折射和波型转换现象，必然导致声能的降低。2.1超声波检测

7、技术基础(3)吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦和热传导，引起的声波能量减弱的现象，叫做超声波的吸收衰减。2.1超声波检测技术基础（3）只能在弹性介质中传播，不能在真空（空气近似看成真空）中传播；强调：横波不能在气体、液体中传播！表面波看作是纵波与横波的合成，所以，也不能在气体、液体中传播！2.1超声波检测技术基础（4）遇到界面将产生：反射、折射和波型转换现象；（5）对人体无害——优于射线的性质。主声轴N近场区长度N=D2/4λ超声场及近场区压电晶片2.1超声波检测技术基础3.24?2.2超声波在介质中的传播2.2.1超声波在金

8、属中的衰减定律超声波在金属中主要的衰减原因是散射和扩散；在液体中主要是吸收。研究表明，超声波在金属中的衰减规律可用下面的关