超声波讲稿(相关知识部分)

超声波讲稿（相关知识部分）前言：1．什么是超声波：人耳听不见（人耳可听见16-20000Hz ），即频率大于2万赫兹(2×104 Hz)的机械波（超声波） 2．工业超声波探伤频率：1-5M Hza ．粗晶材料（奥氏体不锈钢，大的锻件，铸件）用1-2 M Hzb ．细晶材料（厚度不大的钢板、锻件，薄的焊缝）用4-5 M Hz ，常用5 M Hzc ．其它材料：2-3 M Hz 常用2.5 M Hz 3．金属材料用高频超声波原因：a ．指向性好（即DfCD 7070==λθ）：－声能集中，可以传播很远，检测深度大。

－距离分辨力好，相邻缺陷分辨率高。

b ．f 大即λ小，检测灵敏度高（可达到2小λ）9.1超声波的发生及其性质： 1、超声波的发生和接收 （1）（机械）振动和波动：a.振动——是物质在平衡位置附近的往复（周期性）运动。

b.波动——是振动状态或振动能量的传播，不是物质的迁移。

（2）超声波产生的条件：a.振动源（波源）——晶片振动b.能传播波的介质——弹性介质（3）压电效应：a. 正压电效应: 交变（拉、压）应力——交变电场（接受超声波）b.逆压电效应: 交变电场——振动（晶片）（发射超声波）（4）压电晶片：a.常用的压电晶片：石英——单晶体、稳定性好、耐高温（550℃）硫酸锂——单晶体、接收性能好锆钛酸铅——多晶体、灵敏度高、发射性能好钛酸钡——多晶体、发射性能好铌酸锂——单晶体、耐高温（1200℃）b.单晶直探头常用锆钛酸铅制作（PZT）双晶探头常用PZT+硫酸锂，高温探头用铌酸锂和石英。

c.晶片参数：频率常数fCN Lt⋅=晶晶＝δ22、超声波的种类(仅指波型)：（1）纵波–––振动方向与波传播方向平行（2）横波–––振动方向与波传播方向垂直（只能在固体中传播）（3）表面波–––长轴是横波,短轴是纵波的合成，在表面下2 λ内传播的椭圆振动（只能在固体中传播）在表面下处，振幅减为1/5，能量减为1/25在表面下2处，振幅减为1/100，能量减为1/10000 （4）板波：充满板内，各种模式的纵、横波（5）爬波：表面下纵波－当纵波λ射角在第一临界角（有机斜楔/钢为27°36）附近时产生－检测深度与（晶片×频率）的乘积大小有关（6）探头：a．直探头（纵波）①阻尼块：吸收晶片背面的杂波，提高信噪比②保护膜（按声阻抗Z大力分为硬、软保护膜）硬保护膜—适用于表面光洁度高的工件软保护膜—适用于表面粗糙工件b．斜探头：（直探头+斜楔）①斜楔（作用有二方面）波型转换(CL有机玻璃< C L2件)表面开槽：减少探头杂波②K值（折射角的正切函数）：t↗→k↗；斜楔磨损时，磨前k↘，磨后k↗。

C．双晶探头（双直，双斜）：发射与接收分开①是一个粗糙的聚焦探头，②杂波少、盲区小，可检测近表面缺陷。

③近长区长度小（延迟块的使用）④检测深度取决于晶片的倾角d. 聚焦探头(线聚焦、点聚焦)①灵敏度高（聚焦区声能集中－主要参数有焦点位置、焦拄长度和焦拄宽度）②声束窄（焦拄宽度小），横向分辨率高③定位精度高Δ聚焦探头的焦距总是小于近场长度3．声速（波速）（1）常用的声速参数：C L钢=5900米/秒C S钢=3230米/秒C L有机=2730米/秒C水=1500米/秒（2）与声速有关的参数：a ．与材料种类有关，ρ（密度）↗→C ↗， E （弹性）↗→C ↗ b ．与波型有关：C L ：C S ：C t =1.8 : 1 : 0.9（对于钢材） c ．与温度（t ↗→c ↘,只有水例外）有关，与应力(F ↗(拉应力)→c ↗)有关。

与介质尺寸有关。

4．频率、波长、声速相互关系：C=f λ（1）λ——质点完成一次全振动波传播的距离。

或者波线上相邻两振动相位相同质点间的距离。

（2）f ——波动过程中，每秒内通过某点波的个数。

（3）C ——波在1秒内传播的距离。

5．超声波的特征量：（1）声压——超声场中某点瞬间压强与无超声波存在时同一点静压强之差。

m m c c Af c A P νρρπρω⋅=⋅=⋅⋅=2＝Z V m即声压 p 与频率f 成正比（2）声强——垂直于超声波传播方向上，单位时间，单位面积通过xλ图1振动曲线的声能。

c Z I P p mm ρ22122=⋅= 即声强正比于频率f 2（3）声阻抗——声压的幅值与质点振动速度的幅值的比值 （表示介质的声学性质）①与材料的种类有关ρ ②与波型有关C③与温度有关t ↗→C ↘→Z ↘Δ质点的振动速度V m ≠波速C Δ质点的振动频率f=波传播的频率f（4）分贝Δ–––12122020H H =P P =∆g g λλ（仪器垂直线性好时）a ．已知波高为H 2=90%和H 1=15%，求H 2/H 1的分贝差Δ？解：分贝6.151590202012==H H =∆g g λλ b ．已知波高差6db, 求=H H 12？ 解：=H H 122010∆， H 2=H 11206210H =⋅即两波高差一倍mmP Z CV ρ==6．异质界面的反射和透射 （1） 垂直入射：a.声压反射率γ(Pr/Pe)和透射率t(Pd/Pe)1212Z +Z Z -Z =γ 1222Z +Z Z =tb.声强反射率R(Ir/Ie)和声强透射率T(Id/Ie)21212⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛Z +Z Z -Z =R T ()212124Z +Z Z Z =c.边界条件：由力的平衡：P O +P r =P t由于波的连续性，两侧振动速度的振幅相等：mtr o V =Z P =Z P -P 21 r+1=t ； R+T=1Δ超声波在钢中传播到底面遇到空气100%反射；Δ超声波从钢传到水中时，88%的声能反射，12%进入水中；d.均匀介质中的异质薄层：(相当于钢板中的均匀夹层) Z 1=Z 3≠Z 21=3≠2Δ当d=22nλ时t=1、 r=0Δ当d=2(21)4n λ-时图2 纵波垂直入射λ1 Z 1λ2 Z 2 dλ3 Z 3t 很小、r 很大（2）斜入射：a.反射和折射定律：221111S S L L S S L L C Sin C Sin C Sin C Sin ββαα===b.纵波斜入射：图3纵波斜入射时的反射和折射 第一临界角2L C （纵波）全反射，211L L I C C Sin-=α第二临界角C 2S （横波）全反射，211S L C C Sin-∏=αΔ因此2L C 必须大于1L C 才有第一临界角，即工件的纵波声速必须大于斜楔的纵波声速，才能实现纯横波探伤。

Δ如果C 2S <1L C 即没有第二临界角，因此第二介质的横波声速必须大于第一介质的纵波声速，才会产生表面波。

c .横波入射：当横波入射，L C '全反射时，对应S α叫第三临界角αIII 1SL C Sin C -'=即只有固体才会有第三临界角（钢中的αIII ＝33.20 ）L 2d.对于有机斜楔探头检测钢工件时：αI =27°36′αII=57°48′即纵波入射角在27°36′~57°48′实现纯横波探伤实用β=38°~80°K=0.78~5.07（3）平行声束在曲界面上的传播规律：（速度快、角度大）介质1 介质2介质1 介质27.指向性：（1）直探头的指向角a.圆晶片指向角Df CD D Sin o 707022.11=≈=-λλθ(方晶片指向角aaSino λλθ571≈=-)b.未扩散区：b=1.64N (N=λ42D )c.声束宽度：W=Db D 64.14λχχ=⋅X W图5 指向角，未扩散区，声束宽度（2）斜探头的指向角：a.纵向θ上＞θ下 使6dB 测高增加误差b.横向θ左=θ右 测长同直探头8．近场区和远场区： （1）圆盘源的声压曲线：DN b ≈ 1.64N 未扩散区扩散区θ图7 圆盘形声源轴线 上声压分布， N —近场长度。

⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=x D x Sin P P o x 4222λπ N=λ42D（2） 远场区：X ≥3N 接球面波规律，P X =P 0X F Dλ△频率越高，指向性越好。

△小晶片指向性差，大晶片指向性好。

△近场区越大，指向性越好。

△盲区不是近场区，是脉冲宽度＋阻塞效应。

△近场区缺陷定量不准。

△当量计算法适用于X ≥3N 时，小于声束截面尺寸W 的缺陷的当量计算。

△只要当缺陷某个方向的尺寸大于声束截面尺寸W 时，就能用移动探头法测长。

9、小物体的声波反射（1）遇到不同尺寸的障碍物时的桡射和反射：a.当λ≥d 时，桡射（衍射），无反射。

b.当λ≈d 时，既桡射，又反射。

c. 当d 》λ时，只有反射，形成声影。

（2）缺陷的反射率：a.光滑表面：00~100%， 2.50~10%, 120~0.1%b.粗糙表面：00~100%， 800~10%（凹凸度<λ31为光滑面）。

△ 当探头指向性好，缺陷指向性差时，缺陷定位准确。

△ 当探头指向性差，缺陷指向性好时，缺陷定位差。

△ 裂纹反射波幅不一定总是很高(与裂纹面的方向有关)。

△ 检测裂纹不宜采用较高的频率。

10、标准反射体的反射声压（X ≥3N ）（1） 大平底，P B=21P X （同等厚度的实心圆柱体）X1α， X~6db ， （2） 平底孔，X=ΦX ΦλF P P22X Φα， X~12db ， Φ~12db（3） 长横孔，P Ø=P XX 8φ2321Xφα， X~9db ，Ø~3db（4） 球孔，P d =P X X d4 2X d α， d~6db X~12db（5） 圆柱曲底面，P凸=P BR r、 P凹=P Br R、P 凸<P B < P 凹9.2超声检测的原理： 1． 纵波探伤：（直探头）a.定位时，应读脉冲前沿（不能读峰值或后沿）b.适用于钢板、锻件、铸件c.检测与探测面平行或稍有倾斜的缺陷 2、横波探伤（斜探头）：适用于焊缝,钢管以及大锻件和厚钢板的辅助检测，检测与探测面垂直或与探测面倾斜较大的缺陷，主要用于焊缝。

（1）扫描线三种调试方法：a.水平调试（中薄板焊缝） δ≤20mm ；L=S.Sinβ=S.21KK+=K.db.垂直调试（较厚焊缝）δ＞20mmd=S.Cos β=S.211K+由tg =K从右图的直角三角形可看出，sin=21KK+Cos β=211K+图9 直探头定位示意图图10 斜探头检测时缺陷定位示意图K21K +1c.声程调试（形状复杂工件）如曲面焊缝，S（2）调试扫描线的几种试块a.CSK-IA CSK-IIIAb.R40半圆试块c.Ⅱw试块(3)焊缝探伤时的伪缺陷波a仪器杂波。