第三章_超声波检测技术

1）吸收衰减：介质的吸收现象。粘滞衰减。 2 ）散射衰减：是由于介质阻抗的不连续性造成的。分为两种情 况．一是材料本身的不均匀，如具有不同密度和声速的两种材料的 交界面等等：另一种是晶粒尺寸可以与超声波波长相比的粗晶粒材 料产生晶粒散射。
第二节 超声射和接收的关键器件。可 以将其他形式的能量转换成高频声能(发射换能器)，并且也能够把 超声能量转换成其他易于检测的能量(接收换能器)。换能器按能量 转换原理，分为磁性换能器和电性换能器。磁性换能器有电动式、 电磁式、磁致伸缩式；电性换能器有压电式、电容式、电致伸缩式。
表面波是沿介质表面传播的一种波，在表面波的传播中，介 质表面内受扰动的质点振动轨迹为一椭圆，在固体上距表面四分 之一波长深处的振幅最强，随着深度的增加其振幅衰减很快，实 际上距表面一个波长以上的地方，振动已近消失，超声表面波在 固态介质表面的传播速度小于介质休内超声横波的传播速度。
4、板波
板波亦称拉姆波，是板材特有的一种波型，它在板材厚度小 于入射波波长时产生，在一个给定的板材中可以存在三种不同偏 振的板波，一是横波，偏振方向与板表面平行，这种类型的波在 材料检测中不太重要。第二种，是—种对称型的拉姆波，在板中 心面上的质点的偏振方向与传播方向平行，如同纵波的偏振，其 他位置的质点的偏振轨迹为椭圆，第三种为非对称型的拉姆波， 板中心面上质点的偏振方向与传播方向垂直，其他位置上的质点 的偏振轨迹亦为椭园。
一、压电换能器 1 压电效应
(1)逆压电效应；将具有逆压电效应的介质置于电场内，由于电场 作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上 表现为产生了形变，形变与电场强度成正比如电场反向，则形变也 相反。 这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。
(2)正压电效应。当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内 部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符 号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压 电效应。利用正压电效应将机械能(即声能)转换成电能，并用来接 收超声波的装置，称为接收技能器。
超声检测技术的基本原理是利用某种待测的非声量 (如密度、 浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液体、厚度、 缺陷等 ) 与某些描述媒质声学特性的物理量 ( 如声速、声阻抗、 衰减等)之间存在着的直接或间接的关系，在确定了这些关系之 后就可通过测定这些超声物理量来测出待测的非声量。
在超声波检测技术的实际应用中，为了获得较大 的输出信号，可以增大超声波发射装置的发射功率。 但是因为超声波是一种机械波，所以过强的超声波 会产生许多对测量不利的效应，这些不利的效应统 称为超声效应。
为了避免超声效应的出现．实际应用中除了根据 情况限制超声波的强度外，还可以采用高峰值的脉 冲信号。
二、超声波的类型 超声波在介质中传播的波型取决于介质本身的固有特性和边界 条件、对于流体介质(空气、水等)，当超声波传播时，在介质 中只有拉伸形变而没有切变形变发生，所以只存在超声纵波； 在固态介质中，由于切变变形产生，故还存在超声横波。
5、捧中的波 细棒中可产生纯纵波、弯曲波和扭转波。在材料检测中比较有 用的是棒中的纵波，由声波导理论可知，棒中纯纵波的产牛条件是 超声源的策动频率f必须满足下式
声速是随着介质及其状态( 如温度) 的不同而不同；大部分液体 的声速随温度的升高而减小，而水中的声速随温度的升高而增加。 流体中的声速随压力的增加而增加。
第三章 超声波检测技术
• • • • • • • • 超声波检测的基础知识 超声波换能器 超声波换能器接口电路 超声无损检测 超声波物位计 超声波流量计 超声波测厚仪 超声波在其他测量方面的应用
第一节 超声波检测的基本知识 一、超声波及其特点
声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根 据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波 和特超声波。一般人耳能听到的声音的频率范围在20Hz— 20KHZ 之间，频率低于 20HZ 的波称为次声波 ，而高于 20KHZ的波称为超声波。频率高于109HZ的称为特超声波。 超声波检测中常用的工作频率在0.25~20MHZ范围内。
1．纵波
当介质中的质点振动方向和超卢波传播方向相同时，此种超 声波为纵波波型，以L表示。任何介质，当其体积发生交替变 化时均产生纵波。由于纵波的产生和接收都较容易，所以纵波 在超声波检测中得到了广泛价用。
2．横波 当介质中质点振动方向和超声波的传播方向垂直时．此种超 声波为横波波型，以T表示。以超声波入射的固体材料的界面为基 准，横波又可分为垂直偏振和水平偏振两类，即TV和TH波。 3．表面波
超声波的特点： (1) 能以各式各样的传播模式 ( 纵波，横波、表面波，薄板波 ) 在气体、液体、固体或它们的混合物等各种媒质中传播，也可 在光不能通过的金属、生物体中传播，是探测物质内部的有效 手段。 (2)由于超声波与电磁波相比速度慢，对于相同的频率波长短， 容易提高测量的分辨率。 (3)由于传播时受介质声速、声阻抗和衰减常数的影响大，所以， 反过来可由超声波传播的情况测量物质的状态。
声速与介质的许多特性有关，例如介质的成分、混合物的比例、 溶液的浓度、某些液体的比重等。 2．声阻抗
声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一 部分声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传 播。声波的反射和折射。
超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化，取 决于这两种介质的声阻抗之比 声阻抗定义为传声介质的密度P与声 速c的乘积，用z表示。它是介质固有的一个常数，它的数值对超声 波在介质中的传播非常重要，单位为瑞利(rayl)； 1rayl=1N· s／m2=lkg／(s· m2) 空气和钢铁的声阻抗相差很远，垂直人射到空气和钢铁界面上 的超声波几乎全被反射。 3、声衰减 超声波的衰减原因分为三个方面：1）由于波前的扩展而产生 的能量损失；2）超声波在介质中的散射而产生的能量损失，即散 射衰减；3）由于介质内耗所产生的吸收衰减。