4(超声)

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3、界面透射与绕射
超声波从一种介质入射到另一种介 质时，经过异质界面将产生垂直入射异 质界面时的透射、反射和绕射。
当超声波从一种介质垂直入射到第 二种介质上时，其能量一部分反射而形 成与入射波方向相反的反射波。
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其余能量则透过界面产生一与入射波方向 相同的透射波。
显然，异质界面上的反射是很严重的， 尤其固一气界面反射系数K=W反/W入可达 100%，因此，探伤中良好的耦合是一必要 条件。
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4、界面反射、折射与波形转换
在进行焊缝超声波探伤 时，第I介质为探头的有机 玻璃或环氧树脂，第Ⅱ介 质为钢材，则有：
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4、界面反射、折射与波形转换
由第一、二临界角的物理意义可知：
1)当α < α1m 时，第I 介质中既存在折射纵波又存 在折射横波，这种情况在探伤中不采用。
2)当α＝ α1m ～α2m时，第Ⅱ介质中只存在折射横 波。这是常用的斜探头的设计原理和依据，也是横波探伤 的基本条件。 3)当α > α2m 时，第I介质中既无折射纵波又无折 射横波，但这时在第Ⅱ介质表面形成表面波，这是常用表 面波探头的设计原理和依据。
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（3）声轴偏斜角
反映主声束中心法线的重合程度， 除直接影响对缺陷尺寸的准确测量外，还将发生误 判。相关标准规定： 主声束在水平方向上的偏离应限制在2º 内。 主声束垂直方向的偏离，不应有明显的双峰。
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脉冲反射法超声波探伤基本原理
脉冲反射法是超声波探伤中应用最广的方法。其基本原 理是将一定频率间断发射的超声波(称脉冲波)通过一定介质 (称耦合剂)的耦合传入工件，当遇到异质界面(缺陷或工件底 面)时，超声波将产生反射，回波(即反射波)为仪器接收并以 电脉冲信号在示波屏上显示出来，由此判断缺陷的有无，以 及进行定位、定量和评定。根据回波的表示方式不同，该方 法又可分为A型显示、B型显示、c型显示和3D显示法。
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C显示
C型探伤仪中有一电子深度门，门的前沿 及宽度都是可以调节的：探头在某一部位所 接收到的回波被送到接收电路中去放大但只 有落在门范围之内的才能作为亮度调制信号 加到示波管的栅极上，并在示波屏上形成一 亮点。亮点在屏上位臵与探头在工件上的位 臵是相对应的。通常深度门被调到使前表面 反射及后表面反射刚好被排除在外。
2、良好的指向性－（1）直线性
超声波的波长很短(毫米数量级)，因此它 在弹性介质中能象光波一样沿直线传播，并符 合几何光学规律。由于声速对固定介质来讲是 个常数，因此根据传播时间可求得其传播距离， 从而为探伤中缺陷定位提供了依据。
S=C*t
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声源发出的超声波能 集中在一定区域（超声场） 定向辐射。以圆形压电晶 片在液体介质中以脉冲波 形式发射的纵波超声场为 θ —半扩散角(°） 例，超声波的能量主要集 λ —波长(mm) θ ＝arc sin1.22 λ /D 中在2θ以内的锥形区域内， D—压电晶片直径 (mm) θ越小，波束指向性越好， 超声波能量集中，探伤灵 上式表明，波长越短(或超声频率越 敏度高，分辨力高和定位 高)，声束指向性越好。压电晶片直 精确。 径越大，声束指向性也越好。
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衰减性
2)吸收 超声波传播时，介质质点间产生相对运动， 互相摩擦使部分声能转换为热能，通过热传导引起衰减。对 于金属介质的吸收衰减与散射衰减相比，几乎可略去不计， 但对于液体介质吸收衰减则是主要的。
3)声束扩散 这是因为随着传播距离的增大，波束截 面增大使单位面积上声能逐渐减少所致。 总之，在金属材料的超声波探伤中，主要考虑散射引起 的衰减。
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(2)束射性－近场长度
声速近场长度
轴线上的声压分布
N≈D2/4λ
N--近场区长度(mm)
近场区中由于波的干涉声压起伏很大，这会使处于 声压极大值处的较小缺陷回波较高，而处于声压极小值 处的较大缺陷却回波较低，这必将引起误判。因此，超 声波探伤中总是尽量避免在近场区定量。
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(2)束射性－纵截面声压分布
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C显示
C型显示超声波探伤基本原理
C型显示是脉冲回波超声波平面成 象的一种，它是以亮点或暗点显示接收 信号。示波屏面所表示的是被探伤对象 某一定深度上与声束相垂直的一个平面 投影象，一幅画面只能显示同一深度上 不同位臵的缺陷。完成这种显示的探头 动作方式称为C扫描．为保证成象精确 度，一般都采用水浸法探伤。
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A显示
A型脉冲反射式超声波 探伤仪接通电源后，同步电 路产生的触发脉冲同时加至 扫描电路和发射电路。扫描 电路受触发开始工作产生锯 齿波扫描电压，加至示波管 水平(X轴)偏转板，使电子束 发生水平偏转，在示波屏上 产生一条水平扫描线(又称时 间基线)。与此同时，发射电 路受触发产生高频窄脉冲加 至探头，激励压电晶片振动， 在工件中产生超声波。
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4、界面反射、折射与波形转换
按几何光学原理，不同波形的 声波入射角、反射角、折射角有如 下关系：
从公式可知，当入射角增大时，折射角和 反射角随之增大。从图看出，当纵波折射角 为90°时，在第I I介质内只传播横波，这时 的声波入射角称第一临界角。 当横波折射角为90° 时，在第I介质和第Ⅱ 介质的界面上产生表面波的传播，这时的声波 入射角称第二临界角。
超声波的性质
1、波型及传播介质
超声波在介质中传播也 有纵波（L）、横波(S)、表面波。 分析： λ= C/f
可见声波频率愈高波长愈短。 因此存在极小的障碍就会出现反 射，故超声波探伤具有较高的灵 敏度。 横波仅在固体中传播。
能在弹性介质中传播，不能 在真空中传播。探伤中将空气介 质作为真空处理。
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保护膜－1
可使压电晶片免于和 工件直接接触受磨损， 其中 软 膜( 耐 磨 橡胶 ， 塑料 等）用于粗糙表面的 工件，硬膜(不锈钢 片，刚玉片、环氧树 脂等) 声 能 量 损 失小 ， 比软膜应用广。
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匹配电感－4
对于压电陶瓷晶片制成的探 头，其电气阻抗匹配是很重 要的．加入与晶片并联的匹 配 电感（或电阻)可使探头与仪 器的发射电路匹配，以提高 发射效率。匹配电感（或电 阻）有时也装在仪器内部．
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斜探头性能：
(1）折射角γ（或探头K 值） γ或K 值大小决定了声束入射于 工件的方向和声波传播途径，是为缺 陷定位计算提供的一个有用数据。因 此探头使用磨损后均需测量γ或K 值。
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(2）前沿长度 声束入射点至探头 前端面的距离称前沿长度，又称接近 长度。它反映了探头对焊缝可接近的 程度。入射点是探头声束轴线与楔块 底面的交点，探头在使用前和过程中 要经常测定入射点位臵，以便对缺陷 准确定位。
当然，焊缝与其中缺陷构成的异质界 面也正因为有极大的反射才使探伤成为可 能。
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绕射
当界面尺寸df很小时，声波 将能绕过其边缘继续前进，即 产生波的绕射。由于绕射还使 反射回波减弱。 一般认为超声波探伤中能 探测到的最小缺陷尺寸为 df ＝ λ／2，要想能探测到更小的缺 陷，就必须要提高超声波的频 率。
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这样当探头在工件表面 按一定形式(一般采用平行 扫查)移动以对整个工件表 面作出扫查后，在示波屏上 即可得到整个体积内缺陷或 界面的俯视图。通过将深度 门调成窄的宽度，可以记录 来自试件内平行扫描面的某 一层中的回波，而将其它部 分的信号排除在显示之外。
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C显示图
可以检测Байду номын сангаас缺 陷的长度宽度及埋 藏深度－－通过不 同的颜色。
超声场中不同纵截面上的声压分布不同。而当X>N (x一距压电晶片表面的 距离)的各纵截面中心声压最高，偏离中心轴线的声压逐渐降低。实际探伤中测 定探头波束轴线的偏离程度时，规定在N以外就是这个原因。 未扩散区(b≈ 1.64N)内，波阵面近似平面，声场可看成是平面波声场，平 均声压基本不变，扩散区其主波束可视为底面直径为D的截头园锥体，当X=3N时 波束按球面波规律扩散。 实际焊缝探伤中所用的常是金属介质中的脉冲波横波声场(简称实际声场)这 要比以上分析的理想声场复杂的多，但二者有其基本相似之处。
超声检测
超声波探伤基本原理
超声波是频率大于20000Hz的机械振动在弹性 介质中的一种传播过程。因此，是超声频率的机 械波。 探伤中常用的超声波其频率为0.5—10MHz。
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超声波的产生和收发
超声波是由超声波探伤 仪产生电振动并施加于探头， 利用其晶片的压电效应而获得。 探头主要由保护膜，压电晶片 和吸收块等组成。
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发射与接收
当高频电压加于晶片两面电 极上时，由于逆压电效应，晶片 会在厚度方向产生伸缩变形的机 械振动。若晶片与工件表面耦合 良好，机械振动就以超声波形式 传播进去，这就是发射。反之， 当晶片受到超声波作用(遇到异质 界面反射回来)而发生伸缩变形时， 正压电效应又会使晶片两表面产 成为可能。因此探头(压 生不同极性电荷，形成超声频率 电晶片)是一较为理想的 的高频电压，这就是接收。 电声换能器。 利用压电效应使探头(压电晶片) 7 发射或接收超声波，就使发现缺
因为超声波进入介质后有产生折射的性质，所以如同 光线一样，可利用透镜产生聚焦性能。
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5、穿透性与衰减性
由于超声波能量很大，穿透能力强。 在大多数介质中（尤其是在钢等金属中） 传播损失小，传播距离大。可达数米。 无毒、害作用。
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衰减性
三方面原因引起： 1、散射：由声波在不均匀和 各向异性的金属晶粒上产生折射， 反射及波形转换所致。一般认为： f越高，晶粒尺寸越大，散射引起 的衰减越大。 实际探伤中，由于奥氏体钢 焊缝晶粒粗大，衰减严重，在示 波屏上形成“草状回波”显著降 低探伤信噪比。因此，探测晶粒 粗大工件，选用较低工作频率。
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1、直探头
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2、斜探头
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斜探头利用透声斜楔块使声束倾斜于工件表 面射入工件的探头称为斜探头，如图： 图中斜楔块2用有机玻璃制作，它与工件组 成固定倾角的异质界面，使压电晶片3发射的纵波 通过波型转换，以折射横波在工件中传播。 其它组成部分的材料和作用同直探头的相应 部分。通常横波斜探头以钢中折射角标称： γ=40º 、45º、50º、60º 、70º ；有时以折射角的 正切值标称：K=tgγ= 1.0 、1.5 、2.0、3.0。