工业超声检测,超声波的获得,自然界中超声波,超声波的获得,超声波换能器机械换能器 压电换能器 磁致伸缩换能器 其它形式的换能器：包括电磁换能器，静电换能器，热声换能器、化学声换能器及光声换能器等。,超声无损探伤,探伤：探伤和测伤超声波可以实现其主动式探伤的原因 ： （1）具有一般波动的物理共性如穿透性、不均匀界面的反射与透射(或斜人射时的折射)、迭加和干涉、吸收和衰减以及一定的辐射指向性等。 （2）超声波是一种弹性波，具有不同于其它波动的个性，比如不受透明与不透明、导电与不导电等限制，对所有介质，超声波都是“透明”的。由于它是一种机械弹性波，所以其传播特性与材料的弹性机械性能有关。,固体中超声波的传播,声波在固体中传播时，同时存在有纵波(压缩波)和横波（切变波）,分别表示纵波声速和横波声速。对于无限大弹性介质，其表达式为,对于固体，在无限大各向同性固体内部存在两种传播速度的超声波，一种是超声纵波(L波)，一种是超声横波(T波)，前者传播速度比后者大。,固体中超声波的传播,在半无限大固体的表面，存在表面波，表面波的传播声速近似为,为无限大固体介质中的横波速度，一般,声速在超声无损捡测中是一个很重要的参量，特别是对于波的识别。上述各种声速总结如下:1)介质的弹性性能越好，密度越小则介质的声速越大； 2)对于无限固态介质，纵波声速cl大于横波声速cs； 3) 为固体表面波声速。,超声波在平面界面上的反射与折射,重点介绍超声波入射到液固界面而上的情形 .超声波在两种不同介质介面上的反射与折射遵从斯聂尔定律,固体中的声速大于液体中的声速，而且固体中纵波声速总大于横波声速，也就是,纵波垂直入射,；,声波垂直发射属于纵波探伤。,纵波斜入射,纵波入射角称为第一临界角,如果纵波的入射角大于第二临界角,声波沿固体表面传播，称之为表面波,横波探伤,声波不同入射角度探伤时利用的波型及其应用场合总结,纵波垂直入射，属纵波探伤。声波斜入射时，入射角选择在第一临界角与第二临界角之间，属于横波探伤；声波斜入射时，入射角选择在大于第二临界角的角度范围，是利用表面波或板波探伤，纵波探伤和横波探伤主要用在检测位于材料内部的缺陷，表面波和板波来主要用来探测位于材料表面的缺陷和检测固体表面下层状的缺陷。,探伤用的常规超声探头,直探头，斜探头，可变角探头、水浸探头，组合探头，表面波探头，板波探头，聚焦探头，阵列探头。具体探伤时还可采用单探头（收发合置）或双探头（一收一发）,超声探伤法,脉冲反射法探伤 脉冲反射法是将超声波振动持续时间很短（一般为数微妙以下）的超声波脉冲射入被检体，利用被检体底面或内部缺陷的反射回波探测反射源的位置和大小的方法。是超声检测法中最常用的一种方法.,脉冲反射法的过程,由超声波探头在脉冲源的激励下发出间断的超声脉冲进入介质，在介质中遇到不连续处，由于介质的连续处和不连续处的声阻抗不同，声能在阻抗不连续处发生反射，其中一部分声能被反射回来，由同一超声探头（或另外一个探头）接收回波，再把它变成电信号显示出来，这种检测方法叫做脉冲反射法 .,1.探头，2.缺陷，3.底面脉冲反射法探伤原理图,（脉冲源激励发射换能器产生声脉冲进入介质内部遇到阻抗不连续处反射声波接收换能器接收声波转化为电信号显示判断）,缺陷回波法 图中脉冲T为发射的起始脉冲，B为材料或工件底面的反射脉冲，而F为缺陷的反射脉冲。这种方法也叫做缺陷回波法。AF之间的水平距离给出缺陷的位置，F的高矮一定程度上反应缺陷的大小。,a)无缺陷 b)有小缺陷 c)有大缺陷图脉冲反射法,缺陷回波法 :还可以用底面回波高度来判断缺陷的存在，在同一种材料中，若不存在缺陷时其底面的回波高度不变，当有缺陷存在时，峰值B的高度将缩小甚至消失。而且峰值B缩小的程度对于判别缺陷特征来说比峰值F更能说明问题。,（a） （b）底面反射脉冲高度法,底面多次回波法 : 是利用超声脉冲在材料底面多次反射被探头接收来进行探伤的，原理是，当材料中无缺陷时，由于材料的衰减，超声脉冲高度逐次降低。若材料中有缺陷时由于缺陷的反射和散射而增加了声损耗，底面反射脉冲的次数减少。同时也打乱了各次底面回波高度依次有规律的降低（如下图）,（a）无缺陷 （b）有缺陷脉冲多次反射探伤,脉冲发射法是实际超声探伤中最广泛使用的方法。优点：探头只接触被检体的一个面就能进行探伤；探伤灵敏度高，缺陷可以定位。缺点：是存在盲区，探测近表面缺陷的能力较差，当声束轴线不垂直缺陷反射面时容易漏检，由于声束需要往复传播，不利于高衰减材料的检测。,当缺陷的取向不与试样表面相平行时，采用斜探头比较好，斜探头是将一个换能器装在一只塑料斜劈上而成的。,采用斜探头探测取向比较刁钻的缺陷,利用一只带有合适角度的斜劈的斜探头，可通过模式转换而获得一横波，它沿与试样表面成小角度的取向传播。此时纵波是进入不到试样中的，它被反射回探头所带的斜劈中。这种角度的探头称为切向波探头。,切向波探头的一种设计方案,超声探伤法,穿透法探伤穿透法又叫透射法，是利用声波穿过被检材料或工件后能量（或声压幅度）的变化来判断缺陷的有无及其性质的。穿透法是超声波应用于无损检测最早的方法。,穿透法探伤采用双探头，一个在工件或材料的这面作为发射装置，一个放在另一面（和发射相对的一面）作为接收装置，如果材料或工件中有缺陷，由接收探头接收到的能量很小或没有。,穿透法探伤,实现穿透法探伤有连续波和脉冲波两种。实际检测中连续波用的更多些。为了排除在试件中可能产生驻波的影响，连续波采用调频波。在不可能产生驻波的试件探伤中，连续波也可采用调幅被。,反射式穿透法探伤,在实际工作中，往往会遇到不允许进行双探头双面探测的情况，这是人们采用双探头单侧穿透法探伤，大多适用于带蒙皮或包覆层的样品检验。,反射式穿透法探伤示意图,声影,当缺陷较小时，即缺陷的大小可与声波长相比，或还要小，此时在缺陷边缘会发生绕射，在缺陷后形成声影，在缺陷后不同位置的声影的形状是变化的。,缺陷后形成的声影,声影,缺陷后形成的声影,声影的形状基本上有一段是截面不变的，之后是按一定角度绕射，缺陷距离接收探头越远，对能量遮挡的影响越小。当缺陷距离接收探头的距离大于 时，所接收到的声能基本上不受缺陷的影响。,穿透法探伤优缺点,优点：几乎不存在盲区，声程衰减小，一般用来检测对声波衰减较大的试样。缺点：不能给出缺陷存在的位置，只能分辨有无缺陷存在。由于声波衍射现象的存在，检测灵敏度低，需要专用探头夹持装置以使两个探头对准，操作不便，实际应用比较少。,共振法检测,当具有一定波长的声波在介质中传播遇到界面时声波的部分或全部要反射回来，行进波与反射波同相位叠加的现象叫做共振，利用共振原理检验工件或材料的方法称为共振法。如果工件中存在较大的缺陷或板的厚度不均匀时，原来的厚度是半波长的整数倍的关系就不成立，则共振点就偏移或消失，这样就可以判断缺陷的存在与否。,共振法,纵波探伤法,利用纵波进行探伤的方法称为纵波探伤法，一般说直探头垂直工件表面入射的声波是纵波，所以垂直探伤一般是纵波探伤法。发射波、缺陷波和底波经过放大后在显示器上。由它们在时间基线上的位置可求出缺陷的位置。,纵波探伤法的基本原理,当工件中无缺陷时，显示器上出现指数曲线递减的多次反射底波。当工件内有吸收性缺陷时（如疏松等）时，声波在缺陷处衰减很大，反射底波的次数减少甚至消失，以此判断有无缺陷及其严重程度 .,横波探伤法,利用横波进行探伤的方法称为横波探伤法。主要用于焊缝探伤，因为焊缝表面有加强良，凸凹不平，不易放置直探头，加上焊缝中有害缺陷总是垂直于板面，所以一般都采用横波探伤法。,横波探伤法基本原理,表面波探伤,表面波探伤：表面波探伤法是探测材料表面缺陷的一种方法。L,S均为棱角处散射的纵波和横波探测脉冲F1F2、对应于棱角F1和裂纹尖端F2处的反射回波。在已知表面波声速的情况下，利用脉冲反射或频谱法通过F1、F2两个脉冲的时差测量，可以测定出裂纹的深度。,表面波对表面裂缝的探伤,注意：表面波探伤是不适合应用于液浸表面的探伤。表面粗糙度对表面波有明显的影响，粗糙的表面由于容易发声散射而使表面波的衰减增大 .,板波探伤,在板状固体媒质中传播的声波称为板波。在超声探伤中所用的板波是兰姆波，即在板中传播的波中含有振动方向与板面垂直的横波（SV波）和振动方向与板面平行的纵波。采用声波斜入射到固体介质中，入射的角度满足,表示第一种介质中的纵波声速， 表示在板中所激励的兰姆波的传播速度（相速度）。,板波探伤,利用兰姆波检测表层下层状缺陷 (a)和（b）分别是两种产生兰姆波的方法；(b)是阴极射线示波器上的显示情况（A=发射脉冲峰，B=边界反射峰，C=对应于兰姆波的峰）,应用场合：层状缺陷； 薄板材的探伤。,超声探伤的应用,探伤在实际中的应用举例：金属材料，金属焊缝，陶瓷材料，复合材料，混凝土，塑料。超声探伤是一种非常有效、应用日益广泛的无损探伤技术，目前也已应用于核电站、压力容器以及汽车工业等各个重要部门。国内超声探伤的研究现状，超声探伤产品介绍。武汉科声技术公司生产的多通道超声自动探伤系统以及便携式数字化超声探伤仪。针对不同的用途，分多种型号。（超声手册p472）广东省汕头市超声仪器研究所研制的CTS-2000笔记本式数字超声探伤仪，厚度为5.0cm，重量1.6kg（带电池）。江苏省南通市友联智能仪器公司生产的各种型号的数字超声探仪，仅售几万元钱。掌上宝型，有很多公司。,声速的测量方法,声速是声波在介质中传播的一个基本的物理量，而且也是最重要的一个声学量。声速的测量方法有多种，如共振干涉法、临界角法、相位比较法、脉冲法等,共振干涉法测量声速共振干涉法是测量介质中声速最常用的方法之一，其原理是通过测定声波长和频率求得声速，即有两种办法，一种是采用固定频率的声波，调整声在介质中的传播距离，以达驻波共振状态，从而确定波长,称为变程干涉法.另一种是固定传播距离改变声波频率的方法达到共振,从而求出声速称之为定程干涉法,变程共振干涉法,变程干涉仪主要由一个辐射声波的换能器和一个反射声波的反射板组成,当调节螺旋计时，反射板也随之移动，使声程发生改变，这时在一系列特定的距离上，介质中将会出现驻波共振现象。有反射板时，换能器采用收发兼用的形式。该方法要求反射板和换能器之间严格平行，测得的电流和距离之间的关系。,定程干涉法,还可以采用固定声波传播距离，通过改变超声频率来建立驻波共振状态，称为定程共振干涉法。,不断改变信号发生器的频率，电压表极大值对应试样共振，由频率计测出共振频率 f ,试样长为 利用 即可求出声速。,临界角法测量声速,共振干涉法只能测量纵波声速，而临界角法(或称全反射法)既能测量固体中的纵波声速，也能测量固体中的横波声速。,在测试中用脉冲信号而不同连续波，这样可以减小干涉的影响。另外，待测样品一定要作得两面光滑平行。,脉冲法测量声速原理,脉冲法测量声速是用得最多的一种，原理式子为 测出声波传播的距离和传播时间，即可求出声速,(a)透射法波形 （b）反射法波形,脉冲回鸣法测量声传播时间原理,脉冲回鸣法又称脉冲循环法，是20世纪50年代发展起来的一种测量介质声速的方法。回鸣法测量原理如图,发射换能器被激发后向被测介质中辐射声波，声波在介质中传播一段距离l后被接收换能器接收，被接收的声信号转换成电信号后经放大、整形和鉴别后又去触发发射电路，使发射换能器发射下一个声脉冲，如此循环往复，便得到一个声脉冲系列。,