第四单元第四单元 超声波探伤超声波探伤目目 录录义务一超声波探伤的物理根底义务二超声波发射声场与规那么反射体的回波声压义务三仪器、探头和试块义务一义务一 超声波探伤的物理根底超声波探伤的物理根底 第一节第一节 振动与动摇振动与动摇 第二节第二节 波的类型波的类型 第三节第三节 超声波的传播速度超声波的传播速度 第四节第四节 波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理 第五节第五节 超声场的特征值超声场的特征值 第六节第六节 分贝与奈培分贝与奈培 第七节第七节 超声波垂直入射到界面时的反射和透射超声波垂直入射到界面时的反射和透射 第八节第八节 超声波倾斜入射到界面时的反射和透射超声波倾斜入射到界面时的反射和透射 第九节第九节 超声波的聚焦与发散超声波的聚焦与发散 第十节第十节 超声波的衰减超声波的衰减第一节第一节 振动与动摇振动与动摇一、振一、振动动11、振、振动动的普通概念的普通概念11定定义义：物体沿着直：物体沿着直线线或曲或曲线线在某一平衡位置附近作在某一平衡位置附近作往复周期性的运往复周期性的运动动，称，称为为机械振机械振动动。22例子：例子：直接直接觉觉察察弹弹簧振子、簧振子、钟摆钟摆和汽缸中活塞运和汽缸中活塞运动动。难难以以觉觉察察固体分子的固体分子的热热运运动动，一切，一切发发声物体的运声物体的运动动以及超声波波源的运以及超声波波源的运动动。33描画：描画：1 1周期周期TT振振动动物体完成一次全振物体完成一次全振动动所需求的所需求的时间时间，称称为为振振动动周期，用周期，用T T表示。常用表示。常用单单位位为为秒秒(s)(s)。2 2频频率率ff振振动动物体在物体在单单位位时间时间内完成全振内完成全振动动的次的次数，称数，称为为振振动频动频率，用率，用f f表示。常用表示。常用单单位位为为赫赫兹兹(Hz)(Hz)。 2 2、谐振动、谐振动11定义：最简单最根本的直线振动称为谐振动。定义：最简单最根本的直线振动称为谐振动。22特点：特点：1 1回复力大小与位移成正比，方向总指向平衡位置。回复力大小与位移成正比，方向总指向平衡位置。2 2振幅不变，为自在振动，其频率为固有频率。振幅不变，为自在振动，其频率为固有频率。3 3物体做谐振动时，只需弹性力或重力做功，其它物体做谐振动时，只需弹性力或重力做功，其它力不做功，符合机械能守恒的条件，因此谐振物体的能力不做功，符合机械能守恒的条件，因此谐振物体的能量遵守机械能守恒。在平衡位置时动能最大势能为零，量遵守机械能守恒。在平衡位置时动能最大势能为零，在位移最大位置时势能最大动能为零，其总能量坚持不在位移最大位置时势能最大动能为零，其总能量坚持不变。变。33、阻尼振动、阻尼振动11定义：振幅或能量随时间不断减少的振动。定义：振幅或能量随时间不断减少的振动。22特点：振幅不断减少，而周期却不变。阻尼振动遭特点：振幅不断减少，而周期却不变。阻尼振动遭到阻力作用，不符合机械能守恒。到阻力作用，不符合机械能守恒。4 4、受迫振动、受迫振动11定义：物体受周期性变化的外力作用时产生的振动。定义：物体受周期性变化的外力作用时产生的振动。22特点：受迫振动刚开场时情况很复杂，经过一段时间特点：受迫振动刚开场时情况很复杂，经过一段时间后到达稳定形状，变为周期性的谐振动。其振动频率与后到达稳定形状，变为周期性的谐振动。其振动频率与谋划力频率一样，振幅坚持不变。受迫振动物体遭到谋谋划力频率一样，振幅坚持不变。受迫振动物体遭到谋划力作用，不符合机械能守恒。划力作用，不符合机械能守恒。33共振：受迫振动的振幅与谋划力的频率有关，当谋划共振：受迫振动的振幅与谋划力的频率有关，当谋划力频率力频率P P与受迫振动物体固有频率与受迫振动物体固有频率w w。一样时，受迫振动。一样时，受迫振动的振幅达最大值。这种景象称为共振。的振幅达最大值。这种景象称为共振。44共振在超声的运用：设计探头中的压电晶片时，应使共振在超声的运用：设计探头中的压电晶片时，应使高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率；从而产生高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率；从而产生共振，这时压电晶片的电声能量转换效率最高。共振，这时压电晶片的电声能量转换效率最高。二、动摇二、动摇11、机械波的产生与传播、机械波的产生与传播11定义：振动的传播过程。动摇分为机械波和定义：振动的传播过程。动摇分为机械波和电磁波。电磁波。1 1机械波是机械振动在弹性介质中的传播过机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。如水波、声波、超声波等。程。如水波、声波、超声波等。2 2电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。如无线电波、红外线、可见光、紫外线、又射线、如无线电波、红外线、可见光、紫外线、又射线、y y射线等。射线等。22产活力械波的条件：产活力械波的条件：1 1要有作机械振动的波源要有作机械振动的波源2 2有能传播机械振动的弹性介质。有能传播机械振动的弹性介质。33特点：特点： 1 1振动与动摇是相互关联的，振动是产生动振动与动摇是相互关联的，振动是产生动摇的根源，动摇是振动形状的传播。动摇中介质摇的根源，动摇是振动形状的传播。动摇中介质各质点并不随波前进，只是以交交的振动速度在各质点并不随波前进，只是以交交的振动速度在各自的平衡位置附近往复运动。各自的平衡位置附近往复运动。2 2动摇是振动形状的传播过程，也是振动能动摇是振动形状的传播过程，也是振动能量的传播过程。但这种能量的传播，不是靠物质量的传播过程。但这种能量的传播，不是靠物质的迁移来实现的，也不是靠相邻质点的弹性碰撞的迁移来实现的，也不是靠相邻质点的弹性碰撞来完成的，而是由各质点的位移延续变化来逐渐来完成的，而是由各质点的位移延续变化来逐渐传送出去的，犹如人们传送砖块一样。传送出去的，犹如人们传送砖块一样。22、波、波长长、频频率和波速率和波速11波波长长 ：同一波：同一波线线上相上相邻邻两振两振动动相位一相位一样样的的质质点点间间的的间间隔，用隔，用 表示。常用表示。常用单单位位为为毫米毫米(mm)(mm)或米或米(m)(m)。22频频率率f f：动摇动摇中，任一点在中，任一点在1 1秒内所秒内所经过经过的完好波个数。的完好波个数。动摇频动摇频率在数率在数值值上同振上同振动频动频率，率，单单位位为为赫赫兹兹(HZ)(HZ)。33波速波速C C：动摇动摇中，波在中，波在单单位位时间时间内所内所传传播的播的间间隔，用隔，用C C表示。常用表示。常用单单位位为为米米/ /秒秒(m/s)(m/s)或千米或千米/ /秒秒(km/s)(km/s)。44三者关系：三者关系：C=fC=f或或=C/f=C/f由上式可知，波由上式可知，波长长与波速成正比，与与波速成正比，与频频率成反比。当率成反比。当频频率一定率一定时时，波速愈大，波，波速愈大，波长长就愈就愈长长；当波速一定；当波速一定时时，频频率愈低，波率愈低，波长长就愈就愈长长。三、次声波、声波和超声波三、次声波、声波和超声波11、次声、声波和超声波的划分、次声、声波和超声波的划分一样点：次声波、声波和超声波都是在弹性介一样点：次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度一质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度一样。样。不同点：频率不同点：频率 11能引起听觉的机械波称为声波，频率在能引起听觉的机械波称为声波，频率在20-20-20000Hz20000Hz之间。之间。22频率低于频率低于20Hz20Hz的机械波称为次声波。的机械波称为次声波。33频率高于频率高于20000Hz20000Hz的机械波称为超声波。的机械波称为超声波。22、超声波的运用、超声波的运用超声探伤所用的频率普通在超声探伤所用的频率普通在0.5-10MHz0.5-10MHz之间，对钢等金之间，对钢等金属资料的检验，常用的频率为属资料的检验，常用的频率为1-5MHz1-5MHz。(1)(1)超声波方向性好：超声波是频率很高、波长很短的超声波方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中运用的波长为毫米数量级。超声机械波，在无损探伤中运用的波长为毫米数量级。超声波像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射。波像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射。(2)(2)越声波能量高：超声波探伤频率远高于声波，而能越声波能量高：超声波探伤频率远高于声波，而能量量( (声强声强) )与频率平方成正比。与频率平方成正比。(3)(3)能在界面上产生反射、折射和波型转换；在超声波能在界面上产生反射、折射和波型转换；在超声波探伤中。探伤中。(4)(4)超声波穿透才干强：超声波传播能量损失小，传播超声波穿透才干强：超声波传播能量损失小，传播间隔大，穿透才干强。间隔大，穿透才干强。3、次声波的运用次声波的频率很低，波长很长，绕射才干强，传播衰减小、间隔远。在大自然的许多活动中伴随着次声波的发生，例如地震、火箭起飞等。次声波近似平面波，沿着与地球外表平行的方向传播。第二节第二节 波的类型波的类型一、据质点的振动方向分类一、据质点的振动方向分类根据动摇传播时介质质点的振动方向相对根据动摇传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，可将动摇分为纵波、横于波的传播方向的不同，可将动摇分为纵波、横波、外表波和板波等。波、外表波和板波等。1 1、纵波、纵波L L紧缩波，疏密波紧缩波，疏密波1 1定义：介质中质点的振动方向与波的传播定义：介质中质点的振动方向与波的传播方向相互平行的波。方向相互平行的波。22特点：当介质质点遭到交变拉压应力作用特点：当介质质点遭到交变拉压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而构成纵时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而构成纵波。这时介质质点疏密相间，故纵波又称为紧缩波。这时介质质点疏密相间，故纵波又称为紧缩波或疏密波。波或疏密波。3 3传播介质：固体，液体，气体介质传播介质：固体，液体，气体介质 2、横波S(T)切变波1介质中质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波。2特点：当介质质点遭到交变的剪切应力作用时，产生切变形变，从而构成横波。3传播介质：固体介质3 3、外表波、外表波R R瑞利瑞利1 1定义：当介质外表遭到交变应力作用对，定义：当介质外表遭到交变应力作用对，产生沿介质外表传播的波。产生沿介质外表传播的波。2 2特点：外表波在介质外表传播时，介质外特点：外表波在介质外表传播时，介质外表质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方表质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可视为向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成。外表波的能量随传播深度添加而迅速减弱。成。外表波的能量随传播深度添加而迅速减弱。当传播深度超越两倍波长时，质点的振幅就曾经当传播深度超越两倍波长时，质点的振幅就曾经很小了。因此，普通以为，外表波探伤只能发现很小了。因此，普通以为，外表波探伤只能发现距工件外表两倍波长深度内的缺陷。距工件外表两倍波长深度内的缺陷。3 3传播介质：固体外表传播。传播介质：固体外表传播。4 4、板波：在板厚与波长相当的薄板中传播的波。、板波：在板厚与波长相当的薄板中传播的波。根据质点的振动方向不同可将板波分为根据质点的振动方向不同可将板波分为SHSH波和波和兰姆波。兰姆波。1)SH1)SH波：程度偏振的横波在薄板中传播的波。波：程度偏振的横波在薄板中传播的波。薄板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波薄板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向，相当于固体介质外表中的横波。的传播方向，相当于固体介质外表中的横波。2)2)兰姆波：兰姆波又分为对称型兰姆波：兰姆波又分为对称型(S(S型型) )和非对和非对称型称型(A(A型型) )。1 1对称型对称型(S(S波波) )兰姆波的特点是薄板中心兰姆波的特点是薄板中心质点作纵向振动，上下外表质点作椭圆运动、振质点作纵向振动，上下外表质点作椭圆运动、振动相位相反并对称于中心。动相位相反并对称于中心。2 2非对称型非对称型(A(A型型) )兰姆波特点是薄板中心兰姆波特点是薄板中心质点作横向振动，上下外表质点作椭圆运动、相质点作横向振动，上下外表质点作椭圆运动、相位一样，不对称。位一样，不对称。二、按波的外形分类二、按波的外形分类1 1、有关概念：、有关概念：1 1波的外形波的外形( (波形波形) )是指波阵面的外形。是指波阵面的外形。22波阵面：同一时辰，介质中振动相位一样波阵面：同一时辰，介质中振动相位一样的一切质点所联成的面称为波阵面，的一切质点所联成的面称为波阵面，33波前：某一时辰，动摇所到达的空间各点波前：某一时辰，动摇所到达的空间各点所联成的面称为波前。所联成的面称为波前。44波线：波的传播方向称为波线。波线：波的传播方向称为波线。2 2、分类：平面波、柱面波和球面波。、分类：平面波、柱面波和球面波。11平面波：波阵面为相互平行的平面的波。平面波的平面波：波阵面为相互平行的平面的波。平面波的波源为一平面。尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向波源为一平面。尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的均匀介质中辐射的波可视为平面波。平面波波束同性的均匀介质中辐射的波可视为平面波。平面波波束不分散，平面波各质点振幅是一个常数，不随间隔而变不分散，平面波各质点振幅是一个常数，不随间隔而变化。化。22柱面波；波阵面为同轴圆柱面的波。柱面波的波源柱面波；波阵面为同轴圆柱面的波。柱面波的波源为一条线。长度远大于波长的线状波源在各向同性的介为一条线。长度远大于波长的线状波源在各向同性的介质中辐射的波可视为柱面波。柱面波波束向周围分散，质中辐射的波可视为柱面波。柱面波波束向周围分散，柱面波各质点的振幅与娩离平方根成反比。柱面波各质点的振幅与娩离平方根成反比。33球面波：波阵面为同心球面的波称。球面波的波源球面波：波阵面为同心球面的波称。球面波的波源为一点。尺寸远小于波长的点波源在各向同性的介质中为一点。尺寸远小于波长的点波源在各向同性的介质中辐射的波可视为球面波。球面波波束向四面八方分散，辐射的波可视为球面波。球面波波束向四面八方分散，球面波各质点的振幅与间隔成反比。球面波各质点的振幅与间隔成反比。 三、按振动的继续时间分类1、延续波：波源继续不断地振动所辐射的波。超声波穿透法探伤常采用延续波。2、脉冲波：波源振动继续时间很短(通常是微秒数量级，1微秒=10-6秒)，间歇辐射的波。目前超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。波的类波的类波的类波的类型型型型质点振质点振质点振质点振动特点动特点动特点动特点传播介传播介传播介传播介质质质质应应应应 用用用用纵纵 波波质点振质点振动方向动方向平行于平行于波传播波传播方向方向固、液、固、液、气体介气体介质质钢板、钢板、锻件探锻件探伤等伤等横横 波波质点振质点振动方向动方向垂直于垂直于波传播波传播方向方向固体介固体介质质焊缝、焊缝、钢管探钢管探伤等伤等表面表面波波质点作质点作椭圆运椭圆运动，椭动，椭圆长轴圆长轴垂直波垂直波传播方传播方向，短向，短轴平行轴平行于波传于波传播方向播方向固体介固体介质质钢管探钢管探伤等伤等板板波波对对称称型型(S(S型型) )上下表上下表面：椭面：椭圆运动圆运动, , 中心：中心：纵向振纵向振动动固体介固体介质质( (厚厚度与波度与波长相当长相当的薄板的薄板) )薄板、薄板、薄壁钢薄壁钢管等管等(6m(6mm)m)非非对对称称型型(A(A型型) )上下表上下表面；椭面；椭圆运动，圆运动，中心：中心：横向振横向振动动第三节第三节 超声波的传播速度超声波的传播速度一、固体介质中的纵波、横波与外表波声速1、固体介质不仅能传播纵波，而且可以传播横波和外表波等，但它们的声速是不一样的。此外介质尺寸的大小对声速也有一定的影响，无限大介质与细长棒中的声速也不一样。2、无限大固体介质中的声速1在无限大的固体介质中无限大固体介质是相对于波长而言的，当介质的尺寸远大于波长时，就可以视为无限大介质。纵波声速为：横波声速为：外表波声速为：由以上三式可知：由以上三式可知：1 1固体介固体介质质中的声速与介中的声速与介质质的密度和的密度和弹弹性性横量等有关，不同的介横量等有关，不同的介质质，声速不同；介，声速不同；介质质的的弹弹性模量愈大，密度愈小，那么声速愈大。性模量愈大，密度愈小，那么声速愈大。2 2声速声速还还与波的与波的类类型有关，在同一固体介型有关，在同一固体介质质中、中、纵纵波、横波和外表波的声速各不一波、横波和外表波的声速各不一样样，并，并且相互之且相互之间间有以下关系：有以下关系：CLCLCSCSCRCR这阐这阐明，在同一种固体明，在同一种固体资资料中，料中，纵纵波声速大波声速大于横波声速，横波声速又大于外表波声速。于横波声速，横波声速又大于外表波声速。3 3对对于于钢钢材，材，0.280.28，CL1.8CsCL1.8Cs，CR0.9CsCR0.9Cs，即，即CL:Cs:CR1.8:1:0.9CL:Cs:CR1.8:1:0.9。2、细长棒中的纵波声速CLb在细长棒中(棒径d)轴向传播的纵波声速与无限大介质中纵波声速不同，细长棒中的纵波声速为：。33、声速与温度、应力、均匀性的关系、声速与温度、应力、均匀性的关系11普通固体中的声速随介质温度升高而降低。普通固体中的声速随介质温度升高而降低。2 2固体介质的应力情况对声速有一定的影响，固体介质的应力情况对声速有一定的影响，普通应力添加，声速添加，但添加缓慢。普通应力添加，声速添加，但添加缓慢。3 3固体资料组织均匀性对声速的影响在铸铁固体资料组织均匀性对声速的影响在铸铁中表现较为突出。铸铁外表与中心，由于冷却速中表现较为突出。铸铁外表与中心，由于冷却速度不同而具有不同的组织，外表冷却快，晶粒细，度不同而具有不同的组织，外表冷却快，晶粒细，声速大；中心冷却慢，晶粒粗，声速小。此外，声速大；中心冷却慢，晶粒粗，声速小。此外，铸铁中石墨含量和尺寸对声速也有影响，石墨含铸铁中石墨含量和尺寸对声速也有影响，石墨含量和尺寸添加，声速减少。量和尺寸添加，声速减少。二、板波声速二、板波声速1 1、由于板波、由于板波传传播播时时遭到上下板面的影响，因此板波声速与遭到上下板面的影响，因此板波声速与纵纵波、横波、外表波不同，它不波、横波、外表波不同，它不仅仅与介与介质质性性质质有关，而有关，而且与板厚、且与板厚、频频率等有关。只需当板厚、率等有关。只需当板厚、频频率、声速之率、声速之间间满满足一定关系足一定关系时时，板波才干，板波才干顺顺利利传传播。播。2 2、板波声速分、板波声速分为为相速度和群速度。相速度和群速度。1 1相速度是指相速度是指单单一一频频率的声波在介率的声波在介质质中的中的传传播速度。播速度。2 2群速度是指多个相差不多的群速度是指多个相差不多的频频率的波在同一介率的波在同一介质质中中传传播播时时相互合成后的包相互合成后的包络线络线的的传传播速度播速度。3 3、板波声速、板波声速CpCp与与fdfd、CSCS、CLCL有关。有关。4 4、实实践探践探伤伤中，假中，假设设是是频频率率单单一的延一的延续续波，那么板波声速波，那么板波声速就是相速度；假就是相速度；假设设是脉冲波，那么板波声速就是群速度。是脉冲波，那么板波声速就是群速度。 三、液体、气体介三、液体、气体介质质中的声速中的声速1 1、液体、气体中声速公式、液体、气体中声速公式1 1由于液体和气体只能接受由于液体和气体只能接受压应压应力，不能接受剪切力，不能接受剪切应应力，因此液体和气体介力，因此液体和气体介质质中只能中只能传传播播纵纵波，不能波，不能传传播横播横波和外表波。液体和气体中的波和外表波。液体和气体中的纵纵波波速波波速为为：22由公式可知，液体、气体介由公式可知，液体、气体介质质中的中的纵纵波声速与其容波声速与其容变弹变弹性模量和密度有关，介性模量和密度有关，介质质的容的容变弹变弹性模量愈大、密性模量愈大、密度愈小，声速就愈大。度愈小，声速就愈大。2 2、液体介、液体介质质中的声速与温度的关系中的声速与温度的关系1 1几乎除水以外的一切液体，当温度升高几乎除水以外的一切液体，当温度升高时时，容，容变弹变弹性模量减小，声速降低。性模量减小，声速降低。2 2水温度在水温度在7474左右左右时时声速达最大声速达最大值值，当温度低于，当温度低于7474时时，声速随温度升高而添加；当温度高于，声速随温度升高而添加；当温度高于7474时时，声速随温度升高而降低。声速随温度升高而降低。 第四节第四节波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理一、波的迭加与干涉一、波的迭加与干涉1 1、波的迭加原理波的独立性原理：、波的迭加原理波的独立性原理：1 1定义：当几列波在同一介质中传播时，假定义：当几列波在同一介质中传播时，假设在空间某处相遇，那么相遇处质点的振动是各设在空间某处相遇，那么相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在恣意时辰该质点的位移列波引起振动的合成，在恣意时辰该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。相遇后仍坚持本人是各列波引起位移的矢量和。相遇后仍坚持本人原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进，好象在各自的途中没有遇到传播方向继续前进，好象在各自的途中没有遇到其他波一样。其他波一样。2 2景象举例：石子落水，景象举例：石子落水， 乐队合奏或几个人乐队合奏或几个人说话。说话。 2、波的干涉：1定义：两列频率一样，振动方向一样，位相一样或位相差恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动相互加强，而另一些地方的振动相互减弱或完全抵消的景象。产生干涉景象的波叫相关波，其波源称为相关波源。2如图1.20所示，点波源S1、S2在M点引起的振动为：质质点点MM的合振的合振动为动为：由上可知：由上可知：(1)(1)当当 nnn n为为整数整数) )时时，A=A1+A2A=A1+A2。这阐这阐明当两相明当两相关波的波程差等于波关波的波程差等于波长长的整数倍的整数倍时时，二者相互加，二者相互加强强，合，合振幅达最大振幅达最大值值。(2)(2)当当=(2n+1)/2(n=(2n+1)/2(n为为整数整数) )时时，A=A1-A2A=A1-A2。这阐这阐明明当两相关波的波程差等于半波当两相关波的波程差等于半波长长的奇数倍的奇数倍时时，二者相互，二者相互抵消，合振幅达最小抵消，合振幅达最小值值。假。假设设A1=A2A1=A2，那么，那么A=0A=0，即二，即二者完全抵消。者完全抵消。二、驻波1、定义：两列振幅一样的相关波在同不断线上沿相反方向传播时相互迭加而成的波，称为驻波。2、波腹、波节驻波迭加时，有的点振幅恒为0，即这些点一直静止不动，称为波节。而有些点振动得到最大幅度的增大。振幅最大，称为波腹。波线上其他各点的振幅在0和2A之间。可见，驻波波线上各点似乎在作分段振动。三、惠更斯原理和波的衍射三、惠更斯原理和波的衍射11、惠更斯原理：、惠更斯原理：动摇动摇中任何中任何质质点都可以看作是新的波源。点都可以看作是新的波源。22、波的衍射、波的衍射( (绕绕射射) )11定定义义：波在：波在传传播播过过程中遇到与波程中遇到与波长长相当的妨碍物相当的妨碍物时时，能能绕过绕过妨碍物妨碍物边缘边缘改改动动方向方向继续继续前前进进的景象。的景象。2 2特点：波的衍射使波的特点：波的衍射使波的传传播方向改播方向改动动，从而使缺陷，从而使缺陷背后的声影减少，反射波降低；波的背后的声影减少，反射波降低；波的绕绕射和妨碍物尺寸射和妨碍物尺寸及波及波长长 的相的相对对大小有关，当大小有关，当时时反射反射强强，绕绕射弱，声射弱，声波几乎全反射。波几乎全反射。3 3对对探探伤伤的利和弊：的利和弊：有利：使超声波有利：使超声波产产生晶粒生晶粒绕绕射射顺顺利地在介利地在介质质中中传传播。播。不利：使一些小缺陷回波不利：使一些小缺陷回波显显著下降，以致呵斥漏著下降，以致呵斥漏检检。 第五节第五节超声场的特征值超声场的特征值一、声一、声压压P P1 1、定、定义义：超声：超声场场中某一点在某一中某一点在某一时时辰所具有的辰所具有的压强压强与没有与没有超声波存在超声波存在时时的静的静态压强态压强之差，称之差，称为该为该点的声点的声压压，用表，用表示。示。2 2、单单位：帕斯卡位：帕斯卡(Pa)(Pa)，微帕斯卡，微帕斯卡(Pa)(Pa)1Pa=1N/m21Pa=106Pa1Pa=1N/m21Pa=106Pa3 3、表达式：、表达式：4 4、特点：声、特点：声压压的幅的幅值值与介与介质质密度、波速和密度、波速和频频率成正比。率成正比。55、超声波探、超声波探伤仪伤仪示波屏上的波高与声示波屏上的波高与声压压成正比。成正比。二、声阻抗二、声阻抗Z Z1 1、定、定义义：超声：超声场场中任一点的声中任一点的声压压与与该处质该处质点振点振动动速度之比称速度之比称为为声阻抗，常用声阻抗，常用Z Z表示。表示。Z=p/u=cu/u=cZ=p/u=cu/u=c2 2、单单位：克位：克/ /厘米厘米22秒秒(g/cm2s)(g/cm2s)或或 千克千克/ /米米2(kg/m2s)2(kg/m2s)。33、特点：声阻抗是表征介、特点：声阻抗是表征介质质声学性声学性质质的重要物理的重要物理量。超声波在两种介量。超声波在两种介质组质组成的界面上的反射和透成的界面上的反射和透射情况与两种介射情况与两种介质质的声阻抗的声阻抗亲亲密相关。密相关。4 4、相关量：、相关量：资资料的声阻抗与温度有关，普通料的声阻抗与温度有关，普通资资料料的声阻抗随温度升高而降低。的声阻抗随温度升高而降低。这这是由于声阻抗是由于声阻抗Z=CZ=C，而大多数，而大多数资资料的密度料的密度 和声速和声速C C随温度添随温度添加而减少。加而减少。三、声三、声强强I I1 1、定、定义义：单单位位时间时间内垂直内垂直经过单经过单位面位面积积的声能称的声能称为为声声强强，常用，常用I I表示。表示。2 2、单单位：瓦位：瓦/ /厘米厘米2(W/cm2)2(W/cm2)或或 焦耳焦耳/ /厘米厘米22秒秒(J/cm2s)(J/cm2s)。3 3、当超声波、当超声波传传播到介播到介质质中某中某处时处时，该处该处原来静止原来静止不不动动的的质质点开点开场场振振动动。因此具有。因此具有动动能。同能。同时该处时该处介介质产质产生生弹弹性性变变形，因此也具有形，因此也具有弹弹性位能，其性位能，其总总能量能量为为二者之和。二者之和。 44、经推导可知平均声强为：、经推导可知平均声强为：由以上公式可知：由以上公式可知： 1)1)超超声声波波传传播播过过程程中中，单单位位体体积积元元所所具具有有的的总总能量周期性地变化，时而达最大，时而为零。能量周期性地变化，时而达最大，时而为零。 2)2)由由于于超超声声波波的的声声强强与与频频率率平平方方成成正正比比，而而超超声声波波的的频频率率远远大大于于可可闻闻声声波波。因因此此超超声声波波的的声声强强也远大于可闻声波的声强。也远大于可闻声波的声强。 (3)(3)在在同同一一介介质质中中，超超声声波波的的声声强强与与声声压压的的平平方成正比。方成正比。第六节第六节分贝与奈培分贝与奈培一、分贝与奈培的概念一、分贝与奈培的概念1 1、产生的背景：消费科学实验中，声强数量级往往相差悬、产生的背景：消费科学实验中，声强数量级往往相差悬殊，如引起听觉的声强范围为殊，如引起听觉的声强范围为10-16_10-1410-16_10-14瓦瓦/ /厘米厘米22，最大值与最小值相差最大值与最小值相差1212个数量级。显然采用绝对量来度个数量级。显然采用绝对量来度量是不方便的量是不方便的, ,但假设对其比值但假设对其比值( (相对量相对量) )取对数来比较计取对数来比较计算那么可大大简化运算。分贝与奈培就是两个同量纲的算那么可大大简化运算。分贝与奈培就是两个同量纲的量之比取对数后的单位。量之比取对数后的单位。2 2、通常规定引起听觉的最弱声强、通常规定引起听觉的最弱声强I1=10-16I1=10-16瓦瓦/ /厘米厘米2 2为作为为作为声强的规范，另一声强声强的规范，另一声强I2I2与规范声强与规范声强I1I1之比的常用对数之比的常用对数称为声强级，单位为贝尔称为声强级，单位为贝尔(BeL)(BeL)。(BeL)(BeL)3 3、实践运用贝尔太大，故常取、实践运用贝尔太大，故常取1/101/10贝尔即分贝贝尔即分贝(dB)(dB)来作单位。来作单位。(dB)(dB)44、通常说某处的噪声为多少分贝，就是以、通常说某处的噪声为多少分贝，就是以10-1610-16瓦瓦/ /厘米厘米2 2为规范利用上式计算得到的。为规范利用上式计算得到的。 各种声音的分贝数大致如下：各种声音的分贝数大致如下：引起听觉的声强引起听觉的声强 10-1610-16瓦瓦/ /厘米厘米2200dBdB树叶沙沙声树叶沙沙声 10-1510-15瓦瓦/ /厘米厘米2210dB10dB耳语耳语 10-1410-14瓦瓦/ /厘米厘米2 22020dBdB说话说话 10-1110-11瓦瓦/ /厘米厘米2250dB50dB大炮声大炮声 10-610-6瓦瓦/ /厘米厘米2100dB2100dB超声波超声波 10+410+4瓦瓦/ /厘米厘米2200dB2200dB、在超声波探、在超声波探伤伤中，当超声波探中，当超声波探伤仪伤仪的垂直的垂直线线性性较较好好时时，仪仪器示波屏上的波高与声器示波屏上的波高与声压压成正比。成正比。这这时时有有(dB)(dB)注：注：这这里声里声压压基准基准P1P1或波高基准或波高基准H1H1可以恣意可以恣意选选取。取。11当当时时，0dB0dB，阐阐明两波高相等明两波高相等时时，二，二者的分者的分贝贝差差为为零零22当当时时，6dB6dB，阐阐明明H2H2为为H1H1的的2 2倍倍时时，H2H2比比H1H1，高，高6dB6dB。33当当时时，-6dB-6dB，阐阐明明H2H2为为H1H1的的l/2l/2时时，H2H2比比H1H1低低6dB6dB。4 4常用声压波高比对应的常用声压波高比对应的dBdB值列于下表。值列于下表。 P2/P1P2/P1或或H2/H1H2/H110104 42 21 11/21/21/41/41/101/10dBdB202012126 60 0-6-6-12-12-20-206、对或取自然对数，那么其单位为奈NPNP7、单位转换：1NP=8.68dB1dB=0.115NP二、分贝与奈培的运用用分贝值表示回波幅度的相互关系，不仅可以简化运算，而且在确定基准波高以后，可直接用仪器衰减器的读数表示缺陷渡榴对波高。因此，分贝概念的援用对超声探伤有很重要的适用价值。例1，示波屏上一波高为80mm，另一波高为20mm，问前者比后者高多少dB？解：=20lgH2/H1=20lg80/20=12(dB)答：前者比后者高12dB。例2，示波上有A、B、C三个波，其中A波比B波高3dB，知B波高为50mm，求A、C各为多少mm?解：由知得=20lgA/B=3A=100.15B=70.6(mm)又=20lgC/B=-3C=10-0.15B=35.4(mm)答：A、C分别为70.6mm和35.4mm。第七节第七节 超声波垂直入射到界面时的反射和透射超声波垂直入射到界面时的反射和透射 一、单一平界面的反射率与透射率一、单一平界面的反射率与透射率1 1、当超声波垂直入射到光滑平界面时，将在第一介质中产、当超声波垂直入射到光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二介质中产生生一个与入射波方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射波方向一样的透射波，如教材图一个与入射波方向一样的透射波，如教材图1.261.26所示。所示。2 2、反射波与透射波声压、反射波与透射波声压( (声强声强) )是按一定规律分配的。由声是按一定规律分配的。由声压反射率压反射率( (声强反射率声强反射率) )和透射率和透射率( (声强透射率声强透射率) )来表示。来表示。3 3、设入射波的声压为、设入射波的声压为P0(P0(声强为声强为I0),I0),反射波的电压为反射波的电压为Pr(Pr(声声强为强为Ir,Ir,透射波的声压为透射波的声压为Pt(Pt(声强为声强为It).It).11界面上反射波声压界面上反射波声压PrPr与入射波声压与入射波声压P0P0之比称为界面之比称为界面的声压反射率，用的声压反射率，用r r表示，即表示，即r=Pr/P0r=Pr/P0。22界面上透射波声压界面上透射波声压PtPt与入射波声压与入射波声压P0P0之比称为界面之比称为界面的声压透射率，用的声压透射率，用t t表示，即表示，即t=Pt/P0t=Pt/P0。4 4、在界面两侧的声波，必需符合以下两个条件：、在界面两侧的声波，必需符合以下两个条件：1)1)界面两侧的总声压相等，即界面两侧的总声压相等，即P0+Pr=PtP0+Pr=Pt。2)2)界面两侧质点振动速度幅值相等，即界面两侧质点振动速度幅值相等，即5 5、由上述两边境条件和声压反射率，透射率定义得：、由上述两边境条件和声压反射率，透射率定义得： 解上述联立方程得声压反射率解上述联立方程得声压反射率r r和透射率和透射率t t分别为分别为66、界面上反射波声强与入射波声强之比称为声强反射率，、界面上反射波声强与入射波声强之比称为声强反射率，用用R R表示。表示。7 7、界面上透射波声强、界面上透射波声强It It与入射波声强与入射波声强IoIo之比称为强透射率，之比称为强透射率，用用T T表示。表示。88、以上各式阐明超声波垂直入射到平界面上时，声压或、以上各式阐明超声波垂直入射到平界面上时，声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。由以上几式可以导出：由以上几式可以导出： 二、几种常见界面上的声压、声强反射和透射情况讨论。二、几种常见界面上的声压、声强反射和透射情况讨论。1 1、当、当Z2Z1Z2Z1时，反射波声压与入射波声压同相位。界面上时，反射波声压与入射波声压同相位。界面上反射波与入射波叠加类似驻波，合成声压振幅增大为例反射波与入射波叠加类似驻波，合成声压振幅增大为例如超声波平面波垂直入射到水如超声波平面波垂直入射到水/ /钢界面，如图钢界面，如图1.271.27所示。所示。那么：那么：以上计算阐明，超声波垂直入射到水以上计算阐明，超声波垂直入射到水/ /钢界面时，其声压钢界面时，其声压反射率，反射率，r=0.935r=0.935，声压透射率，声压透射率t=1.935t=1.935。从声强方面看。从声强方面看这里这里R+T=0.875+0.125=1R+T=0.875+0.125=1，阐明符合能量守恒。，阐明符合能量守恒。 ，2 2、当、当Z1Z2Z1Z2时，时， 即反射波声压与入射波声压相位相反，即反射波声压与入射波声压相位相反，反射波与入射波合成声压振幅减小。例如超声波平面波反射波与入射波合成声压振幅减小。例如超声波平面波垂直入射到钢垂直入射到钢/ /水界面。如图水界面。如图1.281.28所示。所示。那么那么以上阐明，超声波垂直入射到钢以上阐明，超声波垂直入射到钢/ /水界面时，声压透射率水界面时，声压透射率很低，声压反射率很高。声强反射率与透射率与超声波很低，声压反射率很高。声强反射率与透射率与超声波直射到水直射到水/ /钢界面一样。由此可见钢界面一样。由此可见- -超声波垂直入射到某超声波垂直入射到某界面时的声强反射率与透射率与从何种介质入射无关。界面时的声强反射率与透射率与从何种介质入射无关。 3 3、当、当Z1Z2Z1Z2时时，( (如如钢钢/ /空气界面空气界面) )， 那么那么计计算算阐阐明，当入射波介明，当入射波介质质声阻抗声阻抗远远大于透射波介大于透射波介质质声阻声阻抗抗时时，声，声压压反射率反射率趋趋于于-1-1，透射率，透射率趋趋于于0 0，即声，即声压压几乎全几乎全反射，无透射，只是反射波声反射，无透射，只是反射波声压压与入射波声与入射波声压压有有180180相相位位变变化。化。探探伤伤中，探中，探头头和工件和工件间间如不施加耦合如不施加耦合剂剂，那么构成固，那么构成固( (晶晶片片)/ )/气界面，超声波将无法气界面，超声波将无法进进入工件。入工件。4 4、当、当Z1Z2Z1Z2时时，即界面两，即界面两侧侧介介质质的声阻抗近似相等的声阻抗近似相等时时。如。如钢钢的淬火部分与非淬火部分及普通碳的淬火部分与非淬火部分及普通碳钢焊缝钢焊缝的母材与填的母材与填充金属之充金属之间间的声阻抗相差很小，普通的声阻抗相差很小，普通为为1%1%左右。左右。设设Z1=1Z1=1，Z2=0.99Z2=0.99，那么：，那么：这阐这阐明超声波垂直入射到两种声阻抗相差很小的介明超声波垂直入射到两种声阻抗相差很小的介质组质组成的界面成的界面时时, ,几乎全透射，无反射。因此在几乎全透射，无反射。因此在焊缝焊缝探探伤伤中，中，假假设设母材与填充金属母材与填充金属结结合面没有任何缺陷，是不会合面没有任何缺陷，是不会产产生生界面回波的。界面回波的。55、以上、以上讨论讨论的超声波垂直到的超声波垂直到单单一平界面上的声一平界面上的声压压、声、声强强反射率和透射率公式同反射率和透射率公式同样样适用于横波入射的情况，但必适用于横波入射的情况，但必需留意的是在固体需留意的是在固体/ /液体或固体液体或固体/ /气体界面界上，横波全反气体界面界上，横波全反射。由于横波不能在液体和气体中射。由于横波不能在液体和气体中传传播。播。二、薄层介面的反射与透射情况二、薄层介面的反射与透射情况1 1、超声波经过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与、超声波经过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与单一的平界面不同。异质薄层很薄，进入薄层内的超声单一的平界面不同。异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射，构成一系列波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射，构成一系列的反射波和透射波，如图的反射波和透射波，如图1.29(a)1.29(a)所示。所示。1 1当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时，薄层两侧的各次当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时，薄层两侧的各次反射波、透射波互不干涉。反射波、透射波互不干涉。2 2当脉冲宽度相对于薄层较宽时，薄层两侧的各次反射波、当脉冲宽度相对于薄层较宽时，薄层两侧的各次反射波、透射波相互叠加产生干涉。透射波相互叠加产生干涉。 2 2、超声波、超声波经过经过异异质质薄薄层时层时的声的声压压反射率和透射率不反射率和透射率不仅仅与介与介质质声阻抗和薄声阻抗和薄层层声阻抗有关，而且与薄声阻抗有关，而且与薄层层厚度同其波厚度同其波长长之比有关。之比有关。33、均匀介、均匀介质质中的异中的异质质薄薄层层(Z1(Z1Z3Z2)Z3Z2)11对对于于Z1=Z3Z2Z1=Z3Z2，即均匀介，即均匀介质质中的异中的异质质薄薄层层，其声，其声压压反射率与透射率反射率与透射率为为： 2 2由以上公式可知：由以上公式可知：1 1当当(n(n为为整数整数) )时时，r0r0，t1t1。这阐这阐明当薄明当薄层层两两侧侧介介质质声阻抗相等，薄声阻抗相等，薄层层厚度厚度为为其半波其半波长长的整数倍的整数倍时时，超声波全透射，几乎无反射，超声波全透射，几乎无反射(r0)(r0)，好象，好象不存在异不存在异质质薄薄层层一一样样。这这种透声种透声层层常称常称为为半波透声半波透声层层。2 2当当(n(n为为整数整数) )时时，即异，即异质质薄薄层层厚度厚度等于其四分之一波等于其四分之一波长长的奇数倍的奇数倍时时，声，声压压透射率最低，声透射率最低，声压压反射率最高。反射率最高。4 4、薄层两侧介质不同的双界面、薄层两侧介质不同的双界面11对于对于，即非均匀介质中的薄层，例如晶片，即非均匀介质中的薄层，例如晶片- - -维护膜维护膜- -工件，其声强透射率为：工件，其声强透射率为： 22由上式可知：由上式可知：1 1超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时，超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时，假设薄层厚度等于半波长的整数倍，那么经过薄层的声假设薄层厚度等于半波长的整数倍，那么经过薄层的声强透射率与薄层的性质无关，好象不存在薄层一样。强透射率与薄层的性质无关，好象不存在薄层一样。 2 2阐明超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，阐明超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，假设薄层厚度等于假设薄层厚度等于的奇数倍，薄层声阻抗为其两侧的奇数倍，薄层声阻抗为其两侧介质声阻抗几何平均值时，即介质声阻抗几何平均值时，即，其声强透，其声强透射率等于射率等于1 1，超声波全透射。这对于直探头维护膜的设，超声波全透射。这对于直探头维护膜的设计具有重要的指点意义。计具有重要的指点意义。 二、声压往复透射率二、声压往复透射率1 1、在超声波单探头探伤中，探头兼作发射和接纳超声波。、在超声波单探头探伤中，探头兼作发射和接纳超声波。2 2、探头投的超声波透过界面进入工件，在固、探头投的超声波透过界面进入工件，在固/ /气底面产生气底面产生全反射后再次经过同一界面被探头接纳，如图全反射后再次经过同一界面被探头接纳，如图1.321.32所示。所示。这时探头接纳到的回波声压这时探头接纳到的回波声压PaPa与入射波声压与入射波声压P0P0之比，称之比，称为声压往复透射率为声压往复透射率T T往往 。3 3、分析公式可知超声波垂直入射时，在底面全反射的条件、分析公式可知超声波垂直入射时，在底面全反射的条件下声压往复透射率与声强透射率在数值上相等。下声压往复透射率与声强透射率在数值上相等。例如用例如用PZT-5PZT-5晶片晶片()()对钢制工对钢制工件件()()探伤时，假设耦合剂中声探伤时，假设耦合剂中声压全透射，钢制工件底面声压全反射，那么其声压往复压全透射，钢制工件底面声压全反射，那么其声压往复透射率为：透射率为：4 4、由公式可知声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有、由公式可知声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关，与从何种介质入射到界面无关。界面两侧分质的声关，与从何种介质入射到界面无关。界面两侧分质的声阻抗相差愈小，声压往复透射率就愈高，反之就愈低。阻抗相差愈小，声压往复透射率就愈高，反之就愈低。5 5、往复透射率高低直接影响探伤灵敏度高低，往复透射率、往复透射率高低直接影响探伤灵敏度高低，往复透射率高，探伤灵敏度高。反之，探伤灵敏度低。高，探伤灵敏度高。反之，探伤灵敏度低。第八节第八节第八节第八节 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射超声波倾斜入射到界面时的反射和折射超声波倾斜入射到界面时的反射和折射超声波倾斜入射到界面时的反射和折射 一、波型一、波型转换转换与反射、折射定律与反射、折射定律1 1、波型、波型转换转换：当超声波：当超声波倾倾斜入射到界面斜入射到界面时时，除，除产产生同种生同种类类型的反射和折射波外，型的反射和折射波外，还还会会产产生不同生不同类类型的反射和折射型的反射和折射波。波。 2 2、纵纵波斜入射波斜入射当当纵纵波波L L倾倾斜入射到固斜入射到固/ /固界面固界面时时，除，除产产生反射生反射纵纵波波L L和和折射折射纵纵波波LL外，外，还还会会产产生反射横波生反射横波SS和折射横波和折射横波SS如下如下图图。各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律：。各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律：由于同一介由于同一介质质中中纵纵波波速不波波速不变变，因此，因此L=LL=L。又由于在。又由于在同一介同一介质质中中纵纵波波速大于横波波速，因此波波速大于横波波速，因此LsLs，LLSS。 1 1第一第一临临界角界角:由上式可以看出，由上式可以看出，当当时时，随着，随着LL添加，添加，LL也添加，当也添加，当LL添加到一定程度添加到一定程度时时，L=90L=90，这时这时所所对应对应的的纵纵波入波入射角称射角称为为第一第一临临界角，用界角，用表示。表示。2 2第二第二临临界角界角：由上式可以看出：由上式可以看出 ，当当时时，随着，随着LL添加，添加，ss也添加，也添加，当当LL添加到一定程度添加到一定程度时时，s=90s=90，这时这时所所对应对应的的纵纵波波入射角称入射角称为为第二第二临临界角，用界角，用表示。表示。3 3由由 和和 的定的定义义可知：可知： 1 1当当LL11时时，第二介，第二介质质中即有折射中即有折射纵纵波波LL又有又有折射横波折射横波SS。 2 2当当L=L=-时时，第二介，第二介质质中只需折射横波中只需折射横波SS没有折射没有折射纵纵波波LL这这就是常用横波探就是常用横波探头头的制造原理。的制造原理。3 3当当LL时时，第二介，第二介质质中既无折射中既无折射纵纵波波L L，又无折射横波又无折射横波SS。这时这时在其介在其介质质的外表存在外表波的外表存在外表波R R，这这就是常用外表波探就是常用外表波探头头的制造原理。的制造原理。4例，纵波倾斜入射到有机玻璃/钢界面时。有机玻璃中:CL=2730m/s,钢中：CL=5900m/s，CS=323Om/s。那么第一、二临界角分别为：由此可见有机玻璃横波探头，有机玻璃外表波探头3、横波入射1当横波倾斜入射到围/固界面时，同样会产生波型转换，如下图。各反射、折射波的方向符合反射、折射定律：2 2横波横波倾倾斜入射斜入射时时，同，同样样存在第一、二存在第一、二临临界角，由于界角，由于在在实实践探践探伤伤中无多大中无多大实实践意践意义义，故，故这这里不再里不再讨论讨论，这这里里只只讨论讨论第三第三临临界角界角 。由上式得，由上式得， 随添加，也添加，当添加到一定程度随添加，也添加，当添加到一定程度时时，=90=90，这时这时所所对应对应的横波入射角称的横波入射角称为为第三第三临临界角，用界角，用 表示。表示。 当当SS 时时，第一介，第一介质质中只需反射横波，没有反射中只需反射横波，没有反射纵纵波，即横波全反射。波，即横波全反射。33对对于于钢钢：CLCL=5900m/S=5900m/S，CSCS=3230m/s=3230m/s当当S33S3322时时，钢钢中横波全反射中横波全反射 11、纵纵波波倾倾斜入射到斜入射到钢钢/ /空气界面的反射空气界面的反射如教材如教材3131页图页图1.351.35所示，当所示，当纵纵波波倾倾斜入射到斜入射到钢钢/ /空气界空气界面面时时，纵纵波声波声压压反射率反射率rLLrLL与横波声与横波声压压反射率反射率rLSrLS随入射随入射角而角而变变化。当化。当L=60L=60左右左右时时，rLLrLL很低，很低，rLSrLS较较高。高。缘缘由是由是纵纵波波倾倾斜入射，当斜入射，当L=60L=60左右左右时产时产生一个生一个较强较强的的变变型反射横波。型反射横波。22、横波、横波倾倾斜入射到斜入射到钢钢/ /空气界面的反射空气界面的反射如教材如教材3131页图页图1.361.36所示，横波所示，横波倾倾斜入射到斜入射到钢钢/ /空气界面空气界面横波声横波声压压反射率反射率rSSrSS，与，与纵纵波声波声压压反射率反射率rSLrSL随入射角随入射角aSaS而而变变化。当化。当aS=30aS=30时时，rSSrSS很低，很低，rSLrSL较较高。当高。当aSaS33.2(a)33.2(a)时时，rSS=100%,rSS=100%,即即钢钢中横波全反射中横波全反射 三、声三、声压压往复透射率往复透射率11、超声波探、超声波探伤伤中，中，经经常采用反射法探常采用反射法探伤伤，超声波往复透，超声波往复透过过同一探同一探侧侧面，因此声面，因此声压压往复透射率更具有往复透射率更具有实实践意践意义义。2 2、如教材、如教材3131页图页图1.371.37所示，超声波所示，超声波倾倾斜入射，折射波全反斜入射，折射波全反射，探射，探头头按收到的回波声按收到的回波声压压PaPa与入射波声与入射波声压压P0P0之比称之比称为为声声压压往复透射率，常用往复透射率，常用T T表示，表示，T=Pa/P0T=Pa/P0。33、图图1.381.38为纵为纵波波倾倾斜入射至水斜入射至水/ /钢钢界面界面时时的声的声压压往复透射往复透射率与入射角的关系曲率与入射角的关系曲线线。当。当纵纵波入射角波入射角LL14.514.5() )时时，折射，折射纵纵波的往复透射率不超越波的往复透射率不超越13%13%，折射横波，折射横波的往复透射率小于的往复透射率小于6%6%。当。当L=14.5-27.27(L=14.5-27.27() )时时，钢钢中没有折射中没有折射纵纵波，只需折射横波，其折射横波的往复透波，只需折射横波，其折射横波的往复透射率最高不到射率最高不到20%20%。实实践探践探伤伤中水浸探中水浸探伤钢伤钢材就属于材就属于这这种情况。种情况。4、图1.39为纵波倾斜入射至有机玻璃/钢界面对往复透射率与入射角之间的关系曲线。当L27.6()时，折射纵波的往复透射率小于25%，折射横波的往复透射率小于10%。当L=27-57()时，钢中只需折射横波，无折射纵波。折射横波的往复透射率最高不超越30%，这时所对应的L30，S37。实践探伤中有机玻璃横波探头探伤钢材就属于这种情况。四、端角反射四、端角反射1 1、超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射。、超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射。2 2、回波声、回波声压压与入射波声与入射波声压压之比称之比称为为端角反射率用端角反射率用T T端表示。端表示。教材教材3333页图页图1.411.41为钢为钢/ /空气界面上空气界面上钢钢中的端角反射率。中的端角反射率。1 1由由图图1.4l(a)1.4l(a)可知，可知，纵纵波入射波入射时时，端角反射率都很低，端角反射率都很低，这这是由于是由于纵纵波在端角的两次反射中分波在端角的两次反射中分别别出出较强较强的横波。的横波。2 2由由图图1.41(b)1.41(b)可知，横波入射可知，横波入射时时，入射角，入射角S=30S=30或或6060附近附近时时，端角反射率最低，端角反射率最低，S=35-55S=35-55时时，端角反射，端角反射率可达率可达100%100%。实实践任践任务务中，横波探中，横波探伤焊缝单伤焊缝单面面焊焊根部未根部未焊焊透或透或袭纹袭纹的情况就的情况就类类似于似于这这种情况，当横波入射角种情况，当横波入射角SS=35-55=35-55，即，即K=tgs=0.7-1.43K=tgs=0.7-1.43时时，探，探伤伤灵敏度灵敏度较较高。当高。当s56s56，即，即K1.5K1.5时时，探，探伤伤灵敏度灵敏度较较低，能低，能够够引起漏引起漏检检。33从从图图1.381.38还还可以看出，可以看出，LLSS在在0 0或或9090附近附近时时，无无论论是是纵纵波波还还是横波端角反射率是横波端角反射率实际实际上都很高，但上都很高，但实实践上践上由于入射波、反射波在由于入射波、反射波在边边境相互关涉而抵消，因此境相互关涉而抵消，因此实实践上践上这时这时探探测测灵敏度不高。灵敏度不高。第九节第九节 超声波的聚焦与发散超声波的聚焦与发散一、声压间隔公式一、声压间隔公式对于平面波，波束不分散，而是相互平行，因对于平面波，波束不分散，而是相互平行，因此声压不随间隔而变化。球面波与柱面波的波束此声压不随间隔而变化。球面波与柱面波的波束分散，其声压与间隔有关。分散，其声压与间隔有关。 1 1、球面波声压间隔公式、球面波声压间隔公式球面波的波阵面为同心球面，声压与间隔成反球面波的波阵面为同心球面，声压与间隔成反比。比。 2 2、柱面波声压间隔公式、柱面波声压间隔公式柱面波的波阵面为同轴柱面，声压与间隔的柱面波的波阵面为同轴柱面，声压与间隔的平方根成反比。平方根成反比。 二、球面波在平界面上的反射与折射1、单一的平界面上的反射球面波入射到平界面上，其反射波仍为球面波，且波源与入射波源对称，反射波声压为2 2、双界面的反射、双界面的反射如如图图1.431.43所示，球面波在相互平行的双界面所示，球面波在相互平行的双界面间间的多次反射仍符合球面波的多次反射仍符合球面波变变化化规规律。当入射角律。当入射角较较小，声小，声压压反射率反射率r=1.0r=1.0时时，对对于脉冲波。双界于脉冲波。双界面面间间隔隔d d较较大大时时不不产产生子涉生子涉这时这时前壁各次反射前壁各次反射波声波声压压比比为为后壁各次波的声后壁各次波的声压压比比为为实实践探践探伤伤中，当中，当d d较较大大时时，超声波探，超声波探头发头发出的出的超声波可超声波可视为视为球面波，示波屏上各次底面反射波球面波，示波屏上各次底面反射波的高度之比近似符合的高度之比近似符合1 1 / / / /的的规规律。律。3、单一平界面上的折射如图1.44所示，球面波入射到平界面上时，其折射波不再是严厉的球面波了。只需当其张角1较小时，可视为近似的球面波，且有对于水/钢界面：这阐明球面渡入射到水/钢界面时，其折射波更加发散。折射波声压：三、平面波在曲界面上的反射与折射三、平面波在曲界面上的反射与折射11、平面波在曲界面上的反射、平面波在曲界面上的反射1 1当平面波入射到曲界面上时，其反射波将发生聚焦当平面波入射到曲界面上时，其反射波将发生聚焦或发散。或发散。2 2反射波的聚焦或发散与曲面的凹凸反射波的聚焦或发散与曲面的凹凸( (从入射方向看从入射方向看) )有关。凹曲面的反射波聚焦。凸曲面的反射波发散。有关。凹曲面的反射波聚焦。凸曲面的反射波发散。3平面波入射到球面时，其反射波可视为从焦点发出的球面波。在曲轴线上距曲面顶点处的反射波声压为注：“+用于发散。“一用于聚焦。下同4平面波入射到柱面时，其反射波可视为反焦轴发出的柱面波。在曲面轴线上距曲面顶点处的反射波声压为：实践探伤中球形、柱形气孔的反射就属于以上两种情况。2 2、平面波在陷界面上的折射、平面波在陷界面上的折射1 1平面波入射到曲界面上平面波入射到曲界面上时时，其折射波也将，其折射波也将发发生聚焦或生聚焦或发发散，如散，如图图教材教材3636页图页图1.461.46。这时这时折射波的聚焦或折射波的聚焦或发发散不散不仅仅与曲面的凹有关。而且与曲面的凹有关。而且与界面两与界面两侧侧介介质质的波速有关：的波速有关：1 1对对于凹透于凹透镜镜，当，当c1c2c1c2c1c2时发时发散；散；2 2对对于凸透于凸透镜镜，当，当c1c2c1c2时时聚焦，当聚焦，当c1c1c2c2发发散。散。22平面波入射至球西透平面波入射至球西透镜时镜时，其折射波可，其折射波可视为视为从焦点从焦点发发出的球面波，曲面出的球面波，曲面轴线轴线上距曲面上距曲面顶顶点点 处处的折射波声的折射波声压为压为3平面波入射到柱面透镜，其射射波可视为从焦轴发出的柱面波，轴线上处的折射波声压为4实践探伤用的水浸聚焦探头就是根据平面波入射到c1c2的凸透镜上，折射波发生聚焦的特点来设计的，这样可以提高探伤灵敏度。四、球面波在曲界面上的反射和折射四、球面波在曲界面上的反射和折射11、球面波在曲界面上的反射、球面波在曲界面上的反射1 1球面波入射到曲界面上，其反射渡将球面波入射到曲界面上，其反射渡将发发生聚焦或生聚焦或发发散，如散，如图图教材教材3737页图页图1.471.47。凹曲面。凹曲面的反射波聚焦，曲面的反射渡的反射波聚焦，曲面的反射渡发发散。散。22球面波在球面上的反射波，可球面波在球面上的反射波，可视为视为从像从像点点发发出的球面波。出的球面波。轴线轴线上距上距顶顶点点为为 处处的反射波的反射波声声压为压为实实践探践探伤伤中，至波源中，至波源间间隔隔较远较远的球形气孔缺的球形气孔缺陷就属于球面波在凹球面上的反射，由于反射波陷就属于球面波在凹球面上的反射，由于反射波进进一步一步发发散，因此其回波散，因此其回波较较低。低。这这就是超声波探就是超声波探伤伤气孔灵敏度低的气孔灵敏度低的缘缘由所在。由所在。 3 3球面波在柱面上的反射，既不是球面波在柱面上的反射，既不是单纯单纯的球面波，的球面波，也不是也不是单纯单纯的柱面波，而是近似的柱面波，而是近似为为两个不同的柱面波迭两个不同的柱面波迭加。加。轴线轴线上距上距顶顶点点为为 处处的反射波声的反射波声压为压为 球面波在柱面上的反射，在球面波在柱面上的反射，在实实践探践探伤伤中具有中具有现实现实意意义义。例如超声波径向探。例如超声波径向探伤伤大型大型圆圆柱形柱形锻锻件属于件属于这这种情况。种情况。 4 4凹柱面反射波聚集于像点，使像点凹柱面反射波聚集于像点，使像点处处的声的声压趋压趋于于很大。假很大。假设设像点像点处处存在一存在一较较小的缺陷，那么小的缺陷，那么经经底面反射底面反射至缺陷，再从缺陷反射至底面，最后由底商反射回到探至缺陷，再从缺陷反射至底面，最后由底商反射回到探头头；构成途径似；构成途径似“W“W的反射称的反射称为为WW反射。反射。 WW反射反射时时，示波屏上同，示波屏上同时时出出现现两个缺陷波，一前一两个缺陷波，一前一后，一高一低，前者位于底波后，一高一低，前者位于底波B1B1之前，高度之前，高度较较低，低，为为缺缺陷直接反射。后者位于陷直接反射。后者位于B1B1之后，高度之后，高度较较高，高，为为w w反射。反射。探探伤时应伤时应根据前者来根据前者来对对缺陷缺陷进进展定位和定量。展定位和定量。2 2、球面波在曲界面上的折射、球面波在曲界面上的折射球面波入射到曲界面上，其折射波同球面波入射到曲界面上，其折射波同样样会会发发生聚焦和生聚焦和发发散，如教材散，如教材3838页图页图l.50l.50。轴线轴线上距上距顶顶点点 处处的折射波声的折射波声压为压为11球形界面：球形界面：2 2柱形截面：柱形截面：3 3实实践探践探伤伤中，水浸探中，水浸探伤伤柱形或球形工件柱形或球形工件就属于就属于图图1.50(a)1.50(a)。由于折射波。由于折射波发发散，因此探散，因此探伤伤灵敏敏度很低，灵敏敏度很低，为为了提高探了提高探伤伤灵敏度，灵敏度，经经常采用常采用聚焦探聚焦探伤伤。第十节第十节超声波的衰减超声波的衰减一、衰减的缘由一、衰减的缘由1 1、分散衰减、分散衰减1 1超声波在传播过程中，由于波束的散，使超声波在传播过程中，由于波束的散，使超声波的能量随间隔添加而逐渐减弱的景象称为超声波的能量随间隔添加而逐渐减弱的景象称为分散衰减。分散衰减。2 2超声波的分散衰减仅取决于波面的外形，超声波的分散衰减仅取决于波面的外形，与介质的性质无关。与介质的性质无关。1 1平面波波阵面为平面，波束不分散，不平面波波阵面为平面，波束不分散，不存在分散衰减。存在分散衰减。2 2柱面波阵面为同轴圆柱面。波束向周围柱面波阵面为同轴圆柱面。波束向周围分散，存在分散衰减，声压与间隔的平方根成反分散，存在分散衰减，声压与间隔的平方根成反比。比。3 3球面波阵面为同心球面，波束向四面八球面波阵面为同心球面，波束向四面八方分散，存在分散衰减，声压与间隔成反比。方分散，存在分散衰减，声压与间隔成反比。2 2、散射衰减、散射衰减1 1超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起衰减的景象，称为散同的界面产生散乱反射引起衰减的景象，称为散射衰减。射衰减。2 2散射衰减与材质的晶粒亲密相关，当材散射衰减与材质的晶粒亲密相关，当材质晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波质晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的途径传播到探头，在示波屏上引起林沿着复杂的途径传播到探头，在示波屏上引起林状回波状回波( (又叫草波又叫草波) )，使信噪比下降，严重时噪声，使信噪比下降，严重时噪声会湮没缺陷波。会湮没缺陷波。33、吸收衰减、吸收衰减超声波在分质中传播时，由于介质中质点超声波在分质中传播时，由于介质中质点间内摩擦间内摩擦( (即粘滞性即粘滞性) )和热传导引起超声波的衰减，和热传导引起超声波的衰减，称为吸收衰减或粘滞衰减。称为吸收衰减或粘滞衰减。4、除了以上三种衰减外，还有位错引起的衰减，磁畴壁引起的衰减和剩余应力引起的衰减等。5、通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减，不包括分散衰减。二、衰减方程与衰减系数1、衰减方程平面波不存在分散衰减，只存在介质衰减，其声压衰减方程为球面波与柱面波既存在分散衰减，又存在介质衰减，它们的声压衰减方程分别为球面波：柱面波：2、衰减系数1衰减系数只思索了介质的散射和吸收衰减，未涉及分散衰减。对于金属资料等固体介质而言，介质衰减系数等于散射衰减系数和吸收衰减系数之和。2由以上公式可知：1介质的吸收衰减与频率成正比。2介质的散射衰减与f、d、F有关，当dNxN的的区区域域称称为为远远场场区区，又又叫叫富富琅琅和和费费区区。远远场场区区轴轴线线上上的的声声压压随随间间隔隔添添加加单单调调减减少少。当当x3Nx3N时时，声声压压与与间间隔隔成成反反比比，近近似似球球面面波波的的规规律律，。这这是是由由于于间间隔隔 足足够够大大时时，波波源源各各点点至至轴轴线线上上某某一一点点的的波波程程差差很很小小，引引起起的的相相位位差差也也很很小小，这这样样干干涉涉景景象象可可略略去去不不计计。所所以以远远场场区区轴轴线线上上不不会会出出现现声声压压极极大大极小极小值值。2 2、波束指向性和半分散角、波束指向性和半分散角1 1波源前充分波源前充分远处远处恣意一点的声恣意一点的声压压P(rP(r，)与波源与波源轴轴线线上同上同间间隔隔处处声声压压P(rP(r，)之比称之比称为为指向性系数，用表指向性系数，用表示。，与示。，与y y的关系如下的关系如下图图22由由图图可知以下可知以下结论结论：1 1。这阐这阐明超声明超声场场中至波源充分中至波源充分远处远处同一横截面上各点的声同一横截面上各点的声压压是不同的，以是不同的，以轴线轴线上的声上的声压为压为最高。最高。实实践探践探伤伤中，只需当波束中，只需当波束轴线轴线垂直于缺陷垂直于缺陷时时，缺陷回波最高就是，缺陷回波最高就是这这个个缘缘由。由。2 2当当y=kRssin=3.73,7.02,10.17,y=kRssin=3.73,7.02,10.17,时时，Dc=P(rDc=P(r，)/P(r)/P(r，)=0)=0，即，即P(rP(r，)=O)=O。这阐这阐明明圆盘圆盘源源辐辐射的射的纵纵波声波声场场中存在一些声中存在一些声压为压为零的零的圆锥圆锥面。由得：面。由得：式中称式中称为圆盘为圆盘源源辐辐射的射的纵纵波声波声场场的第一零的第一零值发值发散角，又称半分散散角，又称半分散角。此外角。此外对应对应于于y=7.02y=7.02，10.1710.17，的的发发散角称散角称为为第二、三、第二、三、零零值发值发散角。散角。 3当y3.83，即0时，|Ds|bxb的区域称的区域称为为分散区，分分散区，分散区内波束分散衰减。散区内波束分散衰减。3 3例：假例：假设设用用f=2.5MHzf=2.5MHz，Ds=20mmDs=20mm的探的探头头探探测测波速波速CL=5900m/sCL=5900m/s的的钢钢工件，那么工件，那么N N、00和和b b分分别为别为二、矩形波源二、矩形波源辐辐射的射的纵纵波声波声场场1 1、矩形波源作活塞振、矩形波源作活塞振动时动时，在液体介，在液体介质质中中辐辐射的射的纵纵波声波声场场同同样样存在近存在近场场区和未分散角。近区和未分散角。近场场区内声区内声压压分布复分布复杂杂，实际计实际计算困算困难难。远场远场区声源区声源轴线轴线上恣意一点上恣意一点QQ处处的声的声压压用液体介用液体介质质中的声中的声场实际场实际可以可以导导出，其出，其计计算公式算公式为为式中式中矩形波源面矩形波源面积积，Fs=4abFs=4ab。2 2、对对上式特殊情况上式特殊情况进进展展讨论讨论可知可知1 1当当=r=0=r=0时时，远场轴线远场轴线上某点的声上某点的声压为压为2 2当当=0=0时时，YOZYOZ平面内平面内远场远场某点的声某点的声压为压为这时这时在在Y0ZY0Z平面内的指向性系数平面内的指向性系数DcDc为为的关系曲的关系曲线线如下如下图图。3 3由由图图可知，当可知，当y=kbsin=y=kbsin=时时，Dc=0Dc=0。这时对应这时对应的的YOZYOZ平面内半分散角平面内半分散角00为为同理可同理可导导出出XOZXOZ平面内的半分散角平面内的半分散角00为为4 4由以上由以上论论述可知，矩形波源述可知，矩形波源辐辐射的射的纵纵波声波声场场与与圆盘圆盘源不源不同，矩形波源有两个不同的半分散角，其声同，矩形波源有两个不同的半分散角，其声场为场为矩形。矩形。矩形波源的近矩形波源的近场场区区长长度度为为二、近二、近场场区在两种介区在两种介质质中的分布中的分布1 1、公式只适用均匀介、公式只适用均匀介质质。实实践探践探伤伤中，有中，有时时近近场场区分布在区分布在两种不同的介两种不同的介质质中，如下中，如下图图的水浸探的水浸探伤伤，超声波是先，超声波是先进进入水，然后再入水，然后再进进入入钢钢中。当水中。当水层层厚度厚度较较小小时时, ,近近场场区就会区就会分布在水、分布在水、钢钢两种介两种介质质中，中，设设水水层层厚度厚度为为L L，那么，那么钢钢中中剩余近剩余近场场区区长长度度N N为为2 2、例：用、例：用2.5MHz2.5MHz、14mm14mm纵纵波直探波直探头头水浸探水浸探伤钢伤钢板，知板，知水水层层厚度厚度为为20mm20mm，钢钢中中CL=5900m/sCL=5900m/s，水中，水中CL=1480m/sCL=1480m/s。求。求钢钢中近中近场场区区长长度度N N。解：解：钢钢中中纵纵波波波波长长 钢钢中近中近场场区区长长度度N N：三、实践声场与理想声场比较三、实践声场与理想声场比较1 1、理想声场：液体介质，波源作活塞振动，辐射延续波等、理想声场：液体介质，波源作活塞振动，辐射延续波等理想条件下的声场。理想条件下的声场。2 2、实践声场：固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波声、实践声场：固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波声场。场。3 3、实践声场与理想声场在远场区轴线上声压分布根本一致。、实践声场与理想声场在远场区轴线上声压分布根本一致。4 4、近场区内，实践声场与理想声场存在明显区别。理想声、近场区内，实践声场与理想声场存在明显区别。理想声场轴线上声压存在一系列极大极小值，且极大值为场轴线上声压存在一系列极大极小值，且极大值为2P02P0，极小值为零。实践声场轴线上声压虽然也存在极大极，极小值为零。实践声场轴线上声压虽然也存在极大极小值，但动摇幅度小，极大值远小于小值，但动摇幅度小，极大值远小于2P02P0，极小值也远，极小值也远大于零，同时极值点的数量明显减少。大于零，同时极值点的数量明显减少。义务二义务二 横波发射声场横波发射声场一、假想横波波源一、假想横波波源将第一介将第一介质质中的中的纵纵波波源波波源转换为轴线转换为轴线与第二介与第二介质质中横中横波波束波波束轴线轴线重合的假想横波波源，重合的假想横波波源，这时这时整个声整个声场场可可视为视为由由假想横波波源假想横波波源辐辐射出来的延射出来的延续续的横波声的横波声场场。当当实实践波源践波源为圆为圆形形时时，其假想横波波源，其假想横波波源为椭圆为椭圆形，形，椭椭圆圆的的长轴长轴等于等于实实践波源的直径践波源的直径DsDs，短，短轴轴DsDs为为二、横波声二、横波声场场的构造的构造1 1、波束、波束轴线轴线上的声上的声压压3N3N：由以上公式可知，横波声由以上公式可知，横波声场场中，当中，当z3Nz3N时时，波束，波束轴线轴线上的声上的声压压与波源面与波源面积积成正比，与至假想波源的成正比，与至假想波源的间间隔成反隔成反比，比，类类似似纵纵波声波声场场。2 2、近、近场场区区长长度：度：第二介第二介质质中的近中的近场场区区长长度度NN我国横波探我国横波探头头常采用常采用K K值值(K=tgs)(K=tgs)来表示横曲折射角的来表示横曲折射角的大小，常用大小，常用K K值为值为1.O1.O、1.51.5、2.02.0和和2.52.5等。等。为为了便于了便于计计算算近近场场区区长长度，特将度，特将K K与与cos/coscos/cos、tg/tgtg/tg的关系列于表的关系列于表2.12.1。例例1 1：计计算算2.5MHz2.5MHz、1416mm1416mm方晶片方晶片K1.0K1.0和和K2.0K2.0横波横波探探头头的近的近场场区区长长度度N N。( (钢钢中中Cs=3230m/s)Cs=3230m/s)解：解： N1(K1)=N1(K1)=N2(K2)=N2(K2)=由上由上计计算算阐阐明，横波探明，横波探头头晶片尺寸一定，晶片尺寸一定，K K值值增大，近增大，近场场区区长长度将减小。度将减小。 例例2 2：试计试计算算2.5MHz2.5MHz、1012mm1012mm方晶片方晶片K2.0K2.0横波横波探探头头，有机玻璃中入射点至晶片的，有机玻璃中入射点至晶片的间间隔隔为为12mm12mm，求此探，求此探头头在在钢钢中的近中的近场场区区长长度度NN。( (钢钢中中CS=3230mCS=3230ms)s)解：解：3 3、半分散角、半分散角从假想横波声源辐射的横波声束同纵波声场一样，具从假想横波声源辐射的横波声束同纵波声场一样，具有良好的指向性可以在被检资料中定向辐射，只是声有良好的指向性可以在被检资料中定向辐射，只是声束的对称性与纵波声场有所不同，如图束的对称性与纵波声场有所不同，如图2.142.14所示。所示。在声束在声束轴线轴线与界面法与界面法线线所决所决议议的入射平面内，声束不的入射平面内，声束不再再对对称于声束称于声束轴线轴线，而是声束上半分散角，而是声束上半分散角 上大于声束上大于声束下半分散角下半分散角 下下 上上=2-=2- 下下=-1=-1sin1=a-bsin1=a-b，sin2=a+bsin2=a+b，对对于于经过经过声束声束轴线轴线与入射平面垂直的平面内，与入射平面垂直的平面内，对对于于圆圆片形声源：片形声源：对对于矩形正方形声源：于矩形正方形声源： 44、横波和、横波和纵纵波指向性比波指向性比较较：由于横波波：由于横波波长长比比纵纵波短。波短。在其他条件一在其他条件一样时样时，横波声束的指向性比，横波声束的指向性比纵纵波好，横波好，横波能量更集中一些。波能量更集中一些。义务三义务三 聚焦声源发射声场聚焦声源发射声场一、聚焦声场的构成一、聚焦声场的构成常规的纵波声场或横波声场，声柬是以一定的常规的纵波声场或横波声场，声柬是以一定的角度向外分散出去的，能量不集中，缺陷定量精角度向外分散出去的，能量不集中，缺陷定量精度差，对粗晶资料检测困难大，度差，对粗晶资料检测困难大，6060年代开展起年代开展起来的聚焦声源发射的声场具有声束细，能量集中，来的聚焦声源发射的声场具有声束细，能量集中，分辨力和灵敏度高等优点。用聚焦探头测定大型分辨力和灵敏度高等优点。用聚焦探头测定大型缺陷的面积或指示长度比常规探头准确。用聚焦缺陷的面积或指示长度比常规探头准确。用聚焦探头探测粗晶资料也有了较大的进展。探头探测粗晶资料也有了较大的进展。二、聚焦探头的分类：二、聚焦探头的分类：1 1、液浸聚焦：如图、液浸聚焦：如图2.162.16所示，它是利用平面波入射到所示，它是利用平面波入射到C1C2C1C2的凸透镜的凸透镜( (从入射方向看从入射方向看) )上其折射波聚焦的原理上其折射波聚焦的原理制成的。当声透镜为球面镜时，获得点聚焦；当声透镜制成的。当声透镜为球面镜时，获得点聚焦；当声透镜为柱面镜时，获得线聚焦。为柱面镜时，获得线聚焦。2 2、接触聚焦：如图、接触聚焦：如图2.172.17所示，它与液浸聚焦不同的是：在所示，它与液浸聚焦不同的是：在声透镜前面加了一个透声楔块，并且要求声透镜中的声声透镜前面加了一个透声楔块，并且要求声透镜中的声速速C1C1大于透声楔块中的声速大于透声楔块中的声速C2C2，C1C1C2C2。由图可知，。由图可知，它是利用平面波入射到它是利用平面波入射到C1C1C2C2的凸透镜上其折射波聚的凸透镜上其折射波聚焦，该聚焦折射波再入射到焦，该聚焦折射波再入射到C2C2C3C3的平界面上其折射的平界面上其折射波在工件内进一步聚焦。波在工件内进一步聚焦。三、聚焦声三、聚焦声场场的特点与运用以水浸聚焦的特点与运用以水浸聚焦为为例例1 1、聚焦声束、聚焦声束轴线轴线上的声上的声压压分布分布在焦点在焦点处处，X=FX=F，上式可，上式可简简化化为为P=BPo(P=BPo(其中其中B=R2/F=N/F)B=R2/F=N/F)由上式可知，焦点由上式可知，焦点处处的声的声压压随随B B值值添加而升高，焦距添加而升高，焦距F F愈愈小，小，B B值值就愈大，聚焦效果就愈好。当焦距就愈大，聚焦效果就愈好。当焦距F F大于或等于大于或等于近近场场区区长长度度N N时时，B=N/F1B=N/F1，这时这时几乎没有聚焦作用。几乎没有聚焦作用。因此焦距因此焦距应选应选在近在近场场区区长长度以内，否那么就失去了聚焦度以内，否那么就失去了聚焦的意的意义义。22、焦柱的几何尺寸、焦柱的几何尺寸 以上以上讨论讨论的聚焦声的聚焦声场场是从几何声学是从几何声学实际实际出出发发在理想条在理想条件下得到的，聚焦声束最后会聚于一点件下得到的，聚焦声束最后会聚于一点( (或或线线) )，实实践上践上这这种情况是不存在的，由于几何声学忽略了声波的种情况是不存在的，由于几何声学忽略了声波的动摇动摇性，在焦点附近声波存在干涉。此外声透性，在焦点附近声波存在干涉。此外声透镜镜存在一定存在一定的球差，并非完全会聚于一点。因此聚焦声束的焦点是的球差，并非完全会聚于一点。因此聚焦声束的焦点是一个聚焦区，一个聚焦区，该该聚焦区呈柱形。聚焦区呈柱形。 3 3、聚焦探头的运用、聚焦探头的运用聚焦探头具有声束细、灵敏度高等优点，在铸钢件及奥氏聚焦探头具有声束细、灵敏度高等优点，在铸钢件及奥氏体钢探伤、缺陷面积或指示长度的测定和裂纹高度的测定等体钢探伤、缺陷面积或指示长度的测定和裂纹高度的测定等方面得到较好的运用。方面得到较好的运用。铸钢件及奥氏体钢晶粒粗大、衰减严重，常规探头探伤散铸钢件及奥氏体钢晶粒粗大、衰减严重，常规探头探伤散乱反射显著，容易产生草状回波，信噪比低，缺陷判别困难乱反射显著，容易产生草状回波，信噪比低，缺陷判别困难大。采用聚焦探头探伤，由于声束细，产生散乱反射的几率大。采用聚焦探头探伤，由于声束细，产生散乱反射的几率小，因此信噪比高，灵敏度高有利于缺陷的检出。小，因此信噪比高，灵敏度高有利于缺陷的检出。 实验证明，运用聚焦探头利用多重分贝法实验证明，运用聚焦探头利用多重分贝法( (如如6dB6dB，12dB12dB等等) )来测定缺陷面积或指示长度要比常规探头准确得多。由于来测定缺陷面积或指示长度要比常规探头准确得多。由于聚焦探头声束收敛。聚焦探头声束收敛。裂纹是最危险的缺陷。近年来采用聚焦探头利用端点峰值裂纹是最危险的缺陷。近年来采用聚焦探头利用端点峰值回波法来测定裂纹的高度，获得较好的效果，精度明显提高。回波法来测定裂纹的高度，获得较好的效果，精度明显提高。聚焦探头也有缺乏，最大缺陷是声束细，每次扫查范围小，聚焦探头也有缺乏，最大缺陷是声束细，每次扫查范围小，探测效率低。另外，探头的通用性差，每只探头仅适用于探探测效率低。另外，探头的通用性差，每只探头仅适用于探测某一深度范围内的缺陷。测某一深度范围内的缺陷。义务四义务四 规那么反射体的回波声压规那么反射体的回波声压一、平底孔回波声一、平底孔回波声压压当探当探测测条件条件(Fs(Fs，)一定一定时时，平底孔缺陷的回波声，平底孔缺陷的回波声压压或或波高与平底孔面波高与平底孔面积积成正比，与成正比，与间间隔平方成反比。恣意两隔平方成反比。恣意两个个间间隔直径不同的平底孔回波声隔直径不同的平底孔回波声压压分分贝贝差差为为: :二、二、长长横孔回波声横孔回波声压压当当X3NX3N，超声波垂直入射，全反射，超声波垂直入射，全反射，长长横孔直径横孔直径较较小，小，长长度大于波束截面尺寸度大于波束截面尺寸时时，超声波在，超声波在长长横孔外表的反射横孔外表的反射类类似球面波在柱面似球面波在柱面镜镜上的反射。上的反射。长长横孔回波声横孔回波声压压PfPf为为： 恣意两个恣意两个间间隔、直径不同的隔、直径不同的长长横孔回波分横孔回波分贝贝差差为为：三、短横孔回波声三、短横孔回波声压压短横孔是短横孔是长长度明度明显显小于波束截面尺寸的横孔，小于波束截面尺寸的横孔，设设短横短横孔直径孔直径为为DfDf，长长度度为为LfLf。当。当x3Nx3N时时，超声波在短横孔上，超声波在短横孔上的反射回波声的反射回波声压为压为：恣意两个恣意两个间间隔、隔、长长度和直径不同短横孔的回波分度和直径不同短横孔的回波分贝贝差差为为：四、球孔回波声四、球孔回波声压压设设球孔直径球孔直径为为DfDf，超声波垂直入射，全反射，超声波垂直入射，全反射，DfDf足足够够小。当小。当3N3N时时，超声波在球孔上的反射就，超声波在球孔上的反射就类类似于球面波似于球面波在球面在球面镜镜上的反射。上的反射。球孔回波声球孔回波声压压PfPf为为：恣意两个直径、恣意两个直径、间间隔不同的球孔的回波分隔不同的球孔的回波分贝贝差差为为：五、大平底面回波声五、大平底面回波声压压当当x3Nx3N时时，超声波在与波束，超声波在与波束轴线轴线垂直、外表光垂直、外表光洁洁的大的大平底面上的反射就是球面波在平面上的反射，其回波声平底面上的反射就是球面波在平面上的反射，其回波声压压PBPB为为：两个不同两个不同间间隔的大平底面回波分隔的大平底面回波分贝贝差差为为： 六、六、圆圆柱曲底面回波声柱曲底面回波声压压1 1、实实心心圆圆柱体柱体超声波径向探超声波径向探伤伤3N3N的的实实心心圆圆柱体，柱体，类类似于球面波在似于球面波在凹柱曲底面上的反射。凹柱曲底面上的反射。实实心心圆圆柱凹曲底面的回波声柱凹曲底面的回波声压为压为阐阐明明实实心心圆圆柱体回波声柱体回波声压压与大平底面回波声与大平底面回波声压压一一样样。2 2、空心、空心圆圆柱体柱体超声波外径探超声波外径探伤伤空心空心圆圆柱体，柱体，3N3N，类类似于球面波在似于球面波在凸柱面上的反射。凸柱面上的反射。外外圆圆探探伤伤空心空心圆圆柱体凸柱曲底面的回波声柱体凸柱曲底面的回波声压为压为：超声波内孔探超声波内孔探伤圆伤圆柱体，柱体，3N3N，类类似于球面波的在凹柱似于球面波的在凹柱面上的反射。面上的反射。内内圆圆探探伤伤空心空心圆圆柱体凸柱曲底面的回波声柱体凸柱曲底面的回波声压为压为：义务五义务五 AVG曲线曲线一、一、纵纵波平底孔通用波平底孔通用AVGAVG曲曲线线1 1、曲、曲线线作法：作法：当当x3Nx3N，不思索介，不思索介质质衰减衰减时时，大平底面与平底孔回波，大平底面与平底孔回波声声压为压为： 当当仪仪器的垂直器的垂直线线性良好性良好时时，示波屏上波高与声，示波屏上波高与声压压成正成正比。比。 为了简化计算，对上式进展归一化处置。令，并代入上式得：假设用dB表示相对波高，那么有 、曲线特点：、曲线特点：在在A3A3的区域内，由于实际公式不适用，因此该区域的区域内，由于实际公式不适用，因此该区域的曲线普通不绘出或由实测得到。的曲线普通不绘出或由实测得到。 由图由图2.242.24所示的平底孔缺陷通用所示的平底孔缺陷通用AVGAVG曲线可见，当曲线可见，当A1A1时，由于波的干涉，使平底孔回波声压趋于复杂化，时，由于波的干涉，使平底孔回波声压趋于复杂化，出现极大极小值。但对于大平底而言出现极大极小值。但对于大平底而言, ,其回波几乎不随间其回波几乎不随间隔变化隔变化, ,在这个区域内的入射波可视为平面波的一部分，在这个区域内的入射波可视为平面波的一部分，平均声压为常数。平均声压为常数。通用通用AVGAVG曲线由于采用了归一化间隔和归一化缺陷当曲线由于采用了归一化间隔和归一化缺陷当量大小量大小, ,因此通用性好，适用不同规格的探头。因此通用性好，适用不同规格的探头。 3 3、曲、曲线线运用：用来运用：用来调调整探整探伤伤灵敏度和灵敏度和对对缺陷缺陷进进展定量。展定量。例：用例：用2.5MHz,20mm2.5MHz,20mm直探直探头头探探测测厚厚为为400mm400mm钢钢制制饼饼形形锻锻件，知件，知钢钢中中CL=5900m/sCL=5900m/s。探。探伤伤中在中在170mm170mm处发现处发现一缺陷，其回波比底波一缺陷，其回波比底波低低10dB10dB。(1)(1)如何利用底波如何利用底波调调整整22平底孔灵敏度平底孔灵敏度?(2)?(2)求此缺陷的当求此缺陷的当量平底孔尺寸量平底孔尺寸为为多少多少? ?解：解：(1)(1)调调灵敏度：灵敏度：查查AVGAVG曲曲线线：如：如图图2.242.24所示，所示，过过A=9.4A=9.4处处作垂作垂线线交交G=0.lG=0.l线线于于N N，交交B B线线于于MM，那么，那么MNMN对应对应分分贝值为贝值为400mm400mm处处大平底与大平底与22平底孔的平底孔的回波分回波分贝贝差：差：=B=B一一2=44dB2=44dB调调整整22灵敏度：灵敏度：( (衰减器衰减器) )衰减衰减50dB50dB，调调( (增益增益 使第一次底波使第一次底波B1B1达基准波高，然后去掉达基准波高，然后去掉44dB44dB， 衰减器衰减器 保管保管6dB6dB，至此，至此22灵敏度灵敏度调调好，即好，即这时这时400mm400mm处处22平底孔回波正好达基准波高。平底孔回波正好达基准波高。(2)(2)对对缺陷定量：缺陷定量：求求Gf:Gf:如如图图2.242.24所示，所示，过过Af=4Af=4作垂作垂线线与与过过比比MM点低点低10dB10dB的的P P点所点所作的程度作的程度线线相交于相交于QQ点，那么点，那么QQ点点对应对应的的GG值为值为所求：所求：Gf=O.3Gf=O.3。求缺陷的当量尺寸求缺陷的当量尺寸:Df=GfD=0.320=6(mm):Df=GfD=0.320=6(mm) ，二、纵波平底孔适用二、纵波平底孔适用AVGAVG曲线曲线以横坐标表示实践声程，纵坐标表示规那么反射体相以横坐标表示实践声程，纵坐标表示规那么反射体相对波高，用来描画间隔、波幅、当量大小之间的关系曲对波高，用来描画间隔、波幅、当量大小之间的关系曲线，称为适用线，称为适用AVGAVG曲线。曲线。1 1、曲线作法：、曲线作法：不同间隔的太平底回波不同间隔的太平底回波dBdB差差不同间隔的不同大小平底孔回波不同间隔的不同大小平底孔回波dBdB差差同间隔的大平底与平底孔回波同间隔的大平底与平底孔回波dBdB差差用用以以上上公公式式计计算算绘绘制制适适用用AVGAVG曲曲线线时时，要要一一致致灵灵敏敏度度基基准例如准例如图图2.252.25是是x=750mmx=750mm，22平底孔平底孔为为0dB0dB。、曲、曲线线特点：特点：适用适用AVGAVG曲曲线线中中x3Nx3N部分，可由部分，可由实际实际公式公式计计算得到，算得到，还还可由可由实测实测CS-CS-试块试块得到或由通用得到或由通用AVGAVG进进展展转换转换得到，得到，但但3N3N的区域只能的区域只能经过实测经过实测得到。得到。由于适用由于适用AVGAVG曲曲线线是由特定探是由特定探头实测头实测和和计计算得到的，算得到的，因此适用因此适用AVGAVG曲曲线线也只适用于特定探也只适用于特定探头头。在适用。在适用AVGAVG曲曲线线中要注明探中要注明探头头的尺寸和的尺寸和频频率。率。、曲、曲线线运用：运用：适用适用AVGAVG曲曲线线同同样样可用于可用于调调整探整探伤伤灵敏度和灵敏度和对对缺陷定量，缺陷定量，而且比通用而且比通用AVGAVG曲曲线线方便。方便。对对于垂直于垂直线线性良好的性良好的仪仪器，波高与声器，波高与声压压或正比，将或正比，将AVGAVG曲曲线线直接直接绘绘制在制在仪仪器示波屏面板上，称器示波屏面板上，称为为AVGAVG面板曲面板曲线线，其，其纵纵坐坐标标表示回波高，横坐表示回波高，横坐标标表示表示间间隔。隔。 利用利用AVGAVG面板曲面板曲线线来来调调整探整探伤伤灵敏度和灵敏度和对对探探伤伤中中发现发现的缺陷定量非常方便。的缺陷定量非常方便。例：用例：用2.5MHz2.5MHz、20mm20mm直探直探头头探探测饼测饼形形钢锻钢锻件，件，锻锻件厚件厚650mm650mm，探，探伤伤中在中在500mm500mm处发现处发现一缺陷，缺陷波高比大平底一缺陷，缺陷波高比大平底回波低回波低31dB31dB。问问：(1)(1)如何利用底波如何利用底波调调整整22灵敏度灵敏度?(2)?(2)求缺陷求缺陷的当量大小的当量大小? ?解：解：(1)(1)灵敏度的灵敏度的调调整：整：如如图图2.252.25所示，在所示，在x=650mmx=650mm处处作垂作垂线线交交22曲曲线线于于E E、交、交B B曲曲线线于于F F，那么，那么EFEF对应对应的分的分贝值贝值=48dB=48dB就表示就表示该处该处大平底与大平底与22平底孔回波分差。平底孔回波分差。 (2)(2)对对缺陷定量：缺陷定量：如如图图2.252.25所示，在所示，在xf=500mmxf=500mm处处作垂作垂线线与比与比F F点低点低31dB31dB的程的程度度线线相交于相交于QQ点，那么点，那么QQ点所点所对应对应的曲的曲线线的当量尺寸的当量尺寸44就是所就是所求缺陷的当量大小。求缺陷的当量大小。 第三单元第三单元 仪器、探头和试块仪器、探头和试块 义务义务一一超声波探超声波探伤仪伤仪 义务义务二二超声波超声波测测厚厚仪仪 义务义务三三超声波探超声波探头头 义务义务四四试试块块 义务义务五五仪仪器和探器和探头头的性能及其的性能及其测试测试 义务一义务一 超声波探伤仪超声波探伤仪一、超声波探伤仪概述一、超声波探伤仪概述1 1、仪器的作用：超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，、仪器的作用：超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，它的作用是产生电振荡并加于换能器它的作用是产生电振荡并加于换能器( (探头探头) )上，鼓励探上，鼓励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进展放大，经头发射超声波，同时将探头送回的电信号进展放大，经过一定方式显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷过一定方式显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。及缺陷位置和大小等信息。2 2、仪器的分类、仪器的分类1 1按超声波的延续性分类按超声波的延续性分类1 1脉冲波探伤仪：经过探头向工件周期性地发射不延续脉冲波探伤仪：经过探头向工件周期性地发射不延续且频率不变的超声波，据超声波传播时间及幅度判别工且频率不变的超声波，据超声波传播时间及幅度判别工件中缺陷位置和大小。件中缺陷位置和大小。2 2延续波探伤仪：经过探头向工件中发射延续且频率不延续波探伤仪：经过探头向工件中发射延续且频率不变变( (或在小范围内周期性变化或在小范围内周期性变化) )的超声波，据透过工件的的超声波，据透过工件的超声波强度变化判别工件中有无缺陷及缺陷大小。超声波强度变化判别工件中有无缺陷及缺陷大小。3 3调频波探伤仪：经过探头向工件中发射延续的频率周调频波探伤仪：经过探头向工件中发射延续的频率周期性变化的超声波，据发射波与反射波的差频变化情况期性变化的超声波，据发射波与反射波的差频变化情况判别工件中有无缺陷。判别工件中有无缺陷。2 2按缺陷显示方式分类按缺陷显示方式分类1 1A A型显示探伤仪：型显示探伤仪：A A型显示是一种波形显示，探伤仪型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间荧光屏的横坐标代表声波的传播时间( (或间隔或间隔) )，纵坐标，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置，代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。由反射波的幅度可以估算缺陷大小。2 2B B型显示探伤仪：型显示探伤仪：B B型显示是一种图象显示，荧光屏型显示是一种图象显示，荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹，缴坐标的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹，缴坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间是靠电子扫描来代表声波的传播时间( (或间隔或间隔) )，因此可，因此可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷分布及深度。直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷分布及深度。3 3C C型显示探伤仪：型显示探伤仪：C C型显示也是一种图象显示，探伤型显示也是一种图象显示，探伤仪荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头仪荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件外表的位置。探头接纳信号幅度以光点辉度表示，在工件外表的位置。探头接纳信号幅度以光点辉度表示，因此，当探头在工件外表挪动时，荧光屏上便显示出工因此，当探头在工件外表挪动时，荧光屏上便显示出工件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。 3 3按超声波的通道分类按超声波的通道分类1 1单通道探伤仪：这种仪器由一个或一对探头单独任务，单通道探伤仪：这种仪器由一个或一对探头单独任务，是目前超声波探伤中运用最厂泛的仪器。是目前超声波探伤中运用最厂泛的仪器。2 2多通道探伤仪；这种仪器由多个或多对探头交替任务，多通道探伤仪；这种仪器由多个或多对探头交替任务，每一通道相当于一台单通道探伤仪，适用于自动化探伤。每一通道相当于一台单通道探伤仪，适用于自动化探伤。目前，探伤中广泛运用的超声波探伤仪，如目前，探伤中广泛运用的超声波探伤仪，如CTS-22CTS-22、CTS-26CTS-26等都是等都是A A型显示脉冲反射式探伤仪。型显示脉冲反射式探伤仪。二、二、A A型脉冲反射式超声探伤仪电路方框图型脉冲反射式超声探伤仪电路方框图任务过程：同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描和发任务过程：同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描和发射电路，扫描电路受触发任务，产生锯齿波电压，加至射电路，扫描电路受触发任务，产生锯齿波电压，加至示波管程度偏转板，使电子束发生程度偏转，在荧光屏示波管程度偏转板，使电子束发生程度偏转，在荧光屏上产生一条程度扫描线。同时，发射电路受触发产生高上产生一条程度扫描线。同时，发射电路受触发产生高频窄脉冲，加至探头，鼓励压电晶片振动，在工件中产频窄脉冲，加至探头，鼓励压电晶片振动，在工件中产生超声波。超声波在工件中传播，遇缺陷或底面发生反生超声波。超声波在工件中传播，遇缺陷或底面发生反射，前往探头时，又被压电晶片转变为电信号，经接纳射，前往探头时，又被压电晶片转变为电信号，经接纳电路救大和检波，加至示波管垂直偏转板上，使电子束电路救大和检波，加至示波管垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在程度扫描线的相应位置上产生缺陷波发生垂直偏转，在程度扫描线的相应位置上产生缺陷波和底波。根据缺陷波的位置可以确定缺陷的埋藏深度，和底波。根据缺陷波的位置可以确定缺陷的埋藏深度，根据缺陷波的幅度可以估算缺陷当量的大小。根据缺陷波的幅度可以估算缺陷当量的大小。 三、三、仪仪器主要器主要组组成部分的作用成部分的作用11、同步、同步电电路：同步路：同步电电路又称触路又称触发电发电路，它每秒路，它每秒钟产钟产生数生数十至数千个脉冲，用来触十至数千个脉冲，用来触发发探探伤仪扫伤仪扫描描电电路、路、发发射射电电路路等，使之步伐一致、有条不紊地任等，使之步伐一致、有条不紊地任务务。因此，同步。因此，同步电电路路是整个探是整个探伤仪伤仪的的“ “中枢，同步中枢，同步电电路出了缺点，整个探路出了缺点，整个探伤伤仪仪便无法任便无法任务务。2 2、扫扫描描电电路：路：扫扫描描电电路又称路又称时时基基电电路，用来路，用来产产生生锯齿锯齿波波电电压压，加在示波管程度偏，加在示波管程度偏转转板上，使示波管板上，使示波管荧荧光屏上的光光屏上的光点沿程度方向作等速挪点沿程度方向作等速挪动动，产产生一条程度生一条程度扫扫描描时时基基线线。探探伤仪伤仪面板上的深度粗面板上的深度粗调调、微、微调调、扫扫描延描延迟迟旋旋钮钮都是都是扫扫描描电电路的控制旋路的控制旋钮钮。探。探伤时伤时，应应根据被探工件的探根据被探工件的探测测深深度范度范围选择围选择适当的深度档适当的深度档级级并配合微并配合微调调旋旋钮调钮调整，使整，使刻度板程度刻度板程度轴轴上每一格代表一定的上每一格代表一定的间间隔。隔。 3 3、发射电路：利用闸流管或可控硅的开关特性，产生几百、发射电路：利用闸流管或可控硅的开关特性，产生几百伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头，鼓励压电伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头，鼓励压电晶片振动，使之发射超声波。发射电路中的电阻晶片振动，使之发射超声波。发射电路中的电阻RoRo称为称为阻尼电阻，用发射强度旋钮可改动阻尼电阻，用发射强度旋钮可改动RoRo的阻值。阻值大发的阻值。阻值大发射强度高，阻值小发射强度低，因射强度高，阻值小发射强度低，因RoRo与探头并联，改动与探头并联，改动RoRo同时也改动了探头电阻尼大小，即影响探头的分辨力。同时也改动了探头电阻尼大小，即影响探头的分辨力。4 4、接纳电路：接纳电路由衰减器、射频放大器、检波器和、接纳电路：接纳电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器等组成。它未来自探头的电信号进展放大、视频放大器等组成。它未来自探头的电信号进展放大、检波，最后加至示波管的垂直偏转板上，并在荧光屏上检波，最后加至示波管的垂直偏转板上，并在荧光屏上显示。由于接纳的电信号非常微弱，通常只需数百微伏显示。由于接纳的电信号非常微弱，通常只需数百微伏到数伏，而示波管全调制所需电压要几百伏，所以接纳到数伏，而示波管全调制所需电压要几百伏，所以接纳电路必需具有约电路必需具有约105105的放大才干。的放大才干。3 3、发射电路：利用闸流管或可控硅的开关特性，产生几百、发射电路：利用闸流管或可控硅的开关特性，产生几百伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头，鼓励压电伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头，鼓励压电晶片振动，使之发射超声波，可控硅发射电路的典型电晶片振动，使之发射超声波，可控硅发射电路的典型电路如教材图路如教材图3.43.4所示。发射电路中的电阻所示。发射电路中的电阻RoRo称为阻尼电称为阻尼电阻，用发射强度旋钮可改动阻，用发射强度旋钮可改动RoRo的阻值。阻值大发射强度的阻值。阻值大发射强度高，阻值小发射强度低，因高，阻值小发射强度低，因RoRo与探头并联，改动与探头并联，改动RoRo同同时也改动了探头电阻尼大小，即影响探头的分辨力。时也改动了探头电阻尼大小，即影响探头的分辨力。4 4、接纳电路：接纳电路由衰减器、射频放大器、检波器和、接纳电路：接纳电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器等组成。它未来自探头的电信号进展放大、视频放大器等组成。它未来自探头的电信号进展放大、检波，最后加至示波管的垂直偏转板上，并在荧光屏上检波，最后加至示波管的垂直偏转板上，并在荧光屏上显示。由于接纳的电信号非常微弱，通常只需数百微伏显示。由于接纳的电信号非常微弱，通常只需数百微伏到数伏，而示波管全调制所需电压要几百伏，所以接纳到数伏，而示波管全调制所需电压要几百伏，所以接纳电路必需具有约电路必需具有约105105的放大才干。的放大才干。5 5、显示电路：主要由示波管及外围电路组成。示波管用来、显示电路：主要由示波管及外围电路组成。示波管用来显示探伤图形，示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏等显示探伤图形，示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏等三部分组成，其根本构造如教材图三部分组成，其根本构造如教材图3.63.6所示所示 。四、四、仪仪器主要旋器主要旋钮钮的作用及其的作用及其调调整整探探伤仪伤仪面板上有面板上有许许多开关和旋多开关和旋钮钮，用于，用于调调理探理探伤仪伤仪的功的功能和任能和任务务形状。形状。图图3.73.7是是CTS22CTS22型探型探伤仪伤仪面板表示面板表示图图，以以这这种种仪仪器器为为例，例，阐阐明各主要开关的作用及其明各主要开关的作用及其调调整方法。整方法。 1 1、任、任务务方式方式选择选择旋旋钮钮任任务务方式方式选择选择旋旋钮钮的作用是的作用是选择选择探探测测方式。即方式。即“ “双探或双探或“ “单单探方式。当开关置于探方式。当开关置于“ “双探双探时时，为为双探双探头头一一发发一一收任收任务务形状，可用一个双晶探形状，可用一个双晶探头头或两个或两个单单探探头头探探伤伤，发发射探射探头头和接和接纳纳探探头头分分别衔别衔接到接到发发射插座和接射插座和接纳纳插座。当插座。当开关置于开关置于“ “单单探探时时，为单为单探探头发头发收任收任务务形状，可用一个形状，可用一个单单探探头头探探伤伤，此，此时发时发射插座和接射插座和接纳纳插座从内部插座从内部连连通，探通，探头头可插入任一插座。可插入任一插座。2 2、发发射射强强度旋度旋钮钮发发射射强强度旋度旋钮钮的作用是改的作用是改动仪动仪器的器的发发射脉冲功率，从而射脉冲功率，从而改改动仪动仪器的器的发发射射强强度。增大度。增大发发射射强强度度时时，可提高，可提高仪仪器灵器灵敏度，但脉冲敏度，但脉冲变宽变宽，分辨力，分辨力变变差。因此，在探差。因此，在探伤伤灵敏度灵敏度能能满满足要求的情况下，足要求的情况下，发发射射强强度旋度旋钮应钮应尽量放在尽量放在较较低的低的位置。位置。3 3、增益旋、增益旋钮钮增益增益细调细调旋旋钮钮作用是改作用是改动动接接纳纳放大器的放大倍数，放大器的放大倍数，进进而延而延续续改改动动探探伤伤仪仪的灵敏度。的灵敏度。 4 4、衰减器、衰减器衰减器的作用是调理探伤灵敏度和丈量回波振幅。调理衰减器的作用是调理探伤灵敏度和丈量回波振幅。调理灵敏发时，衰减读数大，灵敏度低；衰减读数小，灵敏灵敏发时，衰减读数大，灵敏度低；衰减读数小，灵敏度高。丈量回波振幅时，衰减读数大，回波幅度高；衰度高。丈量回波振幅时，衰减读数大，回波幅度高；衰减读数小，回波幅度低。普通探伤仪的衰减器分粗调和减读数小，回波幅度低。普通探伤仪的衰减器分粗调和细调两种，粗调每档细调两种，粗调每档10dB10dB或或20dB20dB，细调每挡，细调每挡2dB2dB或或1dB1dB，总衰减量，总衰减量80dB80dB左右。左右。5 5、抑制旋钮、抑制旋钮抑制荧光屏上幅度较低或以为不用要的杂乱反射波，使抑制荧光屏上幅度较低或以为不用要的杂乱反射波，使之不予显示，从而使荧光屏显示的波形明晰。在探伤中之不予显示，从而使荧光屏显示的波形明晰。在探伤中普通不运用抑制。普通不运用抑制。 6 6、深度范围旋钮深度粗调旋钮、深度范围旋钮深度粗调旋钮作用是粗调荧光屏扫描线所代表的探测范围。调理深度作用是粗调荧光屏扫描线所代表的探测范围。调理深度范围旋钮，可较大幅度地改动时间扫描线的扫描速度。范围旋钮，可较大幅度地改动时间扫描线的扫描速度。从而使荧光屏上回波间距大幅度地紧缩或扩展。从而使荧光屏上回波间距大幅度地紧缩或扩展。7 7、深度细凋旋钮、深度细凋旋钮准确调整探测范围。调理细调旋钮。可延续改动扫描线准确调整探测范围。调理细调旋钮。可延续改动扫描线的扫描速度，从而使荧光屏上的回波间距在一定范围内的扫描速度，从而使荧光屏上的回波间距在一定范围内延续变化。延续变化。8 8、延迟旋钮脉冲移位旋钮、延迟旋钮脉冲移位旋钮用于调理开场发射脉冲时辰与开场扫描时到之间的时间用于调理开场发射脉冲时辰与开场扫描时到之间的时间差。调理延迟旋钮可使扫描线上的回波位置大幅度左右差。调理延迟旋钮可使扫描线上的回波位置大幅度左右挪动，而不改动回波之间的间隔。调理探测范围时，用挪动，而不改动回波之间的间隔。调理探测范围时，用延迟旋钮可进展零位校正，即用深度粗调和细调旋钮调延迟旋钮可进展零位校正，即用深度粗调和细调旋钮调理好回波间距后，再用延迟旋钮将反射波调至正确位置，理好回波间距后，再用延迟旋钮将反射波调至正确位置，使声程原点与程度刻度的零点重合。使声程原点与程度刻度的零点重合。9 9、聚焦旋钮、聚焦旋钮聚焦旋钮的作用是调理电子束的聚焦程度，使荧光屏波聚焦旋钮的作用是调理电子束的聚焦程度，使荧光屏波形明晰。形明晰。 1010、频频率率选择选择旋旋钮钮宽频带宽频带探探伤仪伤仪的放大器的放大器频频率范率范围宽围宽，覆盖了整个探，覆盖了整个探伤伤所所需的需的频频率范率范围围，探，探伤仪伤仪面板上没有面板上没有频频率率选择选择旋旋钮钮。探。探伤伤频频率由探率由探头频头频率决率决议议。窄。窄频带频带探份探份仪仪没有没有频频率率选择选择开关，开关，用以使用以使发发射射电电路与所用探路与所用探头头相匹配，并用以改相匹配，并用以改动动放大器放大器的通的通带带，运用，运用时时开关指示的开关指示的频频率范率范围应围应与所与所选选用探用探头头相相一致。一致。1111、程度旋、程度旋钮钮 程度旋程度旋钮钮也称零位也称零位调调理旋理旋钮钮，调调理程度旋理程度旋钮钮，可使，可使扫扫描描线连扫线连扫描描线线上的回波一同左右挪上的回波一同左右挪动动一段一段间间隔，但不改隔，但不改动动回波回波间间距。距。调调理探理探测测范范围时围时，用深度粗，用深度粗调调和和细调细调旋旋钮调钮调好回波好回波间间距，用程度旋距，用程度旋钮进钮进展零位校正。展零位校正。1212、反复、反复频频率旋率旋钮钮反复反复频频率旋率旋钮钮的作用是的作用是调调理脉冲反复理脉冲反复频频率，即改率，即改动发动发射射电电路每秒路每秒钟发钟发射脉冲的次数。射脉冲的次数。 l3l3、垂直旋、垂直旋钮钮垂直旋垂直旋钮钮用于用于调调理理扫扫描描线线的垂直位置。的垂直位置。调调理垂直旋理垂直旋钮钮，可使可使扫扫描描线线上下挪上下挪动动。1414、辉辉度旋度旋钮钮辉辉度旋度旋钮钮用于用于调调理波形的亮度。理波形的亮度。1515、深度、深度补偿补偿开关开关有些探有些探伤仪设伤仪设有深度有深度补偿补偿开关或开关或“ “间间隔振幅校正隔振幅校正(DAC)(DAC)旋旋钮钮，它，它们们的作用是改的作用是改动动放大器的性能，使位于不藏深放大器的性能，使位于不藏深度的一度的一样样尺寸缺陷的回波高度差尺寸缺陷的回波高度差别别减小。减小。1616、显显示示选择选择开关开关显显示示选择选择开关用于开关用于选择选择“ “检检波或波或“ “不不检检波波显显示。示。 五、仪器的维护五、仪器的维护六、数字智能探伤仪六、数字智能探伤仪1 1、数字智能探伤仪的特点、数字智能探伤仪的特点1)1)检测速度快检测速度快2)2)检测精度高检测精度高3)3)可靠性高、稳定性好可靠性高、稳定性好4)4)记录与存档记录与存档5)5)可编程性可编程性2 2、数字智能探伤仪的开展前景、数字智能探伤仪的开展前景1)1)成像技术的运用成像技术的运用2)2)缺陷定性缺陷定性 义务二义务二 超声波测厚仪超声波测厚仪一、共振式测厚仪一、共振式测厚仪1 1、原理：、原理：当工件厚度为半波长的整数倍时，反射波与入射波相互当工件厚度为半波长的整数倍时，反射波与入射波相互迭加，构成驻波，产生共振。这时工件厚度与波速、频迭加，构成驻波，产生共振。这时工件厚度与波速、频率的关系为：率的关系为： 2 2、方法：、方法：测厚时，调理原理图中的调谐电容测厚时，调理原理图中的调谐电容CC，改动振荡频率。，改动振荡频率。由频率振荡器输出的交变电信号加到超声波探头上，产由频率振荡器输出的交变电信号加到超声波探头上，产生超声波在工件中传播。当超声波在工件中产生共振时。生超声波在工件中传播。当超声波在工件中产生共振时。探头负载阻抗减小，经过电流表探头负载阻抗减小，经过电流表A A的板极电流达极大值，的板极电流达极大值，这时的频率为共振频率。再次调理电容这时的频率为共振频率。再次调理电容C C。改动频率，。改动频率，测出相邻的另一共振频率，进而利用上式求出工件厚度。测出相邻的另一共振频率，进而利用上式求出工件厚度。共振式测厚仪可测厚度下限小，最小可达共振式测厚仪可测厚度下限小，最小可达0.1mm0.1mm；测试；测试精度较高，可达精度较高，可达0.1%0.1%。但运用不大方便。但运用不大方便t t不能直读，须不能直读，须用公式计算工件厚度。另外要求被测工件上下外表平整用公式计算工件厚度。另外要求被测工件上下外表平整光洁。光洁。 二、脉冲反射式测厚仪二、脉冲反射式测厚仪1 1、原理：、原理：脉冲反射式测厚仪是经过丈量超声波在工件上下底面之脉冲反射式测厚仪是经过丈量超声波在工件上下底面之间往返一次传播的时间来求得工件的厚度，其计算公式间往返一次传播的时间来求得工件的厚度，其计算公式如下：如下：2 2、方法：、方法：发射电路发出脉冲很窄的周期性电脉冲，经过电缆加到发射电路发出脉冲很窄的周期性电脉冲，经过电缆加到探头上，鼓励探头压电晶片产生超声波。该超声波在工探头上，鼓励探头压电晶片产生超声波。该超声波在工件上下底面多次反射。反射波被接纳，转为电信号经放件上下底面多次反射。反射波被接纳，转为电信号经放大器放大后输入计算电路，由计算电路测出超声波在工大器放大后输入计算电路，由计算电路测出超声波在工件上下底面往返依次传播时间，再换算成工件厚度显示件上下底面往返依次传播时间，再换算成工件厚度显示出来。出来。 三、三、测测厚厚仪仪的的调调整与运用整与运用1 1、测测厚厚仪仪的的调调整整11仪仪器的下限要用一器的下限要用一块块厚度厚度为为下限的下限的试块试块来校准。例如来校准。例如下限下限为为1mm1mm的的仪仪器要有一器要有一块块1mm1mm厚的厚的试块试块。调调整整时时将探将探头对头对准准该试块该试块底面。使底面。使仪仪器器显显示厚度示厚度为为lmmlmm即可。即可。22线线性要用厚度不同的性要用厚度不同的试块试块来校正。来校正。调调整整时时将探将探头头分分别别对对准厚度不同的准厚度不同的试块试块底面，使底面，使仪仪器器显显示相示相应试块应试块厚度。厚度。2.2.测测厚方法厚方法先据工件厚度情况和精度要求先据工件厚度情况和精度要求选择选择探探头头。工件。工件较较薄薄时时宜宜选选双晶或双晶或带带延延迟块迟块探探头头，工件，工件较较厚厚时时宜宜选单选单晶探晶探头头。测测厚与探厚与探伤伤一一样样，要求工件外表光，要求工件外表光洁洁平整。平整。测试时测试时要施要施加一定的耦合加一定的耦合剂剂。测测厚厚时时，探，探头头放置要平放置要平稳稳、压压力适当。力适当。义务三义务三 超声波探头超声波探头一、压电效应一、压电效应1 1、正压电效应：、正压电效应：晶体资料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应。晶体资料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应。探头接纳超声波时，发生正压电效应，将声能转为电能。探头接纳超声波时，发生正压电效应，将声能转为电能。2 2、逆压电效应：、逆压电效应：当晶体资料在交变电场的作用下，产生伸缩变形的效应。当晶体资料在交变电场的作用下，产生伸缩变形的效应。探头发射超声波，高频电脉冲鼓励探头压电晶片时，发探头发射超声波，高频电脉冲鼓励探头压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能。生逆压电效应，将电能转换为声能。 二、压电资料：二、压电资料：单晶石英单晶石英(SiO2)(SiO2)，在正常情况下，各原子的电荷相互平，在正常情况下，各原子的电荷相互平衡，不显电荷，呈中性。当晶体遭到压应力作用时，使衡，不显电荷，呈中性。当晶体遭到压应力作用时，使正、负电荷中心不重合，产生正负游离电荷。当晶体遭正、负电荷中心不重合，产生正负游离电荷。当晶体遭到拉应力作用时，同样也会在晶体外表极板上出现正、到拉应力作用时，同样也会在晶体外表极板上出现正、负游离电荷，不过这时极板电荷与受压力作用时极板电负游离电荷，不过这时极板电荷与受压力作用时极板电荷相反。这就是正压电效应。反之，假设在晶体外表极荷相反。这就是正压电效应。反之，假设在晶体外表极板上施加正、负电荷，晶体就会产生伸缩变形，即逆压板上施加正、负电荷，晶体就会产生伸缩变形，即逆压电效应。电效应。具有压电效应的资料称为压电资料，压电资料分单晶资具有压电效应的资料称为压电资料，压电资料分单晶资料和多晶资料，常用的单晶资料有石英料和多晶资料，常用的单晶资料有石英(SiO2)(SiO2)、硫酸锂、硫酸锂(Li2SO4)(Li2SO4)、铌酸锂、铌酸锂(LiNbO3)(LiNbO3)等。常用的多晶资料有钛酸等。常用的多晶资料有钛酸钡钡(BaTiO3)(BaTiO3)、锆钛酸铅、锆钛酸铅(PbZrTiO3(PbZrTiO3，缩写为，缩写为PZT)PZT)、钛酸、钛酸铅铅(PbTiO3)(PbTiO3)等，多晶资料又称压电陶瓷。单晶资料接纳等，多晶资料又称压电陶瓷。单晶资料接纳灵敏度较高，多晶资料发射灵敏较高。灵敏度较高，多晶资料发射灵敏较高。 三、压电资料的主要性能参数三、压电资料的主要性能参数1 1、压电应变常数、压电应变常数d33:d33:表示在压电晶体上施加单位电压时所表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。产生的应变大小。衡量压电晶体资料发射灵敏度高低的重要参数。其值大，衡量压电晶体资料发射灵敏度高低的重要参数。其值大，发射性能好，发射灵敏度高。发射性能好，发射灵敏度高。2 2、压电电压常数、压电电压常数g33g33：表示作用在压电晶体上单位应力所：表示作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小。产生的电压梯度大小。衡量压电晶体资料接纳灵敏度高低的重要参数。其值大，衡量压电晶体资料接纳灵敏度高低的重要参数。其值大，接纳性能好，接纳灵敏度高。接纳性能好，接纳灵敏度高。 3 3、介、介电电常数常数 当当电电容器极板容器极板间间隔和面隔和面积积一定一定时时，介，介电电常数常数 愈大，愈大，电电容容C C也就愈大，即也就愈大，即电电容器所容器所贮电虽贮电虽就愈多。就愈多。压电压电晶体的晶体的 应应根据不同用途来根据不同用途来选选取。超声波探取。超声波探伤伤用的用的压电压电晶体，晶体，频频率率要求高，要求高， 应应小一些。由于小一些。由于 小，小，C C小，小，电电容器充放容器充放电时电时间间短短, ,频频率高。率高。扬扬声器声器频频率低，率低， 应应大一些。大一些。44、机、机电电耦合系数耦合系数K K表示表示压电资压电资料机械能料机械能( (声能声能) )与与电电能之能之间间的的转换转换效率。效率。 5 5、机械、机械质质量因子量因子mm压电压电晶片在晶片在谐谐振振时储时储存的机械能存的机械能E E贮贮与在一个周期内与在一个周期内损损耗的能量耗的能量E E损损之比称之比称为为机械机械质质量因子量因子mm。压电压电晶片振晶片振动损动损耗的能量主要是由内摩擦引起的。耗的能量主要是由内摩擦引起的。mm值值对对分辨力有分辨力有较较大的影响大的影响,m,m值值大，表示大，表示损损耗小，晶片耗小，晶片继继续续振振动时间长动时间长，脉冲，脉冲宽宽度大，分辨力低。反之，度大，分辨力低。反之，mm值值小，小，表示表示损损耗大，脉冲耗大，脉冲宽宽度小，分辨力就高。度小，分辨力就高。6 6、频频率常数率常数N N阐阐明明压电压电晶片的厚度与固有晶片的厚度与固有频频率的乘率的乘积积是一个常数，是一个常数，这这个常数叫做个常数叫做频频率常数，用率常数，用NtNt表示。晶片厚度一定，表示。晶片厚度一定，频频率率常数大的晶片常数大的晶片资资料的固有料的固有频频率高，厚度愈小。率高，厚度愈小。7 7、居里温度、居里温度TcTc：使：使压电资压电资料的料的压电压电效效应应消逝的温度。消逝的温度。 四、超声波探四、超声波探头对头对晶片的要求：晶片的要求：1 1、机、机电电耦合系数耦合系数K K较较大，以便大，以便获获得得较较高的高的转换转换效率。效率。2 2、机械、机械质质量因子量因子mm较较小，以小，以获获得高分辨力和小盲区。得高分辨力和小盲区。3 3、d33d33和和g33g33较较大，以大，以获获得高得高发发射灵敏度和接射灵敏度和接纳纳灵敏度。灵敏度。4 4、NtNt较较大，介大，介电电常数常数e e较较小，以便小，以便获获得得较较高的高的频频率。率。5 5、居里温度、居里温度TcTc较较高，声阻抗高，声阻抗Z Z适当。适当。 五、探五、探头头的种的种类类和构造和构造1 1、直探、直探头头( (纵纵波探波探头头) )1 1主要探主要探测测缺陷：探缺陷：探测测与探与探测测面平行的缺陷，如板材、面平行的缺陷，如板材、锻锻件探件探伤伤等。等。2 2组组成部分及各部分作用：成部分及各部分作用： 1 1压电压电晶片作用是晶片作用是发发射和接射和接纳纳超声波，超声波，实现电实现电声声换换能。能。2 2维护维护膜是膜是维护压电维护压电晶片不致磨晶片不致磨损损。分。分为为硬、硬、软维护软维护膜膜两两类类。前者用于外表光。前者用于外表光洁洁度度较较高的工件。后者用于外表高的工件。后者用于外表光光洁洁度度较较低的工件探低的工件探伤伤。当。当维护维护膜的厚度膜的厚度为为2/42/4的奇数的奇数倍，且倍，且维护维护膜的声阻抗膜的声阻抗Z2Z2为为晶片声阻抗晶片声阻抗Z1Z1和工件声阻抗和工件声阻抗Z3Z3的几何平均的几何平均值时值时，超声波全透射。，超声波全透射。3 3吸收吸收块块阻尼阻尼块块紧贴压电紧贴压电晶片，晶片，对压电对压电晶片的振晶片的振动动起阻尼作用。另外起阻尼作用。另外还还可以吸收晶片反面的可以吸收晶片反面的杂杂波，提高信波，提高信噪比。并且支承晶片。噪比。并且支承晶片。4 4外壳的作用在于将各部分外壳的作用在于将各部分组组合在一同，并合在一同，并维护维护之。之。 2 2、斜探、斜探头头引引见见横波斜探横波斜探头头1 1主要探主要探测测缺陷：与探缺陷：与探测测面垂直或成一定角度的缺陷，如面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝焊缝探探伤伤、汽、汽轮轮机叶机叶轮轮探探伤伤等。等。2 2组组成部分及其作用横波斜探成部分及其作用横波斜探头实头实践上是直探践上是直探头头加透声加透声斜楔斜楔组组成：透声斜楔的作用是成：透声斜楔的作用是实现实现波型波型转换转换，使被探，使被探工中只存在折射横波。工中只存在折射横波。3 3标标称方式：称方式：K=tgK=tg3 3、外表波探、外表波探头头1 1主要探主要探测测缺陷：外表或近外表缺陷缺陷：外表或近外表缺陷2 2 4 4、双晶探、双晶探头头( (分割探分割探头头) )1 1分分类类：根据入射角：根据入射角LL不同，分不同，分为为双晶双晶纵纵波探波探头头和双晶和双晶横波探横波探头头。2 2优优点：点：1 1灵敏度高灵敏度高2 2杂杂波少富区小波少富区小3 3工件中近工件中近场场区区长长度小度小4 4探探测测范范围围可可调调3 3主要探主要探测测缺陷：近外表缺陷缺陷：近外表缺陷5 5、聚焦探、聚焦探头头1 1分分类类：点聚焦和：点聚焦和线线聚焦；水浸聚焦与接触聚焦聚焦；水浸聚焦与接触聚焦2 2以水漫聚焦探以水漫聚焦探头为头为例例阐阐明聚焦探明聚焦探头头的构造原理的构造原理聚焦探聚焦探头头由直探由直探头头和声透和声透镜组镜组成。声透成。声透镜镜的作用就是的作用就是实实现现波束聚焦。焦距波束聚焦。焦距F F与声透与声透镜镜的曲率半径的曲率半径r r之之间间关系关系为为 6 6、可、可变变角探角探头头入射角是可入射角是可变变的。的。转动压电转动压电晶片使入射角延晶片使入射角延续变续变化化, ,普通范普通范围为围为0-700-70，可，可实现纵实现纵、横、外表和板波探、横、外表和板波探伤伤。7 7、高温探、高温探头头高温探高温探头头中的中的压电压电晶片需晶片需选选用居里温度用居里温度较较高的高的铌铌酸酸锂锂(1200(1200) )、石英、石英(550(550) )、钛钛酸酸铅铅(460(460) )来制造，来制造，外壳与阻尼外壳与阻尼块为块为不不锈钢锈钢，电缆为电缆为无机物无机物绝缘绝缘体高温体高温同同轴电缆轴电缆，前面壳体与晶片之，前面壳体与晶片之间间采用特殊采用特殊钎焊钎焊使之使之构成高温耦合构成高温耦合层层。这这种探种探头头可在可在400-700400-700高温下高温下进进展探展探伤伤。 六、探头型号六、探头型号1 1、探头型号的组成工程、探头型号的组成工程 根本频率，晶片资料，晶片尺寸，探头种类，特征根本频率，晶片资料，晶片尺寸，探头种类，特征2 2、举例：、举例：义务四义务四 试试 块块一、一、试块试块的作用的作用1 1、确定探、确定探伤伤灵敏度灵敏度2 2、测试仪测试仪器和探器和探头头的性能的性能3 3、评评判缺陷的大小判缺陷的大小4 4、调调整整扫扫描速度描速度二、二、试块试块的分的分类类1 1、按、按试块试块来来历历：1 1规规范范试块试块：如：如IIWIIW试块试块和和IIW2IIW2试块试块2 2参考参考试块试块：如：如CS-1CS-1试块试块、CSK-IACSK-IA试块试块等等2 2、按、按试块试块上人工反射体：上人工反射体：1 1平底孔平底孔试块试块：如：如CS-ICS-I、CS-2CS-2试块试块2 2横孔横孔试块试块：如：如CSK-IACSK-IA和和CSK-CSK-A A3 3槽形槽形试块试块：如无：如无缝钢缝钢管探管探伤伤中所用的中所用的试块试块，内、外，内、外圆圆外外表就加工有三角尖槽。表就加工有三角尖槽。三、国内外常用试块简介三、国内外常用试块简介1 1、IIWIIW试块试块1 1尺寸：如图尺寸：如图3.213.212 2材质：材质：2020号钢，正火处置，晶粒度号钢，正火处置，晶粒度7-87-8级级2 2、IIW2IIW2试块试块1 1尺寸：如图尺寸：如图3.223.222 2主要用途：主要用途：1 1测定斜探头的入射点和折射角测定斜探头的入射点和折射角2 2测仪器的程度线性、垂直线性和动态范围测仪器的程度线性、垂直线性和动态范围3 3测仪器和探头的组合灵敏度测仪器和探头的组合灵敏度3 3、CSK-IACSK-IA试块试块在在IIWIIW试块试块根底上改良得到，根底上改良得到，CSK-IACSK-IA试块试块有三点改良；有三点改良；1 1将直孔将直孔5O5O改改为为5050、4444、4O4O台台阶阶孔，以便于孔，以便于测测定定横波斜探横波斜探头头的分辨力。的分辨力。2 2将将R100R100改改为为RIOORIOO、R50R50阶阶梯梯圆圆弧，以便于弧，以便于调调整横波整横波扫扫描速度和探描速度和探测测范范围围。3 3将将试块试块上上标标定的折射角改定的折射角改为为K K值值(K=g2)(K=g2)，从而可直接，从而可直接测测出横波斜探出横波斜探头头的的K K值值。4 4、半、半圆试块圆试块构造：构造：5 5、CSKCSKA A、CSKCSKA A试块试块和和CSKCSKA A试块试块JB437094JB437094规规范中范中规规定的定的焊缝焊缝超声波探超声波探伤伤用的横孔用的横孔规规范范试块试块。6 6、CS1CS1和和CS2CS2试块试块CS1CS1和和CS2CS2试块试块是我国机械部是我国机械部颁颁平底孔平底孔规规范范试块试块，材材质质普通普通为为4545号碳索号碳索钢钢。7 7、RBRB试块试块RBRB试块试块是是钢焊缝钢焊缝手工超声波探手工超声波探伤伤方法和探方法和探伤结伤结果分果分级规级规范范GB1134589GB1134589规规定的定的试块试块。该试块该试块上加工有上加工有3mm3mm横通孔，横通孔，试块试块的材的材质质与被与被检检工件工件一一样样或相近。或相近。8 8、钢钢板探板探伤试块伤试块试块试块的材的材质质与被探与被探钢钢板一板一样样或相近。或相近。试块试块上的人工缺陷上的人工缺陷为为55平底孔。平底孔。该试块该试块主要用于主要用于调调理探理探伤伤灵敏度。适用于灵敏度。适用于板厚板厚为为6-250mm6-250mm的的压压力容器用力容器用钢钢板超声波探板超声波探伤伤。9 9、无、无缝钢缝钢管探管探伤试块伤试块主要用于主要用于调调理探理探伤伤灵敏度和灵敏度和对对工件工件评级评级。适用于外径。适用于外径为为12-480mm,12-480mm,壁厚壁厚2mm2mm的的压压力容器高力容器高压压无无缝钢缝钢管或外径管或外径为为12-160mm12-160mm、壁厚、壁厚为为2-10mm2-10mm的不的不锈钢锈钢管超声波探管超声波探伤伤。义务五义务五 仪器和探头的性能及其测试仪器和探头的性能及其测试一、一、仪仪器的性能及其器的性能及其测试测试1 1、垂直、垂直线线性：性：1 1定定义义：指：指仪仪器示波屏上的波高与探器示波屏上的波高与探头头接接纳纳的信号之的信号之间间成成正比的程度。正比的程度。2 2测试测试方法：方法：1 1 抑制抑制 至至“0“0， 衰减器衰减器 保管保管30dB30dB衰减余量。衰减余量。2 2直探直探头头置于置于IIWIIW上，上，对对准准25mm25mm底面。底面。3 3调仪调仪器使某次底波位于示波屏的中器使某次底波位于示波屏的中间间，并达，并达满满幅度幅度100%100%，但不，但不饱饱和，作和，作为为“0“0dBdB。4 4固定固定 增益增益 和其他旋和其他旋钮钮，调调 衰减器衰减器 ，每次衰减，每次衰减2dB2dB，并并记记下相下相应应的波高，直究竟波消逝。的波高，直究竟波消逝。5 5计计算垂直算垂直线线性性误误差差3 3仪仪器要求：垂直器要求：垂直线线性性误误差差D8%D8%2 2、程度、程度线线性性1 1定定义义：指：指仪仪器示波屏上器示波屏上时时基基线显线显示的程度刻度示的程度刻度值值与与实实践践声程之声程之间间成正比的程度。成正比的程度。2 2测试测试方法：方法：1 1将直探将直探头头置于置于IIWIIW上，上，对对准准25mm25mm厚大平底面。厚大平底面。2 2调调 微微调调 、 程度程度 或或 脉冲移位脉冲移位 旋旋钮钮，使示波屏上出，使示波屏上出现现五次底波，使五次底波，使B1B1对对准准2.02.0，B5B5对对准准10.010.0。记录记录B2B2、B3B3、B4B4与程度刻度与程度刻度4 40 0、6 60 0、8 80 0偏向偏向值值a2a2、a3a3、a4a43 3计计算程度算程度线线性性误误差差3 3仪仪器要求：程度器要求：程度线线性性误误差差2%2%3 3、动态动态范范围围1 1定定义义：指：指仪仪器示波屏包容信号大小的才干。器示波屏包容信号大小的才干。2 2测试测试方法：方法：抑制抑制 到到“0“0，将，将满满幅度幅度100%100%某波高用衰减器衰减某波高用衰减器衰减到到刚刚能能识别识别的最小的最小值值所需衰减的分所需衰减的分贝值贝值就是就是仪仪器的器的动态动态范范围围。3 3仪仪器要求：器要求：动态动态范范围围不小于不小于26dB26dB4 4、衰减器精度、衰减器精度1 1衰减器的衰减器的误误差差N N可按下式估算：可按下式估算：N(dB)=20lgH1/H2N(dB)=20lgH1/H22 2仪仪器要求：恣意相器要求：恣意相邻邻12dB12dB误误差差ldBldB。二、探二、探头头的性能及其的性能及其测试测试1 1、斜探、斜探头头入射点入射点1 1定定义义：指其主声束：指其主声束轴线轴线与探与探测测面的交点。入射点至探面的交点。入射点至探头头前沿的前沿的间间隔称隔称为为探探头头的前沿的前沿长长度。度。2 2测试测试方法如方法如图图3.413.41：将斜探将斜探头头放在放在IIWIIW试块试块上，使上，使R100R100圆圆柱曲底面回波达最柱曲底面回波达最高高时时，斜楔底面与，斜楔底面与试块圆试块圆心的重合点就是心的重合点就是该该探探头头的入射的入射点。点。这时这时探探头头的前沿的前沿长长度度为为：l0=RMl0=RM2 2、斜探、斜探头头K K值值和折射角和折射角ss1 1定定义义：K=tgsK=tgs2 2测试测试方法：方法：当探当探头头置于置于B B位置位置时时，可，可测测定定K=0.7-1.73K=0.7-1.73当探当探头头置于置于C C位置位置时时，可，可测测定定K=1.73-3.73K=1.73-3.73当探当探头头置于置于D D位置位置时时，可，可测测定定K=3.73-5.67K=3.73-5.67以以C C位置位置为为例：例： 3 3、探、探头头主声束偏离与双峰主声束偏离与双峰1 1定定义义：探探头实头实践主声束与其践主声束与其实际实际几何中心几何中心轴线轴线的偏离程度称的偏离程度称为为主声束的偏离，常用偏离角主声束的偏离，常用偏离角 来表示。平行平挪来表示。平行平挪动动探探头头，同一反射体同一反射体产产生两个波峰的景象称生两个波峰的景象称为为双峰。双峰。2 2测试测试方法以斜探方法以斜探头为头为例：例：探探头对头对准准试块试块棱棱边边，挪，挪动动并并转动转动探探头头，找到棱，找到棱边边最高回最高回波，波，这时这时探探头侧头侧面平行面平行线线与棱与棱边边法法线夹线夹角角 就是主声束就是主声束偏离角。探偏离角。探头对头对准横孔，并前后平行挪准横孔，并前后平行挪动动，当示波屏出，当示波屏出现现双峰波形双峰波形时时，阐阐明探明探头头具有双峰。具有双峰。 4 4、探、探头头声束特性声束特性1 1直探直探头头: :先在直探先在直探头圆头圆周四个周四个对对称位置上作出称位置上作出标标志志+x+x、- -x x、+y+y、-y-y，再将探，再将探头对头对准准试块试块上的声程上的声程为为2N2N左右的某左右的某横通孔，找到最高回波，然后沿横通孔，找到最高回波，然后沿X X方向平行挪方向平行挪动动探探头头，测测出横通孔回波下降出横通孔回波下降6dB6dB时时探探头头挪挪动间动间隔隔W-xW-x、W+xW+x。用同用同样样方法方法测测出出y y方向的探方向的探头头挪挪动间动间隔隔W-yW-y、W+yW+y。2 2斜探斜探头头：将探：将探头头放在放在40mm40mm厚的厚的试块试块上，挪上，挪动动探探头头找到找到44竖竖痛孔最高回波，并在痛孔最高回波，并在试块试块上上标标志探志探头头中心中心OO点，然点，然后使探后使探头头在在OO点左右挪点左右挪动动，找到使，找到使44回波下降回波下降6dB6dB时时的的挪挪动间动间隔隔W+yW+y、W-yW-y。 三、三、仪仪器和探器和探头头的的综综合性能及其合性能及其测试测试 1 1、灵敏度：整个探、灵敏度：整个探伤伤系系统发现统发现最小缺陷的才干。最小缺陷的才干。1 1衡量衡量规规范：常用灵敏度余量来衡量。范：常用灵敏度余量来衡量。2 2灵敏度余量灵敏度余量测试测试方法：方法：1 1仪仪器与直探器与直探头头的的测试测试：仪仪器器 增益增益 至最大，至最大， 抑制抑制 至至“0“0， 发发射射强强度度 至至“ “强强，衔衔接探接探头头，并使探，并使探头悬头悬空，空，调调 衰减器衰减器 使使电电噪声噪声电电平平l0%l0%，记记下此下此时时的的 衰减器衰减器 的的读读数数N1dBN1dB。将探将探头对头对准准200/2200/2。调调 衰减器衰减器 使使22平底孔回波高达平底孔回波高达5050，记记下此下此时时 衰减器衰减器 读读数数N2dBN2dB。N=N2-N1(dB)N=N2-N1(dB)2 2仪仪器与斜探器与斜探头头的的测试测试： 增益增益 至最大，至最大， 抑制抑制 至至“O“O，发发射射强强度至度至“ “强强，衔衔接接探探头头并并悬悬空，空，记记下下电电噪声噪声电电平平l0l0的衰减量的衰减量N1N1。探探头头置于置于IIWIIW试块试块上，上，记记下使下使R100R100圆圆弧面的第一次反射弧面的第一次反射波最高达波最高达5050时时的衰减量的衰减量N2N2。N=N2-Nl(dB)N=N2-Nl(dB)