www.cnshu.cn大量资料天天更新超声波探伤超声波探伤主讲：唐海波www.cnshu.cn大量资料天天更新目目 录录第一章超声波探伤的物理基础第二章超声波发射声场与规则反射体的回波声压第三章仪器、探头和试块www.cnshu.cn大量资料天天更新第一章第一章 超声波探伤的物理基础超声波探伤的物理基础 第一节第一节 振动与波动振动与波动 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www.cnshu.cn大量资料天天更新第一节第一节 振动与波动振动与波动一、振动一、振动11、振动的一般概念、振动的一般概念11）定义：物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作）定义：物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。往复周期性的运动，称为机械振动。22）例子：）例子：直接觉察直接觉察弹簧振子、钟摆和汽缸中活塞运动。弹簧振子、钟摆和汽缸中活塞运动。难以觉察难以觉察固体分子的热运动，一切发声物体的运动固体分子的热运动，一切发声物体的运动以及超声波波源的运动。以及超声波波源的运动。33）描述：）描述：（1 1）周期）周期TT振动物体完成一次全振动所需要的时间，振动物体完成一次全振动所需要的时间，称为振动周期，用称为振动周期，用T T表示。常用单位为秒表示。常用单位为秒(s)(s)。（2 2）频率）频率ff振动物体在单位时间内完成全振动的次振动物体在单位时间内完成全振动的次数，称为振动频率，用数，称为振动频率，用f f表示。常用单位为赫兹表示。常用单位为赫兹(Hz)(Hz)。 www.cnshu.cn大量资料天天更新2 2、谐振动、谐振动11）定义：最简单最基本的直线振动称为谐振动。）定义：最简单最基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，为自由振动，其频率为固有频率。）振幅不变，为自由振动，其频率为固有频率。（3 3）物体做谐振动时，只有弹性力或重力做功，其它）物体做谐振动时，只有弹性力或重力做功，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，其总能量保持不在位移最大位置时势能最大动能为零，其总能量保持不变。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。阻尼振动受）特点：振幅不断减少，而周期却不变。阻尼振动受到阻力作用，不符合机械能守恒。到阻力作用，不符合机械能守恒。www.cnshu.cn大量资料天天更新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：受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间）特点：受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间后达到稳定状态，变为周期性的谐振动。其振动频率与后达到稳定状态，变为周期性的谐振动。其振动频率与策动力频率相同，振幅保持不变。受迫振动物体受到策策动力频率相同，振幅保持不变。受迫振动物体受到策动力作用，不符合机械能守恒。动力作用，不符合机械能守恒。33）共振：受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动）共振：受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动力频率力频率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。相同时，受迫振动。相同时，受迫振动的振幅达最大值。这种现象称为共振。的振幅达最大值。这种现象称为共振。44）共振在超声的应用：设计探头中的压电晶片时，应使）共振在超声的应用：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。www.cnshu.cn大量资料天天更新二、波动二、波动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。波动分为机械波和）定义：振动的传播过程。波动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）产生机械波的条件：）产生机械波的条件：（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。www.cnshu.cn大量资料天天更新33）特点：）特点： （1 1）振动与波动是互相关联的，振动是产生波）振动与波动是互相关联的，振动是产生波动的根源，波动是振动状态的传播。波动中介质动的根源，波动是振动状态的传播。波动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）波动是振动状态的传播过程，也是振动能）波动是振动状态的传播过程，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连续变化来逐渐来完成的，而是由各质点的位移连续变化来逐渐传递出去的，犹如人们传递砖块一样。传递出去的，犹如人们传递砖块一样。www.cnshu.cn大量资料天天更新22、波长、频率和波速、波长、频率和波速11）波长）波长 ：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，用距离，用 表示。常用单位为毫米表示。常用单位为毫米(mm)(mm)或米或米(m)(m)。22）频率）频率f f：波动中，任一点在：波动中，任一点在1 1秒内所通过的完整波个数。秒内所通过的完整波个数。波动频率在数值上同振动频率，单位为赫兹波动频率在数值上同振动频率，单位为赫兹(HZ)(HZ)。33）波速）波速C C：波动中，波在单位时间内所传播的距离，用：波动中，波在单位时间内所传播的距离，用C C表示。常用单位为米表示。常用单位为米/ /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，波长与波速成正比，与频率成反比。当频由上式可知，波长与波速成正比，与频率成反比。当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。率愈低，波长就愈长。www.cnshu.cn大量资料天天更新三、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相同点：次声波、声波和超声波都是在弹性介相同点：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相质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。同。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。www.cnshu.cn大量资料天天更新22、超声波的应用、超声波的应用超声探伤所用的频率一般在超声探伤所用的频率一般在0.5-10MHz0.5-10MHz之间，对钢等金之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为属材料的检验，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，在无损探伤中使用的波长为毫米数量级。超声机械波，在无损探伤中使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)超声波穿透能力强：超声波传播能量损失小，传播超声波穿透能力强：超声波传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强。距离大，穿透能力强。www.cnshu.cn大量资料天天更新3、次声波的应用次声波的频率很低，波长很长，绕射能力强，传播衰减小、距离远。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，沿着与地球表面平行的方向传播。www.cnshu.cn大量资料天天更新第二节第二节 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波动传播时介质质点的振动方向相对根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，可将波动分为纵波、横于波的传播方向的不同，可将波动分为纵波、横波、表面波和板波等。波、表面波和板波等。1 1、纵波、纵波L L（压缩波，疏密波）（压缩波，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互相平行的波。方向互相平行的波。22）特点：当介质质点受到交变拉压应力作用）特点：当介质质点受到交变拉压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。这时介质质点疏密相间，故纵波又称为压缩波。这时介质质点疏密相间，故纵波又称为压缩波或疏密波。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 www.cnshu.cn大量资料天天更新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互相垂直的波。2）特点：当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变形变，从而形成横波。3）传播介质：固体介质www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3、表面波、表面波R R（瑞利）（瑞利）1 1）定义：当介质表面受到交变应力作用对，）定义：当介质表面受到交变应力作用对，产生沿介质表面传播的波。产生沿介质表面传播的波。2 2）特点：表面波在介质表面传播时，介质表）特点：表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方面质点作椭圆运动，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。表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。成。表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，质点的振幅就已经当传播深度超过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了。因此，一般认为，表面波探伤只能发现很小了。因此，一般认为，表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。距工件表面两倍波长深度内的缺陷。3 3）传播介质：固体表面传播。）传播介质：固体表面传播。www.cnshu.cn大量资料天天更新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：水平偏振的横波在薄板中传播的波。波：水平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，相当于固体介质表面中的横波。的传播方向，相当于固体介质表面中的横波。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质兰姆波的特点是薄板中心质点作纵向振动，上下表面质点作椭圆运动、振动点作纵向振动，上下表面质点作椭圆运动、振动相位相反并对称于中心。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质兰姆波特点是薄板中心质点作横向振动，上下表面质点作椭圆运动、相位点作横向振动，上下表面质点作椭圆运动、相位相同，不对称。相同，不对称。www.cnshu.cn大量资料天天更新二、按波的形状分类二、按波的形状分类1 1、有关概念：、有关概念：1 1）波的形状）波的形状( (波形波形) )是指波阵面的形状。是指波阵面的形状。22）波阵面：同一时刻，介质中振动相位相同）波阵面：同一时刻，介质中振动相位相同的所有质点所联成的面称为波阵面，的所有质点所联成的面称为波阵面，33）波前：某一时刻，波动所到达的空间各点）波前：某一时刻，波动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。www.cnshu.cn大量资料天天更新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：波阵面为互相平行的平面的波。平面波的）平面波：波阵面为互相平行的平面的波。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。平面波波束不扩散，平面波各质点振幅是一个常数，不随距离而变不扩散，平面波各质点振幅是一个常数，不随距离而变化。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。柱面波波束向四周扩散，质中辐射的波可视为柱面波。柱面波波束向四周扩散，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扩散，辐射的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩散，球面波各质点的振幅与距离成反比。球面波各质点的振幅与距离成反比。 www.cnshu.cn大量资料天天更新三、按振动的持续时间分类1、连续波：波源持续不断地振动所辐射的波。超声波穿透法探伤常采用连续波。2、脉冲波：波源振动持续时间很短(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。www.cnshu.cn大量资料天天更新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www.cnshu.cn大量资料天天更新第三节第三节 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、横波与表面波声速1、固体介质不仅能传播纵波，而且可以传播横波和表面波等，但它们的声速是不相同的。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。www.cnshu.cn大量资料天天更新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：表面波声速为：www.cnshu.cn大量资料天天更新由以上三式可知：由以上三式可知：（1 1）固体介质中的声速与介质的密度和弹性）固体介质中的声速与介质的密度和弹性横量等有关，不同的介质，声速不同；介质的弹横量等有关，不同的介质，声速不同；介质的弹性模量愈大，密度愈小，则声速愈大。性模量愈大，密度愈小，则声速愈大。（2 2）声速还与波的类型有关，在同一固体介）声速还与波的类型有关，在同一固体介质中、纵波、横波和表面波的声速各不相同，并质中、纵波、横波和表面波的声速各不相同，并且相互之间有以下关系：且相互之间有以下关系：CLCLCSCSCRCR这表明，在同一种固体材料中，纵波声速大这表明，在同一种固体材料中，纵波声速大于横波声速，横波声速又大于表面波声速。于横波声速，横波声速又大于表面波声速。（3 3）对于钢材，）对于钢材，0.280.28，CL1.8CsCL1.8Cs，CR0.9CsCR0.9Cs，即，即CL:Cs:CR1.8:1:0.9CL:Cs:CR1.8:1:0.9。www.cnshu.cn大量资料天天更新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：。www.cnshu.cn大量资料天天更新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）一般固体中的声速随介质温度升高而降低。）一般固体中的声速随介质温度升高而降低。2 2）固体介质的应力状况对声速有一定的影响，）固体介质的应力状况对声速有一定的影响，一般应力增加，声速增加，但增加缓慢。一般应力增加，声速增加，但增加缓慢。3 3）固体材料组织均匀性对声速的影响在铸铁）固体材料组织均匀性对声速的影响在铸铁中表现较为突出。铸铁表面与中心，由于冷却速中表现较为突出。铸铁表面与中心，由于冷却速度不同而具有不同的组织，表面冷却快，晶粒细，度不同而具有不同的组织，表面冷却快，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，石墨含量和尺寸增加，声速减少。量和尺寸增加，声速减少。www.cnshu.cn大量资料天天更新二、板波声速二、板波声速1 1、由于板波传播时受到上下板面的影响，因此板波声速与、由于板波传播时受到上下板面的影响，因此板波声速与纵波、横波、表面波不同，它不仅与介质性质有关，而纵波、横波、表面波不同，它不仅与介质性质有关，而且与板厚、频率等有关。只有当板厚、频率、声速之间且与板厚、频率等有关。只有当板厚、频率、声速之间满足一定关系时，板波才能顺利传播。满足一定关系时，板波才能顺利传播。2 2、板波声速分为相速度和群速度。、板波声速分为相速度和群速度。1 1）相速度是指单一频率的声波在介质中的传播速度。）相速度是指单一频率的声波在介质中的传播速度。2 2）群速度是指多个相差不多的频率的波在同一介质中）群速度是指多个相差不多的频率的波在同一介质中传播时互相合成后的包络线的传播速度传播时互相合成后的包络线的传播速度。3 3、板波声速、板波声速CpCp与与fdfd、C CS S、C CL L有关。有关。4 4、实际探伤中，若是频率单一的连续波，那么板波声速就、实际探伤中，若是频率单一的连续波，那么板波声速就是相速度；若是脉冲波，那么板波声速就是群速度。是相速度；若是脉冲波，那么板波声速就是群速度。 www.cnshu.cn大量资料天天更新三、液体、气体介质中的声速三、液体、气体介质中的声速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承受压应力，不能承受剪切应）由于液体和气体只能承受压应力，不能承受剪切应力，因此液体和气体介质中只能传播纵波，不能传播横力，因此液体和气体介质中只能传播纵波，不能传播横波和表面波。液体和气体中的纵波波速为：波和表面波。液体和气体中的纵波波速为：22）由公式可知，液体、气体介质中的纵波声速与其容）由公式可知，液体、气体介质中的纵波声速与其容变弹性模量和密度有关，介质的容变弹性模量愈大、密变弹性模量和密度有关，介质的容变弹性模量愈大、密度愈小，声速就愈大。度愈小，声速就愈大。2 2、液体介质中的声速与温度的关系、液体介质中的声速与温度的关系1 1）几乎除水以外的所有液体，当温度升高时，容变弹）几乎除水以外的所有液体，当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低。性模量减小，声速降低。2 2）水温度在）水温度在7474左右时声速达最大值，当温度低于左右时声速达最大值，当温度低于7474时，声速随温度升高而增加；当温度高于时，声速随温度升高而增加；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。 www.cnshu.cn大量资料天天更新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，如）定义：当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。相遇后仍保持自己原各列波引起位移的矢量和。相遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传有的频率、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其播方向继续前进，好象在各自的途中没有遇到其他波一样。他波一样。2 2）现象举例：石子落水，）现象举例：石子落水， 乐队合奏或几个人乐队合奏或几个人谈话。谈话。 www.cnshu.cn大量资料天天更新2、波的干涉：1 1）定义：两列频率相同，振动方向相同，位相相同或）定义：两列频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加位相差恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象。强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象。产生干涉现象的波叫相干波，其波源称为相干波源。产生干涉现象的波叫相干波，其波源称为相干波源。22）如图）如图1.201.20所示，点波源所示，点波源S1S1、S2S2在在MM点引起的振动点引起的振动为：为：www.cnshu.cn大量资料天天更新质点质点MM的合振动为：的合振动为：由上可知：由上可知：(1)(1)当当 nn（n n为整数为整数) )时，时，A=A1+A2A=A1+A2。这说明当两相。这说明当两相干波的波程差等于波长的整数倍时，二者互相加强，合干波的波程差等于波长的整数倍时，二者互相加强，合振幅达最大值。振幅达最大值。(2)(2)当当=(2n+1)/2(n=(2n+1)/2(n为整数为整数) )时，时，A=A1-A2A=A1-A2。这说明。这说明当两相干波的波程差等于半波长的奇数倍时，二者互相当两相干波的波程差等于半波长的奇数倍时，二者互相抵消，合振幅达最小值。若抵消，合振幅达最小值。若A1=A2A1=A2，则，则A=0A=0，即二者完，即二者完全抵消。全抵消。www.cnshu.cn大量资料天天更新二、驻波1、定义：两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相迭加而成的波，称为驻波。2、波腹、波节驻波迭加时，有的点振幅恒为0，即这些点始终静止不动，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。波线上其余各点的振幅在0和2A之间。可见，驻波波线上各点似乎在作分段振动。www.cnshu.cn大量资料天天更新三、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：波动中任何质点都可以看作是新的波源。、惠更斯原理：波动中任何质点都可以看作是新的波源。22、波的衍射、波的衍射( (绕射绕射) )11）定义：波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，）定义：波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象。能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象。2 2）特点：波的衍射使波的传播方向改变，从而使缺陷）特点：波的衍射使波的传播方向改变，从而使缺陷背后的声影缩小，反射波降低；波的绕射和障碍物尺寸背后的声影缩小，反射波降低；波的绕射和障碍物尺寸及波长及波长 的相对大小有关，当的相对大小有关，当时反射强，绕射弱，声时反射强，绕射弱，声波几乎全反射。波几乎全反射。3 3）对探伤的利和弊：）对探伤的利和弊：有利：使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播。有利：使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播。不利：使一些小缺陷回波显著下降，以致造成漏检。不利：使一些小缺陷回波显著下降，以致造成漏检。 www.cnshu.cn大量资料天天更新第五节第五节超声场的特征值超声场的特征值一、声压一、声压P P1 1、定义：超声场中某一点在某一时刻所具有的压强与没有、定义：超声场中某一点在某一时刻所具有的压强与没有超声波存在时的静态压强之差，称为该点的声压，用表超声波存在时的静态压强之差，称为该点的声压，用表示。示。2 2、单位：帕斯卡、单位：帕斯卡(Pa)(Pa)，微帕斯卡，微帕斯卡(Pa)(Pa)1Pa=1N/m1Pa=1N/m2 21Pa=101Pa=106 6PaPa3 3、表达式：、表达式：4 4、特点：声压的幅值与介质密度、波速和频率成正比。、特点：声压的幅值与介质密度、波速和频率成正比。55、超声波探伤仪示波屏上的波高与声压成正比。、超声波探伤仪示波屏上的波高与声压成正比。www.cnshu.cn大量资料天天更新二、声阻抗二、声阻抗Z Z1 1、定义：超声场中任一点的声压与该处质点振动、定义：超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗，常用速度之比称为声阻抗，常用Z Z表示。表示。Z=p/u=cu/u=cZ=p/u=cu/u=c2 2、单位：克、单位：克/ /厘米厘米2 2 秒秒(g/cm(g/cm2 2s)s)或或 千克千克/ /米米2 2(kg/m(kg/m2 2s)s)。33、特点：声阻抗是表征介质声学性质的重要物理、特点：声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量。超声波在两种介质组成的界面上的反射和透量。超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。射情况与两种介质的声阻抗密切相关。4 4、相关量：材料的声阻抗与温度有关，一般材料、相关量：材料的声阻抗与温度有关，一般材料的声阻抗随温度升高而降低。这是因为声阻抗的声阻抗随温度升高而降低。这是因为声阻抗Z=CZ=C，而大多数材料的密度，而大多数材料的密度 和声速和声速C C随温度增随温度增加而减少。加而减少。www.cnshu.cn大量资料天天更新三、声强三、声强I I1 1、定义：单位时间内垂直通过单位面积的声能称、定义：单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，常用为声强，常用I I表示。表示。2 2、单位：瓦、单位：瓦/ /厘米厘米2 2(W/cm(W/cm2 2) )或或 焦耳焦耳/ /厘米厘米2 2 秒秒(J/cm(J/cm2 2s)s)。3 3、当超声波传播到介质中某处时，该处原来静止、当超声波传播到介质中某处时，该处原来静止不动的质点开始振动。因而具有动能。同时该处不动的质点开始振动。因而具有动能。同时该处介质产生弹性变形，因而也具有弹性位能，其总介质产生弹性变形，因而也具有弹性位能，其总能量为二者之和。能量为二者之和。www.cnshu.cn大量资料天天更新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)超声波传播过程中，单位体积元所具有的总超声波传播过程中，单位体积元所具有的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)由于超声波的声强与频率平方成正比，而超由于超声波的声强与频率平方成正比，而超声波的频率远大于可闻声波。因此超声波的声强声波的频率远大于可闻声波。因此超声波的声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)在同一介质中，超声波的声强与声压的平在同一介质中，超声波的声强与声压的平方成正比。方成正比。www.cnshu.cn大量资料天天更新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：生产科学实验中，声强数量级往往相差悬、产生的背景：生产科学实验中，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1010-16_-16_1010-14-14瓦瓦/ /厘米厘米2 2 ，最，最大值与最小值相差大值与最小值相差1212个数量级。显然采用绝对量来度量个数量级。显然采用绝对量来度量是不方便的是不方便的, ,但如果对其比值但如果对其比值( (相对量相对量) )取对数来比较计算取对数来比较计算则可大大简化运算。分贝与奈培就是两个同量纲的量之则可大大简化运算。分贝与奈培就是两个同量纲的量之比取对数后的单位。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I I1 1=10=10-16-16瓦瓦/ /厘米厘米2 2为作为声为作为声强的标准，另一声强强的标准，另一声强I I2 2与标准声强与标准声强I I1 1之比的常用对数称为之比的常用对数称为声强级，单位为贝尔声强级，单位为贝尔(BeL)(BeL)。(BeL)(BeL)www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3、实际应用贝尔太大，故常取、实际应用贝尔太大，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1010-16-16瓦瓦/ /厘米厘米2 2为标准利用上式计算得到的。为标准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 1010-16-16瓦瓦/ /厘米厘米2 2 00dBdB树叶沙沙声树叶沙沙声 1010-15-15瓦瓦/ /厘米厘米2 2 10dB10dB耳语耳语 1010-14-14瓦瓦/ /厘米厘米2 220dB20dB谈话谈话 1010-11-11瓦瓦/ /厘米厘米2 2 50dB50dB大炮声大炮声 1010-6-6瓦瓦/ /厘米厘米2 2100dB100dB超声波超声波 1010+4+4瓦瓦/ /厘米厘米2 2200dB200dBwww.cnshu.cn大量资料天天更新、在超声波探伤中，当超声波探伤仪的垂直线性、在超声波探伤中，当超声波探伤仪的垂直线性较好时，仪器示波屏上的波高与声压成正比。这较好时，仪器示波屏上的波高与声压成正比。这时有时有(dB)(dB)注：这里声压基准注：这里声压基准P1P1或波高基准或波高基准H1H1可以任意可以任意选取。选取。11）当时，）当时，0dB0dB，说明两波高相等时，二，说明两波高相等时，二者的分贝差为零者的分贝差为零22）当时，）当时，6dB6dB，说明，说明H H2 2为为H H1 1的的2 2倍时，倍时，H2H2比比H1H1，高，高6dB6dB。33）当时，）当时， -6dB-6dB，说明，说明H H2 2为为H H1 1的的l/2l/2时，时，H2H2比比H1H1低低6dB6dB。www.cnshu.cn大量资料天天更新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，则其单位为奈（NP）（NP）7、单位转换：1NP=8.68dB1dB=0.115NPwww.cnshu.cn大量资料天天更新二、分贝与奈培的应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，分贝概念的引用对超声探伤有很重要的实用价值。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。www.cnshu.cn大量资料天天更新例2，示波上有A、B、C三个波，其中A波比B波高3dB，已知B波高为50mm，求A、C各为多少mm?解：由已知得=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。www.cnshu.cn大量资料天天更新第七节第七节 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相同的透射波，如教材图一个与入射波方向相同的透射波，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P P0 0( (声强为声强为I I0 0), ),反射波的电压为反射波的电压为P Pr r( (声强声强为为I Ir r, ,透射波的声压为透射波的声压为P Pt t( (声强为声强为I It t). ).11）界面上反射波声压）界面上反射波声压P Pr r与入射波声压与入射波声压P P0 0之比称为界面的之比称为界面的声压反射率，用声压反射率，用r r表示，即表示，即r=Pr=Pr r/P/P0 0 。22）界面上透射波声压）界面上透射波声压P Pt t与入射波声压与入射波声压P P0 0之比称为界面的之比称为界面的声压透射率，用声压透射率，用t t表示，即表示，即t=Pt=Pt t/P/P0 0 。www.cnshu.cn大量资料天天更新4 4、在界面两侧的声波，必须符合下列两个条件：、在界面两侧的声波，必须符合下列两个条件：1)1)界面两侧的总声压相等，即界面两侧的总声压相等，即PP0 0+P+Pr r=P=Pt t。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、由上述两边界条件和声压反射率，透射率定义得：、由上述两边界条件和声压反射率，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www.cnshu.cn大量资料天天更新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。www.cnshu.cn大量资料天天更新88、以上各式说明超声波垂直入射到平界面上时，声压或、以上各式说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： www.cnshu.cn大量资料天天更新二、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。则：则：以上计算表明，超声波垂直入射到水以上计算表明，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，说明符合能量守恒。，说明符合能量守恒。 ，www.cnshu.cn大量资料天天更新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。则则以上表明，超声波垂直入射到钢以上表明，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/ /钢界面相同。由此可见钢界面相同。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。 www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3、当、当Z1Z2Z1Z2时，时，( (如钢如钢/ /空气界面空气界面) )，则则计算表明，当入射波介质声阻抗远大于透射波介质声阻计算表明，当入射波介质声阻抗远大于透射波介质声阻抗时，声压反射率趋于抗时，声压反射率趋于-1-1，透射率趋于，透射率趋于0 0，即声压几乎全，即声压几乎全反射，无透射，只是反射波声压与入射波声压有反射，无透射，只是反射波声压与入射波声压有180180相相位变化。位变化。探伤中，探头和工件间如不施加耦合剂，则形成固探伤中，探头和工件间如不施加耦合剂，则形成固( (晶片晶片)/ )/气界面，超声波将无法进入工件。气界面，超声波将无法进入工件。www.cnshu.cn大量资料天天更新4 4、当、当Z1Z2Z1Z2时，即界面两侧介质的声阻抗近似相等时。如时，即界面两侧介质的声阻抗近似相等时。如钢的淬火部分与非淬火部分及普通碳钢焊缝的母材与填钢的淬火部分与非淬火部分及普通碳钢焊缝的母材与填充金属之间的声阻抗相差很小，一般为充金属之间的声阻抗相差很小，一般为1%1%左右。设左右。设Z1=1Z1=1，Z2=0.99Z2=0.99，则：，则：这说明超声波垂直入射到两种声阻抗相差很小的介质组这说明超声波垂直入射到两种声阻抗相差很小的介质组成的界面时成的界面时, ,几乎全透射，无反射。因此在焊缝探伤中，几乎全透射，无反射。因此在焊缝探伤中，若母材与填充金属结合面没有任何缺陷，是不会产生界若母材与填充金属结合面没有任何缺陷，是不会产生界面回波的。面回波的。5 5、以上讨论的超声波垂直到单一平界面上的声压、声强、以上讨论的超声波垂直到单一平界面上的声压、声强反射率和透射率公式同样适用于横波入射的情况，但必反射率和透射率公式同样适用于横波入射的情况，但必须注意的是在固体须注意的是在固体/ /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。因为横波不能在液体和气体中传播。射。因为横波不能在液体和气体中传播。www.cnshu.cn大量资料天天更新二、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、超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与、超声波通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，形成一系列波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射，形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、透射波互相叠加产生干涉。透射波互相叠加产生干涉。www.cnshu.cn大量资料天天更新2 2、超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介、超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波长质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波长之比有关。之比有关。33、均匀介质中的异质薄层、均匀介质中的异质薄层(Z1(Z1Z3Z2)Z3Z2)11）对于）对于Z1=Z3Z2Z1=Z3Z2，即均匀介质中的异质薄层，其声压，即均匀介质中的异质薄层，其声压反射率与透射率为：反射率与透射率为：www.cnshu.cn大量资料天天更新2 2）由以上公式可知：）由以上公式可知：（1 1）当）当(n(n为整数为整数) )时，时，r0r0，t1t1。这说明当薄层两侧介质声阻抗相等，薄层厚度为其半波这说明当薄层两侧介质声阻抗相等，薄层厚度为其半波长的整数倍时，超声波全透射，几乎无反射长的整数倍时，超声波全透射，几乎无反射(r0)(r0)，好象，好象不存在异质薄层一样。这种透声层常称为半波透声层。不存在异质薄层一样。这种透声层常称为半波透声层。（2 2）当）当(n(n为整数为整数) )时，即异质薄层厚度时，即异质薄层厚度等于其四分之一波长的奇数倍时，声压透射率最低，声等于其四分之一波长的奇数倍时，声压透射率最低，声压反射率最高。压反射率最高。www.cnshu.cn大量资料天天更新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- - -保护膜保护膜- -工件，其声强透射率为：工件，其声强透射率为： 2 2）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，若薄层厚度等于半波长的整数倍，则通过薄层的声强透若薄层厚度等于半波长的整数倍，则通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。射率与薄层的性质无关，好象不存在薄层一样。 （2 2）表明超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，）表明超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，若薄层厚度等于若薄层厚度等于的奇数倍，薄层声阻抗为其两侧介的奇数倍，薄层声阻抗为其两侧介质声阻抗几何平均值时，即质声阻抗几何平均值时，即，其声强透射，其声强透射率等于率等于1 1，超声波全透射。这对于直探头保护膜的设计，超声波全透射。这对于直探头保护膜的设计具有重要的指导意义。具有重要的指导意义。 www.cnshu.cn大量资料天天更新二、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，探头兼作发射和接收超声波。、在超声波单探头探伤中，探头兼作发射和接收超声波。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通过同一界面被探头接收，如图全反射后再次通过同一界面被探头接收，如图1.321.32所示。所示。这时探头接收到的回波声压这时探头接收到的回波声压P Pa a与入射波声压与入射波声压P P0 0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。www.cnshu.cn大量资料天天更新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，若耦合剂中声压探伤时，若耦合剂中声压全透射，钢制工件底面声压全反射，则其声压往复透射全透射，钢制工件底面声压全反射，则其声压往复透射率为：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。www.cnshu.cn大量资料天天更新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、波型转换与反射、折射定律一、波型转换与反射、折射定律1 1、波型转换：当超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类、波型转换：当超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类型的反射和折射波外，还会产生不同类型的反射和折射型的反射和折射波外，还会产生不同类型的反射和折射波。波。 2 2、纵波斜入射、纵波斜入射当纵波当纵波L L倾斜入射到固倾斜入射到固/ /固界面时，除产生反射纵波固界面时，除产生反射纵波L L和和折射纵波折射纵波LL外，还会产生反射横波外，还会产生反射横波SS和折射横波和折射横波SS如图如图所示。各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律：所示。各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律：由于同一介质中纵波波速不变，因此由于同一介质中纵波波速不变，因此L L=L L 。又由于在。又由于在同一介质中纵波波速大于横波波速，因此同一介质中纵波波速大于横波波速，因此L Ls s， L L SS。 www.cnshu.cn大量资料天天更新1 1）第一临界角）第一临界角 : :由上式可以看出，由上式可以看出，当当时，时，随着，随着L增加，增加， L也增加，也增加，当当L增加到一定程度时，增加到一定程度时， L=90=90，这时所对应的纵波，这时所对应的纵波入射角称为第一临界角，用入射角称为第一临界角，用表示。表示。2 2）第二临界角）第二临界角：由上式可以看出：由上式可以看出 ，当当时，时，随着，随着L增加，增加， s也增加，也增加，当当L增加到一定程度时，增加到一定程度时， s=90=90，这时所对应的纵波，这时所对应的纵波入射角称为第二临界角，用入射角称为第二临界角，用表示。表示。www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3）由）由和和的定义可知：的定义可知： （1 1）当）当L1时，第二介质中即有折射纵波时，第二介质中即有折射纵波LL又有又有折射横波折射横波SS。 （2 2）当）当L=-时，第二介质中只有折射横波时，第二介质中只有折射横波SS没有折射纵波没有折射纵波LL这就是常用横波探头的制作原理。这就是常用横波探头的制作原理。（3 3）当）当L时，第二介质中既无折射纵波时，第二介质中既无折射纵波L”L”，又，又无折射横波无折射横波SS。这时在其介质的表面存在表面波。这时在其介质的表面存在表面波R R，这，这就是常用表面波探头的制作原理。就是常用表面波探头的制作原理。www.cnshu.cn大量资料天天更新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。则第一、二临界角分别为：由此可见有机玻璃横波探头，有机玻璃表面波探头www.cnshu.cn大量资料天天更新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，如图所示。各反射、折射波的方向符合反射、折射定律：www.cnshu.cn大量资料天天更新2 2）横波倾斜入射时，同样存在第一、二临界角，由于）横波倾斜入射时，同样存在第一、二临界角，由于在实际探伤中无多大实际意义，故这里不再讨论，这里在实际探伤中无多大实际意义，故这里不再讨论，这里只讨论第三临界角只讨论第三临界角。由上式得，由上式得， 随增加，也增加，当增加到一定程度时，随增加，也增加，当增加到一定程度时，=90=90，这时所对应的横波入射角称为第三临界角，用，这时所对应的横波入射角称为第三临界角，用表示。表示。 当当S S 时，第一介质中只有反射横波，没有反射时，第一介质中只有反射横波，没有反射纵波，即横波全反射。纵波，即横波全反射。33）对于钢：）对于钢：C CL L=5900m/S=5900m/S，C CS S=3230m/s=3230m/s当当S S333322时，钢中横波全反射时，钢中横波全反射www.cnshu.cn大量资料天天更新 1 1、纵波倾斜入射到钢、纵波倾斜入射到钢/ /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，当纵波倾斜入射到所示，当纵波倾斜入射到钢钢/ /空气界面时，纵波声压反射率空气界面时，纵波声压反射率r rLLLL与横波声压与横波声压反射率反射率r rLSLS随入射角而变化。当随入射角而变化。当L L=60=60左右时，左右时， r rLLLL很低，很低，r rLSLS较高。原因是纵波倾斜入射，当较高。原因是纵波倾斜入射，当L L =60=60左右时产生一个较强的变型反射横波。左右时产生一个较强的变型反射横波。22、横波倾斜入射到钢、横波倾斜入射到钢/ /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，横波倾斜入射到钢所示，横波倾斜入射到钢/ /空气界面横波声压反射率空气界面横波声压反射率r rSSSS ，与纵波声压反射，与纵波声压反射率率r rSLSL随入射角随入射角a aS S而变化。当而变化。当a aS S=30=30时，时，r rSSSS很低，很低， r rSLSL较高。当较高。当a aS S33.2(a)33.2(a)时，时，r rSSSS=100%,=100%,即钢中即钢中横波全反射横波全反射 www.cnshu.cn大量资料天天更新三、声压往复透射率三、声压往复透射率11、超声波探伤中，常常采用反射法探伤，超声波往复透、超声波探伤中，常常采用反射法探伤，超声波往复透过同一探侧面，因此声压往复透射率更具有实际意义。过同一探侧面，因此声压往复透射率更具有实际意义。2 2、如教材、如教材3131页图页图1.371.37所示，超声波倾斜入射，折射波全反所示，超声波倾斜入射，折射波全反射，探头按收到的回波声压射，探头按收到的回波声压PaPa与入射波声压与入射波声压P0P0之比称为之比称为声压往复透射率，常用声压往复透射率，常用T T表示，表示，T=Pa/P0T=Pa/P0。33、图、图1.381.38为纵波倾斜入射至水为纵波倾斜入射至水/ /钢界面时的声压往复透射钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系曲线。当纵波入射角率与入射角的关系曲线。当纵波入射角L L 14.514.5() )时，折射纵波的往复透射率不超过时，折射纵波的往复透射率不超过13%13%，折射横，折射横波的往复透射率小于波的往复透射率小于6%6%。当。当L L =14.5-27.27(=14.5-27.27() )时，时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波的往复钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波的往复透射率最高不到透射率最高不到20%20%。实际探伤中水浸探伤钢材就属于。实际探伤中水浸探伤钢材就属于这种情况。这种情况。www.cnshu.cn大量资料天天更新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L L 27.6()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 L =27-57()时，钢中只有折射横波，无折射纵波。折射横波的往复透射率最高不超过30%，这时所对应的L L 30，S S37。实际探伤中有机玻璃横波探头探伤钢材就属于这种情况。www.cnshu.cn大量资料天天更新四、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、回波声压与入射波声压之比称为端角反射率用、回波声压与入射波声压之比称为端角反射率用T T端端表示。表示。教材教材3333页图页图1.411.41为钢为钢/ /空气界面上钢中的端角反射率。空气界面上钢中的端角反射率。1 1）由图）由图1.4l(a)1.4l(a)可知，纵波入射时，端角反射率都很低，可知，纵波入射时，端角反射率都很低，这是因为纵波在端角的两次反射中分离出较强的横波。这是因为纵波在端角的两次反射中分离出较强的横波。2 2）由图）由图1.41(b)1.41(b)可知，横波入射时，入射角可知，横波入射时，入射角 S S=30=30或或6060附近时，端角反射率最低，附近时，端角反射率最低，S S=35-55=35-55时，端角反射率可时，端角反射率可达达100%100%。实际工作中，横波探伤焊缝单面焊根部未焊透或。实际工作中，横波探伤焊缝单面焊根部未焊透或袭纹的情况就类似于这种情况，当横波入射角袭纹的情况就类似于这种情况，当横波入射角 S S=35-55=35-55，即，即K=tgK=tgs s=0.7-1.43=0.7-1.43时，探伤灵敏度较高。当时，探伤灵敏度较高。当 s s5656，即，即K1.5K1.5时，探伤灵敏度较低，可能引起漏检。时，探伤灵敏度较低，可能引起漏检。33）从图）从图1.381.38还可以看出，还可以看出， L L（ S S ）在）在0 0或或9090附近时，附近时，无论是纵波还是横波端角反射率理论上都很高，但实际上无论是纵波还是横波端角反射率理论上都很高，但实际上由于入射波、反射波在边界互相干涉而抵消，因此实际上由于入射波、反射波在边界互相干涉而抵消，因此实际上这时探测灵敏度不高。这时探测灵敏度不高。www.cnshu.cn大量资料天天更新第九节第九节 超声波的聚焦与发散超声波的聚焦与发散一、声压距离公式一、声压距离公式对于平面波，波束不扩散，而是互相平行，因对于平面波，波束不扩散，而是互相平行，因此声压不随距离而变化。球面波与柱面波的波束此声压不随距离而变化。球面波与柱面波的波束扩散，其声压与距离有关。扩散，其声压与距离有关。 1 1、球面波声压距离公式、球面波声压距离公式球面波的波阵面为同心球面，声压与距离成反球面波的波阵面为同心球面，声压与距离成反比。比。 2 2、柱面波声压距离公式、柱面波声压距离公式柱面波的波阵面为同轴柱面，声压与距离的柱面波的波阵面为同轴柱面，声压与距离的平方根成反比。平方根成反比。 www.cnshu.cn大量资料天天更新二、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www.cnshu.cn大量资料天天更新2 2、双界面的反射、双界面的反射如图如图1.431.43所示，球面波在互相平行的双界面所示，球面波在互相平行的双界面间的多次反射仍符合球面波变化规律。当入射角间的多次反射仍符合球面波变化规律。当入射角较小，声压反射率较小，声压反射率r=1.0r=1.0时，对于脉冲波。双界时，对于脉冲波。双界面距离面距离d d较大时不产生子涉这时前壁各次反射较大时不产生子涉这时前壁各次反射波声压比为波声压比为后壁各次波的声压比为后壁各次波的声压比为实际探伤中，当实际探伤中，当d d较大时，超声波探头发出的较大时，超声波探头发出的超声波可视为球面波，示波屏上各次底面反射波超声波可视为球面波，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 / / / /的规律。的规律。www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3、单一平界面上的折射、单一平界面上的折射如图如图1.441.44所示，球面波入射到平界面上时，所示，球面波入射到平界面上时，其折射波不再是严格的球面波了。只有当其张角其折射波不再是严格的球面波了。只有当其张角11较小时，可视为近似的球面波，且有较小时，可视为近似的球面波，且有对于水对于水/ /钢界面：钢界面：这说明球面渡入射到水这说明球面渡入射到水/ /钢界面时，其折射波钢界面时，其折射波更加发散。更加发散。折射波声压：折射波声压：www.cnshu.cn大量资料天天更新三、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。www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3）平面波入射到球面时，其反射波可视为从焦点发）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出的球面波。在曲轴线上距曲面顶点 处的反射波声压为处的反射波声压为注：注：“”“+”“”“+”用于发散。用于发散。“ “一一” ”用于聚焦。下同用于聚焦。下同4 4）平面波入射到柱面时，其反射波可视为反焦轴发出）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的柱面波。在曲面轴线上距曲面顶点 处的反射波声压为：处的反射波声压为：实际探伤中球形、柱形气孔的反射就属于以上两种情实际探伤中球形、柱形气孔的反射就属于以上两种情况。况。www.cnshu.cn大量资料天天更新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时，其折射波也将）平面波入射到曲界面上时，其折射波也将发生聚焦或发散，如图教材发生聚焦或发散，如图教材3636页图页图1.461.46。这时。这时折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹有关。而且折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹有关。而且与界面两侧介质的波速有关：与界面两侧介质的波速有关：（1 1）对于凹透镜，当）对于凹透镜，当c1c2c1c2c1c2时发散；时发散；（2 2）对于凸透镜，当）对于凸透镜，当c1c2c1c2时聚焦，当时聚焦，当c1c1c2c2发散。发散。22）平面波入射至球西透镜时，其折射波可视）平面波入射至球西透镜时，其折射波可视为从焦点发出的球面波，曲面轴线上距曲面顶点为从焦点发出的球面波，曲面轴线上距曲面顶点 处的折射波声压为处的折射波声压为www.cnshu.cn大量资料天天更新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）实际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。www.cnshu.cn大量资料天天更新四、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，其反射渡将发生）球面波入射到曲界面上，其反射渡将发生聚焦或发散，如图教材聚焦或发散，如图教材3737页图页图1.471.47。凹曲面的。凹曲面的反射波聚焦，曲面的反射渡发散。反射波聚焦，曲面的反射渡发散。22）球面波在球面上的反射波，可视为从像点）球面波在球面上的反射波，可视为从像点发出的球面波。轴线上距顶点为发出的球面波。轴线上距顶点为 处的反射波声处的反射波声压为压为实际探伤中，至波源距离较远的球形气孔缺陷实际探伤中，至波源距离较远的球形气孔缺陷就属于球面波在凹球面上的反射，由于反射波进就属于球面波在凹球面上的反射，由于反射波进一步发散，因此其回波较低。这就是超声波探伤一步发散，因此其回波较低。这就是超声波探伤气孔灵敏度低的原因所在。气孔灵敏度低的原因所在。www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3）球面波在柱面上的反射，既不是单纯的球面波，也）球面波在柱面上的反射，既不是单纯的球面波，也不是单纯的柱面波，而是近似为两个不同的柱面波迭加。不是单纯的柱面波，而是近似为两个不同的柱面波迭加。轴线上距顶点为轴线上距顶点为 处的反射波声压为处的反射波声压为球面波在柱面上的反射，在实际探伤中具有现实意义。球面波在柱面上的反射，在实际探伤中具有现实意义。例如超声波径向探伤大型圆柱形锻件属于这种情况。例如超声波径向探伤大型圆柱形锻件属于这种情况。4 4）凹柱面反射波聚集于像点，使像点处的声压趋于很）凹柱面反射波聚集于像点，使像点处的声压趋于很大。如果像点处存在一较小的缺陷，那么经底面反射至大。如果像点处存在一较小的缺陷，那么经底面反射至缺陷，再从缺陷反射至底面，最后由底商反射回到探头；缺陷，再从缺陷反射至底面，最后由底商反射回到探头；形成路径似形成路径似“W”“W”的反射称为的反射称为WW反射。反射。WW反射时，示波屏上同时出现两个缺陷波，一前一后，反射时，示波屏上同时出现两个缺陷波，一前一后，一高一低，前者位于底波一高一低，前者位于底波B1B1之前，高度较低，为缺陷直之前，高度较低，为缺陷直接反射。后者位于接反射。后者位于B1B1之后，高度较高，为之后，高度较高，为w w反射。探伤反射。探伤时应根据前者来对缺陷进行定位和定量。时应根据前者来对缺陷进行定位和定量。www.cnshu.cn大量资料天天更新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，其折射波同样会发生球面波入射到曲界面上，其折射波同样会发生聚焦和发散，如教材聚焦和发散，如教材3838页图页图l.50l.50。轴线上距顶点。轴线上距顶点 处的折射波声压为处的折射波声压为11）球形界面：）球形界面：2 2）柱形截面：）柱形截面：3 3）实际探伤中，水浸探伤柱形或球形工件就）实际探伤中，水浸探伤柱形或球形工件就属于图属于图1.50(a)1.50(a)。由于折射波发散，因此探伤灵。由于折射波发散，因此探伤灵敏敏度很低，为了提高探伤灵敏度，常常采用聚敏敏度很低，为了提高探伤灵敏度，常常采用聚焦探伤。焦探伤。www.cnshu.cn大量资料天天更新第十节第十节超声波的衰减超声波的衰减一、衰减的原因一、衰减的原因1 1、扩散衰减、扩散衰减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，使超声波的能量随距离增加而逐渐减弱的现象称为超声波的能量随距离增加而逐渐减弱的现象称为扩散衰减。扩散衰减。2 2）超声波的扩散衰减仅取决于波面的形状，）超声波的扩散衰减仅取决于波面的形状，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，波束不扩散，不）平面波波阵面为平面，波束不扩散，不存在扩散衰减。存在扩散衰减。（2 2）柱面波阵面为同轴圆柱面。波束向四周）柱面波阵面为同轴圆柱面。波束向四周扩散，存在扩散衰减，声压与距离的平方根成反扩散，存在扩散衰减，声压与距离的平方根成反比。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，波束向四面八方扩散，存在扩散衰减，声压与距离成反比。方扩散，存在扩散衰减，声压与距离成反比。www.cnshu.cn大量资料天天更新2 2、散射衰减、散射衰减1 1）超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同）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现象，称为散射的界面产生散乱反射引起衰减的现象，称为散射衰减。衰减。2 2）散射衰减与材质的晶粒密切相关，当材质）散射衰减与材质的晶粒密切相关，当材质晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头，在示波屏上引起林状着复杂的路径传播到探头，在示波屏上引起林状回波回波( (又叫草波又叫草波) )，使信噪比下降，严重时噪声会，使信噪比下降，严重时噪声会湮没缺陷波。湮没缺陷波。33、吸收衰减、吸收衰减超声波在分质中传播时，由于介质中质点间超声波在分质中传播时，由于介质中质点间内摩擦内摩擦( (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。www.cnshu.cn大量资料天天更新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残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，不包括扩散衰减。www.cnshu.cn大量资料天天更新二、衰减方程与衰减系数1、衰减方程平面波不存在扩散衰减，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扩散衰减，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：www.cnshu.cn大量资料天天更新2、衰减系数1）衰减系数只考虑了介质的散射和吸收衰减，未涉及扩散衰减。对于金属材料等固体介质而言，介质衰减系数等于散射衰减系数和吸收衰减系数之和。www.cnshu.cn大量资料天天更新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距距离离增增加加单单调调减减少少。当当x3Nx3N时时，声声压压与与距距离离成成反反比比，近近似似球球面面波波的的规规律律，。这这是是因因为为距距离离 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，这这样样干干涉涉现现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值。极小值。www.cnshu.cn大量资料天天更新2 2、波束指向性和半扩散角、波束指向性和半扩散角1 1）波源前充分远处任意一点的声压）波源前充分远处任意一点的声压P(rP(r，)与波源轴与波源轴线上同距离处声压线上同距离处声压P(rP(r，)之比称为指向性系数，用表之比称为指向性系数，用表示。，与示。，与y y的关系如图所示的关系如图所示www.cnshu.cn大量资料天天更新 2 2）由图可知以下结论：）由图可知以下结论：（1 1）。这说明超声场中至波源充分远处同一横截面上）。这说明超声场中至波源充分远处同一横截面上各点的声压是不同的，以轴线上的声压为最高。实际探各点的声压是不同的，以轴线上的声压为最高。实际探伤中，只有当波束轴线垂直于缺陷时，缺陷回波最高就伤中，只有当波束轴线垂直于缺陷时，缺陷回波最高就是这个原因。是这个原因。（2 2）当）当y=kRssiny=kRssin=3.73,7.02,10.17,=3.73,7.02,10.17,时，时，Dc=P(rDc=P(r，)/P)/P(r (r，)=0)=0，即，即P(rP(r，)=O)=O。这说明圆盘源辐射的纵波声场。这说明圆盘源辐射的纵波声场中存在一些声压为零的圆锥面。由得：中存在一些声压为零的圆锥面。由得：式中称为圆盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角，式中称为圆盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角，又称半扩散角。此外对应于又称半扩散角。此外对应于y=7.02y=7.02，10.1710.17，的发散的发散角称为第二、三、角称为第二、三、零值发散角。零值发散角。 www.cnshu.cn大量资料天天更新（3 3）当）当y3.83y3.83，即，即0 0时，时，|Ds|0.15|Ds|bxb的区域称为扩散区，扩的区域称为扩散区，扩散区内波束扩散衰减。散区内波束扩散衰减。3 3）例：若用）例：若用f=2.5MHzf=2.5MHz，Ds=20mmDs=20mm的探头探测波速的探头探测波速C CL L=5900m/s=5900m/s的钢工件，那么的钢工件，那么N N、 0 0和和b b分别为分别为www.cnshu.cn大量资料天天更新二、矩形波源辐射的纵波声场二、矩形波源辐射的纵波声场1 1、矩形波源作活塞振动时，在液体介质中辐射的纵波声场、矩形波源作活塞振动时，在液体介质中辐射的纵波声场同样存在近场区和未扩散角。近场区内声压分布复杂，同样存在近场区和未扩散角。近场区内声压分布复杂，理论计算困难。远场区声源轴线上任意一点理论计算困难。远场区声源轴线上任意一点QQ处的声压处的声压用液体介质中的声场理论可以导出，其计算公式为用液体介质中的声场理论可以导出，其计算公式为式中式中矩形波源面积，矩形波源面积，Fs=4abFs=4ab。2 2、对上式特殊情况进行讨论可知、对上式特殊情况进行讨论可知1 1）当）当=r=0=r=0时，远场轴线上某点的声压为时，远场轴线上某点的声压为www.cnshu.cn大量资料天天更新2 2）当）当=0=0时，时，YOZYOZ平面内远场某点的声压为平面内远场某点的声压为这时在这时在Y0ZY0Z平面内的指向性系数平面内的指向性系数DcDc为为的关系曲线如图所示。的关系曲线如图所示。www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3）由图可知，当）由图可知，当y=kbsiny=kbsin=时，时，Dc=0Dc=0。这时对应的。这时对应的YOZYOZ平面内半扩散角平面内半扩散角 0 0为为同理可导出同理可导出XOZXOZ平面内的半扩散角平面内的半扩散角 0 0为为4 4）由以上论述可知，矩形波源辐射的纵波声场与圆盘源不）由以上论述可知，矩形波源辐射的纵波声场与圆盘源不同，矩形波源有两个不同的半扩散角，其声场为矩形。同，矩形波源有两个不同的半扩散角，其声场为矩形。矩形波源的近场区长度为矩形波源的近场区长度为www.cnshu.cn大量资料天天更新二、近场区在两种介质中的分布二、近场区在两种介质中的分布1 1、公式只适用均匀介质。实际探伤中，有时近场区分布在、公式只适用均匀介质。实际探伤中，有时近场区分布在两种不同的介质中，如图所示的水浸探伤，超声波是先两种不同的介质中，如图所示的水浸探伤，超声波是先进入水，然后再进入钢中。当水层厚度较小时进入水，然后再进入钢中。当水层厚度较小时, ,近场区就近场区就会分布在水、钢两种介质中，设水层厚度为会分布在水、钢两种介质中，设水层厚度为L L，则钢中，则钢中剩余近场区长度剩余近场区长度N N为为2 2、例：用、例：用2.5MHz2.5MHz、14mm14mm纵波直探头水浸探伤钢板，已纵波直探头水浸探伤钢板，已知水层厚度为知水层厚度为20mm20mm，钢中，钢中CL=5900m/sCL=5900m/s，水中，水中CL=1480m/sCL=1480m/s。求钢中近场区长度。求钢中近场区长度N N。解：钢中纵波波长解：钢中纵波波长 钢中近场区长度钢中近场区长度N N：www.cnshu.cn大量资料天天更新三、实际声场与理想声场比较三、实际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，辐射连续波等、理想声场：液体介质，波源作活塞振动，辐射连续波等理想条件下的声场。理想条件下的声场。2 2、实际声场：固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波声、实际声场：固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波声场。场。3 3、实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基本一致。、实际声场与理想声场在远场区轴线上声压分布基本一致。4 4、近场区内，实际声场与理想声场存在明显区别。理想声、近场区内，实际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2P2P0 0，极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在极大极，极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在极大极小值，但波动幅度小，极大值远小于小值，但波动幅度小，极大值远小于2P2P0 0，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。www.cnshu.cn大量资料天天更新第二节第二节 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质中的纵波波源转换为轴线与第二介质中横将第一介质中的纵波波源转换为轴线与第二介质中横波波束轴线重合的假想横波波源，这时整个声场可视为由波波束轴线重合的假想横波波源，这时整个声场可视为由假想横波波源辐射出来的连续的横波声场。假想横波波源辐射出来的连续的横波声场。当实际波源为圆形时，其假想横波波源为椭圆形，椭当实际波源为圆形时，其假想横波波源为椭圆形，椭圆的长轴等于实际波源的直径圆的长轴等于实际波源的直径DsDs，短轴，短轴DsDs为为www.cnshu.cn大量资料天天更新二、横波声场的结构二、横波声场的结构1 1、波束轴线上的声压（、波束轴线上的声压（3N3N）：）：由以上公式可知，横波声场中，当由以上公式可知，横波声场中，当z3Nz3N时，波束轴线时，波束轴线上的声压与波源面积成正比，与至假想波源的距离成反上的声压与波源面积成正比，与至假想波源的距离成反比，类似纵波声场。比，类似纵波声场。2 2、近场区长度：、近场区长度：第二介质中的近场区长度第二介质中的近场区长度NN我国横波探头常采用我国横波探头常采用K K值值(K=tgs)(K=tgs)来表示横波折射角的来表示横波折射角的大小，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。为了便于计算等。为了便于计算近场区长度，特将近场区长度，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。www.cnshu.cn大量资料天天更新例例例例1 1：计算计算2.5MHz2.5MHz、1416mm1416mm方晶片方晶片K1.0K1.0和和K2.0K2.0横波横波探头的近场区长度探头的近场区长度N N。( (钢中钢中Cs=3230m/s)Cs=3230m/s)解：解： N1(K1)=N1(K1)=N2(K2)=N2(K2)=由上计算表明，横波探头晶片尺寸一定，由上计算表明，横波探头晶片尺寸一定，K K值增大，近值增大，近场区长度将减小。场区长度将减小。www.cnshu.cn大量资料天天更新 例例例例2 2：试计算试计算2.5MHz2.5MHz、1012mm1012mm方晶片方晶片K2.0K2.0横波探头，横波探头，有机玻璃中入射点至晶片的距离为有机玻璃中入射点至晶片的距离为12mm12mm，求此探头在，求此探头在钢中的近场区长度钢中的近场区长度NN。( (钢中钢中CS=3230mCS=3230ms)s)解：解：www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3、半扩散角、半扩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材料中定向辐射，只是声有良好的指向性可以在被检材料中定向辐射，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。www.cnshu.cn大量资料天天更新在声束轴线与界面法线所决定的入射平面内，声束不在声束轴线与界面法线所决定的入射平面内，声束不再对称于声束轴线，而是声束上半扩散角再对称于声束轴线，而是声束上半扩散角 上大于声束上大于声束下半扩散角下半扩散角 下下 上上=2 2- 下下=-=-1 1sinsin1 1=a-b=a-b，sinsin2 2=a+b=a+b，对于通过声束轴线与入射平面垂直的平面内，对于通过声束轴线与入射平面垂直的平面内，对于圆片形声源：对于矩形正方形声源：对于圆片形声源：对于矩形正方形声源： 44、横波和纵波指向性比较：因为横波波长比纵波短。、横波和纵波指向性比较：因为横波波长比纵波短。在其他条件相同时，横波声束的指向性比纵波好，横在其他条件相同时，横波声束的指向性比纵波好，横波能量更集中一些。波能量更集中一些。www.cnshu.cn大量资料天天更新第三节第三节聚焦声源发射声场聚焦声源发射声场一、聚焦声场的形成一、聚焦声场的形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扩散出去的，能量不集中，缺陷定量精角度向外扩散出去的，能量不集中，缺陷定量精度差，对粗晶材料检测困难大，度差，对粗晶材料检测困难大，6060年代发展起年代发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精确。用聚焦缺陷的面积或指示长度比常规探头精确。用聚焦探头探测粗晶材料也有了较大的进展。探头探测粗晶材料也有了较大的进展。www.cnshu.cn大量资料天天更新二、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。www.cnshu.cn大量资料天天更新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。www.cnshu.cn大量资料天天更新三、聚焦声场的特点与应用（以水浸聚焦为例）三、聚焦声场的特点与应用（以水浸聚焦为例）1 1、聚焦声束轴线上的声压分布、聚焦声束轴线上的声压分布在焦点处，在焦点处，X=FX=F，上式可简化为，上式可简化为P=BPo(P=BPo(其中其中B=R2/F=N/F)B=R2/F=N/F)由上式可知，焦点处的声压随由上式可知，焦点处的声压随B B值增加而升高，焦距值增加而升高，焦距F F愈愈小，小，B B值就愈大，聚焦效果就愈好。当焦距值就愈大，聚焦效果就愈好。当焦距F F大于或等于大于或等于近场区长度近场区长度N N时，时，B=N/F1B=N/F1，这时几乎没有聚焦作用。，这时几乎没有聚焦作用。因此焦距应选在近场区长度以内，否则就失去了聚焦的因此焦距应选在近场区长度以内，否则就失去了聚焦的意义。意义。22、焦柱的几何尺寸、焦柱的几何尺寸 以上讨论的聚焦声场是从几何声学理论出发在理想条以上讨论的聚焦声场是从几何声学理论出发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( (或线或线) )，实际上，实际上这种情况是不存在的，因为几何声学忽略了声波的波动这种情况是不存在的，因为几何声学忽略了声波的波动性，在焦点附近声波存在干涉。此外声透镜存在一定性，在焦点附近声波存在干涉。此外声透镜存在一定的球差，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，该聚焦区呈柱形。一个聚焦区，该聚焦区呈柱形。 www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3、聚焦探头的应用、聚焦探头的应用聚焦探头具有声束细、灵敏度高等优点，在聚焦探头具有声束细、灵敏度高等优点，在铸钢件及奥氏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等方面得到较好的应用。方面得到较好的应用。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，使用聚焦探头利用多重分贝法实验证明，使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精确得多。因为来测定缺陷面积或指示长度要比常规探头精确得多。因为聚焦探头声束收敛。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。聚焦探头也有不足，最大缺点是声束细，每次扫查范围小，聚焦探头也有不足，最大缺点是声束细，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。www.cnshu.cn大量资料天天更新第四节第四节规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压一、平底孔回波声压一、平底孔回波声压当探测条件当探测条件(Fs(Fs，)一定时，平底孔缺陷的回波声压或一定时，平底孔缺陷的回波声压或波高与平底孔面积成正比，与距离平方成反比。任意两波高与平底孔面积成正比，与距离平方成反比。任意两个距离直径不同的平底孔回波声压分贝差为个距离直径不同的平底孔回波声压分贝差为: :www.cnshu.cn大量资料天天更新www.cnshu.cn大量资料天天更新二、长横孔回波声压二、长横孔回波声压当当X3NX3N，超声波垂直入射，全反射，长横孔直径较小，超声波垂直入射，全反射，长横孔直径较小，长度大于波束截面尺寸时，超声波在长横孔表面的反射长度大于波束截面尺寸时，超声波在长横孔表面的反射类似球面波在柱面镜上的反射。类似球面波在柱面镜上的反射。长横孔回波声压长横孔回波声压PfPf为：为： 任意两个距离、直径不同的长横孔回波分贝差为：任意两个距离、直径不同的长横孔回波分贝差为：www.cnshu.cn大量资料天天更新三、短横孔回波声压三、短横孔回波声压短横孔是长度明显小于波束截面尺寸的横孔，设短横短横孔是长度明显小于波束截面尺寸的横孔，设短横孔直径为孔直径为DfDf，长度为，长度为LfLf。当。当x3Nx3N时，超声波在短横孔上时，超声波在短横孔上的反射回波声压为：的反射回波声压为：任意两个距离、长度和直径不同短横孔的回波分贝差任意两个距离、长度和直径不同短横孔的回波分贝差为：为：www.cnshu.cn大量资料天天更新四、球孔回波声压四、球孔回波声压设球孔直径为设球孔直径为DfDf，超声波垂直入射，全反射，超声波垂直入射，全反射，DfDf足够足够小。当小。当3N3N时，超声波在球孔上的反射就类似于球面波时，超声波在球孔上的反射就类似于球面波在球面镜上的反射。在球面镜上的反射。球孔回波声压球孔回波声压PfPf为：为：任意两个直径、距离不同的球孔的回波分贝差为：任意两个直径、距离不同的球孔的回波分贝差为：www.cnshu.cn大量资料天天更新五、大平底面回波声压五、大平底面回波声压当当x3Nx3N时，超声波在与波束轴线垂直、表面光洁的大时，超声波在与波束轴线垂直、表面光洁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P PB B为：为：两个不同距离的大平底面回波分贝差为：两个不同距离的大平底面回波分贝差为：www.cnshu.cn大量资料天天更新六、圆柱曲底面回波声压六、圆柱曲底面回波声压1 1、实心圆柱体、实心圆柱体超声波径向探伤超声波径向探伤3N3N的实心圆柱体，类似于球面波在的实心圆柱体，类似于球面波在凹柱曲底面上的反射。凹柱曲底面上的反射。实心圆柱凹曲底面的回波声压为实心圆柱凹曲底面的回波声压为说明实心圆柱体回波声压与大平底面回波声压相同。说明实心圆柱体回波声压与大平底面回波声压相同。2 2、空心圆柱体、空心圆柱体超声波外径探伤空心圆柱体，超声波外径探伤空心圆柱体，3N3N，类似于球面波在，类似于球面波在凸柱面上的反射。凸柱面上的反射。外圆探伤空心圆柱体凸柱曲底面的回波声压为：外圆探伤空心圆柱体凸柱曲底面的回波声压为：超声波内孔探伤圆柱体，超声波内孔探伤圆柱体，3N3N，类似于球面波的在凹柱，类似于球面波的在凹柱面上的反射。面上的反射。内圆探伤空心圆柱体凸柱曲底面的回波声压为：内圆探伤空心圆柱体凸柱曲底面的回波声压为：www.cnshu.cn大量资料天天更新第五节第五节AVG曲线一、纵波平底孔通用一、纵波平底孔通用AVGAVG曲线曲线1 1、曲线作法：、曲线作法：当当x3Nx3N，不考虑介质衰减时，大平底面与平底孔回波，不考虑介质衰减时，大平底面与平底孔回波声压为：声压为： 当仪器的垂直线性良好时，示波屏上波高与声压成正当仪器的垂直线性良好时，示波屏上波高与声压成正比。比。www.cnshu.cn大量资料天天更新为了简化计算，对上式进行归一化处理。为了简化计算，对上式进行归一化处理。令令，并代入上式得：并代入上式得：若用若用dBdB表示相对波高，则有表示相对波高，则有www.cnshu.cn大量资料天天更新 www.cnshu.cn大量资料天天更新、曲线特点：、曲线特点：在在A3A3的区域内，由于理论公式不适用，因此该区域的区域内，由于理论公式不适用，因此该区域的曲线一般不绘出或由实测得到。的曲线一般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, ,其回波几乎不随距其回波几乎不随距离变化离变化, ,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距离和归一化缺陷当曲线由于采用了归一化距离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。 www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3、曲线应用：用来调整探伤灵敏度和对缺陷进行定量。、曲线应用：用来调整探伤灵敏度和对缺陷进行定量。例：用例：用2.5MHz,20mm2.5MHz,20mm直探头探测厚为直探头探测厚为400mm400mm钢制饼形锻件，已钢制饼形锻件，已知钢中知钢中CL=5900m/sCL=5900m/s。探伤中在。探伤中在170mm170mm处发现一缺陷，其回波比底处发现一缺陷，其回波比底波低波低10dB10dB。(1)(1)如何利用底波调整如何利用底波调整22平底孔灵敏度平底孔灵敏度?(2)?(2)求此缺陷的求此缺陷的当量平底孔尺寸为多少当量平底孔尺寸为多少? ?解：解：(1)(1)调灵敏度：调灵敏度：查查AVGAVG曲线：如图曲线：如图2.242.24所示，过所示，过A=9.4A=9.4处作垂线交处作垂线交G=0.lG=0.l线于线于N N，交，交B B线于线于MM，则，则MNMN对应分贝值为对应分贝值为400mm400mm处大平底与处大平底与22平底孔的平底孔的回波分贝差：回波分贝差： =B=B一一2=44dB2=44dB调整调整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 保留保留6dB6dB，至此，至此22灵敏度调灵敏度调好，即这时好，即这时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)对缺陷定量：对缺陷定量：求求Gf:Gf:如图如图2.242.24所示，过所示，过Af=4Af=4作垂线与过比作垂线与过比MM点低点低10dB10dB的的P P点所点所作的水平线相交于作的水平线相交于QQ点，则点，则QQ点对应的点对应的GG值为所求：值为所求：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) ，www.cnshu.cn大量资料天天更新二、纵波平底孔实用二、纵波平底孔实用AVGAVG曲线曲线以横坐标表示实际声程，纵坐标表示规则反射体相对以横坐标表示实际声程，纵坐标表示规则反射体相对波高，用来描述距离、波幅、当量大小之间的关系曲线，波高，用来描述距离、波幅、当量大小之间的关系曲线，称为实用称为实用AVGAVG曲线。曲线。1 1、曲线作法：、曲线作法：不同距离的太平底回波不同距离的太平底回波dBdB差差不同距离的不同大小平底孔回波不同距离的不同大小平底孔回波dBdB差差同距离的大平底与平底孔回波同距离的大平底与平底孔回波dBdB差差www.cnshu.cn大量资料天天更新用用以以上上公公式式计计算算绘绘制制实实用用AVGAVG曲曲线线时时，要要统统一一灵灵敏敏度度基基准例如图准例如图2.252.25是是x=750mmx=750mm，22平底孔为平底孔为0dB0dB。www.cnshu.cn大量资料天天更新、曲线特点：、曲线特点：实用实用AVGAVG曲线中曲线中x3Nx3N部分，可由理论公式计算得到，部分，可由理论公式计算得到，还可由实测还可由实测CS-CS-试块得到或由通用试块得到或由通用AVGAVG进行转换得到，进行转换得到，但但3N3N的区域只能通过实测得到。的区域只能通过实测得到。由于实用由于实用AVGAVG曲线是由特定探头实测和计算得到的，曲线是由特定探头实测和计算得到的，因此实用因此实用AVGAVG曲线也只适用于特定探头。在实用曲线也只适用于特定探头。在实用AVGAVG曲曲线中要注明探头的尺寸和频率。线中要注明探头的尺寸和频率。www.cnshu.cn大量资料天天更新、曲线应用：、曲线应用：实用实用AVGAVG曲线同样可用于调整探伤灵敏度和对缺陷定量，曲线同样可用于调整探伤灵敏度和对缺陷定量，而且比通用而且比通用AVGAVG曲线方便。曲线方便。对于垂直线性良好的仪器，波高与声压或正比，将对于垂直线性良好的仪器，波高与声压或正比，将AVGAVG曲曲线直接绘制在仪器示波屏面板上，称为线直接绘制在仪器示波屏面板上，称为AVGAVG面板曲线，其纵面板曲线，其纵坐标表示回波高，横坐标表示距离。坐标表示回波高，横坐标表示距离。 利用利用AVGAVG面板曲线来调面板曲线来调整探伤灵敏度和对探伤中发现的缺陷定量十分方便。整探伤灵敏度和对探伤中发现的缺陷定量十分方便。例：用例：用2.5MHz2.5MHz、20mm20mm直探头探测饼形钢锻件，锻件厚直探头探测饼形钢锻件，锻件厚650mm650mm，探伤中在，探伤中在500mm500mm处发现一缺陷，缺陷波高比大平底处发现一缺陷，缺陷波高比大平底回波低回波低31dB31dB。问：。问：(1)(1)如何利用底波调整如何利用底波调整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)灵敏度的调整：灵敏度的调整：如图如图2.252.25所示，在所示，在x=650mmx=650mm处作垂线交处作垂线交22曲线于曲线于E E、交、交B B曲曲线于线于F F，则，则EFEF对应的分贝值对应的分贝值 =48dB=48dB就表示该处大平底与就表示该处大平底与22平平底孔回波分差。底孔回波分差。 (2)(2)对缺陷定量：对缺陷定量：如图如图2.252.25所示，在所示，在xf=500mmxf=500mm处作垂线与比处作垂线与比F F点低点低31dB31dB的水的水平线相交于平线相交于QQ点，则点，则QQ点所对应的曲线的当量尺寸点所对应的曲线的当量尺寸44就是所求就是所求缺陷的当量大小。缺陷的当量大小。www.cnshu.cn大量资料天天更新 第三章第三章 仪器、探头和试块仪器、探头和试块 第一节第一节超声波探伤仪超声波探伤仪 第二节第二节超声波测厚仪超声波测厚仪 第三节第三节超声波探头超声波探头 第四节第四节试试块块 第五节第五节仪器和探头的性能及其测试仪器和探头的性能及其测试 www.cnshu.cn大量资料天天更新第一节第一节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，激励探上，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通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）按超声波的连续性分类）按超声波的连续性分类（1 1）脉冲波探伤仪：通过探头向工件周期性地发射不连续）脉冲波探伤仪：通过探头向工件周期性地发射不连续且频率不变的超声波，据超声波传播时间及幅度判断工且频率不变的超声波，据超声波传播时间及幅度判断工件中缺陷位置和大小。件中缺陷位置和大小。（2 2）连续波探伤仪：通过探头向工件中发射连续且频率不）连续波探伤仪：通过探头向工件中发射连续且频率不变变( (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断工件中有无缺陷及缺陷大小。超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小。（3 3）调频波探伤仪：通过探头向工件中发射连续的频率周）调频波探伤仪：通过探头向工件中发射连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断工件中有无缺陷。判断工件中有无缺陷。www.cnshu.cn大量资料天天更新2 2）按缺陷显示方式分类）按缺陷显示方式分类（1 1）A 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( (或距离或距离) )，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 2）B 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( (或距离或距离) )，因而可，因而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 3）C 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表面的位置。探头接收信号幅度以光点辉度表示，在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点辉度表示，因而，当探头在工件表面移动时，荧光屏上便显示出工因而，当探头在工件表面移动时，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。 www.cnshu.cn大量资料天天更新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工作，）单通道探伤仪：这种仪器由一个或一对探头单独工作，是目前超声波探伤中应用最厂泛的仪器。是目前超声波探伤中应用最厂泛的仪器。（2 2）多通道探伤仪；这种仪器由多个或多对探头交替工作，）多通道探伤仪；这种仪器由多个或多对探头交替工作，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，探伤中广泛使用的超声波探伤仪，如目前，探伤中广泛使用的超声波探伤仪，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。www.cnshu.cn大量资料天天更新二、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工作过程：同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描和发射电路，扫工作过程：同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描和发射电路，扫描电路受触发工作，产生锯齿波电压，加至示波管水平偏转板，使描电路受触发工作，产生锯齿波电压，加至示波管水平偏转板，使电子束发生水平偏转，在荧光屏上产生一条水平扫描线。同时，发电子束发生水平偏转，在荧光屏上产生一条水平扫描线。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。超声波在工件中传播，遇缺陷或底面发生反射，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射，返回探头时，又被压电晶片转变为电信号，经接收电路救大和检波，返回探头时，又被压电晶片转变为电信号，经接收电路救大和检波，加至示波管垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平扫描线加至示波管垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平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，根据缺陷波的幅度可以估算缺陷当量的大小。的埋藏深度，根据缺陷波的幅度可以估算缺陷当量的大小。 www.cnshu.cn大量资料天天更新三、仪器主要组成部分的作用三、仪器主要组成部分的作用11、同步电路：同步电路又称触发电路，它每秒钟产生数、同步电路：同步电路又称触发电路，它每秒钟产生数十至数千个脉冲，用来触发探伤仪扫描电路、发射电路十至数千个脉冲，用来触发探伤仪扫描电路、发射电路等，使之步调一致、有条不紊地工作。因此，同步电路等，使之步调一致、有条不紊地工作。因此，同步电路是整个探伤仪的是整个探伤仪的“ “中枢中枢” ”，同步电路出了故障，整个探伤，同步电路出了故障，整个探伤仪便无法工作。仪便无法工作。2 2、扫描电路：扫描电路又称时基电路，用来产生锯齿波电、扫描电路：扫描电路又称时基电路，用来产生锯齿波电压，加在示波管水平偏转板上，使示波管荧光屏上的光压，加在示波管水平偏转板上，使示波管荧光屏上的光点沿水平方向作等速移动，产生一条水平扫描时基线。点沿水平方向作等速移动，产生一条水平扫描时基线。探伤仪面板上的深度粗调、微调、扫描延迟旋钮都是扫探伤仪面板上的深度粗调、微调、扫描延迟旋钮都是扫描电路的控制旋钮。探伤时，应根据被探工件的探测深描电路的控制旋钮。探伤时，应根据被探工件的探测深度范围选择适当的深度档级并配合微调旋钮调整，使度范围选择适当的深度档级并配合微调旋钮调整，使刻度板水平轴上每一格代表一定的距离。刻度板水平轴上每一格代表一定的距离。www.cnshu.cn大量资料天天更新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，激励压电伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头，激励压电晶片振动，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变阻尼电阻，用发射强度旋钮可改变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，改变与探头并联，改变RoRo同时也改变了探头电阻尼大小，即影响探头的分辨力。同时也改变了探头电阻尼大小，即影响探头的分辨力。4 4、接收电路：接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和、接收电路：接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器等组成。它将来自探头的电信号进行放大、视频放大器等组成。它将来自探头的电信号进行放大、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。由于接收的电信号非常微弱，通常只有数百微伏显示。由于接收的电信号非常微弱，通常只有数百微伏到数伏，而示波管全调制所需电压要几百伏，所以接收到数伏，而示波管全调制所需电压要几百伏，所以接收电路必须具有约电路必须具有约10105 5的放大能力。的放大能力。www.cnshu.cn大量资料天天更新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，激励压电伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头，激励压电晶片振动，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变阻，用发射强度旋钮可改变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，改变与探头并联，改变RoRo同同时也改变了探头电阻尼大小，即影响探头的分辨力。时也改变了探头电阻尼大小，即影响探头的分辨力。www.cnshu.cn大量资料天天更新4 4、接收电路：接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和、接收电路：接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器等组成。它将来自探头的电信号进行放大、视频放大器等组成。它将来自探头的电信号进行放大、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。由于接收的电信号非常微弱，通常只有数百微伏显示。由于接收的电信号非常微弱，通常只有数百微伏到数伏，而示波管全调制所需电压要几百伏，所以接收到数伏，而示波管全调制所需电压要几百伏，所以接收电路必须具有约电路必须具有约10105 5的放大能力。的放大能力。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，其基本结构如教材图三部分组成，其基本结构如教材图3.63.6所示所示 。www.cnshu.cn大量资料天天更新四、仪器主要旋钮的作用及其调整四、仪器主要旋钮的作用及其调整探伤仪面板上有许多开关和旋钮，用于调节探伤仪的功探伤仪面板上有许多开关和旋钮，用于调节探伤仪的功能和工作状态。图能和工作状态。图3.73.7是是CTS22CTS22型探伤仪面板示意图，型探伤仪面板示意图，以这种仪器为例，说明各主要开关的作用及其调整方法。以这种仪器为例，说明各主要开关的作用及其调整方法。www.cnshu.cn大量资料天天更新1 1、工作方式选择旋钮、工作方式选择旋钮工作方式选择旋钮的作用是选择探测方式。即工作方式选择旋钮的作用是选择探测方式。即“ “双探双探” ”或或“ “单探单探” ”方式。当开关置于方式。当开关置于“ “双探双探” ”时，为双探头一发一收工时，为双探头一发一收工作状态，可用一个双晶探头或两个单探头探伤，发射探作状态，可用一个双晶探头或两个单探头探伤，发射探头和接收探头分别连接到发射插座和接收插座。当开关头和接收探头分别连接到发射插座和接收插座。当开关置于置于“ “单探单探” ”时，为单探头发收工作状态，可用一个单探时，为单探头发收工作状态，可用一个单探头探伤，此时发射插座和接收插座从内部连通，探头可头探伤，此时发射插座和接收插座从内部连通，探头可插入任一插座。插入任一插座。2 2、发射强度旋钮、发射强度旋钮发射强度旋钮的作用是改变仪器的发射脉冲功率，从而发射强度旋钮的作用是改变仪器的发射脉冲功率，从而改变仪器的发射强度。增大发射强度时，可提高仪器灵改变仪器的发射强度。增大发射强度时，可提高仪器灵敏度，但脉冲变宽，分辨力变差。因此，在探伤灵敏度敏度，但脉冲变宽，分辨力变差。因此，在探伤灵敏度能满足要求的情况下，发射强度旋钮应尽量放在较低的能满足要求的情况下，发射强度旋钮应尽量放在较低的位置。位置。3 3、增益旋钮（增益细调旋钮）、增益旋钮（增益细调旋钮）作用是改变接收放大器的放大倍数，进而连续改变探伤作用是改变接收放大器的放大倍数，进而连续改变探伤仪的灵敏度。仪的灵敏度。 www.cnshu.cn大量资料天天更新4 4、衰减器、衰减器衰减器的作用是调节探伤灵敏度和测量回波振幅。调节衰减器的作用是调节探伤灵敏度和测量回波振幅。调节灵敏发时，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。测量回波振幅时，衰减读数大，回波幅度高；衰度高。测量回波振幅时，衰减读数大，回波幅度高；衰减读数小，回波幅度低。一般探伤仪的衰减器分粗调和减读数小，回波幅度低。一般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认为不必要的杂乱反射波，使抑制荧光屏上幅度较低或认为不必要的杂乱反射波，使之不予显示，从而使荧光屏显示的波形清晰。在探伤中之不予显示，从而使荧光屏显示的波形清晰。在探伤中一般不使用抑制。一般不使用抑制。 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。调节深度作用是粗调荧光屏扫描线所代表的探测范围。调节深度范围旋钮，可较大幅度地改变时间扫描线的扫描速度。范围旋钮，可较大幅度地改变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压缩或扩展。从而使荧光屏上回波间距大幅度地压缩或扩展。www.cnshu.cn大量资料天天更新7 7、深度细凋旋钮、深度细凋旋钮精确调整探测范围。调节细调旋钮。可连续改变扫描线精确调整探测范围。调节细调旋钮。可连续改变扫描线的扫描速度，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连续变化。连续变化。8 8、延迟旋钮（脉冲移位旋钮）、延迟旋钮（脉冲移位旋钮）用于调节开始发射脉冲时刻与开始扫描时到之间的时间用于调节开始发射脉冲时刻与开始扫描时到之间的时间差。调节延迟旋钮可使扫描线上的回波位置大幅度左右差。调节延迟旋钮可使扫描线上的回波位置大幅度左右移动，而不改变回波之间的距离。调节探测范围时，用移动，而不改变回波之间的距离。调节探测范围时，用延迟旋钮可进行零位校正，即用深度粗调和细调旋钮调延迟旋钮可进行零位校正，即用深度粗调和细调旋钮调节好回波间距后，再用延迟旋钮将反射波调至正确位置，节好回波间距后，再用延迟旋钮将反射波调至正确位置，使声程原点与水平刻度的零点重合。使声程原点与水平刻度的零点重合。9 9、聚焦旋钮、聚焦旋钮聚焦旋钮的作用是调节电子束的聚焦程度，使荧光屏波聚焦旋钮的作用是调节电子束的聚焦程度，使荧光屏波形清晰。形清晰。www.cnshu.cn大量资料天天更新1010、频率选择旋钮、频率选择旋钮宽频带探伤仪的放大器频率范围宽，覆盖了整个探伤所宽频带探伤仪的放大器频率范围宽，覆盖了整个探伤所需的频率范围，探伤仪面板上没有频率选择旋钮。探伤需的频率范围，探伤仪面板上没有频率选择旋钮。探伤频率由探头频率决定。窄频带探份仪没有频率选择开关，频率由探头频率决定。窄频带探份仪没有频率选择开关，用以使发射电路与所用探头相匹配，并用以改变放大器用以使发射电路与所用探头相匹配，并用以改变放大器的通带，使用时开关指示的频率范围应与所选用探头相的通带，使用时开关指示的频率范围应与所选用探头相一致。一致。1111、水平旋钮、水平旋钮 水平旋钮也称零位调节旋钮，调节水平旋钮，可使扫描水平旋钮也称零位调节旋钮，调节水平旋钮，可使扫描线连扫描线上的回波一起左右移动一段距离，但不改变线连扫描线上的回波一起左右移动一段距离，但不改变回波间距。调节探测范围时，用深度粗调和细调旋钮调回波间距。调节探测范围时，用深度粗调和细调旋钮调好回波间距，用水平旋钮进行零位校正。好回波间距，用水平旋钮进行零位校正。1212、重复频率旋钮、重复频率旋钮重复频率旋钮的作用是调节脉冲重复频率，即改变发射重复频率旋钮的作用是调节脉冲重复频率，即改变发射电路每秒钟发射脉冲的次数。电路每秒钟发射脉冲的次数。 www.cnshu.cn大量资料天天更新l3l3、垂直旋钮、垂直旋钮垂直旋钮用于调节扫描线的垂直位置。调节垂直旋钮，垂直旋钮用于调节扫描线的垂直位置。调节垂直旋钮，可使扫描线上下移动。可使扫描线上下移动。1414、辉度旋钮、辉度旋钮辉度旋钮用于调节波形的亮度。辉度旋钮用于调节波形的亮度。1515、深度补偿开关、深度补偿开关有些探伤仪设有深度补偿开关或有些探伤仪设有深度补偿开关或“ “距离振幅校正距离振幅校正”(DAC)”(DAC)旋旋钮，它们的作用是改变放大器的性能，使位于不藏深度钮，它们的作用是改变放大器的性能，使位于不藏深度的相同尺寸缺陷的回波高度差异减小。的相同尺寸缺陷的回波高度差异减小。1616、显示选择开关、显示选择开关显示选择开关用于选择显示选择开关用于选择“ “检波检波” ”或或“ “不检波不检波” ”显示。显示。www.cnshu.cn大量资料天天更新五、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、数字智能探伤仪的发展前景、数字智能探伤仪的发展前景1)1)成像技术的应用成像技术的应用2)2)缺陷定性缺陷定性 www.cnshu.cn大量资料天天更新第二节第二节 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，反射波与入射波互相当工件厚度为半波长的整数倍时，反射波与入射波互相迭加，形成驻波，产生共振。这时工件厚度与波速、频迭加，形成驻波，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，调节原理图中的调谐电容测厚时，调节原理图中的调谐电容CC，改变振荡频率。，改变振荡频率。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，通过电流表探头负载阻抗减小，通过电流表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。再次调节电容这时的频率为共振频率。再次调节电容C C。改变频率，。改变频率，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%。但使用不大方便。但使用不大方便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表面平整用公式计算工件厚度。另外要求被测工件上下表面平整光洁。光洁。 www.cnshu.cn大量资料天天更新二、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通过测量超声波在工件上下底面之脉冲反射式测厚仪是通过测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，通过电缆加到发射电路发出脉冲很窄的周期性电脉冲，通过电缆加到探头上，激励探头压电晶片产生超声波。该超声波在工探头上，激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。反射波被接收，转为电信号经放件上下底面多次反射。反射波被接收，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。www.cnshu.cn大量资料天天更新三、测厚仪的调整与使用三、测厚仪的调整与使用1 1、测厚仪的调整、测厚仪的调整11）仪器的下限要用一块厚度为下限的试块来校准。例如）仪器的下限要用一块厚度为下限的试块来校准。例如下限为下限为1mm1mm的仪器要有一块的仪器要有一块1mm1mm厚的试块。调整时将探厚的试块。调整时将探头对准该试块底面。使仪器显示厚度为头对准该试块底面。使仪器显示厚度为lmmlmm即可。即可。22）线性要用厚度不同的试块来校正。调整时将探头分别）线性要用厚度不同的试块来校正。调整时将探头分别对准厚度不同的试块底面，使仪器显示相应试块厚度。对准厚度不同的试块底面，使仪器显示相应试块厚度。2.2.测厚方法测厚方法先据工件厚度情况和精度要求选择探头。工件较薄时宜先据工件厚度情况和精度要求选择探头。工件较薄时宜选双晶或带延迟块探头，工件较厚时宜选单晶探头。选双晶或带延迟块探头，工件较厚时宜选单晶探头。测厚与探伤一样，要求工件表面光洁平整。测试时要施测厚与探伤一样，要求工件表面光洁平整。测试时要施加一定的耦合剂。测厚时，探头放置要平稳、压力适当。加一定的耦合剂。测厚时，探头放置要平稳、压力适当。www.cnshu.cn大量资料天天更新第三节第三节 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：晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应。晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应。探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转为电能。探头接收超声波时，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：当晶体材料在交变电场的作用下，产生伸缩变形的效应。当晶体材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，高频电脉冲激励探头压电晶片时，发探头发射超声波，高频电脉冲激励探头压电晶片时，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。 www.cnshu.cn大量资料天天更新二、压电材料：二、压电材料：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。当晶体受到压应力作用时，使衡，不显电荷，呈中性。当晶体受到压应力作用时，使正、负电荷中心不重合，产生正负游离电荷。当晶体受正、负电荷中心不重合，产生正负游离电荷。当晶体受到拉应力作用时，同样也会在晶体表面极板上出现正、到拉应力作用时，同样也会在晶体表面极板上出现正、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，如果在晶体表面极荷相反。这就是正压电效应。反之，如果在晶体表面极板上施加正、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。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料分单晶材具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料分单晶材料和多晶材料，常用的单晶材料有石英料和多晶材料，常用的单晶材料有石英(SiO2)(SiO2)、硫酸锂、硫酸锂(Li2SO4)(Li2SO4)、铌酸锂、铌酸锂(LiNbO3)(LiNbO3)等。常用的多晶材料有钛酸等。常用的多晶材料有钛酸钡钡(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，多晶材料又称压电陶瓷。单晶材料接收等，多晶材料又称压电陶瓷。单晶材料接收灵敏度较高，多晶材料发射灵敏较高。灵敏度较高，多晶材料发射灵敏较高。www.cnshu.cn大量资料天天更新三、压电材料的主要性能参数三、压电材料的主要性能参数1 1、压电应变常数、压电应变常数d d3333: :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。衡量压电晶体材料发射灵敏度高低的重要参数。其值大，衡量压电晶体材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g g3333：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。衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数。其值大，衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数。其值大，接收性能好，接收灵敏度高。接收性能好，接收灵敏度高。 www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3、介电常数、介电常数 当电容器极板距离和面积一定时，介电常数当电容器极板距离和面积一定时，介电常数 愈大，电容愈大，电容C C也就愈大，即电容器所贮电虽就愈多。压电晶体的也就愈大，即电容器所贮电虽就愈多。压电晶体的 应应根据不同用途来选取。超声波探伤用的压电晶体，频率根据不同用途来选取。超声波探伤用的压电晶体，频率要求高，要求高， 应小一些。因为应小一些。因为 小，小，C C小，电容器充放电时小，电容器充放电时间短间短, ,频率高。扬声器频率低，频率高。扬声器频率低， 应大一些。应大一些。4 4、机电耦合系数、机电耦合系数K K表示压电材料机械能表示压电材料机械能( (声能声能) )与电能之间的转换效率。与电能之间的转换效率。www.cnshu.cn大量资料天天更新5 5、机械品质因子、机械品质因子mm压电晶片在谐振时贮存的机械能压电晶片在谐振时贮存的机械能E E贮与在一个周期内损贮与在一个周期内损耗的能量耗的能量E E损之比称为机械品质因子损之比称为机械品质因子mm。压电晶片振动损耗的能量主要是由内摩擦引起的。压电晶片振动损耗的能量主要是由内摩擦引起的。mm值值对分辨力有较大的影响对分辨力有较大的影响,m,m值大，表示损耗小，晶片持值大，表示损耗小，晶片持续振动时间长，脉冲宽度大，分辨力低。反之，续振动时间长，脉冲宽度大，分辨力低。反之，mm值小，值小，表示损耗大，脉冲宽度小，分辨力就高。表示损耗大，脉冲宽度小，分辨力就高。6 6、频率常数、频率常数N N说明压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这说明压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数，用个常数叫做频率常数，用NtNt表示。晶片厚度一定，频率表示。晶片厚度一定，频率常数大的晶片材料的固有频率高，厚度愈小。常数大的晶片材料的固有频率高，厚度愈小。7 7、居里温度、居里温度TcTc：使压电材料的压电效应消失的温度。：使压电材料的压电效应消失的温度。 www.cnshu.cn大量资料天天更新四、超声波探头对晶片的要求：四、超声波探头对晶片的要求：1 1、机电耦合系数、机电耦合系数K K较大，以便获得较高的转换效率。较大，以便获得较高的转换效率。2 2、机械品质因子、机械品质因子mm较小，以获得高分辨力和小盲区。较小，以获得高分辨力和小盲区。3 3、d d3333和和g g3333较大，以获得高发射灵敏度和接收灵敏度。较大，以获得高发射灵敏度和接收灵敏度。4 4、NtNt较大，介电常数较大，介电常数e e较小，以便获得较高的频率。较小，以便获得较高的频率。5 5、居里温度、居里温度TcTc较高，声阻抗较高，声阻抗Z Z适当。适当。 www.cnshu.cn大量资料天天更新五、探头的种类和结构五、探头的种类和结构1 1、直探头、直探头( (纵波探头纵波探头) )1 1）主要探测缺陷：探测与探测面平行的缺陷，如板材、锻）主要探测缺陷：探测与探测面平行的缺陷，如板材、锻件探伤等。件探伤等。2 2）组成部分及各部分作用：）组成部分及各部分作用： （1 1）压电晶片作用是发射和接收超声波，实现电声换能。）压电晶片作用是发射和接收超声波，实现电声换能。（2 2）保护膜是保护压电晶片不致磨损。分为硬、软保护膜）保护膜是保护压电晶片不致磨损。分为硬、软保护膜两类。前者用于表面光洁度较高的工件。后者用于表面两类。前者用于表面光洁度较高的工件。后者用于表面光洁度较低的工件探伤。当保护膜的厚度为光洁度较低的工件探伤。当保护膜的厚度为2/42/4的奇数的奇数倍，且保护膜的声阻抗倍，且保护膜的声阻抗Z2Z2为晶片声阻抗为晶片声阻抗Z1Z1和工件声阻抗和工件声阻抗Z3Z3的几何平均值时，超声波全透射。的几何平均值时，超声波全透射。（3 3）吸收块（阻尼块）紧贴压电晶片，对压电晶片的振动）吸收块（阻尼块）紧贴压电晶片，对压电晶片的振动起阻尼作用。另外还可以吸收晶片背面的杂波，提高信起阻尼作用。另外还可以吸收晶片背面的杂波，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组合在一起，并保护之。）外壳的作用在于将各部分组合在一起，并保护之。 www.cnshu.cn大量资料天天更新2 2、斜探头（介绍横波斜探头）、斜探头（介绍横波斜探头）1 1）主要探测缺陷：与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如）主要探测缺陷：与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝探伤、汽轮机叶轮探伤等。焊缝探伤、汽轮机叶轮探伤等。2 2）组成部分及其作用（横波斜探头实际上是直探头加透声）组成部分及其作用（横波斜探头实际上是直探头加透声斜楔组成）：透声斜楔的作用是实现波型转换，使被探斜楔组成）：透声斜楔的作用是实现波型转换，使被探工中只存在折射横波。工中只存在折射横波。3 3）标称方式：）标称方式：K=tgK=tg3 3、表面波探头、表面波探头1 1）主要探测缺陷：表面或近表面缺陷）主要探测缺陷：表面或近表面缺陷2 2）www.cnshu.cn大量资料天天更新4 4、双晶探头、双晶探头( (分割探头分割探头) )1 1）分类：根据入射角）分类：根据入射角LL不同，分为双晶纵波探头和双晶不同，分为双晶纵波探头和双晶横波探头。横波探头。2 2）优点：）优点：（1 1）灵敏度高）灵敏度高（2 2）杂波少富区小）杂波少富区小（3 3）工件中近场区长度小）工件中近场区长度小（4 4）探测范围可调）探测范围可调3 3）主要探测缺陷：近表面缺陷）主要探测缺陷：近表面缺陷5 5、聚焦探头、聚焦探头1 1）分类：点聚焦和线聚焦；水浸聚焦与接触聚焦）分类：点聚焦和线聚焦；水浸聚焦与接触聚焦2 2）以水漫聚焦探头为例说明聚焦探头的结构原理）以水漫聚焦探头为例说明聚焦探头的结构原理聚焦探头由直探头和声透镜组成。声透镜的作用就是实聚焦探头由直探头和声透镜组成。声透镜的作用就是实现波束聚焦。焦距现波束聚焦。焦距F F与声透镜的曲率半径与声透镜的曲率半径r r之间关系为之间关系为 www.cnshu.cn大量资料天天更新6 6、可变角探头、可变角探头入射角是可变的。转动压电晶片使入射角连续变化入射角是可变的。转动压电晶片使入射角连续变化, ,一般范围为一般范围为0-700-70，可实现纵、横、表面和板波探，可实现纵、横、表面和板波探伤。伤。7 7、高温探头、高温探头高温探头中的压电晶片需选用居里温度较高的铌酸高温探头中的压电晶片需选用居里温度较高的铌酸锂锂(1200(1200) )、石英、石英(550(550) )、钛酸铅、钛酸铅(460(460) )来制作，来制作，外壳与阻尼块为不锈钢，电缆为无机物绝缘体高温外壳与阻尼块为不锈钢，电缆为无机物绝缘体高温同轴电缆，前面壳体与晶片之间采用特殊钎焊使之同轴电缆，前面壳体与晶片之间采用特殊钎焊使之形成高温耦合层。这种探头可在形成高温耦合层。这种探头可在400-700400-700高温下进高温下进行探伤。行探伤。www.cnshu.cn大量资料天天更新六、探头型号六、探头型号1 1、探头型号的组成项目、探头型号的组成项目 基本频率，晶片材料，晶片尺寸，探头种类，特征基本频率，晶片材料，晶片尺寸，探头种类，特征2 2、举例：、举例：www.cnshu.cn大量资料天天更新第四节第四节 试试 块块一、试块的作用一、试块的作用1 1、确定探伤灵敏度、确定探伤灵敏度2 2、测试仪器和探头的性能、测试仪器和探头的性能3 3、评判缺陷的大小、评判缺陷的大小4 4、调整扫描速度、调整扫描速度二、试块的分类二、试块的分类1 1、按试块来历：、按试块来历：1 1）标准试块：如）标准试块：如IIWIIW试块和试块和IIW2IIW2试块试块2 2）参考试块：如）参考试块：如CS-1CS-1试块、试块、CSK-IACSK-IA试块等试块等2 2、按试块上人工反射体：、按试块上人工反射体：1 1）平底孔试块：如）平底孔试块：如CS-ICS-I、CS-2CS-2试块试块2 2）横孔试块：如）横孔试块：如CSK-IACSK-IA和和CSK-CSK-A A3 3）槽形试块：如无缝钢管探伤中所用的试块，内、外圆表）槽形试块：如无缝钢管探伤中所用的试块，内、外圆表面就加工有三角尖槽。面就加工有三角尖槽。www.cnshu.cn大量资料天天更新三、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，正火处理，晶粒度号钢，正火处理，晶粒度7-87-8级级www.cnshu.cn大量资料天天更新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）测仪器的水平线性、垂直线性和动态范围）测仪器的水平线性、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www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3、CSK-IACSK-IA试块试块在在IIWIIW试块基础上改进得到，试块基础上改进得到，CSK-IACSK-IA试块有三点改进；试块有三点改进；1 1）将直孔）将直孔5O5O改为改为5050、4444、4O4O台阶孔，以便于测定台阶孔，以便于测定横波斜探头的分辨力。横波斜探头的分辨力。2 2）将）将R100R100改为改为RIOORIOO、R50R50阶梯圆弧，以便于调整横波扫阶梯圆弧，以便于调整横波扫描速度和探测范围。描速度和探测范围。3 3）将试块上标定的折射角改为）将试块上标定的折射角改为K K值值(K=g2)(K=g2)，从而可直接，从而可直接测出横波斜探头的测出横波斜探头的K K值。值。4 4、半圆试块、半圆试块结构：结构：www.cnshu.cn大量资料天天更新5 5、CSKCSKA A、CSKCSKA A试块和试块和CSKCSKA A试块试块JB437094JB437094标准中规定的焊缝超声波探伤用的横孔标准标准中规定的焊缝超声波探伤用的横孔标准试块。试块。www.cnshu.cn大量资料天天更新6 6、CS1CS1和和CS2CS2试块试块CS1CS1和和CS2CS2试块是我国机械部颁平底孔标准试块，试块是我国机械部颁平底孔标准试块，材质一般为材质一般为4545号碳索钢。号碳索钢。7 7、RBRB试块试块RBRB试块是钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级标试块是钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级标准准GB1134589GB1134589规定的试块。规定的试块。该试块上加工有该试块上加工有3mm3mm横通孔，试块的材质与被检工件横通孔，试块的材质与被检工件相同或相近。相同或相近。8 8、钢板探伤试块、钢板探伤试块试块的材质与被探钢板相同或相近。试块上的人工缺陷试块的材质与被探钢板相同或相近。试块上的人工缺陷为为55平底孔。该试块主要用于调节探伤灵敏度。适用于平底孔。该试块主要用于调节探伤灵敏度。适用于板厚为板厚为6-250mm6-250mm的压力容器用钢板超声波探伤。的压力容器用钢板超声波探伤。9 9、无缝钢管探伤试块、无缝钢管探伤试块主要用于调节探伤灵敏度和对工件评级。适用于外径为主要用于调节探伤灵敏度和对工件评级。适用于外径为12-480mm,12-480mm,壁厚壁厚2mm2mm的压力容器高压无缝钢管或外径的压力容器高压无缝钢管或外径为为12-160mm12-160mm、壁厚为、壁厚为2-10mm2-10mm的不锈钢管超声波探伤。的不锈钢管超声波探伤。www.cnshu.cn大量资料天天更新第五节第五节 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、仪器的性能及其测试一、仪器的性能及其测试1 1、垂直线性：、垂直线性：1 1）定义：指仪器示波屏上的波高与探头接收的信号之间成）定义：指仪器示波屏上的波高与探头接收的信号之间成正比的程度。正比的程度。2 2）测试方法：）测试方法：（1 1） 抑制抑制 至至“0”“0”， 衰减器衰减器 保留保留30dB30dB衰减余量。衰减余量。（2 2）直探头置于）直探头置于IIWIIW上，对准上，对准25mm25mm底面。底面。（3 3）调仪器使某次底波位于示波屏的中间，并达满幅度）调仪器使某次底波位于示波屏的中间，并达满幅度100%100%，但不饱和，作为，但不饱和，作为“0”dB“0”dB。（4 4）固定）固定 增益增益 和其他旋钮，调和其他旋钮，调 衰减器衰减器 ，每次衰减，每次衰减2dB2dB，并记下相应的波高，直到底波消失。并记下相应的波高，直到底波消失。（5 5）计算垂直线性误差）计算垂直线性误差3 3）仪器要求：垂直线性误差）仪器要求：垂直线性误差D8%D8%www.cnshu.cn大量资料天天更新2 2、水平线性、水平线性1 1）定义：指仪器示波屏上时基线显示的水平刻度值与实际）定义：指仪器示波屏上时基线显示的水平刻度值与实际声程之间成正比的程度。声程之间成正比的程度。2 2）测试方法：）测试方法：（1 1）将直探头置于）将直探头置于IIWIIW上，对准上，对准25mm25mm厚大平底面。厚大平底面。（2 2）调）调 微调微调 、 水平水平 或或 脉冲移位脉冲移位 旋钮，使示波屏上出现旋钮，使示波屏上出现五次底波，使五次底波，使B1B1对准对准2.02.0，B5B5对准对准10.010.0。记录。记录B2B2、B3B3、B4B4与水平刻度与水平刻度4 40 0、6 60 0、8 80 0偏差值偏差值a2a2、a3a3、a4a4（3 3）计算水平线性误差）计算水平线性误差3 3）仪器要求：水平线性误差）仪器要求：水平线性误差2%2%www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3、动态范围、动态范围1 1）定义：指仪器示波屏容纳信号大小的能力。）定义：指仪器示波屏容纳信号大小的能力。2 2）测试方法：）测试方法：抑制抑制 到到“0”“0”，将满幅度，将满幅度100%100%某波高用衰减器衰减到某波高用衰减器衰减到刚能识别的最小值所需衰减的分贝值就是仪器的动态范刚能识别的最小值所需衰减的分贝值就是仪器的动态范围。围。3 3）仪器要求：动态范围不小于）仪器要求：动态范围不小于26dB26dB4 4、衰减器精度、衰减器精度1 1）衰减器的误差）衰减器的误差N N可按下式估算：可按下式估算：N(dB)=20lgH1/H2N(dB)=20lgH1/H22 2）仪器要求：任意相邻）仪器要求：任意相邻12dB12dB误差误差ldBldB。www.cnshu.cn大量资料天天更新二、探头的性能及其测试二、探头的性能及其测试1 1、斜探头入射点、斜探头入射点1 1）定义：指其主声束轴线与探测面的交点。入射点至探头）定义：指其主声束轴线与探测面的交点。入射点至探头前沿的距离称为探头的前沿长度。前沿的距离称为探头的前沿长度。2 2）测试方法（如图）测试方法（如图3.413.41）：）：将斜探头放在将斜探头放在IIWIIW试块上，使试块上，使R100R100圆柱曲底面回波达最圆柱曲底面回波达最高时，斜楔底面与试块圆心的重合点就是该探头的入射高时，斜楔底面与试块圆心的重合点就是该探头的入射点。这时探头的前沿长度为：点。这时探头的前沿长度为：l l0 0=RM=RMwww.cnshu.cn大量资料天天更新2 2、斜探头、斜探头K K值和折射角值和折射角ss1 1）定义：）定义：K=tgsK=tgs2 2）测试方法：）测试方法：当探头置于当探头置于B B位置时，可测定位置时，可测定K=0.7-1.73K=0.7-1.73当探头置于当探头置于C C位置时，可测定位置时，可测定K=1.73-3.73K=1.73-3.73当探头置于当探头置于D D位置时，可测定位置时，可测定K=3.73-5.67K=3.73-5.67以以C C位置为例：位置为例：www.cnshu.cn大量资料天天更新3 3、探头主声束偏离与双峰、探头主声束偏离与双峰1 1）定义：）定义：探头实际主声束与其理论几何中心轴线的偏离程度称为探头实际主声束与其理论几何中心轴线的偏离程度称为主声束的偏离，常用偏离角主声束的偏离，常用偏离角 来表示。平行平移动探头，来表示。平行平移动探头，同一反射体产生两个波峰的现象称为双峰。同一反射体产生两个波峰的现象称为双峰。2 2）测试方法（以斜探头为例）：）测试方法（以斜探头为例）：探头对准试块棱边，移动并转动探头，找到棱边最高回探头对准试块棱边，移动并转动探头，找到棱边最高回波，这时探头侧面平行线与棱边法线夹角波，这时探头侧面平行线与棱边法线夹角 就是主声束就是主声束偏离角。探头对准横孔，并前后平行移动，当示波屏出偏离角。探头对准横孔，并前后平行移动，当示波屏出现双峰波形时，说明探头具有双峰。现双峰波形时，说明探头具有双峰。www.cnshu.cn大量资料天天更新4 4、探头声束特性、探头声束特性1 1）直探头）直探头: :先在直探头圆周四个对称位置上作出标记先在直探头圆周四个对称位置上作出标记+x+x、- -x x、+y+y、-y-y，再将探头对准试块上的声程为，再将探头对准试块上的声程为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方向平行移动探头，方向平行移动探头，测出横通孔回波下降测出横通孔回波下降6dB6dB时探头移动距离时探头移动距离W-xW-x、W+xW+x。用同样方法测出用同样方法测出y y方向的探头移动距离方向的探头移动距离W-yW-y、W+yW+y。2 2）斜探头：将探头放在）斜探头：将探头放在40mm40mm厚的试块上，移动探头找到厚的试块上，移动探头找到44竖痛孔最高回波，并在试块上标记探头中心竖痛孔最高回波，并在试块上标记探头中心OO点，然点，然后使探头在后使探头在OO点左右移动，找到使点左右移动，找到使44回波下降回波下降6dB6dB时的时的移动距离移动距离W+yW+y、W-yW-y。www.cnshu.cn大量资料天天更新三、仪器和探头的综合性能及其测试三、仪器和探头的综合性能及其测试 1 1、灵敏度：整个探伤系统发现最小缺陷的能力。、灵敏度：整个探伤系统发现最小缺陷的能力。1 1）衡量标准：常用灵敏度余量来衡量。）衡量标准：常用灵敏度余量来衡量。2 2）灵敏度余量测试方法：）灵敏度余量测试方法：（1 1）仪器与直探头的测试：）仪器与直探头的测试：仪器仪器 增益增益 至最大，至最大， 抑制抑制 至至“0”“0”， 发射强度发射强度 至至“ “强强” ”，连，连接探头，并使探头悬空，调接探头，并使探头悬空，调 衰减器衰减器 使电噪声电平使电噪声电平l0%l0%，记下此时的，记下此时的 衰减器衰减器 的读数的读数N N1 1dBdB。将探头对准将探头对准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，记下此时，记下此时 衰减器衰减器 读数读数N N2 2dBdB。N=NN=N2 2-N-N1 1(dB)(dB)（2 2）仪器与斜探头的测试：）仪器与斜探头的测试： 增益增益 至最大，至最大， 抑制抑制 至至“O”“O”，发射强度至，发射强度至“ “强强” ”，连接探，连接探头并悬空，记下电噪声电平头并悬空，记下电噪声电平l0l0的衰减量的衰减量N N1 1。探头置于探头置于IIWIIW试块上，记下使试块上，记下使R100R100圆弧面的第一次反射圆弧面的第一次反射波最高达波最高达5050时的衰减量时的衰减量N N2 2。N=NN=N2 2-N-Nl l(dB)(dB)