超声波探伤物理基础专家讲座.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第1页,第一章 绪论,1.1,超声检测定义和作用,1.2,超声检测发展简史和现实状况,1.3,超声检测基础知识,1.3.1,次声波、声波和超声波,1.3.2,超声检测工作原理,1.3.3,超声检测方法分类,1.3.4,超声检测优点和不足,1.3.5,超声检测适用范围,超声波探伤物理基础专家讲座,第2页,前 言,第二章 超声波伤物理基础,超声波探伤是当前应用最广泛无损检测方法之一。,特点：超声波是一个机械波。超声波波长短、能量高，能够在介质中直线传输，在传输过程中碰到异质界面时会发生反射、折射、端点衍射及波型转换。,A,型脉冲反射法超声波探伤，就是利用缺点处反射回来声波大小来评价缺点。缺点越大或说反射面越大，反射回波就越强。,当前，较先进超声波探伤方法有：,超声相控阵检测技术、,TOFD,检测技术,超声相控阵,&TOFD,技术在无损检测领域应用,.pdf,超声波探伤物理基础专家讲座,第3页,超声波探伤物理基础专家讲座,第4页,在实际工作中是先用标准反射体（试块）确定基准波高，依据不一样深度基准反射体回波高度能够画出一条与深度相关基准曲线（距离,波幅曲线或距离,分贝曲线），调整好基准波后按标准要求进行工件探测，依据缺点回波大小与基准波高进行比较，来判定缺点当量大小，判定缺点是否超标,标准中基准反射体有：,平底孔、横通孔、大平底、短横孔、线切割槽等,第二章 超声波探伤物理基础,A,型脉冲反射式超声波探伤,超声波探伤物理基础专家讲座,第5页,第二章 超声波探伤物理基础,本章节需掌握内容：,一、振动与波动概念与区分,二、波类型,三、超声波传输速度,四、波叠加、干涉、衍射与惠更斯原理,五、超声波声场特征值,六、分贝与奈培,七、超声波垂直入射到界面时反射和透射,八、超声波倾斜入射到界面时反射和折射,九、超声波聚焦与发散,十、超声波衰减,超声波探伤物理基础专家讲座,第6页,第二章 超声波探伤物理基础,1.,振动基本概念与特点,2,、谐振动概念与特点,3,、阻尼振动概念与特点,4,、受迫振动概念与特点，共振概念与应用,5,、机械波,6,、波长、频率和波速之间关系计算,第一节 振动与波动,本节主要内容,超声波探伤物理基础专家讲座,第7页,第二章 超声波探伤物理基础,第一节 振动与波动,一、振动,1.,振动基本概念,物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性运动，称为机械振动。,被手拨动弹簧片,上下跳动皮球,小鸟飞离后颤动树枝,超声波探伤物理基础专家讲座,第8页,特点：振动是往复周期性运动，振动快慢惯用振动周期或频率表示。,第二章 超声波探伤物理基础,周期,T,振动物体完成一次全振动所用时间，称为振动周期，用,T,表示，单位是：秒（,s,）,1Hz=1,次,/,秒,T=1/f,频率,f,振动物体在单位时间内完成振动次数，称为振动频率，用,f,表示。,单位：赫兹,Hz,，,1Hz,表示,1,秒钟完成,1,次全振动。单位还有,KHz,、,MHz,超声波探伤物理基础专家讲座,第9页,第二章 超声波探伤物理基础,如：人能听到声音就是空气机械振动,人能听到声音频率范围是,20,0Hz,，,中音普通在,1000,1500Hz,。,因人而异，每人说话音频不一样，所以能区分不一样人声音。,音调、音域；高音、低音不是声音高低，而是频率高低；声音大小用振幅表示,。,假如人说话频率是,1000Hz,，即每秒钟声带振动,1000,次。,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第10页,第二章 超声波探伤物理基础,2,谐振动,最简单最基本直线振动称为谐振动。任何复杂振动均可视为多个谐振动合成。或说任何复杂振动均可分解为多个简单谐振动。,谐振动动画演示,弹簧振子振动，单摆与音叉振动等,如：,超声波探伤物理基础专家讲座,第11页,（,2,）谐振物体振动振幅不变，为自由振动，其频率为固有频率,第二章 超声波探伤物理基础,（,3,）谐振动时因为只有弹力或重力做功，符合机械能守恒条件，机械能守恒，在平衡位置时动能最大，势能为,0,，在位移最大时，势能最大，动能为,0,，其总能量保持不变,谐振动特点,（,1,）物体受到回复力大小与位移成正比，其方向总是指向平衡位置。,超声波探伤物理基础专家讲座,第12页,超声波探伤物理基础专家讲座,第13页,第二章 超声波探伤物理基础,谐振振动方程推导,质点作均速圆周运动时，其水平方向投影是一个水平方向谐振动。,谐振动方程：,y=Acos,（,t+,），其中,y,时间,t,时位移；,A,振幅（最大位移）,圆频率，即,1,秒钟内改变弧度数，,=2f=2/T,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第14页,3.,阻尼振动,第二章 超声波探伤物理基础,不过，任何实际物体振动总要受到阻力作用。,因为克服阻力做功，振动物体能量不停降低。其振幅随能量降低而减小，这种振幅随时间不停减小振动称为阻尼振动。,阻尼振动,演示,如上所述，谐振动是理想条件下振动,即不考虑磨擦和其它阻力影响。,特点：,谐振动是无阻尼振动,其振幅与周期不变,;,阻尼振动振幅不停减小,而周期不变。阻尼振动不符合机械能守恒定律,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第15页,4,受迫振动,第二章 超声波探伤物理基础,概念：,物体受到周期性外力作用时产生振动,如：,汽缸中活塞振动，扬声器中纸盆振动,演示,受迫振动振幅与策动力频率相关，当策动力频率与物体固有频率相同时，受迫振动振幅到达最大值。这种现象称为,共振,特点：,受迫振动是受外力作用,不符合机械能守恒定律,超声波探伤物理基础专家讲座,第16页,第二章 超声波探伤物理基础,探头频率由晶片厚度决定，高频电脉冲是一个前沿很陡电脉冲,比如：,超声波探头压电晶片在发射超声波时,首先在高频电脉冲激励下产生,受迫振动,，另首先在起振后受到晶片后面吸收块阻尼作用，所以又是,阻尼振动,，即先是受迫振动后是阻尼振动,压电晶片在接收超声波时一样产生,受迫振动和阻尼振动,在设计探头时应使高频电脉冲频率等于压力晶片固有频率，从而产生,共振,，这时压电晶片电声能转换效率最高,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第17页,第二章 超声波探伤物理基础,二、波动,波动分电磁波和机械波两大类,机械波,是机械振动在弹性介质中传输过程。如水波、声波、超声波。,电磁波,是交变电磁场在空间传输过程。如无线电波、可见光、紫外线、,X,射线、,射线等等。,电磁波和机械波区分,我们这里只讨论机械波,演示,超声波探伤物理基础专家讲座,第18页,第二章 超声波探伤物理基础,弹性质点振动会引发邻近质点振动,邻近质点振动又会引发较远质点振动。于是振动就以一定速度由近及远地向各个方向传输。从而形成机械波,机械波形成,产生机械波必备两个条件：,1),产生振动波源；,2),能传输振动弹性介质,振动是波动根源，波动是振动状态和能量传输。波动中介质各质点并不随波前进，只是以交变振动速度在各自平衡位置附近往复运动,振动与波动区分,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第19页,第二章 超声波探伤物理基础,2,、波长、频率和波速,波长,：,同一波线上相邻两振动相位相同质点间距离，称为波长，用,表示。单位惯用,mm,或,m,频率,f,：,在,1,秒钟内所振动次数，用,f,表示，单位,Hz,波速,C,：,波在单位时间内所传传输距离，对于超声波检测来讲，波速就是声速，用,C,表示，单位：,m/s,或,Km/S,超声波探伤物理基础专家讲座,第20页,第二章 超声波探伤物理基础,三者之间关系是：,C=f,，,=C/f,，,f=C/,声速越大，波长越长，频率越高波长越短。波长是超声波检测主要参数，波长短能够发觉较小缺点,3,、波动方程,y=Acos(t-x/c)=Acos(t-Kx),返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第21页,第二章 超声波探伤物理基础,三、次声波、声波和超声波,1,、次声波、声波和超声波划分,次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传输机械波，它们在同一介质中传输速度相同，只是频率不一样,人耳能听到声音叫声波，频率范围在,20,0Hz,之间。,低于,20Hz,声波人耳听不到，叫次声波,高于,0Hz,人耳也听不到，叫超声波,超声波探伤物理基础专家讲座,第22页,2,、超声波应用,第二章 超声波探伤物理基础,当前探伤用超声波频率普通在,0.5-10MHz,范围。对于金属材料检测，惯用频率为,1-5MHz,超声波特点：,1),指向性好,2),波长很短、能量高,3),能在界面上产生反射、折射和波型转换,4),穿透力强,超声波除应用在无损检测外，还应用在医疗诊疗、治疗、工业清洗、焊接、加工等等。,3,、次声波应用,次声波波长长，绕射能力强，传输衰减小，传输距离远。次声波在气象、海洋、地震、和地质勘探等方面得到应用,超声波探伤物理基础专家讲座,第23页,第二章 超声波探伤物理基础,总结,本节重点,1.,振动基本概念与特点,2,、谐振动概念与特点,3,、阻尼振动概念与特点,4,、受迫振动概念与特点，共振概念与应用,5,、机械波形成,6,、产生机械波必备两个条件,7,、振动与波动区分与联络,8,、波长、频率和波速之间关系计算,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第24页,机械波分类方法：,有三类,第二章 超声波探伤物理基础,一、按质点振动方向,二、按波阵面,三、按脉冲连续时间分类,1,、纵波,L,2,、横波,S,3,、表面波,R,4,、板波,1,、平面波,2,、柱面波,3,、球面波,1,、连续波,2,、脉冲波,第二节 波类型,超声波探伤物理基础专家讲座,第25页,第二章 超声波探伤物理基础,一、按质点振动方向分类,传声介质,凡能承受压缩或拉伸应力介质都能传输纵波。,固体介质能承受拉伸应力和压缩应力，所以固体介质能够传输纵波；,液体和气体即使不能承受拉应力，但在承受压应力时产生容积改变，所以液体和气体也能够传输纵波。,概念：,质点振动方向与传输方向平行波称为纵波，用,L,表示；又称压缩波或疏密波。,1,、纵波,L,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第26页,第二章 超声波探伤物理基础,2,、横波,S,传声介质：,只有固体介质才能承受切变应力，液体和气体不能承受切变应力，所以横波只能在固体介质中传输。,当质点受到交变剪切应力用时，产生切变形变，从而形成横波。故又称切变波。,概念：,质点振动方向与波传输方向垂直波，称为横波，用,S,表示,纵波横波特点演示,纵波横波波形演示,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第27页,3,、表面波,R,第二章 超声波探伤物理基础,特点：,表面波在固体表面传输，其能量随传输深度增加而快速减弱。当传输深度超出,2,倍波长时质点振幅就很小了。所以表面波只能发觉距工件表面,2,倍波长以内缺点。,传声介质：,表面波只能在固体表面传输，不能在液体和气体表面传输。,表面波是由纵波与横波在表面合成波，介质表面质点呈椭圆运动。,概念：,当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传输波，称为表面波，用,R,表示；表面波是由瑞利提出来，所以又称瑞利波。,超声波探伤物理基础专家讲座,第28页,4,、板波,第二章 超声波探伤物理基础,小结：,以上,4,种波除纵波外其它波只能在固体中传输，纵波能够在固体、液体、气体中传输。,依据质点振动方向又分为,SH,波和兰姆波。,在表面上下振动波称为兰姆波，在表面横向振动波为,SH,波,概念：,在板厚与波长相当薄板中传输波，称为板波,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第29页,第二章 超声波探伤物理基础,二 按波阵面分类,波阵面：,同一时刻振动相位相同全部质点所联成面称为波阵面。,波源：,刚性平面波源，尺寸远大于波长；,波阵面：,平面；,特征：,波束不扩散，振幅为常数。,按波阵面形状不一样分为：平面波、柱面波、球面波。,1,、平面波,超声波探伤物理基础专家讲座,第30页,波源：,线状波源，尺寸远大于波长；,波阵面：,柱面；,特征：,波束向四面扩散，振幅与距离平方根成反比。,波源：,点波源，尺寸远小于波长；,波阵面：,球面；,特征：,波束向四面八方扩散，振幅,与距离成反比,。,超声波探伤波源近似活塞振动，在各向同性介质中波叫活塞波，当离源距离足够大时，活塞波类似球面波。,第二章 超声波探伤物理基础,2,、柱面波,3,、球面波,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第31页,连续波,：波源连续不停振动，穿透法常采取连续波,脉冲波,：短时间脉冲波，连续时间很短。微秒级。,第二章 超声波探伤物理基础,三、按振动连续时间分,例：,返回,重点：纵波、横波、表面波概念、质点振动特点、传输介质,超声波探伤物理基础专家讲座,第32页,第三节 超声波传输速度,超声波在介质中传输速度与介质弹性模量和密度相关。对特定介质其弹性模量和密度为常数，故声速度也是常数,第二章 超声波探伤物理基础,不一样介质有不一样声速度,超声波波型不一样时，介质弹性变形型式不一样，声速也不一样,一、固体介质中纵波、横波与表面波声速,1,、无限大固体介质中纵波、横波与表面波声速,超声波探伤物理基础专家讲座,第33页,对于钢材有：,C,L,1.8C,S,；,C,R,0.9C,S,；,从上述公式可知,:,1),固体介质中声速与介质密度和弹性模量相关,不一样介质声速不一样,;,介质弹性模量越大，密度越小，则声速越大,2),声速与波类型相关，在同一固体介质中，纵波、横波、表面波声速各不相同，其相互之间关系以下：,CL,CS,CR,2,、细长棒中（,d,）纵波声速,CLb,与无限大介质中纵波声速不一样,第二章 超声波探伤物理基础,纵波,1.10,横波,1.11,表面波,1.12,超声波探伤物理基础专家讲座,第34页,材料种类,C,L,C,S,钢,5880-5950,3230,铜,4700,2260,铝,6260,3080,有机玻璃,2730,1460,水,1500,空气,344,3,、常见介质中声速,m/s,4,、声速与温度关系,普通固体中声速随温度升高而降低。,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第35页,由上式可知，液体弹性模量越大、密度越小，则声速越大,第二章 超声波探伤物理基础,二、板波声速,三、液体、气体介质中纵波声速,B,液体、气体介质容变弹性模量；,液体、气体密度；,概念：板波是在板厚与波长相当薄板中传输，板波传输是以相速度和群速度传输,液体和气体中不能传输横波,超声波探伤物理基础专家讲座,第36页,温度对液体声速影响,总而言之，固体和液体介质在温度升高时，声速都下降，唯有水例外，水在,74,时声速有极大值。,几乎全部液体，当温度升高时，声速降低，唯有水例外，温度升高时声速增大，在,74,时声速到达最大，之后又有所下降。,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第37页,四、声速测量,1,、探伤仪测量法,用超声波探伤仪测量是最简单方法。,原理是脉冲反射法,声速比较法,用已知厚度和声速工件，调整好仪器时基线，并统计；,仪器各控制旋钮不变，测量待测工件，该工件是已知厚度,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第38页,则有：,t1=2d1/C1,t2=2d2/C2,上述两式中，,t1,为仪器时基线上底波位置（格数），,d1,和,C1,为已知工件厚度和声速；,t2,为被测工件底波在时基线上位置（格数），此值经过与,t1,比较而得出；,d2,为被测工件厚度，,C2,是未知数。,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第39页,例,第二章 超声波探伤物理基础,如：使用,CSK-IA,试块和直探头，调整器时基线，依据测量厚度进行调整，将,25mm,一次底波调到,2.5,格,将二次波调到,5,格,三次波调到,7.5,格,此时每格所代表时间是,:,当测量厚度为,60mm,另一工件,一次底波在,5,格处出现时,则该工件纵波声速为,:,这种方法不是很准确,.,可能有几,-,几十米误差,.,其准确度受基准试块声速、试块精度、时基线线性、读数误差影响。,用水作测量基准原理相同,.,超声波探伤物理基础专家讲座,第40页,另外一个解题方法,解：,t1,t2,2d1/C1,2d2/C2,d1/C1,d2/C2,第二章 超声波探伤物理基础,用,A,型脉冲反射式超声波探伤仪测试两种工件时，,t1,、,t2,分别表示一次底波格数或水平距离,用测厚仪测试两种工件时，,t1,、,t2,分别表示仪器读数,超声波探伤物理基础专家讲座,第41页,2,、测厚仪测量法,原理与超声波探伤仪法相同。现在测厚仪基本上都是脉冲反射法。该方法比用探伤仪要准确一些。,由驻波理论可知，当试件厚度为,/2,整数倍时，入射波与反射波在试件内形成驻波，产生共振，据共振原理得声速计算公式为：,C=2fnd/n,实际工作中均为脉冲反射式。,惯用测厚仪有共振法和脉冲反射法两种。,第二章 超声波探伤物理基础,1,）共振法,2,）脉冲反射法,超声波探伤物理基础专家讲座,第42页,3,、示波器测量法,示波器时基线能够读出两次反射波时间差，经过公式可直接计算出声速。,C=2d/t,第二章 超声波探伤物理基础,本节重点：声速与介质关系、声速与温度关系、声速测量方法,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第43页,第四节 波叠加、干涉、衍射与惠更斯原理,一、波叠加与干涉,1,、波迭加原理,第二章 超声波探伤物理基础,几列波在同一介质中传输时，假如在某点相遇，则相遇处质点振动是各列波引发振动合成，在任意时刻该质点位移是各列波引发位移矢量和。几列波相遇后仍保持自己原有频率、波长、振动方向等特征，并按原来传输方向继续前进，好象在各自路径中没有碰到其它波一样，这就是波迭加原理，又称波独立性原理。,动画演示,1,动画演示,2,超声波探伤物理基础专家讲座,第44页,2,、波干涉,1),当,=n(n,为整数,),时，,A=A1+A2,，合振幅最大；,2),当,=(2n+1)/2(n,为整数,),时，,A=A1-A2,绝对值，合振幅最小，当,A1=A2,时，则,A=0,，完全抵消。,超声波探伤中因为波干涉在使声源附近出现声压极大值和极小值,波迭加原理是以波干涉现象为基础。,两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相差一定值，相遇时在某处振动相互加强，而在另一些地方振动相互减弱或完全抵消现象叫做波干涉现象。产生干涉现象波互称相干波。,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第45页,二、驻波,第二章 超声波探伤物理基础,如声波从水入射到钢时产在水,/,钢界面上产生波节，波从钢入射到水时在钢水界面上就产生波腹。,声波从波密介质入射到波疏介质时在界面上产生波节；当声波从波疏介质入射到波密介质时在界面上产生波腹。,两列振幅相同相干波（频率相同）在同一直线上沿相反方向传输时，相互迭加而成波，称为驻波。驻波又称节波，在波节位置，振幅恒为零。,驻波演示,超声波探伤物理基础专家讲座,第46页,三、惠更斯原理和波衍射,1,、惠更斯原理,2,、波绕射,第二章 超声波探伤物理基础,概念：介质中波动传输到各点都能够看作是发射子波波源，在其后任意时刻这些子波包迹就决定新波阵面,障碍物与波长相比越小则产生绕射越强，反射越弱，当障碍物很小时几乎全绕射不反射，这就是超声波探伤灵敏度问题,障碍物越大反射越强，反之则反射越弱。,当障碍物大小与波长相当初，波能绕过障碍物继续前进，这种现象称为波绕射,演示,1,演示,演示,2,超声波探伤物理基础专家讲座,第47页,3,、波衍射,这种现象在新标准中得到应用。利用衍射波测量缺点高度和长度就是这个原理。,波衍射是惠更斯原理表达,当波传输到缺点端部时，在缺点端部会产生一个波源,第二章 超声波探伤物理基础,演示,超声波探伤灵敏度约为,/2,，这是一个主要原因。,当障碍物与波长之比很大时，波几乎全反射不绕射。,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第48页,第五节 超声场特征值,超声波所存在空间或超声波振动所包括部分空间叫超声场。描述超声场特征值主要有声压、声强和声阻抗。,一、声压,P,第二章 超声波探伤物理基础,声场中某点某一时刻压强,P,1,与没有超声波存在时静态压强,P,0,之差，称为该点该时刻声压。,P=P,1,-P,0,单位：帕斯卡,Pa,；,Pa,超声场中,某点声压幅值与介质密度、波速和频率成正比。超声波频率很高，所以声压远大于声波声压,在示波屏上波高与声压成正比,.,超声波探伤物理基础专家讲座,第49页,二、声阻抗,Z,超声场中任意一点声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗,.,用,Z,表示,第二章 超声波探伤物理基础,从上式可见,在同一声压下,声阻抗增加（对两种介质而说）,则质点振动速度下降,所以声阻抗能够了解为介质对质点振动妨碍作用,.,类似电学中欧姆定律,R=U/I,即声阻抗等于该点介质密度与声速之积,;,Pm=,c u=Z u Z=Pm/u,Z=P/u=cu/u=c,单位,:,克,/,厘米,2,秒,或千克,/,米,2,秒,.,超声波探伤物理基础专家讲座,第50页,声阻抗是表征介质声学特征主要物理量,.,超声波在两种介质界面上反射与透射直接与声阻抗相关,.,第二章 超声波探伤物理基础,惯用材料声阻抗,材料声阻抗与温度相关,普通材料声阻抗随温度升高而降低,.,这是因为大多数材料温度增加密度降低、声速降低。,物 质,钢,铝,有机玻璃,水,声阻抗,Z(106,克、厘米,2.,秒,),4.53,1.69,0.33,0.15,超声波探伤物理基础专家讲座,第51页,第二章 超声波探伤物理基础,三、声强,单位时间内垂直经过单位面积声能称为声强，用,I,表示,单位,:,瓦,/,厘米,2;,或焦尔,/,厘米,2.,秒,;,超声波传输到介质某处时,原来静止不动质点开始振动,因而含有动能,同时该处介质产生弹性变形,因而含有弹性势能,其总能量为二者之和,由以上公式可知,:,1),超声波传输是能量传输,.,体积元动能和势能同时最大，同时为,0,，与单独谐振系统不一样。,2),超声波声强与频率平方成正比,;,3),超声波声强与声压平方成正比,.,超声波探伤物理基础专家讲座,第52页,第二章 超声波探伤物理基础,本节重点：,声压、声阻抗、声强物体意义,声压与声强区分,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第53页,第六节 分贝与奈培,第二章 超声波探伤物理基础,分贝与奈培概念,在科学生产过程中,两个数之比相差很大,用起来不方便,常将其比值取对数后计算就大大简便,.,尤其是在声学和电学领域得到广泛应用。,分贝与奈培是用来比较两个数大小,.,即将两个同量纲数进行比较后取对数后单位,超声波探伤物理基础专家讲座,第54页,第二章 超声波探伤物理基础,实际应用贝尔太大，故常取,1/10,贝尔即分贝（,dB,）来作单位。,超声波探伤物理基础专家讲座,第55页,第二章 超声波探伤物理基础,1,、分贝应用,例,1,：示波屏上波高为,80%,，另一波高为,20%,问前者比后者高多少,dB,？,例,2,示波屏上有三个波,A,、,B,、,C,，,A,波比,B,波高,3dB,，,C,波比,B,波低,3dB,，已知,B,波高为,50%,，求,A,、,C,两波各为多高？,超声波探伤物理基础专家讲座,第56页,第二章 超声波探伤物理基础,也能够直接从,H,A,与,H,C,相差,6dB,得到,H,C,=35.3,分贝数能够直接从仪器衰减器中读出,.,衰减系数测定要用到分贝。,重点：分贝计算,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第57页,第七节 超声波垂直入射到界面时反射与透射,超声波垂直入射到异质界面时,会发生反射和透射。,并遵照一定规律。,一、单一界面反射率与透射率,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第58页,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第59页,解上述方程组得,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第60页,由以上几式能够得出：,T+R=1 1+r=t,以上各式说明超声波垂直入射到平界面上时，声压或声强分配百分比仅与界面两侧介质声阻抗相关。,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第61页,下面讨论几个常见界面上声压、声强反射与透射情况。,比如：超声波垂直入射到水,/,钢界面，即从水入射到钢,.,如图,1.27,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第62页,以上计算表明,超声波垂直入射到水,/,钢界面时,其声压反射率,r=0.935,声压透射率,t=1.935.,粗略地看,t,1,似乎违返能量守恒,其实不然,因为声压是力概念,而力只会平衡,(P0+Pr=Pt),不会守恒,.,但从声强方面看,R+T=0.125+0.875=1,说明能量守恒,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第63页,比如超声波垂直入射到钢,/,水界面，即从钢入射到水,.,如图,1.28,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第64页,以上计算表明,超声波垂直入射到钢,/,水界面时,其声压反射率,r=0.935,高,声压透射率,t=0.065,很低。声强反射率和透射率与水,/,钢界面相同，即两种介质界面对于声强来说，其反射率与透射率不变，与从哪种介质入射无关。,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第65页,声压反射率，从声阻抗大介质中入射到声阻抗小介质中时，反射率高，透射率低；从声阻抗小介质中入射到声阻抗大介质中时，反射率高，透射率更高；,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第66页,以上计算表明,当入射波介质声阻抗远大于透射波介质声阻抗时，声压反射率趋近于,-1,，透射率趋近于,0,，即声压几乎全反射，无透射，只是反射声压与入射声压相位相反。,超声波探伤中，假如探头与工件之间不施加耦合剂，则形成固,/,气界面，超声波将无法进入工件。,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第67页,4),当,Z1Z2,时，即界面两侧声阻抗近似相等时，,这说明超声波垂直入射到两种介质声阻抗相差很小介质时，几乎全透射，不反射。所以在焊缝探伤中，若母材与填充金属结合面没有任何缺点，是不会产生界面回波。,如：复合钢板复合层检测，当复层与基层复合良好时，没有反射波，当复层与基层复合不好时（中间有空气），反射波强烈。,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第68页,以上讨论超声波纵波垂直入射到单一平界面上声压、声强反射率和透射率公式一样适合用于横波入射情况。但必须注意是在固,/,液或固,/,气界面上，横波全反射。因为横波不能在液体和气体中传输。,二、簿层界面反射率与透射率,第二章 超声波探伤物理基础,惯用物质界面纵波声压反射率见表,1.6(P25),超声波探伤物理基础专家讲座,第69页,异质薄层很薄，进入薄层内超声波会在异质薄层内进行屡次反射与透射，形成一系列反射波和透射波，如图,1.29,第二章 超声波探伤物理基础,当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时,薄层两侧各次反射波、透射波互不干涉,当脉冲宽度较薄层厚度较宽时，薄层两侧各次反射与透射就会相互叠加产生干涉,超声波经过薄层反射与透射是一个很复杂过程。,超声波探伤物理基础专家讲座,第70页,第二章 超声波探伤物理基础,图,1.30,与图,1.31.,图表明空气和水在钢和铝中声压反射率与透射率,.,超声波探伤物理基础专家讲座,第71页,第二章 超声波探伤物理基础,钢和铝中气隙、水隙声压透射率,钢和铝中气隙、水隙声压反射率,超声波探伤物理基础专家讲座,第72页,第二章 超声波探伤物理基础,2,、薄层两侧介质不一样双界面（,Z1Z2Z3,）,即非均匀介质中薄层。,这一点对于设计超声波探头保护膜含有主要指导意义。,超声波探伤物理基础专家讲座,第73页,第二章 超声波探伤物理基础,三、声压往复透射率,探头发射声波进入工件，声波抵达底面时全反射后再次经过同一界面被探头接收。如图,1.32,。,超声波单探头探伤时，探头即作发射又作接收，即先发射脉冲，之后等候接收返回脉冲。,超声波探伤物理基础专家讲座,第74页,第二章 超声波探伤物理基础,同理,水浸法探伤时,钢水界面往复透射率为,12.5%.,往复透射率高低直接影响探伤灵敏度高低,.,往复透射率高则灵敏度高,反之则低,.,声压往复透射率与界面两侧介质声阻抗相关,与从何种介质入射到界面无关,.,界面两侧介质声阻抗相差越小,声压往复透射率就越高,反之则低,.,重点：界面条件、反射率和透射率计算、特殊薄层厚度界面反射率和透射率、声压往复透射率计算,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第75页,第二章 超声波探伤物理基础,第八节 超声波倾斜入射到界面时反射与折射,一、波型转换与反射、折射定律,当超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类型反射和折射波外，还会产生不一样类型反射波和折射波，这种现象称为波型转换。,1,、纵波斜入射,当纵波倾斜入射到固,/,固界面时，除产生反射纵波和折射纵波外，还会产生反射横波和折射横波。如图,1.33,所表示。,超声波探伤物理基础专家讲座,第76页,第二章 超声波探伤物理基础,各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律,声速大，则角度大，声速小，则角度小。,在同一介质中，纵波声速大于横波声速，所以纵波角度大于横波角度。,超声波探伤物理基础专家讲座,第77页,第二章 超声波探伤物理基础,1,）第一临界角,概念：当入射纵波在第二介质中产生折射纵波，其折射角到达,90,时，即折射纵波全反射时，入射纵波入射角，称为第一临界角。,超声波横波探伤时，纵波入射角大于第一临界角。工件内只有横波没有纵波，折射纵波全反射。,产生条件：第一介质中纵波声速小于第二介质中纵波声速。,超声波探伤物理基础专家讲座,第78页,第二章 超声波探伤物理基础,概念：当入射纵波在第二介质中产生折射横波，其折射角到达,90,时，即折射横波全反射时，入射纵波入射角，称为第二临界角。,2,）第二临界角,超声波表面波探伤时，纵波入射角大于第二临界角。工件只有表面波没有纵波和横波，折射纵波和折射横波全反射。,产生条件：第一介质中纵波声速小于第二介质中横波声速。,超声波探伤物理基础专家讲座,第79页,第二章 超声波探伤物理基础,当纵波入射角大于第一临界角小于第二临界角时，工件内只有横波没有纵波,当纵波入射角小于第一临界角时，工件现有纵波又有横波,当纵波入射角大于第二临界角时，工件内即没有纵波也没有横波，只有表面波；,由此可见,有机玻璃横波探头,L=27.6,57.7,之间，有机玻璃表面波探头,L57.7,超声波探伤物理基础专家讲座,第80页,第二章 超声波探伤物理基础,在固体介质中，入射横波会产生反射纵波和反射横波，因为纵波声速大于横波声速，当入射横波入射角到达一定值时，反射纵波反射角到达,90,，此时工件内只有反射横波，没有反射纵波，横波全反射，此时横波入射角称为第三临界角,。,2,、横波入射,横波入射一样符合反射、折射定律。,第三临界角,超声波探伤物理基础专家讲座,第81页,第一个波为根部焊瘤反射波；,第二个波为焊缝表面反射纵波；,第三个波为焊缝表面反射横波；,这种情况在用横波探测异型工件时，会发生,S,33.2,情况，此时工件内即有反射纵波又有反射横波，会引发误判。,如焊缝探伤时有时会产生山形回波就是这个原因。,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤物理基础专家讲座,第82页,第二章 超声波探伤物理基础,现只介绍由理论计算结果绘制曲线图。,二、声压反射率,因为超声波倾斜入射，其声压反射率不但与介质声阻抗相关而且还与入射角相关，是一个复杂计算过程，这里不再讨论。,本节讨论以下两种情况,（,1,）纵波倾斜入射到钢,/,空气界面反射,（,2,）横波倾斜入射到钢,/,空气界面反射,超声波探伤物理基础专家讲座,第83页,第二章 超声波探伤物理基础,1,、纵波倾斜入射到钢,/,空气界面反射 见图,1.35,纵波入射到钢,/,空气界面时,纵波声压反射率与横波声压反射率随入射角而改变,当入射角等于,60,度左右时,纵波反射率很低,横波反射率很高,.,原因是纵波入射角等于,60,度左右时,产生一个较强变型反射横波,.,超声波探伤物理基础专家讲座,第84页,第二章 超声波探伤物理基础,2,、横波倾斜入射到钢,/,空气界面反射 见图,1.36,横波倾斜入射到钢,/,空气界面,横波反射率与纵波反射率随入射角而改变,.,当入射角在,30,度左右时,横波反射率很低,纵波反射率很高,.,当横波入射角大于,33.2,度时,横波全反射,即钢中只有横波没有纵波,.,超声波探伤物理基础专家讲座,第85页,第二章 超声波探伤物理基础,超声波探伤常采取反射法,.,超声波往复透过同一探测面,所以声压往复透过率更含有实际意义,.,三、声压往复透射率,超声波探伤物理基础专家讲座,第86页,第二章 超声波探伤物理基础,图,1.38,为纵波倾斜入射至水,/,钢界面时声压往复透射率与入射角关系曲线,.,当纵波入射角小于,14.5,度时,折射纵波往复透射率不超出,13%,折射横波往复透射率不超出,6%;,超声波探伤物理基础专家讲座,第87页,第二章 超声波探伤物理基础,当入射角在,14.5,27.27,度时,钢中只有横波没有纵波,横波往复透射率最高不到,20%.,实际探伤中,水浸探伤就属于这种情况,.,当入射角在,27.,57.7,度时,钢中只横波没有纵波,横波往复透射率最高不到,30%,这时对应纵波入射角为,30,度,横波折射角为,37,度,.,图,1.39,为纵波倾斜入射至有机玻璃,/,钢界面时声压往复透射率与入射角关系曲线,.,当纵波入射角小于,27.6,度时,折射纵波往复透射率不超出,25%,折射横波往复透射率不超出,10%;,实际探伤中,有机玻璃探头探测钢材就属于这种情况,.,超声波探伤物理基础专家讲座,第88页,第二章 超声波探伤物理基础,回波声压与入射波声压之比称为端角反射率,用,T,端,表示,.,四、端角反射,概念：超声波在两个平面组成直角内反射,叫端角反射,如图,1.40,在端角反射中超声波经历了两次反射,当不考虑波型转换时,二次反射波与入射波平行,且,+=90,超声波探伤物理基础专家讲座,第89页,第二章 超声波探伤物理基础,图,1.41,为钢,/,空气界面上钢中端角反射率,.,图,1.41a,中可知,纵波入射时,端角反射率都很低,这是因为纵波在端角两次反射分离出较强横波,.,超声波探伤物理基础专家讲座,第90页,第二章 超声波探伤物理基础,图,1.41b,中可知,横波入射时,在,s=30,或,s=60,附近时,端角反射率最低,.,s=30-55,时,端角反射率达,100%,。此时,K=tgs=0.7-1.43,实际工作中横波探伤根部未焊透或裂纹情况就属于这类情况,.,当,s,56,即,K,1.5,时,探伤灵敏度较低,可能引发漏检,.,重点：反射和折射定律应用、第一、二、三临界角概念、端角反射概念、液体和气体中只传输纵波,返回,超声波探伤物理基础专家讲座,第91页,P=P1/x,P1,声场中距离单位为,1,处声压,第二章 超声波探伤物理基础,第九节 超声波聚焦与发散,超声波指向性好,它与可见光一样含有聚焦和发散特征,.,一、声压距离公式,对于平面波,波束不扩散,所以声压不随距离而改变,.,球面波与柱面波其波束随距离增加而扩散,其扩散规律有所不一样,.,1,、球面波声压距离公式,球面波波阵面为同心球面,球面波声场中某处质点振幅与该点至声源距离成反比,而声压又与振幅成正比,所以球面波声压与距离成反比,.,超声波探伤物理基础专家讲座,第92页,第二章 超声波探伤物理基础,柱面波波阵面为同轴柱面，柱面波声场中某处质点振幅，与该点至波源距离平方根成反比。即该点声压与该点至声源距离平方根成反比。,2,、,柱面波声压距离公式,超声波探伤物理基础专家讲座,第93页,反射波还是球面波，反射波源与入射波源相对于平面对称。,如远场探伤，大平底反射。,二、球面波在平界面上反射与折射,1,、单一平界面上反射,第二章 超声波探伤物理基础,反射波声压