无损检测超声波专家讲座.pptx

第第2章章 超声波检测超声波检测 本章提要：本章提要：超声检测（超声检测（UT）是利用其在物质中传输、界面反）是利用其在物质中传输、界面反射、折射射、折射(产生波型转换产生波型转换)和衰减等物理性质来发觉和衰减等物理性质来发觉缺点一个无损检测方法，应用较为广泛。缺点一个无损检测方法，应用较为广泛。按其工作原理不一样分为：共振法、穿透法、脉按其工作原理不一样分为：共振法、穿透法、脉冲反射法冲反射法超声检测；按显示缺点方式不一样分为：按显示缺点方式不一样分为：A型、型、B型、型、C型、型、3D型超声检测型超声检测；按选取超声波波型不一样分为：纵波法、横波法、按选取超声波波型不一样分为：纵波法、横波法、表面波法超声检测表面波法超声检测；无损检测超声波第1页按声耦和方式不一样分为：按声耦和方式不一样分为：直接接触法、液浸法超声检测；直接接触法、液浸法超声检测；本章将本章将重点介绍重点介绍：脉冲反射法原理、脉冲反射法原理、直接接触法、直接接触法、A型显示方式、型显示方式、纵波法、横波法纵波法、横波法 超声检测技术。超声检测技术。无损检测超声波第2页2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础2.1.1 超声波物理本质超声波物理本质 它是频率大于它是频率大于2万赫兹机械振动在弹性介万赫兹机械振动在弹性介质中转播行为。质中转播行为。即超声频率机械波。即超声频率机械波。普通地说，超声波频率越高，其能量越普通地说，超声波频率越高，其能量越大，探伤灵敏度也越高。大，探伤灵敏度也越高。超声检测惯用频率在超声检测惯用频率在 0.510 MHZ。无损检测超声波第3页2.1.2 超声波产生（发射）与接收超声波产生（发射）与接收 (1)超声波产生机理超声波产生机理利用了压电材利用了压电材 料料压电效应压电效应。试验发觉，一些晶体材料（如石英晶体）试验发觉，一些晶体材料（如石英晶体）做成晶体薄片，当其做成晶体薄片，当其受到拉伸或压缩时，受到拉伸或压缩时，表面就会产生电荷表面就会产生电荷；此现象称为；此现象称为正压电效正压电效应应；反之，当对此晶片反之，当对此晶片施加交变电场施加交变电场时，晶时，晶体内部质点就会产生体内部质点就会产生机械振动机械振动，此现象称，此现象称为为逆压电效应逆压电效应。含有压电效应晶体材料就称为含有压电效应晶体材料就称为压电材料压电材料。无损检测超声波第4页压电效应压电效应图解压电效应图解/b.施加交流电场时内部质点产生振动施加交流电场时内部质点产生振动a.拉伸或压缩时表面产生电荷拉伸或压缩时表面产生电荷正压电效应/逆压电效应 无损检测超声波第5页 (2)超声波发射与接收超声波发射与接收 发射在压电晶片制成探头中，对在压电晶片制成探头中，对压电晶片施以压电晶片施以超声频率超声频率交变电压交变电压，因为，因为逆压电效应，晶片中就会产生超声频率逆压电效应，晶片中就会产生超声频率机械振动机械振动产生超声波产生超声波；若此机械振动与若此机械振动与被检测工件很好地被检测工件很好地耦耦合合，超声波就会，超声波就会传入工件传入工件这就是这就是超超声波发射声波发射。无损检测超声波第6页 接收接收若发射出去超声波碰到界面被若发射出去超声波碰到界面被反射回来反射回来，又会对探头压电晶片产生机械，又会对探头压电晶片产生机械振动，因为正压电效应，在晶片上下电极振动，因为正压电效应，在晶片上下电极之间就会之间就会产生交变电信号产生交变电信号。将此电信号采集、检波、放大并显示出将此电信号采集、检波、放大并显示出来，就来，就完成了对超声波信号接收完成了对超声波信号接收。可见，探头是一个可见，探头是一个声电换能元件声电换能元件，是一，是一个特殊个特殊传感器传感器，在探伤过程中发挥主要作，在探伤过程中发挥主要作用。用。2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础无损检测超声波第7页2.1.3 超声波波型分类超声波波型分类按质点振动方向与声波传输方向之间关系按质点振动方向与声波传输方向之间关系分为：分为：（1）纵波纵波 L 介质质点振动方向与波传输介质质点振动方向与波传输方向一致；方向一致；无损检测超声波第8页（2）横波横波 S 介质质点振动方向与波传输介质质点振动方向与波传输方向垂直；方向垂直；2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础无损检测超声波第9页（3）表面波）表面波 R介质质点沿介质表面做椭介质质点沿介质表面做椭圆运动；又称瑞利波；圆运动；又称瑞利波；2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础无损检测超声波第10页（4）板波）板波 板厚与波长相当薄板中传输板厚与波长相当薄板中传输超声波，板两表面介质质点沿介质表面做超声波，板两表面介质质点沿介质表面做椭圆运动，板中间也有超声波传输。又称椭圆运动，板中间也有超声波传输。又称兰姆波；兰姆波；a)对称型对称型 b)非对称型非对称型 2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础无损检测超声波第11页注意！注意！液体和气体介质液体和气体介质（不能传递切向力）（不能传递切向力）中，所以中，所以只能传输纵波只能传输纵波！同一介质中，声速关系有：同一介质中，声速关系有：CL CS CR 同一介质中，声速、波长、频率之间同一介质中，声速、波长、频率之间 关系为：关系为：C=f=常数常数。无损检测超声波第12页按超声波振动连续时间分为：按超声波振动连续时间分为：(1)连续波连续波在有效作用时间内声波不间在有效作用时间内声波不间 断地发射；断地发射；(2)脉冲波脉冲波在有效作用时间内声波以脉在有效作用时间内声波以脉 冲方式间歇地发射。冲方式间歇地发射。注意注意:超声波检测过程常采取超声波检测过程常采取脉冲波脉冲波。无损检测超声波第13页2.1.4 超声波基本性质超声波基本性质 (1)含有良好指向性：含有良好指向性：直线传输直线传输，符合几何光学定律；象光波，符合几何光学定律；象光波一样，方向性好；一样，方向性好；束射性束射性，象手电筒光束一样，能集中在，象手电筒光束一样，能集中在超声场内定向辐射。超声场内定向辐射。声束扩散角满足以下关系：声束扩散角满足以下关系：=arcsin 1.22(/D)(2-1)可见：可见：波长越短波长越短，扩散角扩散角越小越小，声能越集中声能越集中。无损检测超声波第14页2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础无损检测超声波第15页 (2)含有较强含有较强穿透性穿透性，但有，但有衰减衰减；穿透性穿透性来自于它高能量，因为来自于它高能量，因为声强正比于频率平方；声强正比于频率平方；所以，超声波能量比普通声波大所以，超声波能量比普通声波大100万倍！可穿透金属达数米！万倍！可穿透金属达数米！衰减性衰减性源于三个方面：源于三个方面：扩散扩散、散射散射、吸收吸收；无损检测超声波第16页(1)扩散衰减扩散衰减 声波在介质中传输时，因其波前在逐步扩声波在介质中传输时，因其波前在逐步扩展，展，从而造成声波能量逐步减弱现象叫做超声从而造成声波能量逐步减弱现象叫做超声波波 扩散衰减扩散衰减。它主要取决于波阵面几何形状，它主要取决于波阵面几何形状，而与传输介质无关而与传输介质无关。2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础无损检测超声波第17页(2)散射衰减散射衰减 散射是物质不均匀性产生。散射是物质不均匀性产生。不均匀材料含有声阻抗急剧改变界面，不均匀材料含有声阻抗急剧改变界面，在这两种物质界面上，在这两种物质界面上，会产生声波反射、折射和波型转换现象，会产生声波反射、折射和波型转换现象，必定造成声能降低。必定造成声能降低。2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础无损检测超声波第18页(3)吸收衰减：吸收衰减：超声波在介质中传输时，超声波在介质中传输时，因为介质质点间内摩擦和热传导，因为介质质点间内摩擦和热传导，引发声波能量减弱现象，引发声波能量减弱现象，叫做超声波吸收衰减。叫做超声波吸收衰减。2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础无损检测超声波第19页（3 3）只能在弹性介质中传输，只能在弹性介质中传输，不能在真不能在真空空（空（空 气近似看成真空）中传输；气近似看成真空）中传输；强调强调：横波不能在气体、液体中传横波不能在气体、液体中传输输！表面波表面波看作是纵波与横波合成，看作是纵波与横波合成，所以，也不能在气体、液体中传输！所以，也不能在气体、液体中传输！2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础无损检测超声波第20页（4）碰到界面将产生：）碰到界面将产生：反射反射、折射折射和和波型转换波型转换现象；现象；（5）对人体无害）对人体无害优于射线性质。优于射线性质。主声轴主声轴 N近场区长度N=D2/4超声场及 近场区 压电晶片无损检测超声波第21页2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础无损检测超声波第22页3.24?无损检测超声波第23页2.2 超声波在介质中传输超声波在介质中传输 2.2.1 超声波在金属中衰减定律超声波在金属中衰减定律 超声波在超声波在金属中金属中主要衰减原因是主要衰减原因是散射和散射和扩散扩散；在；在液体中主要是吸收液体中主要是吸收。研究表明，超声波在金属中衰减规律可研究表明，超声波在金属中衰减规律可用下面关系式表示：用下面关系式表示：PX=P0 e-x (2-2)衰减系数；衰减系数；dB/m x 声束传输距离，即声程声束传输距离，即声程 m。无损检测超声波第24页(2-2)式表明，超声波声压在其传输路径上，式表明，超声波声压在其传输路径上，呈负指数规律衰减。呈负指数规律衰减。这里强调指出：这里强调指出：衰减系数衰减系数为频率为频率f4和晶粒和晶粒尺寸尺寸d3函数。函数。所以，对粗晶检测时，应适当降低超声波所以，对粗晶检测时，应适当降低超声波频率，填补能量不足。频率，填补能量不足。研究表明，声压研究表明，声压p与超声波探伤仪示波屏上与超声波探伤仪示波屏上波高波高h成正比关系：成正比关系：p1/p2=h1/h2 (2-3)实际探测时，超声波探伤仪示波屏上波高实际探测时，超声波探伤仪示波屏上波高h能够反应声波衰减情况。能够反应声波衰减情况。无损检测超声波第25页 超声波探伤仪示波屏上波高h衰减情况这里，这里，B1 B6代表超声波在工件底面代表超声波在工件底面 6次反射波。波高次反射波。波高h依次递减。依次递减。T TB1B2B6无损检测超声波第26页描述：描述：超声场物理量超声场物理量充满超声波空间，或在介质中超声振动波所及充满超声波空间，或在介质中超声振动波所及“质点占据范围质点占据范围”叫超声场。叫超声场。对超声场我们惯用：对超声场我们惯用：1.声压、声压、2.声强、声强、3.声阻抗、声阻抗、4.质点振动位移和质点振动速度质点振动位移和质点振动速度 等物理量等物理量,来描述超声波声场。来描述超声波声场。2.3 超声波在介质中传输超声波在介质中传输 无损检测超声波第27页(一一)声压声压超声场中某一点在某一瞬间所含有压强超声场中某一点在某一瞬间所含有压强 ,与没有与没有超声场存在时，同一点静态压强之差为该点声压超声场存在时，同一点静态压强之差为该点声压，用用 表示。表示。单位为单位为 帕帕,记作记作1Pa=1N/m2。若用若用 平面余弦波表示式平面余弦波表示式：(2-1)2.3 超声波在介质中传输超声波在介质中传输 无损检测超声波第28页2.3 超声波在介质中传输超声波在介质中传输 式中：式中：-介质密度，介质密度，C-介质中波速，介质中波速，A-介质质点振幅，介质质点振幅，-介质中质点振动圆频率介质中质点振动圆频率()，A -质点振动速度振幅质点振动速度振幅()，T-时间，时间，x-至波源距离。至波源距离。且相关系式：且相关系式：式中：式中：-声压极大值。声压极大值。无损检测超声波第29页可见：可见：声压绝对值，与波速、质点振动速度振幅声压绝对值，与波速、质点振动速度振幅(或角频率或角频率)成正比成正比。因为超声波频率高，所以超声波比声波声因为超声波频率高，所以超声波比声波声压大。压大。2.3 超声波在介质中传输超声波在介质中传输 无损检测超声波第30页2.3.1.2 声强声强在超声波在超声波传输方向上传输方向上，单位时间内单位时间内 介质中介质中单位截面上单位截面上 声能叫声强。用声能叫声强。用I表示；单位是表示；单位是对纵波在均匀各向同性固体介质中传输为对纵波在均匀各向同性固体介质中传输为例例，能够证实平面波传输声强计算式；证实平面波传输声强计算式；(1-2)注意：上式中有三个部分概念。注意：上式中有三个部分概念。2.3 超声波在介质中传输超声波在介质中传输 无损检测超声波第31页超声波声强：超声波声强：、正比于质点振动位移振幅平方；、正比于质点振动位移振幅平方；、正比于质点振动角频率平方；、正比于质点振动角频率平方；、正比于质点振动速度振幅平方。、正比于质点振动速度振幅平方。注意：注意：因为超声波频率高，其强度因为超声波频率高，其强度(能量能量)是远远大于是远远大于 可闻声波可闻声波 强强度。度。比如：比如：1MHz声波能量等于声波能量等于100kHz声波能量声波能量100倍，等于倍，等于lkHz声声波能量波能量100万倍。万倍。2.3 超声波在介质中传输超声波在介质中传输 无损检测超声波第32页无损检测超声波第33页2.2 超声波在介质中传输超声波在介质中传输2.2.2 超声波在异质界面处产生各种现象超声波在异质界面处产生各种现象(1)垂直入射异质界面时垂直入射异质界面时透射透射、反射反射及及绕射绕射 透射与反射透射与反射 反射系数反射系数 K=W反反/W入入100%W透透W反反w入入无损检测超声波第34页 常见材料之间界面反射系数常见材料之间界面反射系数 界面材料界面材料 反射系数反射系数K%钢钢钢钢 0 钢钢变压器油变压器油 81 钢钢有机玻璃有机玻璃 77 钢钢水水 88有机玻璃有机玻璃变压器油变压器油 17 钢钢空气空气 100 有机玻璃有机玻璃空气空气 100无损检测超声波第35页 反射现象辩证分析反射现象辩证分析 反射现象：对发射超声波不利对发射超声波不利；对脉冲反射法接收有利。对脉冲反射法接收有利。影响反射系数影响反射系数K原因原因 反射系数反射系数K值大小，决定于相邻介质值大小，决定于相邻介质声阻声阻抗之差抗之差：Z =|Z 2Z 1|Z 越大，越大，K 值越大。值越大。而与何者为而与何者为第一介质第一介质无关。无关。无损检测超声波第36页(一一)、在单一界面上、在单一界面上当超声波垂直入射到足够大光滑平界面时：当超声波垂直入射到足够大光滑平界面时：.在第一介质中产生一个与入射波方向相反反射在第一介质中产生一个与入射波方向相反反射波。波。.在第二介质中产生一个与入射波方向相同透射在第二介质中产生一个与入射波方向相同透射波。波。.反射波与透射波声压反射波与透射波声压(声强声强)是按一定百分比分是按一定百分比分配配。.分百分比由声压反射率分百分比由声压反射率(或声强反射率或声强反射率)，和声压透射率和声压透射率(或声强透射率或声强透射率)来表示。来表示。无损检测超声波第37页1、在单一界面上反射波声压与入射波声压、在单一界面上反射波声压与入射波声压之比，称为界面之比，称为界面 声压反射率：声压反射率：用表示用表示。式中式中：Z1-介质介质1声阻抗，声阻抗，Z2-介质介质2声阻抗声阻抗。无损检测超声波第38页2、在单一界面上透射波声压与入射波声压之比，、在单一界面上透射波声压与入射波声压之比，称为界面称为界面 声压透射率声压透射率：用用t表示：表示：3、在界面上反射波声强与入射波声强之比，称、在界面上反射波声强与入射波声强之比，称为为 声强反射率声强反射率：用用R表示：表示：无损检测超声波第39页 4、在界面上透射声强与入射声强之比，称、在界面上透射声强与入射声强之比，称为为 声强透射率：声强透射率：用用T表示：表示：说明：说明：在声波垂直入射到平界面上时，声压和声在声波垂直入射到平界面上时，声压和声强分配百分比，仅与界面两侧介质声阻抗强分配百分比，仅与界面两侧介质声阻抗相关相关.无损检测超声波第40页注意：注意：在垂直入射时，在垂直入射时，介质两侧声波必须满足两个边界条件介质两侧声波必须满足两个边界条件：(1)、一侧总声压等于另一侧总声压。、一侧总声压等于另一侧总声压。不然界面两侧受力不等，将会发生界面运动。不然界面两侧受力不等，将会发生界面运动。(2)、两侧质点速度振幅相等，以保持波连续、两侧质点速度振幅相等，以保持波连续性。性。无损检测超声波第41页上述是超声波纵波：上述是超声波纵波：垂直入射到单一平界面上，声压、声强与垂直入射到单一平界面上，声压、声强与其反射率、透射率计算公式，一样适合用其反射率、透射率计算公式，一样适合用于横波入射情况。于横波入射情况。无损检测超声波第42页(二二)、薄层界面、薄层界面 在进行超声检测时，经常碰到很薄耦合层和缺点在进行超声检测时，经常碰到很薄耦合层和缺点薄层，能够归纳为超声波在薄层界面反射和透射薄层，能够归纳为超声波在薄层界面反射和透射问题。问题。超声波是由声阻抗为超声波是由声阻抗为Z1第一介质，入射到第一介质，入射到Z1和和Z2交界面。交界面。然后经过声阻抗为然后经过声阻抗为Z2第二介质薄层射到第二介质薄层射到Z2和和Z3界界面，最终进入声阻抗为面，最终进入声阻抗为Z3第三介质等。第三介质等。在有三层介质时在有三层介质时，很多情况是：很多情况是：第一介质和第三介质为同一个介质第一介质和第三介质为同一个介质。无损检测超声波第43页a)钢钢-水入射水入射 b)水水-钢入射钢入射无损检测超声波第44页注意：注意：1、超声波经过一定厚度异质薄层时，反射和透射、超声波经过一定厚度异质薄层时，反射和透射情况与单一平界面不一样，情况与单一平界面不一样，2、当异质薄层很薄，进入薄层内超声波会在薄层、当异质薄层很薄，进入薄层内超声波会在薄层两侧界面，引发屡次反射和透射，形成一系列反两侧界面，引发屡次反射和透射，形成一系列反射和透射波。射和透射波。3、当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时，薄层两、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、透射波就会相互干涉。侧各次反射波、透射波就会相互干涉。4、因为上述原因，声压反射率和透射率计算比较因为上述原因，声压反射率和透射率计算比较复杂。复杂。无损检测超声波第45页普通说来普通说来：超声波经过异质薄层时：超声波经过异质薄层时：声压反射率和透射率，不但与介质声阻抗声压反射率和透射率，不但与介质声阻抗和薄层声阻抗相关，而且与薄层厚度同其和薄层声阻抗相关，而且与薄层厚度同其波长之比波长之比()相关。相关。无损检测超声波第46页(1)、当一、三介质为同一介质时，对均匀、当一、三介质为同一介质时，对均匀介质中异质薄层有以下规律性介质中异质薄层有以下规律性：（反射）（反射）2-21 （透射）（透射）2-22无损检测超声波第47页式中式中：d2-异质薄层厚度，-异质薄层波长，-两种介质声阻抗之比，由公式由公式(2-21)(2-22)可知：可知：当当 时时(n为正整数为正整数)，。当当 时时(n为正整数为正整数)，r最高，最高，。当当 时，即时，即 时，则薄层厚度愈小，时，则薄层厚度愈小，透射率愈大，反射率愈小。透射率愈大，反射率愈小。无损检测超声波第48页(2)、，即非均匀介质中薄层有以下，即非均匀介质中薄层有以下规律性规律性：比如：晶片比如：晶片保护薄膜保护薄膜工件，或晶片工件，或晶片耦合剂耦合剂工件等情况。工件等情况。此时此时 声压往复透射率声压往复透射率 为：为：（2-23）无损检测超声波第49页由上式可知由上式可知：当当 时(n为正整数)，则有：则有：即：即：超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不一样薄层，超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不一样薄层，若薄层厚度等于半波长整数倍时，经过薄层声压若薄层厚度等于半波长整数倍时，经过薄层声压往复透射率与薄层性质无关。往复透射率与薄层性质无关。无损检测超声波第50页当 (n为正整数)，且 时时，则有则有：上式表明：上式表明：超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不一样超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不一样薄层：薄层：1、当、当 奇数倍，奇数倍，Z2为为 时，或时，或 时，时，无损检测超声波第51页其声压往复透射率等于其声压往复透射率等于1，此即为全透射情，此即为全透射情况。况。2、当、当 时，薄层愈薄，声压往复透射时，薄层愈薄，声压往复透射率愈大。率愈大。无损检测超声波第52页关于声阻抗 声阻抗声阻抗Z表示声场中介质对质点振动妨表示声场中介质对质点振动妨碍作用。碍作用。指超声波在介质中传输时，任一点指超声波在介质中传输时，任一点声压声压p与与该该点速度振幅点速度振幅V之比。之比。定义式定义式:声阻抗声阻抗 Z=p/V (2-4)数值表征数值表征:Z=CL (2-5)气体、液体、金属之间声阻抗之比约为：气体、液体、金属之间声阻抗之比约为：1：3000：8000。无损检测超声波第53页 绕射现象绕射现象当界面尺寸当界面尺寸df/2 时，声波能绕过缺点界时，声波能绕过缺点界面而继续向前传输现象，叫作面而继续向前传输现象，叫作绕射绕射。所以，要想所以，要想提升探伤灵敏度提升探伤灵敏度，必须，必须提升频提升频率率f,方便方便发觉更小缺点发觉更小缺点。超声波超声波绕射现象绕射现象无损检测超声波第54页(2)倾斜入射异质界面反射、折射和波型转换倾斜入射异质界面反射、折射和波型转换 参考图参考图 S1 L1S2 L2 L LLoL L入射纵波；入射纵波；纵波入射角；纵波入射角；L1L1反射纵波；反射纵波；L纵波纵波L1L1反射角；反射角；S1反射横波；反射横波；横波横波S1反射角；反射角；L2 折射折射纵波；纵波；L纵波纵波L2折射角；折射角；S2 折射折射横波；横波；横波横波S2折射角。折射角。无损检测超声波第55页1超声波在无限大介质中传输时，将一直向超声波在无限大介质中传输时，将一直向前传输，不改变方向。前传输，不改变方向。2碰到异质界面碰到异质界面(声阻抗差异较大异质界面声阻抗差异较大异质界面)时，会产生反射和透射现象。时，会产生反射和透射现象。3一部分超声波在界面上被反射回第一介质，一部分超声波在界面上被反射回第一介质，另一部分透过介质交界面进入第二介质。另一部分透过介质交界面进入第二介质。2.2 超声波在介质中传输超声波在介质中传输无损检测超声波第56页(一一)、在单一界面上、在单一界面上当超声波垂直入射到足够大光滑平界面时：当超声波垂直入射到足够大光滑平界面时：在第一介质中产生一个与入射波方向相反反射在第一介质中产生一个与入射波方向相反反射波。波。在第二介质中产生一个与入射波方向相同透射在第二介质中产生一个与入射波方向相同透射波。波。反射波与透射波声压反射波与透射波声压(声强声强)是按一定百分比分配是按一定百分比分配。分百分比由声压反射率分百分比由声压反射率(或声强反射率或声强反射率)，和声压透射率和声压透射率(或声强透射率或声强透射率)来表示。来表示。2.2 超声波在介质中传输超声波在介质中传输无损检测超声波第57页(二二)薄层界面薄层界面在进行超声检测时，经常碰到很薄耦合层在进行超声检测时，经常碰到很薄耦合层和缺点薄层，能够归纳为超声波在薄层界和缺点薄层，能够归纳为超声波在薄层界面反射和透射问题。面反射和透射问题。2.2 超声波在介质中传输超声波在介质中传输无损检测超声波第58页斯涅耳定律：斯涅耳定律：（26)S1 L1S2 L2 L LL无损检测超声波第59页(2)临界角讨论及其应用意义临界角讨论及其应用意义 因因 CL=CL1;=L;由（由（2-6）式可推知）式可推知:（2-7）（2-8）临界角讨论临界角讨论：当取有机玻璃为第一介质，：当取有机玻璃为第一介质，钢为第二介质时，即有：钢为第二介质时，即有：CL1CL2,CL1 CS2 CL2,必有必有 SL；且；且，S ，L ；无损检测超声波第60页故当故当L=90时，第二介质中只有横波。此时，第二介质中只有横波。此时对应纵波入射角时对应纵波入射角；叫作叫作第一临界角第一临界角，记为，记为1m。这时，这时，1m=27.6。当当，使，使s=90时，第二介质中只有表时，第二介质中只有表面波。此时对应纵波入射角面波。此时对应纵波入射角；叫作叫作第二临界角，第二临界角，记为记为2m=57.6。临界角应用：临界角应用：斜探头设计斜探头设计时，应确保时，应确保声波入射角声波入射角介于介于第第一临界角、第二临界角一临界角、第二临界角之间。之间。无损检测超声波第61页第三临界角第三临界角：（入射角，折射角）（入射角，折射角）当超声波横波倾斜入射到界面时，在第一介质中当超声波横波倾斜入射到界面时，在第一介质中产生反射纵波和反射横波。产生反射纵波和反射横波。因为在同一介质中，因为在同一介质中，恒大于恒大于 ，所以，所以 恒大恒大于于 。伴随伴随 增加，当增加，当 时，介质中只存在反射时，介质中只存在反射横波。横波。当当 ，则有；，则有；注意：只有第一介质为固体时，才会有第三临界注意：只有第一介质为固体时，才会有第三临界角。角。无损检测超声波第62页2.4.2.3倾斜入射到平界面上时声压反射率与透射倾斜入射到平界面上时声压反射率与透射率率 注意：斯涅尔反射、折射定律只讨论了：注意：斯涅尔反射、折射定律只讨论了：超声波倾斜入射到界面上时，各种类型反射波和超声波倾斜入射到界面上时，各种类型反射波和折射波传输方向，没有包括它们声压反射率和透折射波传输方向，没有包括它们声压反射率和透射率。射率。实际上：在斜入射情况下，各种类型反射波和折实际上：在斜入射情况下，各种类型反射波和折射波声压反射率和透射率，是与：射波声压反射率和透射率，是与：与界面两侧介质声阻抗相关，与界面两侧介质声阻抗相关，与入射波类型以及入射角大小相关。与入射波类型以及入射角大小相关。无损检测超声波第63页其理论计算公式复杂，借助于由公式或试其理论计算公式复杂，借助于由公式或试验：验：得到几个，常见界面声压反射率和透射率得到几个，常见界面声压反射率和透射率图来确定检测方案图来确定检测方案。无损检测超声波第64页无损检测超声波第65页无损检测超声波第66页2.4.2.4声压往复透射率声压往复透射率 超声波倾斜入射时，声压往复透射率等于超声波倾斜入射时，声压往复透射率等于两次相反方向，经过同一界面声压透射率两次相反方向，经过同一界面声压透射率乘积乘积。表示式：表示式：2-25 -入射波声压，入射波声压，-透射波声压，透射波声压，-回波声压回波声压无损检测超声波第67页2.3 超声波检测原理超声波检测原理 本节重点讲解本节重点讲解:A型脉冲反射法型脉冲反射法超声波检测原理。超声波检测原理。在在实际应用实际应用中以中以该法为主。该法为主。2.3.1 A型脉冲反射法超声波检测原理型脉冲反射法超声波检测原理 (1)原理：原理：A型型脉冲反射法脉冲反射法超声波检测就是利用超声超声波检测就是利用超声波在传输过程中，碰到波在传输过程中，碰到声阻抗较大声阻抗较大异质界异质界面面时，将时，将产生反射产生反射原理来实现对内部缺点原理来实现对内部缺点检测。检测。无损检测超声波第68页(2)实现方法实现方法：该法采取该法采取单一探头单一探头既作发射器件，又既作发射器件，又作接收元件，以脉冲方式间歇地向工件发作接收元件，以脉冲方式间歇地向工件发射超声波；射超声波；接收到回波信号经功效电路放接收到回波信号经功效电路放大、检波后，大、检波后，在探伤仪示波屏上在探伤仪示波屏上，以脉冲以脉冲信号信号显示出来显示出来。(3)信号解读信号解读：依据探伤仪示波屏上，依据探伤仪示波屏上，始波始波T、伤波伤波F、底波底波B有没有有没有、大小大小及其在及其在时基轴时基轴上上位置位置可判断工件可判断工件内部缺点内部缺点有没有、大小和位置有没有、大小和位置。见下列图：见下列图：无损检测超声波第69页示例直探头缺点显示直探头缺点显示 a.无缺点无缺点 b.小缺点小缺点 c.大缺点大缺点TBTTBFF无损检测超声波第70页示波屏特征小结示波屏特征小结（a a）无缺点无缺点 示波屏上示波屏上只有始波只有始波T和底波和底波B，而且底波较高；而且底波较高；（b b）有小缺点）有小缺点示波屏上不但有始波示波屏上不但有始波T 和底波和底波B；而其间；而其间还有伤波还有伤波F;相对（相对（a）无缺点情况，）无缺点情况，底波变矮底波变矮；（c）有大缺点）有大缺点示波屏上示波屏上只有始波只有始波T和伤波和伤波F,没有底波没有底波B。相对（相对（b）而言，）而言，伤波变高伤波变高。无损检测超声波第71页2.4 脉冲反射法超声波检测技术关键脉冲反射法超声波检测技术关键点点 内容提要：内容提要：从根本上说，超声波检测技术基本任务就是：从根本上说，超声波检测技术基本任务就是：经过调整探伤系统灵敏度和调整操作手法，经过调整探伤系统灵敏度和调整操作手法，有效发觉缺点有效发觉缺点；发觉缺点后，能够发觉缺点后，能够准确给缺点定性、定量、准确给缺点定性、定量、定位；定位；依据工艺要求依据工艺要求,提出返修提议提出返修提议及相关及相关探伤工艺；探伤工艺；按要求格式，按要求格式，出据检测汇报出据检测汇报。重点介绍两种探伤方法。重点介绍两种探伤方法。无损检测超声波第72页2.4.1 垂直入射法垂直入射法（直探头，纵波法探伤技术）（直探头，纵波法探伤技术）定义：定义：采取直探头将采取直探头将声束垂直入射工件声束垂直入射工件探探伤方法；伤方法；该法利用该法利用声波类型为纵波声波类型为纵波，故有，故有纵波法纵波法之称。之称。简记：垂直入射法简记：垂直入射法=直探头法直探头法=纵波法纵波法 缺点显示方式缺点显示方式：以回波在时基线上位：以回波在时基线上位 置、脉冲大小反应缺点情况。置、脉冲大小反应缺点情况。应用特点：应用特点：能够发觉与探测面平行或靠近能够发觉与探测面平行或靠近平行面积型缺点和体积型缺点。平行面积型缺点和体积型缺点。对体积型缺点检出率较高。对体积型缺点检出率较高。无损检测超声波第73页 缺点定位：缺点定位：缺点就在探头正下方！从三维定位角度，缺点就在探头正下方！从三维定位角度，需给出三个坐标：需给出三个坐标：x,y,z；其中，在探测面上水平坐标其中，在探测面上水平坐标x,y可直接用钢可直接用钢板尺量取；板尺量取；而缺点埋藏深度坐标而缺点埋藏深度坐标z（习惯上用（习惯上用h表示）表示）可依据伤波可依据伤波可依据伤波可依据伤波F在时基线上位置，在时基线上位置，按百分比关系确定按百分比关系确定:h=(tf/tb)=n tf 无损检测超声波第74页 式中式中:tf 伤波脉冲前沿在示波屏时基线上刻伤波脉冲前沿在示波屏时基线上刻度值；度值；tb底波在示波屏时基线上刻度值；底波在示波屏时基线上刻度值；被检测试件厚度值；被检测试件厚度值；n 百分比系数百分比系数;n=/tb。无损检测超声波第75页缺点定量缺点定量 a.当缺点尺寸当缺点尺寸大于声束直径大于声束直径时，采取时，采取移动测长法移动测长法；即半波高法即半波高法。图示以下：。图示以下：缺点长度缺点长度探头移动距离探头移动距离6db波高波高波高包络线波高包络线 探头探头无损检测超声波第76页b.缺点尺寸小于声束直径缺点尺寸小于声束直径时，采取时，采取当量法当量法；当量法基本思想当量法基本思想：在一定探伤灵敏度条件下，将在一定探伤灵敏度条件下，将已知形状、尺寸人已知形状、尺寸人工反射体回波工反射体回波与与实际检测到缺点回波实际检测到缺点回波相对比，若相对比，若二者声程二者声程、回波高度回波高度相等相等，则这个，则这个已知人工反射已知人工反射体相关尺寸体相关尺寸可视为该实际缺点可视为该实际缺点“缺点当量缺点当量”。可见当量法应该选择恰当可见当量法应该选择恰当对比试块对比试块。设计适当距离尺寸和人工反射体尺寸；设计适当距离尺寸和人工反射体尺寸；得到得到“探测探测距离与波幅曲线距离与波幅曲线”；无损检测超声波第77页当量法距离波幅曲线示意图 对比试块25050孔径可改变为：孔径可改变为：2，3，4，6；探头探头平底孔距探测面距离为：平底孔距探测面距离为：5，10，15，20，25，30，35，40，45无损检测超声波第78页当量法距离波幅曲线示意图图例图例波波幅幅距离距离mm评定线评定线 定量线定量线报废线报废线dB无损检测超声波第79页缺点定性缺点定性 对于对于A型显示超声波检测来说，给缺点定型显示超声波检测来说，给缺点定性是性是较复杂和困难较复杂和困难。需要了解检测对象需要了解检测对象材质材质、工艺工艺、缺点位缺点位置置、空间位向空间位向、信号大小信号大小、特征特征等多方面等多方面信息。信息。缺点缺点性质不一样性质不一样，其，其波形特征各异波形特征各异；在在探头移动探头移动时，也会时，也会表现出不一样特点表现出不一样特点。要做要做动态分析动态分析！无损检测超声波第80页举举 例例点状缺点点状缺点波幅较低波幅较低，当探头作，当探头作围绕扫查围绕扫查时，时，信号反应迟钝信号反应迟钝；夹渣群夹渣群则呈则呈连串波峰连串波峰，而且波形，而且波形杂乱杂乱；裂纹和未焊透等平面缺点回波高而陡峭，裂纹和未焊透等平面缺点回波高而陡峭，对探头对探头转角扫转角扫查查反应敏感反应敏感；尤其是回波信号往往随探头扫查方式改变尤其是回波信号往往随探头扫查方式改变而发生不一样改变。而发生不一样改变。其改变规律需操作者其改变规律需操作者积累丰富经验积累丰富经验。各种当代超声检测技术出现，大大提升了各种当代超声检测技术出现，大大提升了缺点定性准确性。缺点定性准确性。无损检测超声波第81页基本扫查方式图示垂直垂直水平水平围绕围绕转角转角无损检测超声波第82页无损检测超声波第83页2.4.2 斜角探伤法（斜探头，横波法）斜角探伤法（斜探头，横波法）(1)定义定义：采取斜探头将：采取斜探头将声束倾斜入射声束倾斜入射工件工件探探伤面伤面进行检测方法，简称斜射法。进行检测方法，简称斜射法。在详细检测中，采取在详细检测中，采取横波探伤横波探伤，所以，又称所以，又称横波法横波法。(2)斜探头主要参数斜探头主要参数:横波折射角横波折射角；简称折射角折射角；探头探头K值:K=tg.(反射系数反射系数K)超声波频率超声波频率:f.无损检测超声波第84页(3)示波屏上缺点显示情况：示波屏上缺点显示情况：TTTFB a.无缺点无缺点 b.有缺点有缺点 c.端角波端角波无损检测超声波第85页(4)几何关系术语几何关系术语入射点入射点o；前沿长度前沿长度b声波入射点至探头前端距离；声波入射点至探头前端距离；折射角折射角；探头探头K值值，K=tg;跨距跨距 P1=2tg=2K;半跨距半跨距 P0.5=K;直射法直射法声波声波未经发射未经发射直接对准直接对准缺点；缺点；一次反射法一次反射法声波只经过一次反射就对准 了缺点。无损检测超声波第86页几何关系术语图解几何关系术语图解图例:直射法直射法一次波法；一次波法；一次反射法一次反射法二次波法二次波法oBP1P0.5bF缺点水平距离缺点水平距离 L声程声程Sh无损检测超声波第87页直射法图解K=tg=L/h 缺点水平距离缺点水平距离 L=Ssin;缺点深度缺点深度 h=Scos；工件工件缺点缺点Lh无损检测超声波第88页一次反射法图解一次反射法图解L=Ssin =SK/1K2h=2Scos =2 L/K；工件工件缺点缺点Lhh无损检测超声波第89页思索题：思索题：一次反射法探伤时，怎样用一次反射法探伤时，怎样用声程声程S和和折射角折射角表示表示缺点水平距离缺点水平距离L与与缺点深度缺点深度h？解：解：已知已知，S,或或 K 时，时，若先求出若先求出 h=2 Scos =2 L/K；则则 L=(2h)K=Ssin。无损检测超声波第90页（5）惯用扫查方式）惯用扫查方式 粗探粗探锯齿型（锯齿型（W）扫查；）扫查；又称又称垂直垂直水平水平扫查；扫查；精探精探转角转角、围绕围绕、垂直垂直、水平水平。铅直铅直水平水平围绕围绕转角转角无损检测超声波第91页（6）缺点定位缺点定位 斜探头定位复杂性分析：斜探头定位复杂性分析：缺点定位目标，就是在发觉缺