《无损检测》超声波(课堂PPT).ppt

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播、界面反）是利用其在物质中传播、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现和衰减等物理性质来发现缺陷的一种无损检测方法，应用较为广泛。缺陷的一种无损检测方法，应用较为广泛。按其工作原理不同分为：共振法、穿透法、脉冲按其工作原理不同分为：共振法、穿透法、脉冲反射法反射法超声检测；按显示缺陷方式不同分为：按显示缺陷方式不同分为：A型、型、B型、型、C型、型、3D型超声检测型超声检测；按选用超声波波型不同分为：纵波法、横波法、按选用超声波波型不同分为：纵波法、横波法、表面波法超声检测表面波法超声检测；1按声耦和方式不同分为：按声耦和方式不同分为：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。22.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础2.1.1 超声波的物理本质超声波的物理本质 它是频率大于它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性万赫兹的机械振动在弹性介质中的转播行为。介质中的转播行为。即超声频率的机械波。即超声频率的机械波。一般地说，超声波频率越高，其能量越一般地说，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。超声检测常用频率在超声检测常用频率在 0.510 MHZ。32.1.2 超声波的产生（发射）与接收超声波的产生（发射）与接收 (1)超声波的产生机理超声波的产生机理利用了压电材利用了压电材 料的料的压电效应压电效应。试验发现，某些晶体材料（如石英晶体）试验发现，某些晶体材料（如石英晶体）做成的晶体薄片，当其做成的晶体薄片，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，晶体内部的质点就会产生体内部的质点就会产生机械振动机械振动，此现象，此现象称为称为逆压电效应逆压电效应。具有压电效应的晶体材料就称为具有压电效应的晶体材料就称为压电材料压电材料。4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 5 (2)超声波的发射与接收超声波的发射与接收 发射在压电晶片制成的探头中，在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以对压电晶片施以超声频率超声频率的的交变电压交变电压，由于逆压电效应，晶片中就会产生超声由于逆压电效应，晶片中就会产生超声频率的频率的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的工件较好地被检测的工件较好地耦合耦合，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声波的发射超声波的发射。6 接收接收若发射出去的超声波遇到界面若发射出去的超声波遇到界面被被反射回来反射回来，又会对探头的压电晶片产生，又会对探头的压电晶片产生机械振动，由于正压电效应，在晶片的上机械振动，由于正压电效应，在晶片的上下电极之间就会下电极之间就会产生交变的电信号产生交变的电信号。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的接收完成了对超声波信号的接收。可见，探头是一种可见，探头是一种声电换能元件声电换能元件，是一，是一种特殊的种特殊的传感器传感器，在探伤过程中发挥重要，在探伤过程中发挥重要的作用。的作用。2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础72.1.3 超声波波型的分类超声波波型的分类按质点的振动方向与声波的传播方向之间按质点的振动方向与声波的传播方向之间的关系分为：的关系分为：（1）纵波纵波 L 介质质点的振动方向与波的介质质点的振动方向与波的传播方向一致；传播方向一致；8（2）横波横波 S 介质质点的振动方向与波的介质质点的振动方向与波的传播方向垂直；传播方向垂直；2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础9（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10（4）板波）板波 板厚与波长相当的薄板中传板厚与波长相当的薄板中传播的超声波，板的两表面介质质点沿介质播的超声波，板的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播。表面做椭圆运动，板中间也有超声波传播。又称兰姆波；又称兰姆波；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11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，所以只能传播纵波只能传播纵波！同一介质中，声速的关系有：同一介质中，声速的关系有：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 的关系为：的关系为：C=f=常数常数。12按超声波振动持续时间分为：按超声波振动持续时间分为：(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用超声波检测过程常采用脉冲波脉冲波。132.1.4 超声波的基本性质超声波的基本性质 (1)具有良好的指向性：具有良好的指向性：直线传播直线传播，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，象手电筒的光束一样，能集中，象手电筒的光束一样，能集中在超声场内定向辐射。在超声场内定向辐射。声束的扩散角满足如下关系：声束的扩散角满足如下关系：=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。142.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础15 (2)具有较强的具有较强的穿透性穿透性，但有，但有衰减衰减；穿透性穿透性来自于它的高能量，因来自于它的高能量，因为声强正比于频率的平方；为声强正比于频率的平方；所以，超声波的能量比普通声波大所以，超声波的能量比普通声波大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；16(1)扩散衰减扩散衰减 声波在介质中传播时，因其波前在逐渐扩声波在介质中传播时，因其波前在逐渐扩展，展，从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的声波的 扩散衰减扩散衰减。它主要取决于波阵面的几何形状，它主要取决于波阵面的几何形状，而与传播介质无关而与传播介质无关。2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础17(2)散射衰减散射衰减 散射是物质不均匀性产生的。散射是物质不均匀性产生的。不均匀材料含有声阻抗急剧变化的界面，不均匀材料含有声阻抗急剧变化的界面，在这两种物质的界面上，在这两种物质的界面上，会产生声波的反射、折射和波型转换现象，会产生声波的反射、折射和波型转换现象，必然导致声能的降低。必然导致声能的降低。2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础18(3)吸收衰减：吸收衰减：超声波在介质中传播时，超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦和热传导，由于介质质点间的内摩擦和热传导，引起的声波能量减弱的现象，引起的声波能量减弱的现象，叫做超声波的吸收衰减。叫做超声波的吸收衰减。2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础19（3 3）只能在弹性介质中传播，只能在弹性介质中传播，不能在真不能在真空空（空（空 气近似看成真空）中传播；气近似看成真空）中传播；强调强调：横波不能在气体、液体中传横波不能在气体、液体中传播播！表面波表面波看作是纵波与横波的合成，看作是纵波与横波的合成，所以，也不能在气体、液体中传播！所以，也不能在气体、液体中传播！2.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础20（4）遇到界面将产生：）遇到界面将产生：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的性质。优于射线的性质。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212.1 超声波检测技术基础超声波检测技术基础223.24?232.2 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播 2.2.1 超声波在金属中的衰减定律超声波在金属中的衰减定律 超声波在超声波在金属中金属中主要的衰减原因是主要的衰减原因是散射散射和扩散和扩散；在；在液体中主要是吸收液体中主要是吸收。研究表明，超声波在金属中的衰减规律研究表明，超声波在金属中的衰减规律可用下面的关系式表达：可用下面的关系式表达：PX=P0 e-x (2-2)衰减系数；衰减系数；dB/m x 声束传播的距离，即声程声束传播的距离，即声程 m。24(2-2)式表明，超声波的声压在其传播的路式表明，超声波的声压在其传播的路径上，呈负指数规律衰减。径上，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的函数。的函数。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，弥补能量的不足。频率，弥补能量的不足。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的波高的波高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的波实际探测时，超声波探伤仪示波屏上的波高高h能够反映声波的衰减状况。能够反映声波的衰减状况。25 超声波探伤仪示波屏上波高h的衰减状况这里，这里，B1 B6代表超声波在工件底面的代表超声波在工件底面的 6次反射波。波高次反射波。波高h依次递减。依次递减。T TB1B2B626描述：描述：超声场的物理量超声场的物理量充满超声波的空间，或在介质中超声振动波所及充满超声波的空间，或在介质中超声振动波所及的的“质点占据的范围质点占据的范围”叫超声场。叫超声场。对超声场我们常用：对超声场我们常用：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 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播 27(一一)声压声压超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强 ,与没与没有超声场存在时，同一点的静态压强之差为该点有超声场存在时，同一点的静态压强之差为该点的声压的声压，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 平面余弦波表达式平面余弦波表达式：(2-1)2.3 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播 282.3 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播 式中：式中：-介质的密度，介质的密度，C-介质中的波速，介质中的波速，A-介质质点的振幅，介质质点的振幅，-介质中质点振动的圆频率介质中质点振动的圆频率()，A -质点振动的速度振幅质点振动的速度振幅()，T-时间，时间，x-至波源的距离。至波源的距离。且有关系式：且有关系式：式中：式中：-声压的极大值。声压的极大值。29可见：可见：声压的绝对值，与波速、质点振动的速度声压的绝对值，与波速、质点振动的速度振幅振幅(或角频率或角频率)成正比成正比。因为超声波的频率高，所以超声波比声波因为超声波的频率高，所以超声波比声波的声压大。的声压大。2.3 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播 302.3.1.2 声强声强在超声波在超声波传播的方向上传播的方向上，单位时间内单位时间内 介质介质中单位截面上中单位截面上 的声能叫声强。用的声能叫声强。用I表示；单表示；单位是位是对纵波在均匀的各向同性的固体介质中的对纵波在均匀的各向同性的固体介质中的传播为例传播为例，可以证明平面波传播的声强计证明平面波传播的声强计算式；算式；(1-2)注意：上式中有三个部分的概念。注意：上式中有三个部分的概念。2.3 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播 31超声波的声强：超声波的声强：、正比于质点振动位移振幅的平方；、正比于质点振动位移振幅的平方；、正比于质点振动角频率的平方；、正比于质点振动角频率的平方；、正比于质点振动速度振幅的平方。、正比于质点振动速度振幅的平方。注意：注意：由于超声波的频率高，其强度由于超声波的频率高，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 的强度。的强度。例如：例如：1MHz声波的能量等于声波的能量等于100kHz声波能量的声波能量的100倍，等于倍，等于lkHz声波能量的声波能量的100万倍。万倍。2.3 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播 32332.2 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播2.2.2 超声波在异质界面处产生的各种现象超声波在异质界面处产生的各种现象(1)垂直入射异质界面时的垂直入射异质界面时的透射透射、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34 常见材料之间的界面反射系数常见材料之间的界面反射系数 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 10035 反射现象的辩证分析反射现象的辩证分析 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的因素的因素 反射系数反射系数K值的大小，决定于相邻介质的值的大小，决定于相邻介质的声阻抗之差声阻抗之差：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。36(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的光滑平界面时：当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时：.在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波。射波。.在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。射波。.反射波与透射波的声压反射波与透射波的声压(声强声强)是按一定比例分是按一定比例分配配。.分比例由声压反射率分比例由声压反射率(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。371、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，称为界面的之比，称为界面的 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的声阻抗，的声阻抗，Z2-介质介质2的声阻抗的声阻抗。382、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，称为界面的称为界面的 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：39 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，声压和声强的分配比例，仅与界面两侧介质的声阻强的分配比例，仅与界面两侧介质的声阻抗有关抗有关.40注意：注意：在垂直入射时，在垂直入射时，介质两侧的声波必须满足两个边界条件介质两侧的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。否则界面两侧受力不等，将会发生界面运动。否则界面两侧受力不等，将会发生界面运动。(2)、两侧质点速度振幅相等，以保持波的连、两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。续性。41上述的是超声波纵波：上述的是超声波纵波：垂直入射到单一平界面上的，声压、声强垂直入射到单一平界面上的，声压、声强与其反射率、透射率的计算公式，同样适与其反射率、透射率的计算公式，同样适用于横波入射的情况。用于横波入射的情况。42(二二)、薄层界面、薄层界面 在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层，可以归纳为超声波在薄层界面的反射和陷薄层，可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透射问题。透射问题。超声波是由声阻抗为超声波是由声阻抗为Z1的第一介质，入射到的第一介质，入射到Z1和和Z2的交界面。的交界面。然后通过声阻抗为然后通过声阻抗为Z2的第二介质薄层射到的第二介质薄层射到Z2和和Z3界面，最后进入声阻抗为界面，最后进入声阻抗为Z3的第三介质等。的第三介质等。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种介质第一介质和第三介质为同一种介质。43a)钢钢-水入射水入射 b)水水-钢入射钢入射44注意：注意：1、超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透、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，射情况与单一的平界面不同，2、当异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在薄、当异质薄层很薄，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，形成一系列层两侧界面，引起多次反射和透射，形成一系列的反射和透射波。的反射和透射波。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，薄层两侧的各次反射波、透射波就会互相干涉。侧的各次反射波、透射波就会互相干涉。4、由于上述原因，声压反射率和透射率的计算比由于上述原因，声压反射率和透射率的计算比较复杂。较复杂。45一般说来一般说来：超声波通过异质薄层时：超声波通过异质薄层时：声压反射率和透射率，不仅与介质声阻抗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和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波长之比波长之比()有关。有关。46(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，对均匀介质中的异质薄层有如下规律性介质中的异质薄层有如下规律性：（反射）（反射）2-21 （透射）（透射）2-2247式中式中：d2-异质薄层的厚度，-异质薄层的波长，-两种介质的声阻抗之比，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。48(2)、，即非均匀介质中的薄层有如，即非均匀介质中的薄层有如下规律性下规律性：例如：晶片例如：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）49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同的薄层，超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，若薄层厚度等于半波长的整数倍时，通过薄层的若薄层厚度等于半波长的整数倍时，通过薄层的声压往复透射率与薄层的性质无关。声压往复透射率与薄层的性质无关。50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同的超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层：薄层：1、当、当 的奇数倍，的奇数倍，Z2为为 时，或时，或 时，时，51其声压往复透射率等于其声压往复透射率等于1，此即为全透射的，此即为全透射的情况。情况。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。52关于声阻抗 声阻抗声阻抗Z表示声场中介质对质点振动的表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。阻碍作用。指超声波在介质中传播时，任一点的指超声波在介质中传播时，任一点的声压声压p与该与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。53 绕射现象绕射现象当界面尺寸当界面尺寸df/2 时，声波能绕过缺陷界时，声波能绕过缺陷界面而继续向前传播的现象，叫作面而继续向前传播的现象，叫作绕射绕射。因此，要想因此，要想提高探伤灵敏度提高探伤灵敏度，必须，必须提高频提高频率率f,以便以便发现更小的缺陷发现更小的缺陷。超声波的超声波的绕射现象绕射现象54(2)倾斜入射异质界面的反射、折射和波型转换倾斜入射异质界面的反射、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。551超声波在无限大介质中传播时，将一直向超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，不改变方向。前传播，不改变方向。2遇到异质界面遇到异质界面(声阻抗差异较大的异质界面声阻抗差异较大的异质界面)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 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播56(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的光滑平界面时：当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时：在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波。射波。在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。射波。反射波与透射波的声压反射波与透射波的声压(声强声强)是按一定比例分配是按一定比例分配。分比例由声压反射率分比例由声压反射率(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 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播57(二二)薄层界面薄层界面在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层，可以归纳为超声波在薄层层和缺陷薄层，可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透射问题。界面的反射和透射问题。2.2 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播58斯涅耳定律：斯涅耳定律：（26)S1 L1S2 L2 L LL59(2)临界角的讨论及其应用意义临界角的讨论及其应用意义 因因 CL=CL1;=L;由（由（2-6）式可推知）式可推知:（2-7）（2-8）临界角的讨论临界角的讨论：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 ；60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。此时对应的纵波入射角时对应的纵波入射角；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。此时对应的纵波入射角面波。此时对应的纵波入射角；叫作叫作第二临界角，第二临界角，记为记为2m=57.6。临界角的应用：临界角的应用：斜探头设计斜探头设计时，应保证时，应保证声波的入射角声波的入射角介于介于第一临界角、第二临界角第一临界角、第二临界角之间。之间。61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。由于在同一介质中，由于在同一介质中，恒大于恒大于 ，所以，所以 恒大恒大于于 。随着随着 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。622.4.2.3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的传播方向，没有涉及它们的声压反射率折射波的传播方向，没有涉及它们的声压反射率和透射率。和透射率。实际上：在斜入射情况下，各种类型的反射波和实际上：在斜入射情况下，各种类型的反射波和折射波的声压反射率和透射率，是与：折射波的声压反射率和透射率，是与：与界面两侧介质的声阻抗有关，与界面两侧介质的声阻抗有关，与入射波的类型以及入射角的大小有关。与入射波的类型以及入射角的大小有关。63其理论计算公式复杂，借助于由公式或实其理论计算公式复杂，借助于由公式或实验：验：得到的几种，常见界面的声压反射率和透得到的几种，常见界面的声压反射率和透射率图来确定检测方案射率图来确定检测方案。6465662.4.2.4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，通过同一界面的声压透射两次相反方向，通过同一界面的声压透射率的乘积率的乘积。表达式：表达式：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672.3 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播过程中，遇到波在传播过程中，遇到声阻抗较大声阻抗较大的的异质异质界面界面时，将时，将产生反射产生反射的原理来实现对内部的原理来实现对内部缺陷检测的。缺陷检测的。68(2)实现方法实现方法：该法采用该法采用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；接受到的回波信号经功能电路接受到的回波信号经功能电路放大、检波后，放大、检波后，在探伤仪的示波屏上在探伤仪的示波屏上，以以脉冲信号脉冲信号显示出来显示出来。(3)信号的解读信号的解读：根据探伤仪示波屏上，根据探伤仪示波屏上，始波始波T、伤波伤波F、底波底波B的的有无有无、大小大小及其在及其在时基轴时基轴上的上的位位置置可判断工件可判断工件内部缺陷内部缺陷的的有无、大小和位有无、大小和位置置。见下图：。见下图：69示例直探头缺陷显示直探头缺陷显示 a.无缺陷无缺陷 b.小缺陷小缺陷 c.大缺陷大缺陷TBTTBFF70示波屏特征小结示波屏特征小结（a a）无缺陷无缺陷 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）有小缺陷）有小缺陷示波屏上不仅有始波示波屏上不仅有始波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）无缺陷的情况，）无缺陷的情况，底波变矮底波变矮；（c）有大缺陷）有大缺陷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。712.4 脉冲反射法超声波检测技术要点脉冲反射法超声波检测技术要点 内容提要：内容提要：从根本上说，超声波检测技术的基本任务就是：从根本上说，超声波检测技术的基本任务就是：通过调节探伤系统的灵敏度和调整操作手法，通过调节探伤系统的灵敏度和调整操作手法，有效的发现缺陷有效的发现缺陷；发现缺陷后，能够发现缺陷后，能够准确的给缺陷定性、定量、准确的给缺陷定性、定量、定位；定位；根据工艺要求根据工艺要求,提出返修建议提出返修建议及相关的及相关的探伤工艺；探伤工艺；按规定格式，按规定格式，出据检测报告出据检测报告。重点介绍两种探伤方法。重点介绍两种探伤方法。722.4.1 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：采用直探头将采用直探头将声束垂直入射工件声束垂直入射工件的的探伤方法；探伤方法；该法利用的该法利用的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之称。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 缺陷显示方式缺陷显示方式：以回波在时基线上的位：以回波在时基线上的位 置、脉冲大小反映缺陷的情况。置、脉冲大小反映缺陷的情况。应用特点：应用特点：能够发现与探测面平行或接近能够发现与探测面平行或接近平行的面积型缺陷和体积型缺陷。平行的面积型缺陷和体积型缺陷。对体积型缺陷的检出率较高。对体积型缺陷的检出率较高。73 缺陷的定位：缺陷的定位：缺陷就在探头的正下方！从三维定位的角缺陷就在探头的正下方！从三维定位的角度，需给出三个坐标：度，需给出三个坐标：x,y,z；其中，在探测面上的水平坐标其中，在探测面上的水平坐标x,y可直接用可直接用钢板尺量取；钢板尺量取；而缺陷的埋藏深度坐标而缺陷的埋藏深度坐标z（习惯上用（习惯上用h表示）表示）可根据伤波可根据伤波可根据伤波可根据伤波F在时基线上的位置，在时基线上的位置，按比例关系确定按比例关系确定:h=(tf/tb)=n tf 74 式中式中:tf 伤波脉冲前沿在示波屏时基线上的伤波脉冲前沿在示波屏时基线上的刻度值；刻度值；tb底波在示波屏时基线上的刻度值；底波在示波屏时基线上的刻度值；被检测试件的厚度值；被检测试件的厚度值；n 比例系数比例系数;n=/tb。75缺陷的定量缺陷的定量 a.当缺陷尺寸当缺陷尺寸大于声束直径大于声束直径时，采用时，采用移动测长法移动测长法；即半波高法即半波高法。图示如下：。图示如下：缺陷长度缺陷长度探头移动距离探头移动距离6db波波高高波高包络线波高包络线 探头探头76b.缺陷尺寸小于声束直径缺陷尺寸小于声束直径时，采用时，采用当量法当量法；当量法的基本思想当量法的基本思想：在一定的探伤灵敏度条件下，将在一定的探伤灵敏度条件下，将已知形状、尺寸已知形状、尺寸的人工反射体的回波的人工反射体的回波与与实际检测到的缺陷回波实际检测到的缺陷回波相相对比，若对比，若二者的声程二者的声程、回波高度回波高度相等相等，则这个，则这个已已知人工反射体的相关尺寸知人工反射体的相关尺寸可视为该实际缺陷的可视为该实际缺陷的“缺陷当量缺陷当量”。可见当量法应该选择恰当的可见当量法应该选择恰当的对比试块对比试块。设计适当的距离尺寸和人工反射体的尺寸；设计适当的距离尺寸和人工反射体的尺寸；得到得到“探测探测距离与波幅曲线距离与波幅曲线”；77当量法的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的距离为：平底孔距探测面的距离为：5，10，15，20，25，30，35，40，4578当量法的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dB79缺陷的定性缺陷的定性 对于对于A型显示的超声波检测来说，给缺陷型显示的超声波检测来说，给缺陷定性是定性是较复杂和困难的较复杂和困难的。需要了解检测对象的需要了解检测对象的材质材质、工艺工艺、缺陷缺陷位置位置、空间位向空间位向、信号大小信号大小、特征特征等多方等多方面的信息。面的信息。缺陷缺陷性质不同性质不同，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，也会表现出不同的特点表现出不同的特点。要做要做动态分析动态分析！80举举 例例点状缺陷点状缺陷的的波幅较低波幅较低，当探头作，当探头作环绕扫查环绕扫查时，时，信号反映迟钝信号反映迟钝；夹渣群夹渣群则呈则呈连串的波峰连串的波峰，而且波形，而且波形杂乱杂乱；裂纹和未焊透等平面缺陷的回波高而陡峭，裂纹和未焊透等平面缺陷的回波高而陡峭，对探头对探头转角扫转角扫查查反映敏感反映敏感；特别是回波信号往往随探头的扫查方式改特别是回波信号往往随探头的扫查方式改变而发生不同的变化。变而发生不同的变化。其变化规律需操作者其变化规律需操作者积累丰富的经验积累丰富的经验。各种现代超声检测技术的出现，大大提高各种现代超声检测技术的出现，大大提高了缺陷定性的准确性。了缺陷定性的准确性。81基本扫查方式图示垂直垂直水平水平环绕环绕转角转角82832.4.2 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：采用斜探头将：采用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的方法，简称斜射法。进行检测的方法，简称斜射法。在具体检测中，采用在具体检测中，采用横波探伤横波探伤，因此，又称因此，又称横波法横波法。(2)斜探头的主要参数斜探头的主要参数: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.84(3)示波屏上的缺陷显示情况：示波屏上的缺陷显示情况：TTTFB a.无缺陷无缺陷 b.有缺陷有缺陷 c.端角波端角波85(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陷；缺陷；一次反射法一次反射法声波只经过一次反射就对准 了缺陷。86几何关系术语的图解几何关系术语的图解图例: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缺陷水平距离缺陷水平距离 L声程声程Sh87直射法图解K=tg=L/h 缺陷水平距离缺陷水平距离 L=Ssin;缺陷深度缺陷深度 h=Scos；工件工件缺陷缺陷Lh88一次反射法图解一次反射法图解L=Ssin =SK/1K2h=2Scos =2 L/K；工件工件缺陷缺陷Lhh89思考题：思考题：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陷水平距离缺陷水平距离L与与缺陷深度缺陷深度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。90（5）常用的扫查方式）常用的扫查方式 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、环绕环绕、垂直垂直、水平水平。铅直铅直水平水平环绕环绕转角转角91（6）缺陷定位缺陷定位 斜探头定位的复杂性分析：斜探头定位的复杂性分析：缺陷定位的目的，就是在发现缺陷后，如何给出它的三缺陷定位的目的，就是在发现缺陷后，如何给出它的三维坐标，并在图纸上表示清楚。维坐标，并在图纸上表示清楚。习惯上，采用直角坐标来表示。即给出习惯上，采用直角坐标来表示。即给出X,Y,h.参见下图参见下图:工件工件XyLY=yLAAFLyhFAA92（6）缺陷定位缺陷定位 一种一种水平水平1:1定位法定位法 即斜探头进行焊缝缺陷定位的方法。即斜探头进行焊缝缺陷定位的方法。首先完成首先完成水平水平1:1定位（借助标准试块）定位（借助标准试块）由于已知探头由于已知探头K值，故可直接计算值，故可直接计算 L50和和L100：其中，其中，L5050K/1K2 ;L100=2 L50 93CSK-1A标准试块标准试块图例图例R50R10030091L50L10010020094CT