（精密仪器及机械专业论文）用LCR超声波测量切向应力的相关影响因素研究.pdf

摘要 摘要 材料和零件的应力状况反映机械构件的工作状态，既是衡量产品安全性、 可靠性的关键指标，也对产品的性能特别是精密机械系统的精度和稳定性有重 要影响。作为最有前景的无损应力检测技术，超声波法以其独特的优越性，近 年来得到广泛的发展和应用。 常见的体波法和表面波法由于自身的特点，应用范围受到限性，基于声弹 性理论的临界折射纵波( c r i t i c a l l yr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a lw a v e ，l c r 波) 法通过特 殊的测量原理和方法，使得从物体表面检测内部的切向应力状况成为可能，为 超声应力测量开辟了新的思路。 超声换能器是发射和接收超声波的关键元件，其性能对整个系统的工作特 性有着至关重要的影响。为了更有效的发射和接收l c r 波，有必要研制适合l c r 波测量的专用超声换能器。本文从m a s o n 机电等效电路、阻抗匹配、制作特殊 的吸声背衬等方面对l c r 波换能器的设计进行了分析和研究。 传播声时是整个测量系统中的关键，其测量水平决定应力的测量精度，由 于应力引起的声时变化非常小，实验采用基于逻辑门绝对传输时间原理工作的 “时间数字转换器”( t d c ) 完成高精度时间间隔的测量，解决了超声检测中 纳秒级时间测量难点。测量系统硬件平台将各个功能模块整合到一起，使得整 体体积小型化，便于现场测量。 应力测量得到的波形非常复杂，相关的影响因素也很多。实验从声时传播 路径着手分析了波形的形成机理，并讨论了楔块及倾斜角度、传播衰减、试块 厚度和耦合介质等相关的影响因素。通过定性与定量实验显示，试件中l c r 波 传播声时与加载应力具有较好的线性关系，与声弹性理论基本相符，初步验证 了基于t d c 声时测量的l c r 波应力检测方法的可行性。 关键词：应力检测：临界折射纵波( l c r 波) ；声弹性理论；超声换能器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t r e s ss t a t eo fm a t e r i a la n dc o m p o n e n t s ，w h i c hc a ni n d i c a t et h ew o r k i n g c o n d i t i o no fm e c h a n i c a lc o m p o n e n t s ，i st h ek e yi n d i c a t o rt om e a s u r et h es a f e t ya n d r e l i a b i l i t yo fp r o d u c t s b e s i d e s ，i th a sa l li m p o r t a n te f f e c tt ot h ep e r f o r m a n c eo f p r o d u c t se s p e c i a l l yt h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo fp r e c i s i o nm e c h a n i c a ls y s t e m s a s o n eo ft h em o s tp o t e n t i a ln o n d e s t r u c t i v es t r e s sm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s ，u l t r a s o n i c m e t h o dh a sb e e nw i d e l yd e v e l o p e da n da p p l i e di nr e c e n ty e a r sd u et oi t so w nu n i q u e s u p e r i o r i t y l i m i t e db yt h e i ro w nc h a r a c t e r s ，t h ea p p l y i n gr a n g eo f b u l kw a v em e t h o da n d s u r f a c ew a v em e t h o da r el e s s b a s e do nt h es t r e s sm e a s u r e m e n tm o d e l ，t h e c r i t i c a l l yr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a l ( l c r ) w a v eu s i n gp e c u l i a rm e a s u r e m e n tt h e o r y a n dm e t h o d ，c a nb eu s e dt om e a s u r et h ei n t e r n a lt a n g e n ts t r e s sc o n d i t i o nf r o mt h e s u r f a c eo fm e d i u m ，t h i sm e t h o da l s op r o v i d e san e ww a yo fs t u d y i n gu l t r a s o n i c s t r e s sm e a s u r e m e n t ， u l t r a s o n i ct r a n s d u c e ri sak e ye l e m e n to f u l t r a s o u n dt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n g i t sp e r f o r m a n c eh a sa ni m p o r t a n ti m p a c tt ot h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l e s y s t e m i ti sn e c e s s a r y t o d e v e l o ps p e c i a l t r a n s d u c e r sf o rm o r ee f f i c i e n c y t r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gl c rw a v e i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fl c rt r a n s d u c e rh a s b e e na n a l y z e da n ds t u d i e df r o mm a s o nm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le q u i v a l e n tc i r c u i t ， i m p e d a n c em a t c h i n ga n db a c k i n gm a t e r i a l ， t r a v e lt i m ei st h ek e yp o i n to fs y s t e m ，i t sm e a s u r eq u a l i t yd e c i d e st h es u r v e y p r e c i s i o no ft h es t r e s s b e c a u s eo fl i t t l ec h a n g eo f t i m ea r o s e db ys t r e s s ，t h ew a y o f u s i n gt i m et od i g i t a lc o n v e r t o r ( t d c ) c h i pb a s e d0 1 1t h ea b s o l u t et r a n s m i t t i n g d e l a yo fl o g i cg a t e w a sa p p l i e dt o a c c o m p l i s h t h ep r e c i s i o nt i m ei n t e r v a l m e a s u r e m e n t a tt h es a m et i m e ，t h ef u n c t i o n a lm o d u a l si nt h eh a r d w a r es y s t e ma r e i n t e r g r a t e dt o g e t h e r t h i sc a nm i n i s ht h es i z eo ft h ew h o l es y s t e ma n df a c i l i t a t ei n t h ef i e l dm e a s u r i n g t h ew a v e f o r m so fs t r e s sm e a s u r e m e n ta r ev e r yc o m p l i c a t e d ，w h i c ha r ec a u s e d b ym a n yf a c t o r s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t si nt h i sp a p e r , t h ee f f e c t so f w a v e f o r m m e c h a n i s m t 1 1 er e l a t e dc o u p l i n gm a t e r i a l ，t h i c k n e s sa n dw e d g em a t e r i a l s ，a n e g e ， w e t ea n a l y z e df r o mt h et r a n s m i s s i o np a t ho ft i m e f r o mt h er e s u l t so fq u a l i t a t i v e a r l dq u a n t i t a t i v ee x p e r i m e n t s ，i ti sf o u n dt h a tt h et r a v e lt i m eo fl c r w a v es h o w e d w e l ll i n e a r r e l a t i o nw i t ha p p l i e ds t r e s s ，w h i c hi sb a s i c l yi na c c o r d a n t w i t ht h e a c o u s t o e l a s t i ct h e o r y t h e s ee x p e r i m e n t sv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fe v a l u a t i n gt h e s t r e s sw i t hl c rw a v eb a s e do nt d c t r a v e lt i m em e a s u r e m e n tp r e l i m i n a r i l y k e y w o r d s ：s t r e s sm e a s u r e m e n t ，l c rw a v e ，a c o u s t o e l a s t i e t h e o r y , u l t r a s o n i c t r a n s d u c e r s i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：浆鸳造日期：上哆年易月夕日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘厂允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：签答2 ：篷导师签名：耍丝l 兰 日期：三夕年易月罗日 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 零件的应力状况反映机械构件的工作状态，既是衡量产品安全性、可靠性 的关键指标，也对产品性能特别是精密机械系统的精度、稳定性有重要影响。 检测材料及其构件的应力状况，一直受到人们的重视。材料内的应力包括残余 应力和# l - 力n - r 作应力，残余应力是在没有外加载荷作用下材料和构件中存在的 应力，有载荷作用时，这个应力仍然存在，且残余应力和外加应力有叠加效应。 测量材料或构件的应力分布不仅为材料评价提供依据，而且还可预测构件疲劳 强度状况，检查热处理及表面强度处理效果，控制构件切削加工工艺，检查消 除应力的工艺效果等。应力检测特别是应力无损检测技术已成为工程界，尤其 是宇航、交通、国防和核工业等方面极为重要的课题。 无损检测采用声、光、电磁等各种物理方法，在不损及被测材料、零件和 结构装置使用性能的情况下，测定其物理性能、状态和内部结构等，从而判断 其合格与否。超声检测是国内外应用最广、使用频率最高且发展较快的一种无 损检测技术，已经成为材料和结构无损检测与评价的最常用手段之一。随着技 术的进一步发展，应力的超声波检测在现代国防和工业领域显得越来越重要， 是目前最有前景的应力检测技术之一。 铁路是较早开展超声应力检测的部门，钢轨的纵向应力检测一直是一个貌 似简单但至今仍未找到较好解决方法的世界难题。无缝线路长钢轨是现在各国 铺设铁路线路主要采用的方式，其优点是接头比普通线路大大减少，不仅节省 了大量的接头零件，而且减少列车的接缝震动，运行平稳，降低噪声。此外， 由于减少了在接头处的振动，又能延长线路设备和机车车辆的使用寿命，减少 线路养护维修工作量，并能适应高速行车的要求。 无缝线路上长钢轨的两端是用钢轨联结零件和防爬设备加以强制性固定 的，其它部分也是采用强度大的中间联结零件和防爬设备使之紧扣于钢筋混凝 土轨枕之上。当温度变化时，钢轨不能自由伸缩，只能在钢轨内部产生应力， 这个力是由轨温变化引起的，叫做温度力( 即钢轨纵向力) ，它均匀的作用在 电子科技大学硕士学位论文 钢轨的全长上，只和轨温变化有关。利用力学公式，可得在一根无缝线路长钢 轨上，轨温每变化一度，钢轨内应力达2 5 0 m p a ，按照普通钢轨的横断面积为 7 7 4 5 c m 2 ，应力大约为1 0 0 0 k n ，可见，钢轨的纵向应力变化幅度是十分惊人的。 数十年来，科学家几乎采用了一切可能的办法，用以测量钢轨的纵向应力。 传统的检测方法大致有观测桩法、机械应变法、应力尺法、温度补偿铟钢尺法 和普通长钢尺法等n 1 ，这些方法大多工作效率低，劳动强度大，精确度底。利 用声弹性技术的超声波法和磁弹性法是测量钢轨的纵向应力是最近的研究热 点。美国俄克拉荷马州立大学的e 西e 和德克萨斯州a & m 大学的b r a y 和l e o n 等人提出用基于声弹性法的超声波技术来测量钢轨的纵向应力，并用实验研究 表明超声头波较横波或普通纵波等其他波型更适合于测量钢轨纵向应力瞳圳。国 内的同济大学声学研究所也对该方法进行了初步的探讨璐1 。哈尔滨工业大学和 北京交通大学等高校研究了利用磁弹性法测量无缝钢轨纵向应力的原理，并进 行了初步的试验1 。 超声波应力测量技术另一个较有前景并应用于实际的例子是用于螺栓轴向 应力的测量。螺栓是工程中普遍应用的一种联接方式，如在航空航天、核电厂、 钢结构、桥梁和压力容器、管道等连接接头大量使用高强度螺栓作为紧固件， 施加于螺栓上的预应力对于联接件的性能、寿命都有很大的影响。在法兰联接 的螺栓中，如果预应力过大，就会导致垫片压渍、法兰变形过大等机械损伤； 反之，若螺栓预紧力不足，不但会引起泄露，而且还会加剧联接部件的振动， 造成接口松脱等故障。在电厂中，由于不能很好地控制汽轮发电机组中大轴联 接螺栓的预紧力，可能导致大轴弯曲而诱发汽轮发电机组轴系的振动。同样， 在管路中会造成高压气体的泄露。 由于众多难以预测的因素直接影响着螺栓预紧力精度的控制，在现场安装 过程中如何精确地控制预紧力的大小，以及如何对在役螺栓预紧力进行监测， 一直是一个亟待解决的问题。传统的控制螺栓预紧力的工具使用扭力扳手获得 作用在螺母上的扭距值，进而推算出螺栓内的轴向应力，由于各个螺栓螺纹面 或螺母接触面的摩擦因素有较大的离散性，致使转矩系数离散，即使施拧同一 转矩，轴向应力也会有很大的离散，造成测量值有较大的误差。因此，迫切需 要发展一种无损、快速有效的螺栓紧固力测量手段。 利用超声在金属材料中传播速度与应力成正比的关系，人们提出了螺栓轴 向应力的超声测量方法。采用超声测量紧固力，不仅具有无损、快速、方便的 2 第一章绪论 特点，而且具有很高的精度，由于是直接测量螺栓所承受的应力，因此不象扭 距扳手那样受摩擦系数离散性的影响。有关超声测量螺栓应力是一项研究较久 且有一定成效的技术，超声波测量螺栓紧固力作为一种无损检测手段，在欧美 等发达国家已开始应用于一些重要设备和工程上，一些公司相继推出了商品化 的超声螺栓应力仪，这些仪器均带有微处理器，具有数据显示、处理和储存， 温度补偿、结果打印等功能，且部分产品已进入国内，但价格昂贵，国内用户 难以承受。 目前，国内超声螺栓应力测量技术的研究和应用主要集中在核电、航天设 备和桥梁等重要领域。国家核安全局应用超声波技术对核级阀门中法兰螺栓预 紧应力进行了现场实测，为核电厂的在役检查开辟了新的思路，具有重要的意 义嘲。中铁桥梁科学研究院和江西省水利规划院等研究机构将该技术应用于芜 湖长江大桥和九江长江大桥的螺栓紧固力的测量，达到了较好的效果阻j 们。浙 江大学利用超声应力技术对钢结构工程中高强度螺栓轴向应力的测量技术进行 了研究n 。南昌航空工业学院和同济大学等高校对超声纵波和纵横波技术进行 了理论研究和实验分析，并利用该技术研制出微机化的多通道超声螺栓应力仪， 性能达到较高的水平u 2 j 扣。 1 2 几种应力分析方法 目前，广泛应用的应力测量方法可分为两大类，即机械方法和物理方法。 其中机械方法有钻孔法、切割法和切槽法等，这类方法属于破坏性方法，物理 方法有电阻应变计法、光弹性法、x 射线测定法、磁弹性法和超声波法等，这 类方法属于无损检测方法。 下面介绍其中几种常用的应力分析方法n 卜1 6 3 。 1 钻孔法 钻孔法也称之为“小盲孔松弛法 ，是工程中应用较多的一种半破坏性残余 应力测量方法。钻孔法的基本思想是用机械方法在构件上平衡的均匀应力场中 钻一孔，按一定的规律在小孔周围贴特制的应变花测出释放应变。根据弹性力 学，推导出这些释放应变与原应力场间的关系。该方法操作简单，成本低廉， 但对应变敏感度较低，且应变片得到的只是其长度范围内应变的平均值，不适 合应力梯度较大的情况。 2 电阻应变计法 电子科技大学硕士学位论文 电阻应变计是一种把被测工件的应变量转换为电阻变化量的传感器，一般 由敏感栅、引线、粘结剂和覆盖层构成。其敏感部分由金属材料制成，利用金 属应变与电阻之间的函数关系( 电阻应变效应) ，将应变转换为电量变化，再用 电学方法进行测定，从而达到测量工件应力的目的。 采用电阻应变计法测量应力，能够达到较高的测量精度和灵敏度，频率响 应好，测量范围广，并且易于实现，可以用于各种复杂环境下测量多种力学参 数。但是它只能测量构件表面某一点处某一方向上的应变，不能直观得出构件 应力分布的全貌，并且应变片必须与工件粘贴接触，操作较为麻烦。 3 光弹性法 光弹性法是运用光学原理研究弹性力学问题的一种模型实验方法。测量时 先将具有双折射性能的透明材料制成与实际工件形状相似的模型，并将其置于 偏振光场中，施加与原型相似的载荷，获得干涉条纹。测定这些干涉条纹，根 据光弹性原理，即可算出模型上各点的应力大小和方向。再由模型相似理论将 模型应力换算为原型应力。 用光弹性法能够分析几何形状和载荷条件都比较复杂的二维和三维应力问 题，特别是可以用来测量其他方法难以解决的应力集中及内部应力问题。利用 光弹性贴片法，还可以直接观察和测量零件中的应力分布。但光弹性法也有其 不足之处，如实验的准备工作程序多，必须用具有双折射效应的透明材料制作 与工件形状类似的模型，工艺复杂，测量效率很低。 4 x 射线法 组成金属材料的晶格是由一定晶体结构的无数晶胞组成的，当金属受到力 作用时就会发生应变，晶格中各晶面的距离也随之发生变化，只要知道晶格内 特定晶面族的面间距变化就可以得出应力值。x 射线法就是利用x 射线穿透金 属晶格时发生衍射的原理，测量金属材料或构件的表面层由于晶格间距所产生 的应变，从而计算出金属构件表面应力的一种方法。 x 射线法具有准确性好，可靠性高等优点，但是该方法的测量精度受到许 多因素的影响，如被测工件材料的结构、晶粒的细致度、衍射面的选择、x 射 线的波长和被测试件表面的光滑度等，且测量深度仅达几十微米，检测设备复 杂，不适于在线实时检测。 5 磁弹性法 磁弹性应力测定实际是建立在巴克豪森噪声( b a r k h a u s e nn o i s e ，b n ) 强 度测量基础上的一种无损检测方法，所以也叫巴克豪森法。铁磁材料内部存在 4 第一章绪论 许多微小的、不同取向的小磁畴。在无外界因素作用下，每个磁畴均沿其易极 化的结晶方向取向，其总体磁化效果为零。当有外加交变磁场或应力作用时， 磁畴沿其作用方向发生9 0 0 或1 8 0 0 反转或使磁畴壁移动，导致磁畴发生一定规 则的取向，这种磁畴变化过程使材料内部产生一系列突变、阶跃式的跳跃脉冲 信号，这种现象被称为巴克豪森效应。 每一次巴克豪森跳跃在铁磁材料表面的检测线圈内会形成感应电脉冲信 号，称为巴克豪森噪声。这种噪声信号对材料的内应力非常敏感，并且在材料 的弹性范围内，信号会随拉伸应力的增加而增加，随压缩应力的增加而减小。 磁弹性法最大的特点在于非接触测量，可用于表面粗糙、高温等不宜接触的场 合，但受磁化条件限制，可靠性和精度差，只能测量铁磁性材料，且设备复杂。 6 超声波法 超声波法是基于超声波声速随应力状态改变而变化的声弹性原理，通过检 测材料中超声波波速的变化而获取材料应力的。当工件受到应力载荷时，其内 部材料的特性也发生变化，从而影响超声波在其中传播的速度，通过测量速度 的变化( 通常使用间接手段) ，即可评估工件中应力的状况。 以上介绍了几种工程中常见的应力测量方法，每种方法各有优劣，现比较 如下： 表卜l 常见应力测量方法的比较 测量方法破坏性可靠性应力类型 分辨率速度操作性 钻孔法半破坏一般表面应力 同快 好 电阻应变片法无损好表面应力较高慢好 x 射线法无损好表面应力 古 慢好同 光弹性法无损好表面应力高慢不好 巴克豪森法无损 好体应力高快好 超声波法无损好体表面应力高快好 对比而言，超声波测量应力有着如下独特的优点 1 ) 超声波能无损测定实际构件的表面应力和内部应力( 包括外加载荷作 用应力和残余应力) ； 2 ) 超声测量仪器可集成成较小的体积，方便携带到室外和现场使用； 3 ) 超声波方向性好，具有和光波一样良好的方向性，可以实行定向的发 射和接收； 电子科技大学硕士学位论文 4 ) 对于大多数介质而言，超声波的穿透能力较强。在一些金属材料中， 其穿透能力可达数米； 5 ) 超声波不仅可以测量材料表面的应力，还可以对材料内部的应力分布 予以检测。 超声波应力检测技术以其良好的无损性和较高的测量精度以及便捷性等优 势在近几年取得了广泛的发展和应用，许多超声波应力检测技术和测量仪器也 相继出现，是目前最有前景的无损检测手段之一。 1 3 超声应力测量技术的现状 超声应力测量技术的应用是建立在声弹性技术的发展上，固体中弹性波的 各种模式的波都与应力有关，声弹性内容也非常丰富，在声弹性应力测量中， 由于所测量的物理量不同，采用的声波类型和声弹性公式的形式也不尽相同。 目前，常用的超声波测量应力的方法包括纵波法、纵横波结合法、表面波法和 临界折射纵波法等n 引。 1 纵波法 纵波法是基于介质中应力对波速的影响，通过测量纵波传播的速度来评估 物体中的应力状况。由于沿应力方向传播的超声纵波对应力最为敏感，因此， 纵波法是工业中最广泛采用的超声应力测量方法，如利用纵波法测量螺栓内部 的应力，已经是一项比较成熟的技术。 然而纵波法主要适用于测量具有相对端面且两端面距离较近物体的法向应 力，利用在物体内部传播超声波的参量来表征应力情况；对于长距离内无相对 端面的连续体，或相对端面上无法放置测量探头，则无法使用这种方法进行测 量，如无缝钢轨中应力的测量等等。 2 纵横波结合法 对于应力较敏感的超声波波型是纵波，较早的超声波应力测试技术多以纵 波声速作为转换参考量。经过近一段时间的实验和现场使用，人们发现用纵波 和横波声速结合反映应力的方法更为有效。特别是对于纵波测量时需事先知道 构件无应力时的长度或传播时间，对于某些实际条件下很难办到，超声纵横波 结合法就可避开此难点。尽管如此，由于纵横波结合法与纵波法采用的测量原 理基本相同，因而也有相同的缺点，无法满足各种实际测量的需要。 3 表面波法 6 第一章绪论 表面波法利用表面波器件频率与应力的线性变化关系实现对应力的敏感， 表面波沿介质表面传播，其发射和接收装置也能够安装在被测物体表面，因此 能够直接在零件表面测量其中的应力状况，进而研究材料在使用中的应力集中、 裂纹扩展、银纹产生及疲劳损伤机理，为其使用状况和寿命估计奠定基础。 表面波作为平面波的一种特殊形式，不但具有纵波和横波的特性，而且有 其自身特点，它沿介质表面传播，因此不受构件外形的影响，特别适合用于测 量车轮等圆形工件的应力。但表面波的渗透深度约为一个波长，且随深度增加 迅速减弱，因此无法完整、准确地反映零件的应力状况。 4 临界折射纵波法 临界折射纵波( c r i t i c a l l yr e f r a c t e dl o n g i t u d i n a lw a v e ，l c r 波) 方法的提出 为超声波应力测量开辟了新的思路，该方法采用著名的斯涅尔( s n e l l ) 定律利 用临界折射将超声换能器产生的体波转化为沿表面平行方向的纵波，从而可采 用纵波实验应力测量方法来测量表面平行方向的切向应力。l c r 波的有效穿入 深度和瑞利波( 表面波) 不一样，瑞利波只是在表面上传播，在一个波长范围 内有传播峰值能量。事实上，l c r 波比瑞利波更能有效的穿入材料，其传播深 度通常能够达到几个波长，所以，在一定深度范围内l c r 波非常适合于检测近 表面应力和内应力。 德克萨斯州a & m 大学的b r a y 首先提出基于声弹性技术的超声临界折射纵 波测量纵向应力方法，在l c r 波应力测试方面做了很多基础性和开拓性的研究， 利用l c r 波测量压力容器和管道、棒材和钢材焊缝中的残余应力，并分析了温 度、材质等对应力测量的影响，获得较好的效果n 卜2 钔。法国瓦勒杜纳公司采用 声双折射方法测定车轮应力，取得一定效果，已投入使用乜耵。华南理工大学利 用激光超声测量h 型钢梁的残余应力，可用于较远距离遥控测量，还适合高温、 有腐蚀性等恶劣环境的测量，但还处于实验研究阶段乜引。浙江大学和河北工业 大学等利用声弹性法测量航空透明件的表面应力，声弹结果与应变计测量结果 吻合较好乜l 驯。我国在超声临界折射纵波测量方面尚处于起步阶段，国内有报 道的仅有同济大学声学研究所对该测量方法进行了初步的探讨乜巩捌。 1 4 本文主要工作 超声波技术作为最有前途的实时应力测量技术之一，吸引了众多研究者的 兴趣，从理论模型到测量方法都取得了很多成果。超声波应力测量方法利用固 7 电子科技大学硕士学位论文 体中声速的变化和应力之间较为理想的线性关系来进行测量，具有测量速度快、 可操作性强等优点，是一种很有前途的应力检测方法。 由于声弹性是一种弱效应，应力引起的声速变化很小，通常兆帕级的应力 仅能引起声速纳秒级的变化，要测出这个变化，需要灵敏度高、测量精确的技 术方法和仪器设备，再加上材料结构、粗晶的干扰，故它的实际应用受到限制， 发展比较缓慢。自从上个世纪九十年代以来，随着电子信息技术、传感器技术 和计算机技术的快速发展，声速测量精度的不断提高，各种自动化、高精度、 高可靠性的声速测量方法也越来越完善，使得利用超声波测量应力的大小成为 可能。 基于以上各点，提出了能够从构件表面测量内部切向应力的临界折射纵波 方法。基于声弹性理论，通过超声波在材料内部的传播特性，得出传播声时和 应力的线性变化关系，并阐述了临界折射纵波方法测量应力的工作原理。从压 电材料、压电方程、振动模式、谐振特性、机电等效电路等方面着手研究适用 于临界折射纵波测量的压电超声换能器，并具体分析了换能器的结构，压电片、 吸声背衬和匹配层的材料选择。搭建了基于声弹性理论的应力测量系统，详细 介绍了控制单元、驱动单元、接收处理单元、高精度时间测量单元t d c g p l 、 l c d 显示和键盘单元，并简要介绍了系统的主程序结构流程。利用应力加载平 台进行实验，从传播路径分析波形的形成机理，并讨论楔块及入射角、衰减、 试块厚度和耦合介质等相关的影响因素。通过分析给定工件在施加不同拉、压 应力下反映出在声时上的变化来判定应力的大小，从而将物体内部不易测量的 应力量转换成较易测量和反映的时间量，突破了传统应力检测中不易测量的局 限。 第二章超声检测物理基础 21 超声波基础 第二章超声应力检测物理基础 211 超声波定义 介质中的质点，是以弹性相互联系着，某质点在介质内振动，能够激起周 围质点的转动。弹性媒质中传播的应力、质点位移和速度等量的变化称为声波， 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的弹性波。声波可分为次声波、可听 声波，超声波和特超声波。当其频率高到超声频率( 2 0 k h z l 范围时，便称其为 超声波( u l t r a s o n i c w a v e ) ，有时也称超声( u l t r a s o u n d l 。 超声技术出现于上世纪初，其发展情况表明，超声是声学发展中最为活跃 的一部分。与光波不同，超声波能够在几乎所有介质中传播，包括气体、液体、 固体和固熔体等等。而在这些介质当中，不同的外部或内部条件都会引起超声 波传播特性的改变，也正是由于这个原因，使得超声波在工业检测领域中得到 了广泛的应用。本文主要研究超声波在固体中的传播。 212 超声波分类 在固体中，声波是以质点振荡的形式进行能量传播，根据波动中质点振动 方向与波的佳播方式的不同，可咀将其分为纵波( 1 0 n g i t u d i n a l w a v e ) 、横波( s h e a s w a v e ) 、表面波( s u r f a c e w a v e ) 和板波( p l a t e w a v e ) 等“。 1 超声纵波 纵波是质点的振动方向与波的传播方向平行的一种波型，如图2 1 所示。 | m | | | 稠藤| | l 瓣- - ， ；质点运4 j 方向 图2 - 1 超声纵波的传播 电子科技大学硕士学位论文 当弹性介质受到交替变化的拉、压应力时，可产生交替变化的伸缩形变或 体积变化，这种变化又会产生弹性恢复力，从而产生振动并在介质中传播。由 于在声波传播过程中会有压缩力和膨胀力存在，因此纵波也被称为压力波。超 声纵波是唯一能够在气体、液体和固体中均可传播的波型。由于纵波的发射和 接收较容易实现，在应用其它波型时，常采用纵波声源经波型转换后得到所需 的波型。 2 超声横波 横波是质点的振动方向垂直于超声波的传播方向的一种波型，如图2 2 所 示。横波是介质受到交变的剪切力的作用时，发生剪切形变而产生的。由于气 体和液体中不能传播剪切力，因此只能在固体中传播，无法在液体和气体中传 播。通常，横波声速约为纵波声速的一半。 横波传播方向 ! 质点运动方向! li 图2 - 2 超声横波的传播 3 表面波 表面波是仅在半无限大固体介质的表面或与其他介质交界面及其附近传播 而不深入到固体内部传播的波型的总称。表面波在相对较薄的固体介质中传播， 其传播深度约为一个波长。在表面波的传播中，质点是沿着椭圆的轨道在表面 运动的，如图2 3 所示。 图2 - 3 表面波的传播 瑞利波( r a y l e i g hw a v e ) 是表面波中的一种，是瑞利于1 8 8 7 年首先研究并 1 0 第二章超声检测物理基础 证明其存在的。瑞利波传播时，质点沿椭圆轨迹振动，是纵向振动和横向振动 的合成。与横波一样，瑞利波也不能在液体和气体中传播。瑞利波传播时随着 穿透深度的增加，质点振动能量衰减很大，因此，它只能用来检测表面和近表 面缺陷。由于瑞利波对表面缺陷非常敏感而且能够沿着弯曲的表面传播，因而 使用较为广泛，常用来检测其他类型的超声波无法检测的区域。超声检测中应 用的表面波主要为瑞利波，因此，通常所说的表面波就是指瑞利波。 4 板波 板波是在板材厚度与入射超声波的波长可比较时产生的，是板材特有的一 种波形。兰姆波( l a m bw a v e ) 是其中较为典型的一种，常用在超声无损检测 当中。与表面波不同，兰姆波传播时整个板厚度内的质点均产生振动，质点振 动的方式为纵向振动与横向振动的合成，在不同深度层面上质点振动幅度和方 向是变化的。兰姆波基本的振动方式有两种，分别是对称式和非对称式，如图 2 4 所示。 非对 2 1 3 固体介质中的声速 图2 - 4 板波的传播 j t 对称式 超声波的传播速度简称为声速，超声在介质中的传播速度是表征介质声学 特性的重要参数。超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关， 对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也为常数，不同的介质，有不 同的声速。此外，超声波波型不同时，介质弹性变形型式不同，声速也不一样。 固体介质不仅能传播纵波，而且可以传播横波和表面波等，但他们的声速 是不同的，此外介质尺寸的大小对声速也有一定的影响，如无限大介质与细长 棒中的声速就不样，当介质尺寸远大于波长时，就可以视为无限大介质。 “汰影“弋弑b 电子科技大学硕士学位论文 在无限大介质中，纵波的声速为 吒= 居犏= 2 + 2 u ， ( 2 - ) 横波的声速为 白= 挣詹赤 陋2 ， 式中，e 为介质的杨氏弹性模量，p 为介质的密度，g 为介质的剪切弹性 模量，盯为介质的泊松比，五和t 为二阶拉梅常数。 由上述公式可以看出，声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定 的，不同材料声速值也不一样。物质状态的差异，引起声速的变化非常明显。 表2 1 列出了几种常用材料的密度、波长和声速数值，其中波长是超声在频率 为2 5 m h z 时的值口羽。通常，在同一种固体介质中，纵波声速大于横波声速。 表2 - 1 几种材料的密度和声速 材料铝钢有机玻璃 p z t 水机油甘油空气 密度( g c m 3 ) 2 77 81 1 8 7 5 1 o 9 2 1 2 6 0 0 0 1 2 e l ( m s ) 6 3 0 0 5 9 0 02 7 0 04 6 0 01 4 8 31 4 0 01 9 2 33 4 0 纵波 九( m m ) 2 5 22 3 61 0 81 8 4o 5 9o 5 6o 7 70 1 4 e s ( m s ) 3 0 8 03 2 3 0 1 1 2 01 3 8 0 横波 入( m m )1 2 31 2 90 4 50 5 5 2 1 4 声阻抗率 介质中某一点的声压只与该处质点振动速度v 之比，称为声阻抗率，常用 z 表示。在同一声压下，声阻抗率越大，质点的振动速度就越小，声阻抗率表 示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。声阻抗率在数值上等于介质的密度p 与声波在介质中声速c 的乘积。其表达式如下： z ：鲁：( 2 - 3 ) 矿 不同的介质具有不同的声阻抗率，声阻抗率是衡量介质声学性质的重要参 数，超声波在界面上的反射和透射率与界面两侧介质的声阻抗率有密切的关系。 由于固体、液体和气体三者的密度和声速相差很大，因此它们的声阻抗率 也大不相同，即使在同一固体介质中，由于纵波、横波和表面波的波速不同， 1 2 第二章超声检测物理基础 因此它们的声阻抗率也不一样。 2 2 超声波在界面上的反射和折射 当声波在均匀性介质中传播时，基本上是按照直线持续传播，无任何反射。 但当声波在两种不同密度的介质的分界面上，则会在分界面上产生反射和折射 现象。此外，根据入射角的变化，还将发生波型转换b 3 1 。 2 2 1 垂直入射时的反射和折射 当超声波垂直入射到两种介质的界面时，如图2 5 所示。一部分能量透过 界面进入第二种介质，波的传播方向不变，成为透射波( 声强为) ：另一部分 能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为反射波( 声强为l ) 。 p 。( ， p ，( j z 。 至z ： ，) 入射 耄 透射一 ) 反射 萋 一 图2 5 超声波垂直入射 将反射波声压与入射波声压的比值称为声压反射率r ， 射波声压的比值称为声压透射率t ，其数学表达式为： r ：盟：玺鱼 p oz 2 + z i f ：盟：上l p oz 2 + z l 将透射波声压和入 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 式中，b 为反射波声压，所为透射波声压，p o 为入射波声压，五为第一 种介质的声阻抗，z 2 为第二种介质的声阻抗。 界面上反射波声强与入射波声强l 之比称为声强反射率，用r 表示。 尺；乏_ 丽z 2 - z i ) 2 ( 2 - 6 ) 界面上透射波声强与入射波声强l 之比称为声强透射率，用t 表示。 电子科技大学硕士学位论文 r 2 乏= z 2 z i p z , 2 话4 而z i z 2 ( 2 - 7 ) lz 2 ( z 2 + z ) 2 、 由上述各式可以看到，界面两侧介质声阻抗的差异决定着反射能量和透射 能量的比例。差异越大，反射声能越大，透射声能越小。 2 2 2 倾斜入射时的反射和折射 当超声波倾斜入射到异质界面时，除了产生与入射波同类型的反射波和折 射波之外，还会产生与入射波不同类型的反射波和折射波，这种现象称为波型 转换。波型转换只发生在斜入射的场合，而且与界面两侧介质的状态有关。由 于液体和气体介质中只能传播纵波，只有固体介质才能同时传播纵波和横波， 因此波型转换只可能在固体中产生。超声波倾斜入射时在不同物质界面发生波 型转换的情况如图2 - 6 所示。 ： 反射横波 - “月ji ” l 图2 - 6 超声波倾斜入射时的折射和反射 超声波倾斜入射到异质界面时，反射波和折射波的角度关系符合斯涅尔 ( s n e l l ) 定律，即： 且：l ：l ：j l ：趾 ( 2 8 ) s i n a t l s i l n y ls i n 7 s s i np ls i np s 、。 式中，吒为纵波入射角，圪为纵波反射角，始为横波反射角，尻为纵波 折射角，孱为横波折射角，c 和e s 。分别为第一种介质中的纵波声速和横波声 速，c l ：和：分别第二种介质中的纵波声速和横波声速。 i 第一临界角 当入射纵波从波速较慢的介质传播到波速较快的介质当中，即c l ： c l 。时， 纵波折射角大于纵波入射角。随着入射角吒的增大，折射角尻也相应增大， 1 4 第二章超声检测物理基础 当纵波折射角厦为9 0 。时，就出现一个临界角度，大于这个角度，第二种介质 中不再有折射纵波。通常将纵波入射且纵波折射角大于纵波入射角时，使纵波 折射角达至l j9 0 。的纵波入射角称为第一临界角，用符号表示为 = s 一鱼 c l 2 ( 2 - 9 ) i i 第二临界角 当入射波为纵波，且折射横波的速度大于入射纵波的速度，即白： c l 。时， 横波折射角屈也大于纵波入射角吒。随着入射角吼的增大，折射角孱也相应 增大，当横波折射角反为9 0 。时，就出现第二个临界角度。通常将纵波入射且 横波折射角大于纵波入射角时，使横波折射角达到9 0 0 的纵波入射角称为第二 临界角，用符号口盯表示为 口盯= s i n 。1 卫 ( 2 - 1 0 ) c s 2 i i i 第三临界角 第三临界角，是在固体介质与另一种介质的界面上，用横波作为入射角时 产生的。这种情况下，固体介质中同时存在反射横波和反射纵波，且纵波反射 角大于横波入射角。通常将横波入射且纵波反射角大于横波入射角时，使纵波 反射角达到9 0 。的横波入射角称为第三临界角，用符号口聊表示为 口= s i n 叫卫 ( 2 1 1 ) c 工1 超声波倾斜入射到异质界面时，其反射率和透射率不仅与界面两侧的声阻 抗有关，而且还与入射波的类型及入射角的大小有关。超声纵波由声阻抗率为 z l 的介质倾斜入射到声阻抗为z 2 的介质时，其界面上的声压的反射率为： ，：盟：互竺! 丝二圣竺! 丝 ( 2 1 2 ) p oz 2 c o s 口l 七z t c o sp l 、 声压的透射率为： f ：旦： 兰互竺! 丝 ( 2 1 3 ) p oz 2c o s a l + zl c o s | 3 l 、 声强的反射率为： 肛乞=(筹cos糍吃 ) 2( 2 - 1 4 ) l 、z 2+ z lc o s 忽。 、。 电子科技大学硕士学位论文 声强的透射率为： r ：三：兰互互竺! 丝竺! 鱼： l( z 2c o s a t + z lc o s 尾) 2 2 2 3 多层透射和声耦合 ( 2 1 5 ) 在实际超声探测中，探头表面与被测物之间存在一个很大的声阻抗差界面， 甚至被空气所填充，则难以使超声波耦合到被测物内。实际应用中，常在探头 表面与被测物表面之间涂上超声耦合剂，使探头、耦合剂与被测物构成了一多 层声传播介质，其中，中间耦合层较薄。 z 。z2z ， ，。p ； p ，； pt 2 一 pt 3 in p ，： 一z ：