超声波讲稿(相关知识部分)-UT.doc

超声波讲稿（相关知识部分）前言：1什么是超声波： 人耳听不见（人耳可听见16-20000Hz），即频率大于2万赫兹(2104 Hz)的机械波（超声波）2工业超声波探伤频率：1-5M Hza粗晶材料（奥氏体不锈钢，大的锻件，铸件）用1-2 M Hzb细晶材料（厚度不大的钢板、锻件，薄的焊缝）用4-5 M Hz，常用5 M Hzc其它材料：2-3 M Hz 常用2.5 M Hz3金属材料用高频超声波原因：a指向性好（即）：声能集中，可以传播很远，检测深度大。距离分辨力好，相邻缺陷分辨率高。bf大即小，检测灵敏度高（可达到）9.1超声波的发生及其性质：1、超声波的发生和接收（1）（机械）振动和波动：a.振动是物质在平衡位置附近的往复（周期性）运动。b.波动是振动状态或振动能量的传播，不是物质的迁移。（2）超声波产生的条件：a.振动源（波源）晶片振动b.能传播波的介质弹性介质（3）压电效应：a. 正压电效应: 交变（拉、压）应力交变电场（接受超声波）b.逆压电效应: 交变电场振动（晶片）（发射超声波）（4）压电晶片：a.常用的压电晶片：石英单晶体、稳定性好、耐高温（550）硫酸锂单晶体、接收性能好锆钛酸铅多晶体、灵敏度高、发射性能好钛酸钡多晶体、发射性能好铌酸锂单晶体、耐高温（1200）b.单晶直探头常用锆钛酸铅制作（PZT）双晶探头常用PZT+硫酸锂，高温探头用铌酸锂和石英。c.晶片参数：频率常数2、超声波的种类(仅指波型)：（1）纵波振动方向与波传播方向平行（2）横波振动方向与波传播方向垂直（只能在固体中传播）（3）表面波长轴是横波,短轴是纵波的合成，在表面下2 内传播的椭圆振动（只能在固体中传播） 在表面下l处，振幅减为1/5，能量减为1/25 在表面下2l处，振幅减为1/100，能量减为1/10000（4）板波：充满板内，各种模式的纵、横波（5）爬波：表面下纵波当纵波射角在第一临界角（有机斜楔/钢为2736）附近时产生检测深度与（晶片频率）的乘积大小有关（6）探头：a直探头（纵波）阻尼块：缩短晶片振动时间，脉冲宽度变窄，提高分辨力吸收晶片背面的杂波，提高信噪比保护膜（按声阻抗Z大力分为硬、软保护膜）硬保护膜适用于表面光洁度高的工件 软保护膜适用于表面粗糙工件b斜探头：（直探头+斜楔）斜楔（作用有二方面）波型转换(CL有机玻璃 CL2件)表面开槽：减少探头杂波K值（折射角的正切函数）：tk；斜楔磨损时，磨前k，磨后k。C双晶探头（双直，双斜）：发射与接收分开是一个粗糙的聚焦探头，杂波少、盲区小，可检测近表面缺陷。近长区长度小（延迟块的使用）检测深度取决于晶片的倾角d. 聚焦探头(线聚焦、点聚焦)灵敏度高（聚焦区声能集中主要参数有焦点位置、焦拄长度和焦拄宽度）声束窄（焦拄宽度小），横向分辨率高定位精度高聚焦探头的焦距总是小于近场长度3声速（波速）（1）常用的声速参数：CL钢=5900米/秒 CS钢=3230米/秒CL有机=2730米/秒 C水=1500米/秒（2）与声速有关的参数：a与材料种类有关，（密度）C， E（弹性）Cb与波型有关：CL：CS：Ct =1.8 : 1 : 0.9（对于钢材）c与温度（tc,只有水例外）有关，与应力(F(拉应力)c)有关。与介质尺寸有关。4频率、波长、声速相互关系：C=f图1振动曲线（1）质点完成一次全振动波传播的距离。或者波线上相邻两振动相位相同质点间的距离。（2）f波动过程中，每秒内通过某点波的个数。（3）C波在1秒内传播的距离。5超声波的特征量：（1）声压超声场中某点瞬间压强与无超声波存在时同一点静压强之差。Z Vm即声压 p与频率f成正比（2）声强垂直于超声波传播方向上，单位时间，单位面积通过的声能。 即声强正比于频率（3）声阻抗声压的幅值与质点振动速度的幅值的比值 （表示介质的声学性质）与材料的种类有关 与波型有关C 与温度有关tCZ质点的振动速度Vm波速C质点的振动频率f=波传播的频率f（4）分贝（仪器垂直线性好时）a已知波高为H2=90%和H1=15%，求H2/H1的分贝差？解：b已知波高差6db, 求？解：，H2=H1 即两波高差一倍6异质界面的反射和透射（1） 垂直入射：图2 纵波垂直入射时波的反射和透射a.声压反射率(Pr/Pe)和透射率t(Pd/Pe) b.声强反射率R(Ir/Ie)和声强透射率T(Id/Ie) T c.边界条件：由力的平衡：PO+Pr=Pt 由于波的连续性，两侧振动速度的振幅相等：r+1=t； R+T=1超声波在钢中传播到底面遇到空气100%反射；超声波从钢传到水中时，88%的声能反射，12%进入水中；d.均匀介质中的异质薄层：(相当于钢板中的均匀夹层)l1 Z1l2 Z2 dl3 Z3 Z1=Z3Z2 l1=l3l2当d=时 t=1、 r=0 当d=时t很小、r很大 （2）斜入射：a.反射和折射定律： b.纵波斜入射： 图3纵波斜入射时的反射和折射第一临界角（纵波）全反射，第二临界角C（横波）全反射， 因此必须大于才有第一临界角，即工件的纵波声速必须大于斜楔的纵波声速，才能实现纯横波探伤。如果C即没有第二临界角，因此第二介质的横波声速必须大于第一介质的纵波声速，才会产生表面波。c.横波入射：当横波入射，全反射时，对应叫第三临界角 III即只有固体才会有第三临界角 （钢中的III33.20 ）d.对于有机斜楔探头检测钢工件时：I =2736 II=5748即纵波入射角在27365748实现纯横波探伤实用=3880 K=0.785.07（3）平行声束在曲界面上的传播规律：（速度快、角度大）介质1 介质2介质1 介质27.指向性：（1）直探头的指向角a.圆晶片指向角 (方晶片指向角)b.未扩散区：b=1.64N (N=)c.声束宽度：W=X W 图5 指向角，未扩散区，声束宽度（2）斜探头的指向角： a.纵向上下 使6dB测高增加误差 b.横向左=右 测长同直探头8近场区和远场区：图7 圆盘形声源轴线 上声压分布，N近场长度。（1）圆盘源的声压曲线： N=（2） 远场区：X3N 接球面波规律，PX=P0频率越高，指向性越好。小晶片指向性差，大晶片指向性好。近场区越大，指向性越好。盲区不是近场区，是脉冲宽度阻塞效应。近场区缺陷定量不准。当量计算法适用于X3N时，小于声束截面尺寸W的缺陷的当量计算。只要当缺陷某个方向的尺寸大于声束截面尺寸W时，就能用移动探头法测长。9、小物体的声波反射（1）遇到不同尺寸的障碍物时的桡射和反射：a.当d时，桡射（衍射），无反射。b.当d时，既桡射，又反射。c. 当d 时，只有反射，形成声影。（2）缺陷的反射率：a.光滑表面：00100%， 2.5010%, 1200.1%b.粗糙表面：00100%， 80010%（凹凸度为光滑面）。 当探头指向性好，缺陷指向性差时，缺陷定位准确。 当探头指向性差，缺陷指向性好时，缺陷定位差。 裂纹反射波幅不一定总是很高(与裂纹面的方向有关)。 检测裂纹不宜采用较高的频率。10、标准反射体的反射声压（X3N）（1） 大平底，PB=PX（同等厚度的实心圆柱体）， X6db， （2） 平底孔， ， X12db， 12db（3） 长横孔，P=PX ， X9db ，3db（4） 球孔，Pd=PX ， d6db X12db（5） 圆柱曲底面，P凸=PB、 P凹=PB、 P凸PB3N/T 不考虑反射损失）曲率补偿：用曲面试块（实测）：当X3N时可用大平底调灵敏度，只须考虑材质衰减引起的补偿（10）粗探伤和精探伤：粗探伤是一种快速检测工件中是否有缺陷，采用的灵敏度又叫扫查灵敏度（不得低于基准灵敏度）如检测焊缝纵向缺陷时，用评定线灵敏度沿焊缝长度方面作距齿扫查。发现有疑问时，再进行精探伤，即用定量线灵敏度对疑问点进行前后（测深）、左右（测长），转角，环绕（测方向）扫查，确定缺陷的位置和尺寸、方向等。往往粗扫查比基准灵敏度高6db（10）缺陷大小测定：a.小于声束宽度W的缺陷X3N,用当量试块比较法；X3N,用当量公式计算法；用AVG曲线法b大于声速截面W的缺陷相对灵敏度法；最大波高6dB法；端点6dB法 JB4730绝对灵敏度法：用评定线灵敏度 JB4730, GB11345端点峰值法：GB11345、几种测长方法的比较：通常绝对灵敏度法测长端点6dB法端点峰值法最大波高6dB法测长 半波高度缺陷测长法 各种探头移动法测得缺陷指示长度比较 （10）超声检测的优缺的和局限性 优点：a.适用范围广，可用于各种工件。b.适宜检测厚度较大的工件,