超声波检测基础知识

第一章第一章 超声波检测超声波检测 超声波检测定义超声波检测定义 使超声波与试件相互作用 就反射 透射和散射的波进 行研究 对试件进行宏观缺陷检测 几何特性测量 组织结构和力学性能变化 的检测和表征 并进而对其特定应用性进行评价的技术 超声检测的优点超声检测的优点 1 适用于金属 非金属和复合材料等多种制件的无损 检测 2 穿透能力强 可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测 如对 金属材料 可检测厚度为 1 2mm 的薄壁管材和板材 也可检测几米长的钢锻 件 3 缺陷定位较准确 4 对面积型缺陷的检出率较高 5 灵敏度高 可检测试件内部尺寸很小的缺陷 6 检测成本低 速度快 设备轻便 对人 体及环境无害 现场使用较方便 超声检测的局限性超声检测的局限性 1 对试件中的缺陷进行精确的定性 定量仍须作 深入研究 2 对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难 3 缺 陷的位置 取向和形状对检测结果有一定影响 4 材质 晶粒度等对检测有较 大影响 5 以常用的手工 A 型脉冲反射法检测时结果显示不直观 且检测结果 无直接见证记录 超声波检测的适用范围超声波检测的适用范围 从检测对象的材料来说 可用于金属 非金属和 复合材料 从检测对象的制造工艺来说 可用于锻件 铸件 焊接件 胶结件 等 从检测对象的形状来说 可用于板材 棒材 管材等 从检测对象的尺寸 来说 厚度可小至 1mm 也可大至几米 从缺陷部位来说 既可以是表面缺陷 也可以是内部缺陷 1 1 超声波检测的基础知识 1 1 1 超声波 声波 频率在 20 20KHz 之间 次声波 频率低于 20Hz 不容易衰减 不易被水和空气吸收 而次声波的波 长往往很长 因此能绕开某些大型障碍物发生衍射 某些次声波能绕地球 2 至 3 周 某 些频率的次声波由于和人体器官的振动频率相近 容易和人体器官产生共振 对人 体有很强的伤害性 危险时可致人死亡 超声波 频率大于 20KHz 方向性好 穿透能力强 易于获得较集中的声能 在水中传播距离远 可用于测距 测速 清洗 焊接 碎石 杀菌消毒等 超声波被应用于无损检测 主要是因为有以下特性 1 超声波在介质中传播时 遇到界面会发生反射 2 超声波指向性 好 频率越高 指向性越好 3 超声波传播能量大 对各种材料穿透力强 1 1 2 超声场及介质的声参量 1 描述超声场的物理量 1 声压 超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强 与没有超声场存在时同一点的 静态压强之差 称为该点的声压 单位为 Pa 1 1 01 ppp 2 声强 在超声波传播的方向上 单位时间内介质中单位截面积上的声能叫做声强 常用表示 单位为 I 2 W cm 1 2 3 分贝 引起听觉的最弱声强称为标准声强 将某一声强与标 216 0 10cmWI 准声强取常用对数得到二者相差的数量级 称为声强级 用 IL 表示 1 3 lg 0 IIIL 声强级的单位为贝尔 实际应用中 贝尔单位太大 常用分贝来表示声强级的 单位 dB 其为贝尔的十分之一 2 介质的声参量 声波在介质中的传播是由其声学参量 包括声速 声阻抗 声衰减等 决 定的 因而深入研究介质的声参量具有重要意义 1 声阻抗 超声波在介质中传播时 任何一点的声压与该点速度振幅 V 之比称为声p 阻抗 常用 Z 表示 单位为 2 scmkg 2 m 222 2 11 2 1 2 1 cV c pcAI m 1 4 V p Z 声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用 在同一声压下 介质的声 阻抗越大 质点的振动速度越小 介质不同 声阻抗不同 同一种介质 如果 波形不同 声阻抗也不同 当超声波由一种介质传入另一种介质时 或者从介 质的界面反射时 主要取决于这两种介质的声阻抗 气体 液体 固体的声阻抗差别很大 实验测定 其声阻抗之比接近于 1 3000 8000 2 声速 声波在介质中传播的速度称为声速 在同一种介质中 波形不同 其传播 速度也各不相同 超声波的声速还取决于介质的特性 如密度 弹性模量 声波分为相速度和群速度 相速度 是声波传播到介质的某一选定的相位点时 在传播方向上的声速 群速度 是指传播声速的包络上 具有某种特性的点上 声波在传播方向 上的速度 群速度是波群的能量传播速度 在非频散介质中 群速度等于相速 度 1 5 K c 1 1 3 超声波的传播 1 超声波的分类 脉冲波 连续波 按振动持续的时间分类 球面波 柱面波 平面波 按波面的形状分类 型 型 板波 表面波 横波 纵波 系分类波的传播方向之间的关按质点的振动方向与声 A S 根据介质中质点的振动方向和声波的传播方向 超声波的波形可分为以下几种 1 纵波 质点的振动方向和传播方向一致的波形称为纵波 如图 1 1 所示 它能在固体 液体 气体中传播 在探伤中用于纵波探伤法 图 1 1 纵波 2 横波 质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波 如图 1 2 所示 它只能在固体中 传播 用于横波探伤法 图 1 2 横波 3 表面波 瑞利波 质点的振动介于纵波和横波之间 沿着固体表面传播 振幅随深度增加而迅速 衰减的波称为表面波 如图 1 3 所示 表面波质点振动轨迹为椭圆 质点位移 的长轴垂直于传播方向 短轴平行于传播方向 它用于表面波探伤法 图 1 3 表面波 4 兰姆波 板波 兰姆波只产生在有一定厚度的薄板内 在板的两表面和中部都有质点的振动 声场遍布整个板的厚度 沿着板的两表面及中部传播 所以又称为板波 如果 两表面质点振动的相位相反 中部质点以纵波的形式振动则称为对称性兰姆波 如果两表面质点振动的相位相同 中部质点以横波的形式振动 则称为非对称 性兰姆波 如图 1 4 所示 兰姆波可检测板厚及分层 裂纹等缺陷 还可以检 测材料的晶粒度和复合材料的粘合质量 图 1 4 兰姆波 超声波在介质中以一定的速度传播 纵波 横波 表面波的传播速度 取决于 介质的弹性常数和介质密度 兰姆波的传播速度除与介质的弹性常数有关外 还与介质的厚度和兰姆波的频率有关 在无限大的固体介质中 各种波的传播速度为 纵波 1 6 GK cL 3 4 横波 1 7 G cS 表面波 1 8 1 12 1 87 0 R c 通常认为 横波声速是纵波的一半 表面波声速约为横波的 90 兰姆波的声速对于每一介质而言 取决于薄板厚度 或缺陷深度 和频率的乘积 由于速度和频率有关 又有群速度和相速度之分 脉冲波是以群速度来传播的 连续波是以相速度来传播的 相速度是以声波 或电磁波 沿行进路线变更相位 的速度 群速度是声能 或电磁能 变更的速度 因为脉冲波不可能只包括一个 频率 而是包括一群不同频率不同幅度的正弦波之和 它的传播速度是群速度 当传播速度与频率无关时 群速度等于相速度 2 平面波 柱面波 球面波 图 1 5 平面波 柱面波 球面波 3 连续波与脉冲波 连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波 脉冲波是质点振动时间很 短的波 超声检测中最常用的是脉冲波 对脉冲波进行频谱分析 可知它并非 单一频率 而是包括多种频率成分 其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频 率 频带宽度和中心频率 图 1 6 连续波 图 1 7 脉冲波 1 1 4 超声波在介质中的传播特性 1 1 4 1 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射 超声波在无限大介质中传播时 将一直向前传播 并不改变方向 但遇到 异质界面时 会发生反射和透射现象 既有一部分超声波在界面上被反射回来 另一部分透过介质交界面进入第二介质 1 单一界面 当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时 将在第一介质中产生一个与 入射波方向相反的反射波 在第二介质中产生应该与入射波方向相同的透射波 反射波和透射波的声压按一定比例分配 这个分配比例由声压反射率 声强反 射率 和声压透射率 声强透射率 来表示 图 1 8 单一界面反射和透射 声压反射率 界面上反射波的声压与入射波的声压之比称为声压反r r p 0 p 射率 1 9 12 12 0 ZZ ZZ p p r r 声压透射率 界面上透射波声压与入射波的声压之比 t t p 0 p 1 10 12 2 0 2 ZZ Z p p t t 声强反射率 R 界面上反射波的声强与入射波的声强之比 r I 0 I 1 11 2 12 12 0 ZZ ZZ I I R r 声强透射率 T 界面上透射声强与入射波的声强之比 t I 0 I 1 12 2 12 12 0 4 ZZ ZZ I I T t 从以上可以看出 声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关 但需要指出的是在垂直入射时 介质两侧的声波必须满足两个边界条件 一是 一侧总声压等于另一侧总声压 二是两侧质点速度振幅相等 以保持波的连续 性 上述计算公式同样适合于横波入射情况 但必须注意 在固液 固气界面 上 横波将发生全反射 这是因为横波不能在液体和气体中传播 2 薄层界面 超声波由声阻抗为的第一介质 入射到和的交界面 然后通过声 1 Z 1 Z 2 Z 阻抗为的第二介质薄层射到和界面 最后进入声阻抗为的介质 2 Z 2 Z 3 Z 3 Z 图 1 9 薄层界面 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 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 形成一系列的反射和透射波 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 透射波就会相互干涉 由于上述原因 声压反射率和透射率的 计算比较复杂 一般来说 超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质阻抗 和薄层声阻抗有关 而且与薄层厚度与其波长之比 有关 22 d 1 当第一 第三介质为同一介质时 1 13 2 22 2 2 22 2 2 sin 1 4 1 1 2 sin 1 4 1 d m m d m m r 1 14 2 22 2 2 sin 1 4 1 1 1 d m m t 式中 异质薄层的厚度 异质薄层的波长 2 d 2 两种介质的声阻抗之比 m 2 1 Z Z m 分析式 1 13 和 1 14 当 n 为正整数 时 2 2 2 nd 1 0 tr 当 n 为正整数 时 最高 4 12 2 2 ndr0 t 当时 即时 则薄层厚度越小 透射率越大 反射率越0 2 d 4 2 2 d 小 2 当时 即非均匀介质中的薄层 321 ZZZ 其声压往复透射率为 1 15 2 22 2 2 31 2 2 2 2 31 31 2 sin 2 cos 4 d Z ZZ Z d ZZ ZZ T 当当 n 为正整数 时 2 2 2 nd 1 16 2 31 31 4 ZZ ZZ T 即超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时 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 当 n 为正整数 时 且时 则有 4 12 2 2 nd 312 ZZZ 1 17 1 4 2 2 31 2 31 Z ZZ Z ZZ T 此为全透射情况 当时 则薄层厚度越小 声压往复透射率越大 4 2 2 d 1 1 4 2 超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射 在两种不同介质之间的界面上 声波传输的几何性质与其它任何一种波的 传输性质相同 即斯涅耳定律有效 不过由于声波和电磁波的反射和折射现象 之间有所差异 当声波沿倾斜角到达固体介质的表面时 由于介质的界面作用 将改变其传输模式 例如从纵波转变成横波 传输模式的变换还导致传输速度 的变化 此时应以新的声波速度带入斯涅耳公式 1 斯涅耳定律 1 18 22111 sinsinsinsinsin S S L L S S L L L L ccccc 式中 为入射角 为折射角 为反射角 为横波 为纵波 LS s L s L 图 1 10 倾斜入射情况 当入射超声波在界面上发生反射和透射时 由于入射角的变化 使得在界 面上两侧的第一介质 第二介质及界面上产生波型转换的情况将会发生变 化 在第二种介质中的透射波的波型取决于入射角大小 而这些引起波型 变化的入射角临界值分别称为第一临界角 第二临界角和第三临界 I II 角 III 2 临界角 第一临界角 当时 必然有 令横波透射角等于 90 12 LL cc SL L 时的纵波入射角为第一临界角 当 第二介质 L 2 1 arcsin L L I c c IL 中不再有折射纵波 只有折射横波 第二临界角 如果 则有 令 C 得到 12 LS cc LS 90 S 当 第二介质中既没有折射纵波 也没有折射横 2 1 arcsin S L II c c IIL 波 这时会在介质表面产生表面波 第三临界角 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 由于同一介质中 恒大于 所以恒大于 随着 1 L c 1 S c L S 增加 当 90 C 时 介质中只存在反射横波 令 C 则有 S L 90 L 1 1 arcsin L S IIIL c c 图 1 11 临界角 3 声压反射率和透射率 在斜入射情况下 各种类型的反射波和透射波的声压反射率和透射率 不 仅与界面两侧介质声阻抗有关 而且还与入射波的类型以及入射角的大小有关 由于其理论计算公式复杂 通常借助于实验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 1 1 5 超声场的特征 1 超声场的指向性和扩散角 超声波从声源 晶片辐射器 集中成束向前传播 往往集中在与晶片轴线 成半扩散角的椎体范围内强烈辐射出去 称为超声场的指向性 图 1 12 指向性和扩散角 当晶片直径为 D 超声波波长为时 存在 D 22 1 arcsin 越小 指向性越好 图 1 13 声场结构 2 指向性与声源直径 D 和波长的关系 有上式可以看出 当一定时 频率一定 半扩散角与晶片直径成反比 直径 大 半扩散角小 则指向性好 当直径 D 一定时 越小 频率越高 半扩 散角越小 指向性越好 3 近场区 远场区和声压公式 超声场结构一般由主声束和副声束构成 主声束的截面大 能量集中 很 好的指向性好 副声束的截面小 能量弱 方向易变 图 1 14 圆盘源的超声场轴线上的声压分布 近场 出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场 近场长度 距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离 对圆直探头纵波 其可以表示为 4 2 D N 远场 近场以外的部分 探伤时 一般利用远场中的声学特性来发现缺陷 声压公式 1 19 kxtxx D pp sin 4 sin2 2 2 0 1 2 超声波换能器超声波换能器 超声波换能器通常称为探头 主要由压电晶片组成 可发射和接受超声波 探 头是超声波探伤仪的重要组成部分 既可以实现电信号与声讯号相互转换 又 能够控制超声波的传播方向和能量集中的程度 当改变探头入射角或改变超声 波的扩散角时 可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的 指向性 提高分辨率 探头因其结构和使用的波型不同可分为直探头 斜探头 表面波探头 兰姆波探头 可变角探头 聚焦探头 水浸探头等等 1 直探头 直探头可发射和接收纵波 直探头由插座 外壳 保护膜 压电晶片 吸声材料等组成 超声波的发射 接收均由压电晶片完成 其多为圆片形 其厚度与超声频率成反比 直径与 扩散角成反比 晶片两面敷有银层 作为导电极板 保护膜多采用高硬度刚玉片 耐磨损 吸收快用钨粉 环氧树脂和固化剂等浇注 可吸收声能 2 斜探头 可反射和接收横波 主要由压电晶片 吸收块和斜楔块组成 晶片产生纵波