1-3超声波探伤基础(产生、类型、参数和超声场、特征值)

1-3超声波探伤基础(产生、类型、参数和超声场、特征值)第一页，共27页。超声波探伤基础声波是机械波的一种。按频率的不同可以分为：1.可闻声波20Hz≤f≤20000Hz(频率、音量关系)2.次声波f<20Hz3.超声波f>20000Hz，工业探伤最常用的频段为~10MHz从乐器到人与人说话的声音讲解频率即音调的概念ABC第二页，共27页。超声波探伤基础频率用字母“f”表示频率的单位为“赫兹”用字母“Hz”表示赫兹（Hz）换算关系为：1MHz=106Hz或1Hz=10-6MHzABC第三页，共27页。超声波探伤基础一、超声波探伤的特点（一）超声波探伤优点：1.指向性好超声波波长很短，像光波一样，可以定向发射，因而能方便、准确地对缺陷定位。

2.穿透力强超声波能量高，在大多数介质中传播时能量损失小，在一些金属材料中传播时，其穿透能力可达数米。

ABC第四页，共27页。超声波探伤基础（一）超声波探伤优点3.灵敏度高一个存在于钢中的空气分层厚度为10－6mm，反射率可超过21%，当分层厚度在10－5mm以上时，反射率可超过94%。4.适用面广可检测金属、非金属、复合材料等多种材料制件的检测；采用多种波型以及各种探头作不同方向的探测，能探出工件内部和表面各种取向的缺陷。ABC第五页，共27页。超声波探伤基础（一）超声波探伤的优点5.高效低价检测速度快，在较短的时间内就可完成对工件的检测，仅耗损少量电能和耦合剂。

ABC第六页，共27页。超声波探伤基础（二）超声波探伤缺点：1.检测结果受人为影响对试件中缺陷的发现与评价，主要取决于探伤人员对仪器的调节和判断。2.探测面状态影响检测探测表面要求制备，不良的探测面影响伤损检测灵敏度。ABC第七页，共27页。超声波探伤基础（二）超声波探伤缺点3.工件状态影响检测结果工件形状过于复杂，材料晶粒和组织不均匀对探伤结果均有一定的影响。

4.定量精度差探测出缺陷的当量或延伸度与实际缺陷大小均有一定的误差。ABC第八页，共27页。超声波探伤基础二、超声波的产生人们把声源振动在介质（如空气等）中的传播过程，称为波动，简称波

。

波是物质的一种运动形式，可分为电磁波和机械波两类。产生机械波需要两个必要条件：一是要有作机械振动的振源；二是要有能传递机械振动的弹性介质。

ABC第九页，共27页。超声波探伤基础二、超声波的产生在超声波探伤中应用最广的是利用某些压电材料（石英、锆钛酸铅等）的压电效应，来实现超声波的发生和接收。超声波在传播过程中，实际上只是振动能量的传播，并没有产生物质的迁移，介质质点本身仅限于平衡位置附近振动。ABC第十页，共27页。超声波探伤基础（一）超声波常见的三种分类方式:

1.按质点的振动方向分类根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向不同，可将超声波分为纵波（压缩波）、横波（剪切波）、表面波（瑞利波）、兰姆波等。ABC第十一页，共27页。超声波探伤基础纵波、横波、表面波、兰姆波定义ABC波的类型质点振动特点（定义）传播介质应用纵波L介质质点振动方向平行于波的传播方向固体、液体和气体钢板、锻件探伤等横波S介质质点振动方向垂直于波的传播方向固体焊缝、钢管探伤等表面波R在介质表面传播时介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向固体钢板、锻件、钢管探伤等兰姆波对称型（S型）薄板中心质点作纵向运动，上下表面质点作相位相反并对称于中心的椭圆运动固体（厚度与波长相当的薄板）厚度＜6mm非对称型（A型）薄板中心质点作横向运动，上下表面作相位相同的椭圆运动固体（厚度与波长相当的薄板）厚度＜6mm第十二页，共27页。超声波探伤基础纵波的传播图谱ABC在钢轨探伤中0°探头就是使用的纵波。第十三页，共27页。超声波探伤基础横波的传播图谱ABC问题:横波不能在液体中传播，横波探伤时为什么可使用耦合剂；使用不同的耦合剂对最后的折射角是否会产生影响？在钢轨探伤中70°、37探头就是使用的横波。第十四页，共27页。超声波探伤基础（一）超声波常见的三种分类方式:

2.按振动持续时间分类

根据波源振动持续时间的长短，超声波可分为连续波和脉冲波两种。其中连续波是指波源持续不断地振动所辐射的波，常用于穿透法探伤和共振法测厚。而脉冲波则指波源振动持续时间很短（微秒级1μｓ＝10－6ｓ）、间歇辐射的波，超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。ABC第十五页，共27页。超声波探伤基础连续波与脉冲波图谱

ABC第十六页，共27页。超声波探伤基础（一）超声波常见的三种分类方式：3.按波的形状分类波形是根据波阵面的形状来区分的，所谓波阵面，是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点联成的面。根据波阵面形状的不同，波又可以分为三种：平面波、柱面波和球面波ABC第十七页，共27页。超声波探伤基础平面波、柱面波和球面波图谱

ABC第十八页，共27页。超声波探伤基础不同波形分类及特性

ABC波形特性平面波1．无限大平面（即波长与声源尺寸相比可忽略不计）作简谐振动时，在各向同性的弹性介质中传播的波2．如不考虑介质吸收波的能量，声压不随声源的距离而变化球面波1．声源为点状球体，波阵面是以声源为中心的球面2．声强与距声源距离的平方成反比柱面波1．声源为一无限长的线状直柱，波阵面是同轴圆柱面2．声强与距声源的距离成反比第十九页，共27页。超声波探伤基础（二）超声波超声波的基本参数

1.振幅（A）从平衡位置到振动最大位移之间的距离。2.周期（T）质点完成一次全振动所需要的时间。3.频率（f）质点在单位时间内完成全振动的次数。ABC第二十页，共27页。超声波探伤基础（二）超声波超声波的基本参数

按照以上的定义，容易看出：频率与周期是互为倒数的，即：从定义中可以看出：周期是时间量，通常单位为秒(s)，在超声波探伤中，则通常使用微秒为单位（μs）。周期单位换算关系：1s=106μs或1μs=10-6sABC第二十一页，共27页。超声波探伤基础超声波超声波的基本参数

4.波长（λ）同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长。5.声速（C）声波在弹性介质中，单位时间内所传播的距离，也可称为波速。

单位为米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。波长、声速和频率之间的关系式：ABC第二十二页，共27页。超声波探伤基础（三）超声场及其特征值

1.超声场概述超声场充满超声波的空间。

N表示直探头的近场区长度；D表示为圆形压电晶片的直径；λ表示超声波波长；A表示方晶片（或矩形晶片）面积。

ABC第二十三页，共27页。超声波探伤基础（三）超声场及其特征值

2.波束指向性与指向角（θ0）

超声波能量集中在一定区域并向一个方向辐射的现象称为波束指向性。非扩散的区域为近场长度（N）的倍，大于1.67N为扩散区。ABC第二十四页，共27页。超声波探伤基础（三）超声场及其特征值

2.波束指向性与指向角（θ0）

对圆盘声源辐射的纵波声场，其声束声束指向角（θ0）计算式如下：式中：D-为晶片的直径；λ-为超声波波长

ABC第二十五页，共2