超声波探伤课件

关于超声波探伤第1页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三第一章概论1.1无损检测的定义

无损检测技术(Non-DestructiveTesting,简称NDT)是第

二次世界大战后迅速发展起来的一门新兴的、多学科综合

应用的工程科学。此项技术是在不改变及损伤被检对象的各种性能(其中包括物理性能、化学性能、几何形状、表面状态等)的前提下，采用多种适用的方法对被检对象进行检测，以确定其质量，即确定该被检对象的实际使用性能是否能满足事先设计的需要，以及确定其某些特性，如几何尺寸、所使用的材料、表面状况、均匀性、密度等。第2页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三常规无损检测方法五大常规无损检测射线检测（RT）超声检测（UT）磁粉检测（MT）渗透检测（PT）涡流检测（ET）磁粉、渗透和涡流统称为表面检测。

第3页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三第二章

超声波检测的物理基础第4页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播。该章主要涉及几何声学和物理声学的基本定律和概念。几何声学：反射定律、折射定律、波形转换。物理声学：波的叠加、干涉、衍射等第5页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§1振动与波动§1－1振动

物体(或物体一部分）在某一中心位置两侧所做的往复周期性的运动,称为机械振动，常常简称为震动。

振动产生的必要条件：一是，物体一旦离开平衡位置，就会受到回复力的作用；二是阻力足够小。全振动：我们把从某一震动状态出发，又回到该震动状态所发生的震动称为一次全震动。回复力：能够使震动物体回到平衡位置的力。第6页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三第7页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三振动的表示：可用周期和频率表示振动的快慢；用振幅表示振动的强弱。周期T

振动物体完成一次全振动所需要的时间,称为振动周期.单位：秒（S）频率f

振动特物体在单位时间内完成全振动的次数,称为振动频率.单位：赫兹（Hz）振幅A

振动物体离开平衡位置的最大距离。第8页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三第9页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

简谐振动

物体在受到大小跟位移成正比而方向恒相反的合外力作用下的运动

简谐振动动能和势能相互转化，总机械能守恒。第10页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三图1.1质点谐振动参考图

质点谐振动等效图第11页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三简谐振动方程质点的水平位移和时间t的关系式：y=Acos(ωt+φ)其中：A：振幅，最大水平位移

ω：圆频率，ω=2πf=2π/T

φ：初相位，即t=0时质点的相位

ωt+φ：质点在t时刻的相位简谐振动方程描述了谐振动物体在任意时刻的位移情况。第12页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三阻尼振动在机械系统振动时，由于受到摩擦力或其他阻力的作用，系统的能量会不断损耗，质量振动的振幅逐渐减小，以至于振动停止。所以，阻尼振动是一个比较普遍情况，也称为衰减振动。(不符合机械能守恒)第13页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三受迫振动由于振动系统内部的阻尼作用，能量逐渐消耗，因初始激发引起的自由振动，将因为能量逐渐损耗，振动逐渐减弱，以至运动停止。要维持振动必须由另一系统不断给以激发，即不断地补充能量，这种由外加作用维持的振动，称为强迫振动。(不符合机械能守恒)y=Acos(Pt+φ)其中：A：振幅，最大水平位移

P：策动力的圆频率T

φ：初相位第14页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§1－2波动振动的传播过程，成为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。

机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。如水波、声波、超声波等。

电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。如无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。超声波是机械波，因此下面只讨论机械波。第15页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三物质的弹性模型第16页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

弹性介质：这种质点间以弹性力联系在一起的介质称为弹性介质。一般固体、液体、气体都可视为弹性介质。

机械波的产生：弹性介质中的一个质点的振动就会引起邻近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动，于是振动就以一定的速度由近及远地向各个方向传播开来，从而就形成了机械波。第17页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

机械波：是机械振动在弹性介质中的传播过程.

机械波必须具备以下两个条件:1）要有作机械振动的波源；2）能传播机械振动的弹性介质。振动与波动是互相关联的，振动是产生波动的根源，波动是振动状态的传播。波动中介质各质点并不随波前进，只是以交变的振动速度在各自的平衡位置附近往复运动。波动是振动状态的传播过程，也是振动能量的传播过程。这种能量的传播，不是靠质点的迁移来实现的，而是由各质点的位移连续变化来逐渐传播出去的。第18页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三机械波的主要物理量

波长：λ

单位：mm、m

同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离.或者说：沿着波的传播方向，两个相邻的同相位质点间的距离。频率：f单位：赫兹（Hz）波动过程中,任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数.波速：C单位：m/skm/s

波动中,波在单位时间内所传播的距离称为波速.

第19页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三C=λf或λ=C/f波长与波速成正比，与频率成反比。当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。第20页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三声波的种类超声波是声波的一种，广泛地应用于无损检测中。声波是在弹性介质中传播的机械波，其种类按频率范围可以分为三类：次声波频率在20Hz以下，人耳听不到；声波在20Hz～20KHz之间，人耳可闻；

超声波在20KHz以上，人耳不可闻。

第21页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三适用频率超声波探伤常用的频率为0.5MHz~10MHz。对钢等金属材料的检验，常用的频率为1~5MHz。第22页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§2波的类型1、根据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相对于波的传播方向的不同,可将波动分为纵波、横波、表面波和板波等.

纵波：介质中质点的振动方向和波的传播方向平行。用L表示，又称压缩波或疏密波。当介质质点受到交变正应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。这时介质质点疏密相间，故纵波又称为压缩波或疏密波。

第23页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。所以，纵波可以在固体、液体和气体中传播。第24页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三横波：介质中质点的振动方向和波的传播方向垂直。用T表示

当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变变形，从而形成横波。只有固体能够承受剪切应力，液体和气体不能承受剪切应力，因此，横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体中传播。第25页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

表面波：当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波。用R表示，表面波是瑞利在1887年首次提出的，因此，表面波又称瑞利波。

第26页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

表面波在介质表面传播时，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。椭圆运动可以视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波和横波的合成。所以，表面波和横波一样，只能在固体介质中传播，不能在液体和气体中传播。表面波只能在固体表面传播。表面波的能量随传播深度的增加而迅速减弱。一般认为，表面波检测只能发现距工件表面两倍波长深度范围内的缺陷。第27页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三板波：我们把在板厚与波长相当的薄板中传播的波称为板波。第28页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三各种类型波的比较波的类型质点振动特点传播介质应用纵波质点振动方向平行于波传播方向固、液、气体介质钢板、锻件检测等横波质点振动方向垂直于波传播方向固体介质焊缝、钢管检测等表面波质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直波传播方向，短轴平行于拨传播方向固体介质钢管检测等第29页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三2、按波的形状分类

波形（波的形状）：是指波阵面的形状。

波阵面：同一时刻，介质中振动相位相同的所有质点所联成的面称为波阵面。

波前：某一时刻，波动所到达的空间各点联成的面积称为波前。

波线：波的传播方向称为为波线。由以上定义可知，波前是最前面的波阵面。任意时刻，波前只有一个，而波阵面却有很多。在各向同性的介质中，波线恒垂直于波阵面或波前。据波阵面形状不同，可以把不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波。第30页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三（1）平面波波阵面为互相平行的平面的波称为平面波。平面波的波源为一个平面。尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的均匀介质中辐射的波可视为平面波。平面波波束不扩散，平面波各质点振幅是一个常数，不随距离而变化。第31页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三第32页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三（2）柱面波波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。柱面波的波源为一条线。长度远大于波长的线状波源在各向同性的介质中辐射的波可视为柱面波。柱面波波束向四周扩散，柱面波各质点的振幅与距离平方根成反比。第33页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三第34页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三（3）球面波波阵面为同心圆的波称为球面波。球面波的波源为一点。尺寸远小于波长的点波源在各向同性的介质中辐射的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩散，球面波各质点的振幅与距离成反比。实际应用的超声波探头中的波源近似活塞振动，在各向同性的介质中辐射的波称为活塞波。当距离源的距离足够大时，活塞波类似于球面波。第35页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三第36页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三3、按振动的持续时间分类根据波源振动的持续时间长短，将波动分为连续波和脉冲波。（1）连续波波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波。超声波穿透法检测常采用连续波。第37页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三（2）脉冲波波源振动持续时间很短（通常是微秒数量级），间歇辐射的波称为脉冲波。目前超声波检测中广泛采用的就是脉冲波。第38页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§3超声波的声速

超声波在介质中的传播速度（声速）是表征介质声学特性的重要参数。

超声波的传播速度与下列因素有关：

1）介质：弹性模量、密度、弹性变形形式、尺寸大小、均匀性等

2）超声波的波型：如纵波、横波与表面波等

3）温度:一般固体中的声速随介质温度升高而降低4）应力：一般固体的应力增加，声速缓慢增加第39页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§3-1无限大固体介质中的声速纵波声速：横波声速：表面波声速：E：介质的杨氏弹性模量；μ：介质的伯松比；ρ：介质密度G：介质的切变弹性模量第40页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三由以上三式可知：1）固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量等有关，不同的介质声速不同；介质的弹性模量愈大，密度愈小，则声速愈大。2）声速与波的类型有关，在同一种固体介质中，纵波、横波和表面波的声速各不相同，并存在如下关系：CL>CS>CR

对于钢材:CL:CS:CR=1.8:1:0.9第41页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§3-2细长棒中的纵波声速CLb

细长棒中(棒径d≤0.1λ)纵波的声速与无限大介质中的纵波声速不同.第42页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§3-3液体、气体介质中声速B:液体、气体介质的容变弹性模量，表示产生单位容积相对变化量所需的压强；ρ：液体、气体介质的密度几乎除水以外的所有液体当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低。水是温度在74摄氏度左右时声速达最大值。第43页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§4波的叠加、干涉、衍射和惠更斯原理§4-1波的叠加原理几列波相遇后仍保持自已原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进，好象在各自的途中没有遇到其他波一样，这就是波的叠加原理。又称波的独立性原理。波的迭加现象可以从许多事实观察到，如两石子落水，可以看到两个以石子入水处为中心的圆形水波的迭加情况和相遇后两波仍按原来的方向进行传播的情况。第44页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§4-2波的干涉两列频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差恒一的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象。驻波两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波，称为驻波第45页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§4-3惠更斯原理波动是振动状态的传播，如果介质是连续的，那么介质，中任何质点的振动都将引起邻近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动，因此波动中任何质点都可以看作是新的波源。据此惠更斯于1690年提出了著名的惠更斯原理：介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源，在其后任意时刻这些子波的包迹就决定新的波阵面。利用惠更斯原理可以确定波前的几何形状和波的传播方向。第46页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三惠更斯原理图第47页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§4-4波的衍射波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，称为波的衍射或波的绕射。波的衍射现象是衍射时差法超声检测（TOFD）的物理基础。第48页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三波的衍射第49页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

波的衍射和障碍物的尺寸Df及波长λ的相对大小有关.当Df>>λ时,反射强,绕射弱,几乎全反射;当Df<<λ时,反射弱,绕射强,缺陷回波很低,容易出现漏检.

超声波探伤的灵敏度约为λ/2在频率相同的条件下,横波的检测灵敏度高于纵波的检测灵敏度.

相同介质中,提高工作频率可以检出较小的缺陷.第50页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

衍射对探伤有利的方面:

由于波的衍射,使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播；由于波的衍射,可以采用衍射波检测缺陷。

衍射对探伤不利的方面:

由于波的衍射,使一些小的缺陷回波显著下降,以致造成漏检.第51页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§5超声场的特征值

超声场：充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质。超声场具有一定的形状和大小，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。超声场的特征值主要有：声压、声强和声阻抗。第52页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§5-1声压定义:超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P1与没有超声波存在时的静态压强P0之差,称为该点的声压.P=P1-P0

声压的单位:帕斯卡Pa,微帕斯卡μPa第53页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三声压公式超声场中t时刻,离振源距离x点的声压:P=-ρcAωsinω(t-x/c)=-Pmsinω(t-x/c)声压的幅值:Pm=ρcAω=ρcμμ:质点的振动速度,μ=ωA=2πfA

质点的振动速度μ和波速c不同！声压的幅值与介质的密度、声速和频率成正比。超声波探伤仪示波屏上的波高与声压成正比。第54页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§5-2声阻抗

超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗。Z=P/μ=ρc

由μ=P/Z不难看出，在相同声压下，Z增加，质点的振动速度μ下降，因此，声阻抗Z可以理解为介质对质点振动的阻碍作用。声阻抗的大小等于介质的密度与波速的乘积。一般材料的声阻抗随温度升高而降低。第55页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§5-3声强

I单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强。由以上公式可知：1）声强与频率f的平方成正比，超声波的频率远大于声波，因此，超声波的声强远远大于声波的声强。这是超声波用于检测的重要原因。2）在同一介质中，声强与声压的平方成正比，与声阻抗成反比。

大炮的声强，已经震耳欲聋，超声波的声强可达，比大炮的声强高出，9个数量级！第56页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§6分贝通常说某处的噪声为多少分贝，就是相对标准声强而言。各种声音和超声波分贝值如树叶沙沙声约10dB；说话声约50dB；大炮声约100dB；超声波为200dB等。声强级:待定声强与标准声强之比的常用对数就是声强的声强级。LI=lg(I1/I2)声强级的单位为贝尔(Bel)。工程上因为贝尔的单位比较大，应用时取其1/10,称为分贝，用符号dB表示：第57页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

在超声波检测中，当超声波探伤仪的垂直线性较好时，仪器示波屏上的波高与回波声压成正比。这时有△=20lgP2/P1＝20lgH2/H1

（dB）这里声压基准P1或波高基准H1可以任意选取。当H2/H1＝1时，△＝0dB，说明两波高相等时，二者的分贝差为零。当H2/H1＝2时，△＝6dB，说明H2为H1的两倍时，H2比H1高6dB。当H2/H1＝1/2时，△＝－6dB，说明H2为H1的1/2时，H2比H1低6dB。第58页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

分贝用于表示两个相差很大的量之比显得很方便，特别是在超声波检测中应用更广泛。例如示波屏上两波高的比较就常常用dB表示。例1：示波屏上一波高为80%，另一波高为20%，问前者比后者高多少dB？解：△＝20lgH2/H1＝20lg80/20＝12（dB）答：前者比后者高12dB。第59页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三用分贝值表示反射波幅度的相互关系，不仅可以简化运算，而且在确定基准波高以后，可直接用仪器衰减器的读数表示缺陷波相对波高。因此，分贝概念的引用对超声检测有很重要的实用价值。第60页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§7超声波垂直入射到界面时的反射与透射§7－1单一平界面的反射与透射P0(I0)Z1Z2Pr(Ir)Pt(It)第一介质第二介质第61页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三声压反射率：r=Pr/P0声压透射率：t=Pt/P0界面两侧的声波必须满足以下两个条件：1）界面两侧的总声压相等Pr＋P0＝

Pt

2）界面两侧质点振动速度幅值相等μ0–μr=μt由μ＝P/Z

(P0-Pr)/Z1=

Pt/Z2

由以上两个条件可得：

1＋r=t(1-r)/Z1=t/Z2

第62页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三声强反射率：

R==r=()声强透射率：

T==t–r=1T+R=1

下面讨论几种常见界面上声压和声强的反射和透射情况IrI022Z2-Z1Z1+Z2ItI04Z1Z2(Z1+Z2)2第63页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三以上讨论的超声波纵波垂直入射到第一平界面上的声压、声强反射率和透射率公式同样适用于横波入射的情况，但必须注意的是在横波入射到固体/液体或固体/气体界面上，横波全反射。因为横波不能在液体和气体中传播。探伤中，探头与工件间如不施加耦合剂，则形成固/气界面，超声波无法进入工件。第64页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§7－2声压往复透射率在超声波单探头检测中，探头兼作发射和接收超声波。探头发出的超声波透过界面进入工件，在固/气界面产生全反射后再次通过同一界面被探头接收。这时探头接收到的回波声压Pa与入射波声压P0之比，称为声压往复透射率T往

第65页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三P0PtPtPaZ1Z2Z空气=0第66页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

1、往复透射率高，探伤灵敏度高，反之，探伤灵敏度低。

2、声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关，与从何种介质入射到界面无关。

3、界面两侧的介质声阻抗相差愈小，声压往复透射率就愈高，反之就愈低。第67页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§8超声波斜入射到界面时的反射与折射§8－1波型转换与反射、折射定律

波型转换：当超声波斜入射的界面时，除产生同种类型的反射和折射外，还会产生不同类型的反射和折射。几何光学三定律：1、在均匀介质中光线沿直线传播；2、入射角＝反射角；入射线、反射线、折射线在同一平面内；3、入射角α和折射角β满足：

n:折射率第68页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三纵波入射Z1Z2LαL第69页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

根据反射、折射定律：

同一介质中纵波的声速不变,因此=

同一介质中纵波的声速大于横波的声速，因此>,>

第70页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三第一临界角：

当CL2>CL1

时，βL>αL,随着αL

增大,βL

也增大，当βL

＝90°时，所对应的纵波入射角,α1第二临界角：

第71页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三（1）当纵波入射角小于第一临界角时，第二介质中既有纵波又有横波；（2）当纵波入射角介于第一临界角和第二临界角时，第二介质中只有横波，没有纵波，这就是常用横波斜探头的制作原理。（3）当纵波入射角大于等于第二临界角时，第二介质中即没有纵波也没有横波，这是其介质的表面存在表面波，这就是常用表面波探头的制作原理。第72页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三第73页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三横波入射Z1Z2S第74页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三横波入射反射、折射定律第三临界角：当横波入射角增大到一定程度，反射纵波沿着界面传播，这时所对应当横波入射角为第三临界角。当横波入射角大于等于第三临界角时，第一介质中只有反射横波，没有反射纵波，即横波全反射。

第75页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§8－2端角反射端角反射：超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射。第76页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三第77页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

超声波是一种频率很高波长很短的机械波，当超声波入射到曲界面上时，与可见光入射到曲界面上的情况相似，具有聚焦和发散的特性。而且，由于超声波在界面上会产生波型转换，因此超声波的聚焦与发散更为复杂。为了便于讨论，这里不考虑波型转换存在。超声波在遇到曲界面时的聚集与发散，与入射波的波形，曲界面两侧的声速等因素有关，存在多种可能性。下面就超声波检测中经常遇到的情况，作简单的介绍。§9超声波聚焦与发散第78页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三§9－1声压距离公式1、平面波平面波不扩散，而是相互平行，因此，声压不随距离而扩散。2、球面波球面波的波振面为同心球面，超声场中