超声波无损检测知识讲座2之波与振动

南京地铁无损检测知识讲座超声波无损检测知识讲座之超声波探伤超声波探伤简介一、超声探伤的历史和现状超声探伤是指超声波在被检材料中传播，根据材料中缺陷所显示的声学性质对超声波传播的影响来检测其缺陷的方法。这种方法在很早以前就被人们所采纳。例如敲打物体，听其声音来判断被检物体是否有损伤就是一种原始的检测手段。钢轨的手工检查就是这种方法的延袭。真正应用于超声进行探伤是近半个世纪的事情，尤其在第二次世界大战爆发以后，超声探伤技术得到了迅速发展。从1936年德国研制了穿透法探伤仪后，美国、英国相继制成脉冲反射式探伤仪，法国利用声脉反射原理研制出声纳设备，用于探测潜艇。许多发达国家采用A型脉冲反射式探伤仪进行钢铁、造船和机械制造中的探伤。到了50年代后期，超生检测已在医疗领域内被广泛应用。随后利用衰减器进行缺陷定量，对超声全息回波频谱的分析、焊缝缺陷的评估、数字式探伤仪和成像技术都有了突破性发展。超声波探伤简介近几年来超声探伤技术发展更快，材料性能的检测和评价；电磁超声、激光超声、空气耦合超声等非接触超声探伤技术的发展，高频超声对陶瓷材料、集成电路和低密度芯片粘结材料的探测，以及采用微波处理技术，对超声波探伤仪进行自动选择探测参数，校准操作工艺，判断检测结果，记录和储存检测数据取得了显著进展，使超声探伤技术进入了全新的阶段。二、我国钢轨超声探伤的发展1954年10月铁道部率先引进瑞士生产的以声响指示的共振式探伤已用于钢轨探伤，这是我国应用超声探伤的开端。1957年北京BC13和武汉GTS-1手杖式刚果探伤仪问世。1969年上海无线电22厂研制首台A型显示脉冲反射式钢轨探伤仪（JGT-1），使我国钢轨超声探伤跃上了新的台阶。纵观我国钢轨探伤技术的发展，大体经历了电子管-晶体管-集成化，即调频连续波-单通道脉冲反射波-多通道、多功能的脉冲波这三个阶段。现今有引进了钢轨探伤车，使得我国的超声钢轨探伤向着高速、自动化迈进。

超声探伤优点和缺点

分析超声探伤的优点，一是寻求超声探伤之所以得到迅速发展的依据；二是要重视超声探伤的不足之处，更好地指导我们的探伤实践。一、优点1、穿透能力强，可测厚度大，一般可达数米，是所有无损探伤方法中可测厚度最大者；2、检测灵敏度高，一个存在于钢中的空气分层厚度为10-6mm,反射率已有21%，当厚度为10-5mm时，反射率可达94%，其检测灵敏度居所有无损检测方法之首；3、可适用多种波型、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；4、指向性好，能方便、正确的对缺陷定位。随着成像技术的发展，缺陷的定位、定量更加正确和直观；5、检测速度快，费用低廉。即使手工操作，超声波探伤的速度也比其他方法快，且无需防护和固定工作场所。实施时仅损耗少量电能和耦合剂。在计算机与检测设备形成一体后，监测速度将大大领先于各类探伤方法。

超声探伤优点和缺点

二、缺点1、探测的结果受人为的因素影响。对缺陷的发现和评价，仅凭仪器示波屏上显示的探伤图形而定，而图形中回波信号高度、位置、数量等有限信息又取决于探伤人员对仪器的调节和判断，因此需要较多的实践经验的累积。2、探测表面要求制备。无论是常规摊上或是高速自动化探伤都要求探头与工件的探测面具有良好的耦合。通常随着耦合的良好的增加，透过声能也随之增加，缺陷检出率越高，因此探测表面的制备是提高探伤那个质量的重要前提。3、受工件形状、晶粒和组织不均匀性的限制。形状复杂的工件，超声波探伤较困难，形状回波的显示将干扰缺陷回波的识别和测定。对粗晶工件（例如高锰钢辙叉）特别是奥氏体不锈钢、硬质合金堆层等，其晶体尺寸与超声波长接近，增加探伤难度。

超声探伤优点和缺点4、定量精度差。以回波信号为判断依据的超声波探伤所测出的缺陷的当量或延伸度与实际缺陷大小均有一定的误差。超声波的一般概念

——振动与波一、机械振动和机械波（一）、振动：物体沿着某一直线或曲线，在某一平衡位置附近作往复的周期性运动，称为振动。（二）、描述振动的物理量：1、振幅：振动的幅度，即物体距平行位置的最大值。2、周期：完成一次全振动的时间量，用T表示，单位：S秒毫秒ms=10-3秒s微秒µs=10-6秒S3、频率：单位时间内（1s）物体完成全振动的次数，用F表示，单位:Hz相互关系：（1Hz=1/s）（1兆赫MHz=103千赫KHz=106Hz）（三）、机械波和声波超声波在介质中的振动所引起声能传播称为波动。波动：机械波：机械振动、电磁振动。声波是机械波中最主要的一种。超声波的一般概念

——振动与波（四）、机械波产生的条件条件：（1）波源:振源；（2）弹性介质（五）、超声波可用频率f表示、划分。f＜20Hz------------次声波；f＞20KHz-----------超声波；20Hz≤f≤20KHz-----声波（f），即人耳听觉范围。医用：200～300KHz；工业用：0.5～10MHz；钢轨探伤用：2-2.5MHz。（六）、谐振波振动方程：Y=A·Cos（Wt＋∮）A----振幅，即半径；W---角速度；Wt＋∮---相位；∮---初相位；t----时间。超声波的一般概念

——振动与波此方程式表示：单位时间内振动中的某一点的振动的幅度。公式推倒：=Cos（Wt＋∮）因为：A=R 所以：Y=A·Cos（Wt＋∮）

A=R

ωt

平衡位置○∮yM2M1超声波的一般概念

——振动与波（七）、频谱分析利用其各种波的同相位的叠加、相减形成的有规律的波。

超声波的一般概念

——振动与波二、超声波的波型按照质点振动方向与波的传播方向的关系可划分为：纵波、横波、表面波、板波。（一）、纵波L：质点的振动方向与波的传播方向一致，同时也称疏密波。纵波可在任何状态下的介质中传播，即：液体、气体、固体。（二）、横波S：质点的振动方向与波的传播方向相垂直，也称作剪切波。液体和气体中缺乏横向运动的弹性力，所以横波不能存在，只有纵波存在；但固体中可以同时存在纵波、横波。弹性力又称剪切力。（三）、表面波t：在固体中与液体的表面的界面上存在，质点的振动方向呈椭圆形，只在其表面上传播，又叫瑞利波。（四）、板波B：在固体介质的厚度小到一定程度时，在板状的固体上，瑞利波将消失，从而产生板波，又称兰姆波。超声波的一般概念

——振动与波三、波长和声速（一）、波长λ：同一轴线上相邻的两个振动相位的两个点之间的距离叫波长，用λ表示。波长是长度量，故用M、MM为单位。（二）、声速c：超声波在介质中传播的速度称为声速，用c表示。1、固体介质中的声速：A、

幅度0T周期距离轴时间轴λ超声波的一般概念

——振动与波B、C、E－弹性模量，多表示介质的弹性。ρ－介质密度。即：固体中同介质中：CL﹥Ct﹥CR超声波的一般概念

——振动与波2、气体和液体介质中的声速:β－容变弹性模量，是由温度决定的可变量。由此可知：一般所说的声速是一定温度下纵波的声速，当温度变化时，β-容变弹性模量也变化，则声速变化很大。综上1、2所表示的特征量来看，声速的大小和介质的弹性模量及密度有很大的关系。超声波的一般概念

——振动与波（三）、