超声波检测理论基础

关于超声波检测理论基础2024/3/272024/3/27第一章绪论1.1超声检测的定义及作用超声检测一般是指超声波与工件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对工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。特种设备行业中，超声检测通常指宏观缺陷测量和材料厚度测量。超声检测是五大常规无损检测技术之一。作用：实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率。设备维护中不可或缺的手段之一。第2页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/271.2超声检测的基础知识1.2.1次声波、声波和超声波机械波是机械振动在弹性介质中的传播。如水波、声波、超声波声波是在弹性介质中的传播的机械纵波，频率在20~20000Hz频率低于20Hz的声波不能被人听到，称为次声波频率高于20000Hz的声波人耳也听不到，称为超声波。探伤用超声波频率在(0.5~10)MHz第3页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/27超声波的特点超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测。1、方向性好超声波具有像光波一样定向束射的特性。2、穿透能力强对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。

3、能量高超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。

4、遇有界面时，将产生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。5、对人体无害。第4页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/271.2.2超声检测工作原理原理：1、声源产生超声波，采用一定方式进入工件2、超声波在工件中传播，与工件材料和其中缺陷相互作用，传播方向或特征被改变3、改变后的超声波通过检测设备被接收，并对其处理分析4、根据接收的超声波的特征，评估工件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特征通常用来发现缺陷和用来评估的基本信息：1、是否存在来自缺陷的超声波信号及其幅度2、入射声波与接收声波之间的传播时间3、超声波通过材料后能量的衰减第5页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/271.2.3超声检测方法的分类1、按原理：脉冲反射法、衍射时差法、穿透法、共振法2、按显示方式：A型显示、超声成像显示3、按波型：纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法4、按探头数目：单探头法、双探头法、多探头法5、按探头与工件的接触方式：接触法；液浸法、电磁耦合法6、按人工干预的程度：手工检测、自动检测第6页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/271.2.4超声检测的优点和局限性1、优点适用于金属、非金属和复合材料等多种材料的无损检测穿透力强，多较大厚度工件内部缺陷进行检测缺陷定位较准确面积型缺陷的检出率高灵敏度高检测成本低、速度快、设备轻便、使用方便，对人和环境无害第7页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/271.2.4超声检测的优点和局限性2、局限性对工件中的缺陷进行精确的定性和定量仍需做深入研究对具有复杂形状或不规则外形的工件检测困难缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响工件材质和晶粒度对检测有较大影响常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，检测结果无直接见证记录第8页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/27第二章超声检测的物理基础2.1机械振动和机械波2.1.1机械振动物体或质点在某一平衡位置附近做来回往复的运动，称为机械振动。产生的必要条件：物体一离开平衡位置就会受到回复力的作用；阻力要足够小。振幅：振动物体离开平衡位置的最大距离，A。周期：当物体作往复运动时完成一次全振动所需要的时间，T（s）。频率：振动物体在单位时间内完成全振动的次数，f（Hz）1KHz=103Hz1MHz=106HzT=1/f第9页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/27谐振动物体（或质点）在受到跟位移大小成正比，而方向总是指向平衡位置的回复力的作用下的振动。位移随时间的变化符合余弦定理（或正弦）规律的振动形式称为谐振动。Y=Acos（ωt+φ）ω=2πf=2π/T平衡位置势能为零，动能最大，位移最大位置势能最大，动能为零。只有弹力或重力做功。第10页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.1.2机械波振动的传播过程称为波动。机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。必备条件：1、要有作机械振动的波源2、要有能传播机械振动的弹性介质第11页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/27机械波的主要物理量1、声速c：单位时间内，超声波在介质中传播的距离；超声波的速度就是声音的速度,即声在空气(15℃)中的速度是340米/秒,只不过它们的频率不同而已；超声波在20℃的钢中是5900米/秒;在铝中的传播速度为5100米/秒。2、频率f：单位时间内，超声波在介质中任一给定点所通过完整波的个数；3、波长λ：声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点之间的距离；第12页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/27机械波的主要物理量4、周期T：声波向前传播一个波长距离时所需的时间；5、角频率ω：其中频率和周期是由波源决定的，声速与传声介质的特性和波型有关。第13页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.2波的类型2.2.1按波型分类1、纵波L：介质中质点振动方向和波的传播方向平行的波。压缩波疏密波承受压缩或拉伸应力即可传播第14页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.2.1按波型分类2、横波S：介质中质点的振动方向和波的传播方向相互垂直的波。切变波剪切波能承受剪切应力才能传播第15页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.2.1按波型分类3、表面波R：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。瑞利1887年首提，又称瑞利波。介质表面的质点作椭圆运动。椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向，介质质点的椭圆振动可视为纵波与横波的合成。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，因此表面波又称为瑞利波（Rayleighwave），常用R表示。如采用表面波探伤只能发现工件的表面缺陷。一般只能发现距离工件表面两倍波长深度范围内的缺陷。第16页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/27表面波第17页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.2.2按波形分类波的形状是指波阵面的形状。波线：用波线表示传播的方向波阵面：将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面波前：某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面称为波前。在各向同性介质中波线垂直于波阵面。在任何时刻，波前总是距声源最远的一个波阵面。波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。第18页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.2.2按波形分类波线、波前与波阵面(a)平面波；

(b)柱面波；

(c)球面波

第19页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.2.2按波形分类根据波阵面的形状(波形)，可将超声波分为平面波、柱面波和球面波等。平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵面为同轴圆柱面，球面波的波阵面为同心球面。当声源是一个点时，在各向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。当声源的尺寸远小于测量点距声源的距离时，可以把超声波看成是球面波。第20页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.2.3按振动的持续时间分类1、连续波波源持续不变的振动所辐射的波。2、脉冲波波源振动持续时间很短，间歇辐射的波称为脉冲波。通常是微秒数量级第21页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.3波的叠加、干涉和衍射2.3.1波的叠加：几列波在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。相遇后各列波的波长、频率、振动方向和传播方向都保持不变，波的叠加原理或者波的独立性原理。第22页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272波的干涉两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇，介质中某些地方的振动互相加强，而另外一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫波的干涉现象。A=（A21+A22+2A1A2cos2πδ/λ）1/2注意：（1）当δ=nλ（n为正数）时，A=A1+A2，（2）当δ=(2n+1)λ/2时，A=∣A1-A2∣.第23页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.3.2波的绕射1.惠更斯-菲涅尔原理2.波的绕射（衍射）TOFD成为可能绕射能使超声波在介质中顺利传播绕射使小缺陷回波幅度显著下降，造成漏检超声检测灵敏度约为λ/2第24页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.4超声波的传播速度声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型有关，还与介质的密度和弹性模量有关。声速是一个表征介质声学特性的重要参量。2.4.1固体介质中的声速：纵波、横波和表面波的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的，而与频率无关，不同材料声速值有较大的差异。在给定的材料中，频率越高，波长越短。第25页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/271.无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的纵波声速：无限大固体介质中的横波声速：第26页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/271.无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的表面波声速：CR=[（0.87+1.12σ）/(1+σ)]CSE-------介质的杨氏弹性模量，MPa

；G-------介质的剪切弹性模量，MPa;Ρ------介质的密度Σ------介质的泊松比0~0.5同一固体介质中，纵波声速CL大于横波声速Cs，横波声速Cs又大于表面波声速CR。对于钢材，CL≈1.8Cs，Cs≈1.1CR。第27页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/271.无限大固体介质中的声速2.细长棒中的纵波声速CLb3.声速和温度、应力、均匀性的关系温度高，声速低应力增加，声速增加（缓慢）晶粒细，声速大第28页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.4.2液体、气体介质中的声速1.声速公式C=（B/P）1/2式中B—容变弹性模量；P密度2.液体介质中声速与温度的关系水CL=1557-0.0245（74-t）2其他，温度升高，B减小，声速降低第29页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.4.3声速的测量1.超声检测仪器测量法（1）检测仪器按时间刻度（2）检测仪器按深度刻度2.测厚仪测量法（1）共振式测厚仪（2）脉冲反射式测厚仪3.示波器测量法第30页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.5超声场的特征值2.5.1声压P：当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强p1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声压，用p表示,单位为帕，Pa，第31页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.5超声场的特征值2.5.2声阻抗Z任一点的声压p与该处质点振动速度之比叫声阻抗Z，单位：g/(cm2.s)；kg/(m2.s)。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，质点的振动速度就越小。实验证明，气体、液体与金属之间的特性声阻抗之比大约为1:3000:8000。Z=P/V=ρC一般材料随温度升高而Z降低。第32页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.5超声场的特征值2.5.3声强I：在超声场的传播方向上，单位时间内垂直通过单位面积上的声能叫声强，用I表示，单位W/cm2。I=ρcA2ω2/2=ZV2/2=P2/2Z超声波的声强和频率的平方成正比，同一介质中，超声波的声强和声压成正比。第33页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.5超声场的特征值2.5.4分贝和奈培分贝的概念以引起听觉的最弱声强I0=10-16W/cm2为声强标准，在声学上称为“闻阈”，即f=1000Hz时引起人耳听觉的声强最小值。将某一声强I与标准声强I0之比取常用对数得到二者相差的数量级，称为声强级，声强级的单位为贝尔B，即

△=lg(I2/I1)贝尔（B）在实际应用过程中，贝尔这个单位太大，常用分贝（dB）作为声强级的单位。第34页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.5超声场的特征值第35页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.5超声场的特征值在实际应用过程中，超声波的幅度或强度也用相同的方法即分贝表示，第36页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.5超声场的特征值目前市售的超声波探伤仪，其示波屏上波高与声压成正比，即任意两点的波高之比等于相应的声压之比，二者的分贝差实际检测时，常按此式计算超声波探伤仪示波频上任意两个波高的分贝差。第37页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.5超声场的特征值若对二者取自然对数，则其单位为奈培NP：奈培与分贝的关系为：第38页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.6超声波垂直入射到界面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，不改变方向。但遇到异介质界面（即声阻抗差异较大的异质界面）时，会产生反射和透射现象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，在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。第39页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.6.1单一平界面的反射率和透射率反射波声压Pr与入射波声压P0的比值称为声压反射率r，透射波声压Pt和P0的比值称为声压透射率t。

r和t的数学表达式为：式中：

Z1、Z2分别为两种介质的声阻抗。

第40页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.6.1单一平界面的反射率和透射率声强反射率R和声强透射率T：R为反射波声强(Ir)和入射波声强(I0)之比；T为透射波声强(It)和入射波声强(I0)之比。

声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。第41页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.6.1单一平界面的反射率和透射率在垂直入射时，界面两侧的声波必须满足两个边界条件：（1）一侧总声压等于另一侧总声压，否则界面会发生运动；（2）两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。上述超声波纵波垂直入射到单一平界面上的声压、声强与其反射率、透射率的计算公式，同样适用于横波入射的情况。但在固液、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。第42页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.6.1单一平界面的反射率和透射率几种情形的讨论：（1）Z2＞Z1（2）Z1＞Z2（3）Z1远大于Z2（4）Z1≈Z2第43页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.6.2薄层界面的反射率和透射率薄层界面在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层，这些都可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透射问题。

在两个界面上的反射和透射d2超声波由声阻抗为Z1的第一介质入射到Z1和Z2的交界面，然后通过声阻抗为Z2的第二介质薄层射到Z2和Z3的交界面，最后进入声阻抗为Z3的第三介质。当然在有三层介质时，很多情况是第一介质和第三介质为同一种介质（超声波检测即是这种情况）。第44页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.6.2薄层界面的反射率和透射率1.均匀介质中的异质薄层（Z1=Z3≠Z2）第45页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.6.2薄层界面的反射率和透射率由公式可知：（1）半波透声层（2）薄层厚度为1/4波长的奇数倍时第46页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.薄层两侧介质不同的双界面即超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，如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。第47页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.薄层两侧介质不同的双界面此时为全透射的情况。第48页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.6.3声压往复透射率在单探头超声检测中，探头发出的超声波透过界面进入工件，在固-气底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和入射波声压P0之比，称为声压往复透射率。垂直入射，底面全反射的情况下，声压往复透射率在数值上和声强透射率相等。声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关，与从何种介质入射无关，声阻抗相差越小，声压往复透射率越高。声压往复透射率高低直接影响检测灵敏度高低，往复透射率高，检测灵敏度就高。第49页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.7超声波倾斜入射到界面时的反射和透射超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类型的发射和折射波外，还会产生不同种类型的反射和折射波，这就是波型转换。第50页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.7超声波倾斜入射到界面时的反射和透射超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射(a)纵波入射；

(b)横波入射

第51页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/271.纵波斜入射当纵波倾斜入射到界面时，除产生反射纵波和折射纵波外，还会产生反射横波和折射横波，各种反射波和折射波的方向符合反射、折射定律。折射角相对于入射角的大小和折射波声速与入射波声速的比率有关。同时，由于纵波声速总是大于横波声速，因此纵波折射角βL要大于横波折射角βS。第52页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/27（1）第一临界角当入射波为纵波，且cL2>cL1时，折射角大于入射角，使纵波折射角达到90°的纵波入射角称为第一临界角，用符号αⅠ表示。当纵波入射角大于第一临界角时，第二介质中不再有折射纵波，只有折射横波。第53页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/27（2）第二临界角当入射波为纵波，第二介质为固体，且CS2>CL1时，使横波折射角达到90°的纵波入射角为第二临界角，用符号αⅡ表示。通常在超声检测中，临界角主要应用于第二介质为固体，而第一介质为固体或液体的情况。这种情况下，可利用入射角在第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中产生一定角度范围内的纯横波，对试件进行检测。第二介质中既无折射纵波，又无折射横波，介质的表面将产生表面波R。第54页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/27（2）第二临界角如：有机玻璃和钢界面，αⅠ=27.6°αⅡ=57.7°第55页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/27（3）第三临界角第三临界角是在固体介质与另一种介质的界面上，用横波作为入射波时产生的。使纵波反射角达到90°时的横波入射角称为第三临界角，用表示αⅢ。此时，介质中只存在反射横波。钢中，αⅢ=33.2°第56页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.7.2声压反射率超声波反射、折射定律只讨论了超声波倾斜入射到界面上时，各种类型反射波和折射波的传播方向，没有涉及它们的声压反射率和透射率。斜入射时反射波和透射波的声压关系较为复杂。但在超声检测中，关心的是斜入射的反射率和透射率随入射角度的变化。对脉冲反射法，更关心的是声压往返透过率随入射角度的变化。在斜入射情况下，各种类型反射波和折射波的声压反射率和透射率不仅与界面两侧介质的声阻抗有关，还与入射波的类型及入射角的大小有关。由于理论计算公式复杂，因此借助于公式或实验得到几种常见界面的声压反射率和透射率。见图2-32，2-33第57页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.7.3声压往复透射率超声波倾斜入射时，声压往复透射率等于两次相反方向通过同一界面的声压透射率的乘积，即第58页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.7.4端角反射当工件的两个相邻表面构成直角，超声波束倾斜射向任一表面，且其反射波束指向另一表面时，即构成端角反射的情况。在这种情况下，同类型的反射波和入射波总是相互平行，方向相反；不同类型的反射波和入射波互不平行，且难以被发射探头接收。横波入射时，入射角在30°和60°附近时，端角反射率很低，入射角在35°~55°时，端角反射率很高。第59页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.8超声波的聚集和发散2.8.1声压距离公式1.平面波声束不扩散，而是互相平行，声压不随距离变化。2.球面波的声压与距离成反比。（振幅与距离成反比，声压与振幅成正比）P1--距离为单位1处的声压X---某点至波源的距离第60页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.8超声波的聚集和发散3.柱面波声压距离公式柱面波的波阵面为同轴柱面，某处质点的振幅与距离的平方根成反比，而声压与振幅成正比。第61页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.8.2球面波在平界面上的反射与折射1.单一的平界面上的反射球面波入射到平界面上，反射波仍为球面波，且波源与入射波源对称。r–声压反射率X—从虚拟波源算起的距离第62页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.8.2球面波在平界面上的反射与折射2.双界面上的反射球面波在相互平行的双界面间的多次反射仍符合球面波的变化规律。当入射角较小，r=1.0时，距离d较大不产生干涉，对于脉冲波，前壁各次声压比为：后壁各次波的声压比为：第63页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.8.2球面波在平界面上的反射与折射3.单一界面上的折射球面波入射到平界面上，其折射波不再是严格的球面波，只有其张角较小时，可视为近似的球面波，且有对于水-钢界面：折射波声压：第64页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.8.3平面波在曲界面上的反射与折射1.平面波在曲界面上的反射平面波入射到曲界面时，其反射波将发生聚焦或发散。从入射上看，凹界面的反射波聚焦，凸界面的反射波发散。第65页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.8.3平面波在曲界面上的反射与折射（1）平面波入射到球面时，其反射波可视为从焦点发出的球面波，在轴线上距离曲面顶点x处的反射波声压为：（2）平面波入射到柱面时，其反射波可视为从焦点发出的柱面波，在轴线上距离曲面顶点x处的反射波声压为：f—焦距，f=r/2±--+用于发散，-用于聚焦Po--曲面顶点处入射波声压实际检测中，球形、柱形气孔的反射波就属于以上两种情形。第66页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.8.3平面波在曲界面上的反射与折射2.平面波在曲界面上的折射平面波入射到曲面上时，其折射波也将发生聚焦或发散。折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面两侧介质的声速有关。对于凹面，c1<c2时聚焦，c1>c2时发散；对于凸面，c1>c2时聚焦，c1<c2时发散。第67页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.8.3平面波在曲界面上的反射与折射平面波在曲界面的折射聚焦c1＜c2c1＞c2c1＞c2c1＜c2发散凹面凹面凸面凸面第68页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.平面波在曲界面上的折射（1）平面波入射到球面透镜时，（2）平面波入射到柱面透镜时，实际检测用的水浸聚焦探头就是根据平面波入射到c1＞c2的凸透镜上，折射波会聚焦的特点设计的，可以提高检测灵敏度。聚焦探头中的声透镜，如果为球面，将获得点聚焦；如果为柱面，将获得线聚集。目前在实际检测中，线聚焦多用于机械化自动检测，点聚焦多用于人工检测。第69页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.8.4球面波在曲面上的反射与折射1.球面波在曲界面上的反射球面波入射到曲界面上，其反射波要发生聚焦或发散，凹曲面聚焦，凸曲面发散。见书图2-44（1）球面波在球面上的反射波P1/a--球面顶点处入射波声压f—焦距，f=r/2±--+用于发散，-用于聚焦a—球面顶点至波源的距离实际检测中，距离较大的球形气孔，就属于此类情形。第70页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/271.球面波在曲界面上的反射（2）球面波在柱面上的反射波此反射波既不是单纯的球面波，也不是单纯的柱面波，而是近似两个不同的柱面波叠加。实际检测中，超声波径向检测大型圆柱形锻件。第71页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.球面波在曲界面上的折射球形界面柱形界面C2/C1---透射介质与入射介质中波速之比第72页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.9超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着距离的增加，超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减。2.9.1.衰减的原因主要原因是波束的扩散、晶粒散射和介质吸收。1.扩散衰减：声波在介质中传播时，因波前在逐渐扩展，从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的扩散衰减。它主要取决于波阵面的几何形状，与传播介质无关。平面波不存在扩散衰减，而球面波和柱面波有扩散衰减现象。第73页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.9超声波的衰减2.散射衰减：超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起衰减的现象。散射衰减与材质的晶粒度密切相关。晶粒度粗大，散射衰减严重。3.吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介质中质点间内摩擦和热传导引起的超声波衰减叫吸收衰减。在超声检测中，谈到超声波在材料中的衰减时，通常关心的是散射衰减和吸收衰减，而不包括扩散衰减。第74页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.9.2衰减方程与衰减系数1.衰减方程平面波不存在扩散衰减，只存在介质衰减，其声压衰减方程为：Px=P0e-αx球面波和柱面波既存在扩散衰减，又存在散射衰减，其声压衰减方程分别为：第75页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.9.2衰减方程与衰减系数2.衰减系数2.1对金属材料等固体介质：衰减系数等于散射衰减系数αs和吸收衰减系数αa之和。α=αs+αa注意：（1）介质的吸收衰减和频率成正比。（2）介质的散射衰减与f、d、F有关。第76页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.9.2衰减方程与衰减系数2.2对液体介质而言，主要是介质的吸收衰减。α=αa=8π2f2η/2ρc3由于η、c、ρ都和温度有关，所以一般α随温度升高而降低。工作中可根据底波次数和幅度来判断衰减情况，从而判断材料晶粒度大小、缺陷密集程度等。η---介质的粘滞系数ρ—介质的密度C---波速第77页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.8.3衰减系数的测定1.薄板工件衰减系数的测定条件：厚度较小，上下底面互相平行，表面光洁m、n—底波的反射次数Bm、Bn—第m、n次底波高度δ—反射损失，每次反射损失约为（0.5~1.0）dBx---薄板的厚度第78页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/272.8.3衰减系数的测定2.厚板或粗圆柱体衰减系数的测定条件：厚度大于200mm的板材或轴类工件方法：第一、第二次底波高度测定衰减系数B1、B2—第一、二次底波高度6---扩散引起的分贝差δ—反射损失，每次反射损失约为（0.5~1.0）dBx---薄板的厚度第79页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/27第三章

超声波反射声场与规则反射体的回波声压3.1纵波发射声场3.1.1圆盘波源辐射的纵波声场圆盘声源发出的声场，由于声源尺寸有限，必然在其边缘发生衍射效应使声束向周围空间扩散，形成一个随距离增大而波阵面面积不断扩大的扩散声束。另一方面，声源上各点发出的声波相互干涉又使得声压的空间分布不是随距离单调变化的。因此，对圆盘声源声场中声压分布的描述非常复杂。从圆盘声源的对称性来分析，通过圆盘中心且垂直于盘面的直线应是声场的对称轴，称为圆盘声源轴线。讨论圆盘声源的声场将从声压沿轴线的分布以及声束扩散的特性着手。第80页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场圆盘声源轴线上的声压分布

根据叠加原理，圆盘声源轴线上任何一点处的声压等于声源上各点辐射的声压在该点的叠加。如果声源发出的波为连续简谐波，并假定介质为无衰减的液体介质，则可推出声源轴上声压幅值P的分布符合下式：

第81页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场式中：P0为声源的起始声压；Rs为圆盘声源的直径；λ为传声介质中声波的波长；x为圆盘声源轴线上某一点距声源的距离。当x≥2Rs（圆盘半径Rs=D/2）时，上式可简化为：第82页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场当x≥3Rs2/λ时，上式可简化为：上式表明，当x≥3Rs2/λ时,圆盘声源轴线上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。第83页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场由近场区内的声压分布可知当p从由在声轴线上会出现声压极大和极小值第84页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场（1）近场区：波源附近由于波的干涉而出现的一系列声压极大极小值的区域，称为超声场的近场区。近场区长度：波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用N表示。由轴线上声压公式，经数学推导，可以得到最后一个声压极大值点距声源距离的表达式：

第85页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场当D>>λ时，λ/4可以忽略，从而得到近场长度的简化计算公式如下，：近场区远场区图中标有“P球”的虚线为球面波声压随距离的变化曲线，可以看出，距离大于3N以后，圆盘声源声轴上的声压幅值变化与球面波的曲线非常接近。近场区长度与波源面积成正比，与波长成反比。第86页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场在近场区内，由于声源表面上各点辐射至被考察点的波程差大，所引起的声源振幅差和相位差也大，且它们彼此相互干涉，结果是近场区的声源分布十分复杂，出现很多极大值与极小值。在近场区内如果有缺陷存在，其反射波极不规则，对缺陷的判断十分困难，因此，尽可能避免在近场区检测定量。（2）远场区：在声场中，x>N的区域为声源的远场区。在远场区，声压随距离增加而减小，声源轴线上距离为x处声压p的最大值为：第87页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场2.超声场横截面声压分布：超声场近场区和远场区各个横截面上的声压分布是不同的，在x≤N的近场区，存在中心轴线上声压为零的截面。在x≥N的远场区，轴线上的声压最高，偏离中心声压逐渐降低，且同一截面上声压的分布是完全对称的。实际检测中要在2N之外测定探头声束偏离和斜探头K值。第88页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场第89页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场3.波束指向性和半扩散角点波源ds在至波源距离充分远处任意一点M(r，θ)处引起的声压为：

整个圆盘声源在（r，θ）处的总的声压幅值为：第90页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场指向性系数：波源前充分远处任意一点的声压P(r,θ)与波源轴线上同距离处声压P(r,θ)之比，用DC表示。第91页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场DC与y的关系如图3-7所示，可知：（1）超声场中至波源充分远处同一横截面上各点的声压是不同的，以轴线上的声压为最高。（2）圆盘源辐射的声束截面声场中存在一些声压为零的点。圆盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角（半扩散角）：θ0=arcsin1.22λ/DS≈70λ/DS(°)（3）半扩散角θ0以外的声场声压很低，超声波的能量主要集中在半扩散角θ0以内。（4）在超声波主波束之外存在一些副瓣，副瓣能量很低，从波源附近开始传播后衰减很快。（5）与声压幅值有关的半扩散角γ（6）增加探头直径DS，提高检测频率f，可以改善波束指向性，有利提高检测灵敏度，但近场长度增加，对检测不利。第92页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1纵波发射声场4.波束未扩散区与扩散区波束未扩散区b：在波源附近存在。在波束未扩散区内，波束不扩散，不存在扩散衰减，各截面平均声压基本相同。b≈1.64N扩散区：到波源的距离x＞b的区域。扩散区内波束扩散，存在扩散衰减。第93页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1.2矩形波源辐射的纵波声场矩形波源辐射的纵波声场有两个不同的半扩散角，其声场为矩形。

矩形波源的近场区长度为：第94页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1.2矩形波源辐射的纵波声场矩形晶片辐射声场第95页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1.2矩形波源辐射的纵波声场两个特定面内的声场指向性系数XOZ面内，第96页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1.2矩形波源辐射的纵波声场ZOY面第97页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1.3纵波声场近场区在两种介质中的分布实际检测中，近场区分布在两种不同的介质中，设第一种介质（水）厚度为L，则第二种介质（钢）中剩余近场区长度N’为：基于钢中近场区计算:基于水中近场区计算:第98页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1.4实际声场与理想声场比较理想声场：液体介质，波源作活塞振动，辐射连续波等理想条件下的声场。实际声场：固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波声场。第99页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.1.4实际声场与理想声场比较实际声场与理想声场存在区别的原因：（1）实际声场的近场区内，轴线上声压变化幅度小于理想声场，极值点减少。（2）实际声场是许多不同频率正弦波、余弦波声场的叠加，叠加后的总声压趋于均匀，使近场区声压分布不均的情况得到改善。（3）实际声场的波源是非均匀激发，产生的干涉小于均匀激发的理想波源。（4）实际检测的对象为固体介质，叠加干涉小于液体介质。第100页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.2横波发射声场3.2.1假想横波声源横波探头辐射的声场由第一介质中的纵波声场与第二介质中的横波声场两部分组成。将第一介质中的纵波波源转换为与第二介质中横波波束轴线重合的假想横波波源，整个声场可视为由假想横波波源辐射出来的连续的横波声场。实际波源为圆形，假想横波波源为椭圆形，椭圆的长轴等于实际波源的直径DS，短轴为：

β---横波折射角α---纵波入射角第101页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.2.2横波声场结构1.波束轴线上的声压由于波的干涉，横波声场存在近场区和远场区。当x≥3N时，横波声场波束轴线上的声压为：P∝FS，P∝1/x。K---系数Fs---波源的面积λs2---第二介质中横波波长X---轴线上某点到假想波源的距离第102页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.2.2横波声场结构2.近场区长度横波声场近场区长度为：

N∝FS，N∝1/λs2。第二介质中的近场区长度：式中：FS——波源面积；λs2——介质中横波波长；

L1——入射点至波源的距离；

L2——入射点至假想波源的距离。第103页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.2.2横波声场结构3.半扩散角(1)纵波斜入射在第二介质中产生横波声场，波束不对称于声束轴线，存在上下（θ上、θ下）两个半扩散角，且θ上＞θ下。

θ上＝β2－βθ下＝β－β1sinβ1＝a－b,sinβ2＝a＋b(2)横波垂直入射时，其声束对称于轴线，半扩散角θ0为：圆形声源：矩形正方形声源：第104页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.3规则反射体的回波声压当量法：在同样的检测条件下，当自然缺陷回波与某人工规则反射体回波等高时，则该人工规则反射体的尺寸就是此自然缺陷的当量尺寸。3.3.1平底孔回波声压超声波波束轴线垂直于平底孔，超声波在平底孔上全反射，回波声压为：任意两个距离直径不同的平底孔回波分贝差为：平底孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降12dB平底孔距离一定，直径增加一倍，其回波上升12dB第105页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.3规则反射体的回波声压3.3.2长横孔回波声压长横孔直径较小，长度大于波束截面尺寸，超声波垂直入射到长横孔的反射回波声压为：任意两个距离直径不同的长横孔回波分贝差为：长横孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降9dB长横孔距离一定，直径增加一倍，其回波上升3dB第106页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.3规则反射体的回波声压3.3.3短横孔回波声压短横孔长度明显小于波束截面尺寸，超声波垂直入射到短横孔的反射回波声压为：任意两个距离、长度和直径不同的短横孔回波分贝差为：

短横孔直径和长度一定，距离增加一倍，其回波下降12dB短横孔直径和距离一定，长度增加一倍，其回波上升6dB短横孔长度和距离一定，直径增加一倍，其回波升高3dB第107页,共119页，2024年2月25日，星期天2024/3/273.3规则反射体的回波声压3.3.4球孔回波声压超声波在球孔上的反射类似于球面波在球面上的反射，球孔回波声压为：任意两个距