无损检测超声波二级培训教材PPT参考课件.ppt

1、超声波检测通常指的是工件中宏观缺陷的检测和材料厚度的测量。1.1超声波检测基础知识1.1.1次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，同一波形在同一介质中的传播速度相同，它们的区别主要在于频率不同。人们每天听到的各种声音都是由于各种声源的振动通过空气等弹性介质传播到耳膜，引起耳膜振动，影响听觉神经，使人产生听觉。1，2020/8/1，能引起人们听觉的机械波叫声波，其频率在2020千赫之间；频率低于20Hz的机械波称为次声波；频率高于20千赫的机械波称为超声波。次声波和超声波是人耳听不见的。用于宏观缺陷检测的超声波频率为0.525兆赫，用于钢和其他金属材料的超声波频率为0.510兆赫.超

2、声波的特点是频率高，这使得它具有一些重要的特性，可以广泛应用于无损检测。1.超声波具有良好的方向性：超声波频率高、波长短、扩散角小，可以定向发射，就像手电筒发出的一束光一样，在黑暗中也能找到需要的物品，在被测材料中也能发现缺陷。2.高超声能量：超声波的探测频率远高于声波，其声强与频率的平方成正比。2020/8/1，3。超声波能在非均匀界面上产生反射、折射、衍射和波形转换，在超声波检测中，特别是脉冲反射检测中，利用了超声波几何声学的一些特性，如在介质中的直线传播、遇到界面时的反射和折射等。4.超声波穿透能力强：超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离长，穿透能力强，在许多金属材料中可

3、达几米。3，2020/8/1，1.1.2超声波检测的工作原理主要是基于超声波在工件中的传播特性，如超声波通过材料时能量的损失；当遇到具有不同声阻抗的两种介质之间的界面时，会发生反射。主要工作流程如下：4，2020/8/1，1。超声波由声源产生，并以一定的方式进入工件；2.超声波在工件中传播，并与工件材料及其缺陷相互作用，改变其传播方向或特性；3.检测设备接收变化后的超声波，并进行处理和分析；4.根据接收到的超声波信号的特征，评价工件表面和内部是否有缺陷以及缺陷的特征。通常用于发现和评估缺陷的基本信息是：5，2020/8/1，1。是否有来自缺陷的超声波信号及其振幅；2.回声的传播时间；3.超声波

4、通过材料后的能量衰减。6，2020/8/1，第2章超声波检测的物理基础超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播。机械振动和波动是超声波检测的物理基础。在超声检测中，主要涉及几何声学和物理声学的一些基本规律和概念。如几何声学中的反射、折射定律和模式转换；物理声学中波的叠加、干涉和衍射。7，2020/8/1，2.1机械振动2.1.1机械振动物体(或粒子)在某个平衡位置附近来回移动，这称为机械振动。振动是自然界中最常见的运动形式。8，2020/8/1，振动的必要条件是：物体一旦离开平衡位置就会受到回复力的影响；阻力应该足够小。在一定力的作用下，物体(或粒子)将离开平衡位置并产生位移；力消失后，在

5、回复力的作用下，它将移动到平衡位置，并从平衡位置向相反方向移动到最大位移位置，然后移动到平衡位置振动的强度以振幅为特征。周期：物体往复运动时完成一次完整振动所需的时间，称为振动周期，用t表示。通常的单位是秒。对于非周期性振动，往复运动不再是周期性的，但周期的物理量仍能反映往复运动。频率：振动物体在单位时间内完成全部振动的次数，称为振动频率，用f表示。通常的单位是赫兹。1Hz=1次/秒。频率和周期是倒数：t=，11，2020/8/1，振幅：振动物体距平衡位置的最大距离，称为振动振幅，标有a. 1。共振：物体(或粒子)在回复力作用下的振动称为共振，回复力与位移成正比，并总是指向平衡位置。(P8)，

6、12，2020/8/1，13，2020/8/1，弹簧振子的共振运动：弹簧的一端是固定的，质量不计算；另一端连接一个小球。当球在0点时，外力为零，弹簧不变形，球不受力。这一点是平衡位置。将球从平衡位置o向右拉至a点，然后松开，球将左右振动。14，2020/8/1，当球振动时，其重力和表面支撑力总是平衡的。假设球的运动没有其他阻力，只有弹簧作用在球上的弹力作用在振动上。当球被外力拉至点O右侧的点A时，其向平衡位置的位移方向是正确的，而弹力方向是向左的。当球移动到0点左侧时，位移方向是左侧，但弹性方向是右侧。弹力的方向总是与球向平衡位置的位移方向相反，指向平衡位置。这个弹力是使球振动的恢复力。15，

7、2020/8/1，根据胡克定律，弹簧提供的回复力f与球相对于平衡位置的位移x成比例。F=-Kx K是弹簧的刚度系数(也称为刚度系数或弹性系数反映弹簧的软硬程度，它与弹簧的材料性能、横截面积和原始长度有关。单位为牛顿/米)，负号表示回复力与位移方向相反。16，2020/8/1，从运动学的角度来看，弹簧振子的运动可以用振动图像直观地表示出来，它显示了振动质量的位移随时间的变化规律。运动学，力学的一个分支，从几何角度描述和研究物体位置随时间的变化(指物体本身的物理性质和施加在物体上的力)。下图显示了垂直轴上的时间和水平轴上粒子位移形成的共振图像。17、2020/8/1、18、19、2020/8/1，

8、共振运动的运动特性和粒子在X轴上匀速圆周运动的投影是完全一致的。以振幅a为半径的圆，粒子m沿圆周匀速运动。质点m的水平位移x与时间t之间的关系可以用下面的公式来描述：20，2020/8/1，21，2020/8/1，其中：a:振幅，表示振动质点从平衡位置的最大位移；振动相位，表示振动粒子在某个时间t的位置和粒子的运动方向，即表示粒子的运动状态；x:某一时刻的水平位移。22，2020/8/1，人们把位移随时间的变化符合余弦(或正弦)定律的振动形式称为共振。共振的振幅、频率和周期保持不变，其频率是振动系统的固有频率，是最简单、最基本的振动。任何复杂的振动都可以看作是多重谐波振动的合成。当物体处于平衡

9、位置时，动能最大，势能为零。在最大位移时，势能最大，动能为零。它的总能量保持不变。23，2020/8/1，2。阻尼振动：共振是在理想条件下的振动，不考虑振动的影响强迫振动的振幅与驱动力的频率有关。当驱动力的频率与受迫振动物体的固有频率相同时，受迫振动的振幅达到最大。这种现象被称为共振。当超声波探头中的压电晶片发射和接收超声波时，它产生强迫振动和阻尼振动。25，2020/8/1，当在探针中设计压电晶片时，如果高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率，就会发生共振，于是压电晶片的电声能量转换效率最高。26，2020/8/1，2.1.2机械波1。机械波的产生和传播振动的传播过程称为波动。有两类：机械波

10、和电磁波。机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。电磁波是交变电磁场在空间中的传播过程。27，2020/8/1，在介质中，粒子通过弹性力连接在一起，这称为弹性介质。在弹性力的作用下，弹性介质中一个质点的振动会引起附近质点的振动，附近质点的振动会引起远处质点的振动，这样振动就会以一定的速度从近到远向各个方向传播，从而形成机械波。产生机械波必须满足以下两个条件：(1)机械振动必须有波源。(2)应该有能够传播机械振动的弹性介质。28，2020/8/1，通常固体、液体和气体可视为弹性介质。液体和气体不能用上述弹性力模型来描述，它们的弹性波是由受压体积的收缩和膨胀产生的。29，2020/8/1，振动和波

11、动是相互关联的，振动是波动的根源，而波动是振动状态的传播。在波动中，介质中的每个粒子都不跟随波，而是按照与波源相同的振动频率在其平衡位置振动，并将能量传递给周围的粒子。这种能量传递不是通过物质的迁移来实现的，也不是通过相邻粒子的弹性碰撞来实现的，而是通过每个粒子位移的连续变化来逐渐传递的。因此，机械波的传播不是物质的传播，而是振动状态和能量的传播。30，2020/8/1，机械波的传播特性每个粒子仅在平衡位置附近振动，不会向前移动。后一个粒子重复前一个粒子的振动状态，并且具有相位滞后。所有粒子同时具有不同的位移，形成一个波形。振动状态、波形和能量向前传播。31，2020/8/1，32，2020/

12、8/1，2。机械波的主要物理量(1)波长：在同一波线上具有相同振动相位的两个相邻粒子之间的距离，称为波长，用下式表示。波源或介质中的任何粒子都完成了一次完整的振动，波只前进了一个波长。波长的通常单位是毫米。或米(米)。33，2020/8/1，(2)周期t和频率f:介质颗粒经过时产生机械振动的周期和频率。机械波的周期和频率只与振动源有关，与传播介质无关。波频也可以定义为波过程中任何给定点在一秒钟内通过的完整波数，与该点的振动频率相同，单位为赫兹。波前进一个波长所需的时间就是周期。也可以说，波在一个完整的周期中传播的距离就是波长。34，2020/8/1，(3)波速c:在波动中，波在单位时间内传播的

13、距离称为波速，用c表示。常用单位为米/秒(米/秒)。次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度是相同的。它们主要在频率上不同。C=f或=C/f振动传播速度称为波速(声速)，所以不要将波速与质点振动速度混淆，质点振动与波传播的方向不一定相同。35，2020/8/1，2.2波浪分类2.2.1根据波浪类型分类：1。纵波：粒子振动方向的波虽然液体和气体不能承受拉应力，但它们可以承受压应力产生体积压缩和膨胀，所以液体和气体也可以传播纵波。36，2020/8/1，纵波：粒子的振动方向与波的传播方向一致，其特征是密集和稀疏部分交替出现，例如：弹性波，声波，37，2020/8/1

14、，2。横波：在介质中粒子的振动方向和波的传播方向相互垂直的波，称为横波。当介质粒子受到交变剪切应力时，发生剪切变形，从而形成横波。因此，剪切波也称为剪切波。只有固体介质能承受剪切应力，而液体和气体介质不能，因此剪切波只能在固体介质中传播，而不能在液体和气体介质中传播。38，2020/8/1，横波：粒子振动方向与波传播方向垂直。特征：峰谷交替。2020/8/1，3。表面波：当介质表面受到交变应力时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，通常用(R)表示。当表面波在介质表面传播时，介质表面的粒子作椭圆运动，椭圆的长轴垂直于阿波罗的传播方向，而短轴平行于阿波罗的传播方向。椭圆运动可以看作是纵向振动和横

15、向振动的结合，即纵波和横波的结合。因此，像剪切波一样，表面波只能在固体介质中传播，而不能在液体或气体介质中传播。40，2020/8/1，表面波的能量随着传播深度的增加而迅速降低。当传播深度超过波长的两倍时，粒子的振幅已经非常小了。因此，一般认为表面波探伤只能发现距离工件表面两倍波长深度内的缺陷。41，2020/8/1，4。板波：在厚度等于波长的薄板中传播的波，称为板波。根据质点振动方向的不同，板波可以分为SH波和Lamb波。(1)SH波：水平极化横波在薄板中传播。薄板中每个粒子的振动方向平行于板表面，垂直于阿波罗波的传播方向，相当于固体介质表面的剪切波。42，2020/8/1，(2)兰姆波：可

16、分为对称型(S型)和非对称型(A型)。对称兰姆波：薄板中心质点纵向振动，上下表面质点作椭圆运动，振动相位与中心相反且对称。不对称兰姆波：薄板中心粒子横向振动，上下表面粒子椭圆运动，相位相同，不对称。43、2020/8/1、2.2.2按波形分类：波形是指波前的形状。波前：同时，介质中所有振动相位相同的粒子所连接的平面称为波前。波前：在某一时刻，波到达的空间中所有点所连接的平面就是波前。波浪线：波浪的传播方向称为波浪线。波前是最前面的波前，是波前的一种特殊情况。在任何时刻，只有一个波前，但有许多波前。在各向同性介质中，波线总是垂直于阿波罗波前。44，2020/8/1，1。平面波：波阵面相互平行且波源为平面的波。在各向同性均匀介质中，由尺寸远大于波长的刚性平面波源辐射的波可视为平面波。平面波束不扩散，平面波的每个粒子的振幅都是常数，不随距离变化。波动方程为：45，2