【正文】 2022/5/30 超聲波檢測 2022/5/30 第一章 緒論 ? ? 超聲檢測一般是指超聲波與工件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對工件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的技術。 ? 特種設備行業(yè)中，超聲檢測通常指宏觀缺陷測量和材料厚度測量。 ? 超聲檢測是五大常規(guī)無損檢測技術之一。 ? 作用：實現(xiàn)質(zhì)量控制、節(jié)約原材料、改進工藝、提高勞動生產(chǎn)率。 ? 設備維護中不可或缺的手段之一。 2022/5/30 ? 、聲波和超聲波 ? 機械波是機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播。如水波、聲波、超聲波 ? 聲波是在彈性介質(zhì)中的傳播的機械縱波，頻率在 20~20220Hz ? 頻率低于 20Hz的聲波不能被人聽到，稱為次聲波 ? 頻率高于 20220Hz的聲波人耳也聽不到，稱為超聲波。探傷用超聲波頻率在 (~10)MHz 2022/5/30 超聲波的特點 ? 超聲波波長很短，這決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛應用于無損檢測。 ? 方向性好 超聲波具有像光波一樣定向束射的特性。 ? 穿透能力強 對于大多數(shù)介質(zhì)而言，它具有較強的穿透能力。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達數(shù)米。 ? 能量高 超聲檢測的工作頻率遠高于聲波的頻率，超聲波的能量遠大于聲波的能量。 ? 遇有界面時，將產(chǎn)生反射、折射和波型的轉(zhuǎn)換 。利用超聲波在介質(zhì)中傳播時這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過巧妙的設計，使超聲檢測工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。 ? 對人體無害 。 2022/5/30 ? 原理： ? 聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定方式進入工件 ? 超聲波在工件中傳播，與工件材料和其中缺陷相互作用，傳播方向或特征被改變 ? 改變后的超聲波通過檢測設備被接收，并對其處理分析 ? 根據(jù)接收的超聲波的特征，評估工件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特征 ? 通常用來發(fā)現(xiàn)缺陷和用來評估的基本信息： ? 是否存在來自缺陷的超聲波信號及其幅度 ? 入射聲波與接收聲波之間的傳播時間 ? 超聲波通過材料后能量的衰減 2022/5/30 ? 按原理：脈沖反射法、衍射時差法、穿透法、共振法 ? 按顯示方式： A型顯示、超聲成像顯示 ? 按波型：縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法 ? 按探頭數(shù)目：單探頭法、雙探頭法、多探頭法 ? 按探頭與工件的接觸方式：接觸法；液浸法、電磁耦合法 ? 按人工干預的程度：手工檢測、自動檢測 2022/5/30 ? 優(yōu)點 ? 適用于金屬、非金屬和復合材料等多種材料的無損檢測 ? 穿透力強，多較大厚度工件內(nèi)部缺陷進行檢測 ? 缺陷定位較準確 ? 面積型缺陷的檢出率高 ? 靈敏度高 ? 檢測成本低、速度快、設備輕便、使用方便，對人和環(huán)境無害 2022/5/30 ? 局限性 ? 對工件中的缺陷進行精確的定性和定量仍需做深入研究 ? 對具有復雜形狀或不規(guī)則外形的工件檢測困難 ? 缺陷的位置、取向和形狀對檢測結果有一定影響 ? 工件材質(zhì)和晶粒度對檢測有較大影響 ? 常用的手工 A型脈沖反射法檢測時結果顯示不直觀，檢測結果無直接見證記錄 2022/5/30 第二章 超聲檢測的物理基礎 ? ? ? 物體或質(zhì)點在某一平衡位置附近做來回往復的運動，稱為機械振動。 ? 產(chǎn)生的必要條件 ：物體一離開平衡位置就會受到回復力的作用；阻力要足夠小。 ? 振幅 ：振動物體離開平衡位置的最大距離， A。 ? 周期 ：當物體作往復運動時完成一次全振動所需要的時間， T（ s）。 ? 頻率 ：振動物體在單位時間內(nèi)完成全振動的次數(shù)， f（ Hz）1KHz=103Hz ? 1MHz=106Hz ? T=1/f 2022/5/30 諧振動 ? 物體（或質(zhì)點）在受到跟位移大小成正比，而方向總是指向平衡位置的回復力的作用下的振動。 ? 位移隨時間的變化符合余弦定理（或正弦）規(guī)律的振動形式稱為諧振動。 ? Y=Acos（ ωt+φ） ω=2πf=2π/T ? 平衡位置勢能為零，動能最大，位移最大位置勢能最大，動能為零。 ? 只有彈力或重力做功。 2022/5/30 ? 振動的傳播過程稱為波動。 ? 機械波是機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程。 ? 必備條件： ? 要有作機械振動的波源 ? 要有能傳播機械振動的彈性介質(zhì) 2022/5/30 機械波的主要物理量 ? 聲速 c：單位時間內(nèi)，超聲波在介質(zhì)中傳播的距離； ? 超聲波的速度就是聲音的速度 ,即聲在空氣 (15℃ )中的速度是 340米 /秒 ,只不過它們的頻率不同而已 ；超聲波在 20 ℃ 的 鋼中是 5 900米 /秒 。在鋁中的傳播速度為 5100米 /秒。 ? 頻率 f：單位時間內(nèi)，超聲波在介質(zhì)中任一給定點所通過完整波的個數(shù)； ? 波長 λ：聲波在傳播時，同一波線上相鄰兩個相位相同的質(zhì)點之間的距離； 2022/5/30 機械波的主要物理量 ? 周期 T：聲波向前傳播一個波長距離時所需的時間； ? 角頻率 ω： ? 其中頻率和周期是由波源決定的，聲速與傳聲介質(zhì)的特性和波型有關。 cλωπfT ???212022/5/30 波的類型 ? ? 縱波 L：介質(zhì)中質(zhì)點振動方向和波的傳播方向平行的波。 ? 壓縮波 ? 疏密波 ? 承受壓縮或拉伸 ? 應力即可傳播 2022/5/30 按波型分類 ? 橫波 S：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向相互垂直的波。 ? 切變波 ? 剪切波 ? 能承受剪切 ? 應力才能傳播 2022/5/30 按波型分類 ? 表面波 R：當介質(zhì)表面受到交變應力作用時，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ā? ? 瑞利 1887年首提，又稱瑞利波。介質(zhì)表面的質(zhì)點作橢圓運動。 橢圓的長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向，介質(zhì)質(zhì)點的橢圓振動可視為縱波與橫波的合成。 瑞利首先對這種波給予了理論上的說明，因此表面波又稱為瑞利波（ Rayleigh wave），常用 R表示。 ? 如采用表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)工件的表面缺陷。一般只能發(fā)現(xiàn)距離工件表面兩倍波長深度范圍內(nèi)的缺陷。 2022/5/30 表面波 2022/5/30 按波形分類 ? 波的形狀是指波陣面的形狀。 ? 波線： 用波線表示傳播的方向 ? 波陣面：將同一時刻介質(zhì)中振動相位相同的所有質(zhì)點所連成的面 ? 波前：某一時刻振動傳播到達的距聲源最遠的各點所連成的面稱為波前。 ? 在各向同性介質(zhì)中波線垂直于波陣面。在任何時刻，波前總是距聲源最遠的一個波陣面。波前只有一個，而波陣面可以有任意多個。 2022/5/30 按波形分類 波線、 (a) 平面波； (b) 柱面波； (c) 球面波 2022/5/30 按波形分類 ? 根據(jù)波陣面的形狀 (波形 )，可將超聲波分為平面波、柱面波和球面波等。 ? 平面波即波陣面為平面的波，而柱面波的波陣面為同軸圓柱面，球面波的波陣面為同心球面。當聲源是一個點時，在各向同性介質(zhì)中的波陣面為以聲源為中心的球面。 ? 可以證明，球面波中質(zhì)點的振動幅度與距聲源的距離成反比。 當聲源的尺寸遠小于測量點距聲源的距離時，可以把超聲波看成是球面波。 2022/5/30 按振動的持續(xù)時間分類 ? 連續(xù)波 ? 波源持續(xù)不變的振動所輻射的波。 ? 脈沖波 ? 波源振動持續(xù)時間很短，間歇輻射的波稱為脈沖波。 ? 通常是微秒數(shù)量級 2022/5/30 波的疊加、干涉和衍射 ? ：幾列波在空間某處相遇，則相遇處質(zhì)點的振動是各列波引起振動的合成，在任意時刻該質(zhì)點的位移是各列波引起位移的矢量和。 ? 相遇后各列波的波長、頻率、振動方向和傳播方向都保持不變，波的疊加原理或者波的獨立性原理。 2022/5/30 2 波的干涉 ? 兩列頻率相同、振動方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇，介質(zhì)中某些地方的振動互相加強，而另外一些地方的振動互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫波的干涉現(xiàn)象。 ? A=（ A21+A22+2A1A2cos2πδ/λ） 1/2 ? 注意： ? （ 1）當 δ=nλ（ n為正數(shù)）時， A=A1+A2， ? （ 2）當 δ=(2n+1)λ/2時， A=∣ A1A2∣ . 2022/5/30 波的繞射 ? 菲涅爾原理 ? （衍射） ? TOFD成為可能 ? 繞射能使超聲波在介質(zhì)中順利傳播 ? 繞射使小缺陷回波幅度顯著下降，造成漏檢 ? 超聲檢測靈敏度約為 λ/2 2022/5/30 超聲波的傳播速度 ? 聲速表示聲波在介質(zhì)中傳播的速度，它與超聲波的波型有關，還與介質(zhì)的密度和彈性模量有關。聲速是一個表征介質(zhì)聲學特性的重要參量。 ? ： 縱波、橫波和表面波的聲速主要是由介質(zhì)的彈性性質(zhì)、密度和泊松比決定的，而與頻率無關，不同材料聲速值有較大的差異。 在給定的材料中，頻率越高，波長越短。 2022/5/30 ? 無限大固體介質(zhì)中的縱波聲速： ? 無限大固體介質(zhì)中的橫波聲速： )21)(1()1(????????Ec L)1(2 ??? ???EGc S2022/5/30 ? 無限大固體介質(zhì)中的表面波聲速： ? CR= [（ +） /(1+σ)]CS E介質(zhì) 的楊氏彈性模量， MPa ； G介質(zhì) 的剪切彈性模量， MPa 。 Ρ介質(zhì)的密度 Σ介質(zhì)的泊松比 0~ 同一固體介質(zhì)中，縱波聲速 CL大于橫波聲速 Cs，橫波聲速 Cs又大于表面波聲速 CR。對于鋼材， CL ≈，Cs≈。 2022/5/30 ? 2. 細長棒中的縱波聲速 CLb ? 、應力、均勻性的關系 ? 溫度高，聲速低 ? 應力增加，聲速增加（緩慢） ? 晶粒細，聲速大 2022/5/30 液體、氣體介質(zhì)中的聲速 ? ? C=（ B/P） 1/2 ? 式中 B— 容變彈性模量； P密度 ? 2 .液體介質(zhì)中聲速與溫度的關系 ? 水 CL=（ 74t） 2 ? 其他，溫度升高， B減小，聲速降低