【正文】 生的聲場簡介 第五節(jié) 超聲波檢測方法 第六節(jié) 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 超聲波是超聲振動在彈性介質(zhì)中傳播的機械波。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達數(shù)米。 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； 第一章 超聲波檢測 二、超聲波的分類 第 6章 常用無損檢測方法 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(guān)。 縱波傳播時 ，介質(zhì)的質(zhì)點疏密相間 ， 所以 縱波有時又稱為壓縮波或疏密波 。 當超聲波在 固體介質(zhì)中傳播 時 ， 對于有限介質(zhì)而言 ， 有一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟幢砻娌?。 薄板兩表面質(zhì)點的振動為縱波和橫波的組合 ， 質(zhì)點振動的軌跡為一橢圓 ，在薄板的中間也有超聲波傳播 。 在各向同性介質(zhì)中波線垂直于波陣面 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 一 、 描述超聲場的物理量 充滿超聲波的空間 ， 或在介質(zhì)中超聲振動所波及的質(zhì)點占據(jù)的范圍叫 超聲場 。 由于超聲波的頻率很高，故超聲波的聲強很大，這是超聲波能用于探傷的重要依據(jù)。 60分貝以上就屬于吵鬧范圍了 ，70分貝我們就可以認為它是很吵的 ， 而且開始損害聽力神經(jīng) ， 90分貝以上就會使聽力受損 ， 而呆在 100120分貝的空間內(nèi) ， 如無意外 ，一分鐘人類就得暫時性失聰 （ 致聾 ） 。 二、 介質(zhì)的聲參量 VpZ ? 第一章 超聲波檢測 效聲壓與通過該點的有效質(zhì)點速度的比值。 相速度：聲波傳播到介質(zhì)的某一選定的相位點時 ， 在傳播方向上的聲速； 群速度：在傳播聲波的 包絡(luò)面 上，具有某種特性（如幅值最大）的點上，聲波在傳播方向上的速度。 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。 ?????吸收衰減散射衰減擴散衰減聲衰減有三種類型 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 （ 1）擴散衰減：聲波在介質(zhì)中傳播時，因波前在逐漸擴展，從而導(dǎo)致聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波的擴散衰減。 但遇到異介質(zhì)界面 （ 即聲阻抗差異較大的異質(zhì)界面 ） 時 ，會產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象 。 2121220r?????????????ZZZZrIIR? ? 21221202210t 4ZZZZPZPZIIT t???? 第一章 超聲波檢測 聲波垂直入射到平界面上時，聲壓和聲強的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。愈小，時，即當最大，時，）（當，時，當trtrntrn4d0d0412d102d2222????????????? 第一章 超聲波檢測 12ZZm ?第 6章 常用無損檢測方法 由上式可知：往復(fù)透射率為工件等情況，此時聲壓耦合劑或晶片工件，保護薄膜層，如晶片，即非均勻介質(zhì)中的薄）當（)2(s i n)()2(c o s)(4ZZZ22222231222223131321???? dZZZZdZZZZt??????????2313122 )(42d ZZZZtn???? 時，當? 即超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層，如薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍時，通過薄層的聲壓往復(fù)透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān)。 入射縱波與反射縱波之間的關(guān)系符合幾何光學(xué)的反射定律 ， 即 αL= 。 SL ?? ?S? 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 當兩種介質(zhì)聲速不同時 ， 透射部分的聲波會發(fā)生傳播方向的改變 ， 稱為折射 。 的縱波入射角稱為第一臨界角 ， 用符號 α Ⅰ 表示 。 第一章 超聲波檢測 S2SL1L s i ns i ncc?? ?S2L1a rc s i nccII ??第 6章 常用無損檢測方法 (3) 第三臨界角 αⅢ 。 對脈沖反射法， 更關(guān)心的是聲壓往返透過率隨入射角度的變化。 當曲面是球面時 ， 反射線或其延長線匯聚于一個 焦點 上；反射面為圓柱面時 ， 反射線或其延長線匯聚于一條 焦線上 。 由斯涅耳定律 ， 對于凹面 ， c1c2時聚焦 ， c1c2時發(fā)散；對于凸面 ， c1c2時聚焦 ， c1c2時發(fā)散 。 聚焦探頭中的聲透鏡，如果為球面，將獲得點聚焦；如果為柱面，將獲得線聚集。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產(chǎn)生高頻聲信號（機械振動），這就是我們平常所說的超聲波信號。 如果聲源發(fā)出的波為連續(xù)簡諧波 ， 并假定介質(zhì)為無衰減的液體介質(zhì) ， 則可推出聲源軸上聲壓幅值 P的分布符合下式： ??????????????????? xxDPP 220 4πs i n2?式中： P0為聲源的起始聲壓； D為圓盤聲源的直徑； λ為傳聲介質(zhì)中聲波的波長； x為圓盤聲源軸線上某一點距聲源的距離 。在遠場區(qū)，聲壓隨距離增加而減小，聲源軸線上距離為 x處聲壓 p的最大值為 xFPxDPP D?? 020m a x 4π ?? 第一章 超聲波檢測 近場區(qū) 遠場區(qū) 第 6章 常用無損檢測方法 指向性與擴散角研究的是聲束在空間擴散的規(guī)律 。 聲壓 p最大值的表達式為 ???????)s i n()s i n(2 10m a x ??? KaKaJxFPP D 第一章 超聲波檢測 圓盤聲源聲場指向性示意圖 第 6章 常用無損檢測方法 主聲束所包含的角度范圍可由距聲源充分遠處的聲壓分布得到。 對實際聲場的研究結(jié)果表明 ， 實際聲場與簡化計算結(jié)果的差別主要在于近場區(qū)的聲壓分布 。 隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的提高 ， 對檢測的可靠性 、 速度提出了更高的要求 ， 以往的手工檢測越來越多地被自動檢測系統(tǒng)取代 。 圖為 A型顯示原理圖 ，T表示發(fā)射脈沖 ， F表示來自缺陷的回波 ， B表示底面回波 。 （ 4） 按是否數(shù)字化分類：可分為數(shù)字式超聲波檢測儀和模擬式超聲波檢測儀所謂數(shù)字式主要指發(fā)射 、 接收電路的參數(shù)控制和接收信號的處理 、 顯示均采用數(shù)字方式的儀器 。 （ 2） 常用超聲波探頭的類型 。 下 圖為一組探頭的圖片 。規(guī)則形狀反射體主要包括大平面、圓形或方形平面、球形反射體和圓柱形反射體。 耦合劑可以填充探頭與試件間的空氣間隙 ，使超聲波能夠傳入試件 ， 這是使用耦合劑的主要目的 。當試件的厚度為聲波半波長的整數(shù)倍時，發(fā)生共振。實際檢測中 ， 常采用直接接觸式脈沖反射法 。 另外 ， 自動化檢測還需要相應(yīng)的輔助設(shè)備 ， 有時是復(fù)雜的機械設(shè)備和電子設(shè)備 ， 它們對單一產(chǎn)品 (或幾種產(chǎn)品 )往往具有很高的檢測能力 ， 但缺乏靈活性 。 ⑤ 缺陷的評定 。 （ 6） 自動快速掃查時應(yīng)選擇最高重復(fù)頻率高的超聲波檢測儀。 多數(shù)情況下 ， 檢測大厚度的試件時 ， 采用大直徑探頭較為有利；檢測厚度較小的試件時 ， 則采用小直徑探頭較為合理 。 鍛件中的缺陷多呈現(xiàn)面積形或長條形的特征 。在鋼材的縱向斷面上，呈現(xiàn)出圓形或橢圓形的銀白色斑點稱之為“ 白點 ”，實為交錯的細小裂紋。 鍛件的組織很細 ，由此引起的聲波衰減和散射影響相對較小 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 （三） 小型壓力容器殼體超聲檢測 小型壓力容器殼體由低碳不銹鋼鍛造而成，機械加工成半球殼狀。此法特別適用于檢測聲阻抗不同的多層復(fù)合材料。 儀器靈敏度的調(diào)整和探頭性能 測試應(yīng)在相應(yīng)的標準試塊或自制試塊上進行 。 為了獲得較窄的聲束 ， 需采用晶片尺寸較大的探頭 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 聲速測量 ? 根據(jù)超聲波脈沖在被測介質(zhì)中的傳播時間來計算聲速 ? 用超聲波測厚儀來測量聲速 超聲波測厚 超聲波測厚儀測量速度快、精度高、體積小、輕便精巧，容器內(nèi)積水或結(jié)垢也不會影響測量精度，因此在工業(yè)中大多采用超聲波測厚儀。 就檢驗的完善程度而言 ， A級最低 （ 難度系數(shù) 1） ， B級一般 （ 難度系數(shù) 56） ， C級最高 （ 難度系數(shù) 1012） 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 （ 五 ） 許多金屬結(jié)構(gòu)件都采用焊接的方法制造 ， 超聲檢測是對焊接接頭質(zhì)量進行評價的重要檢測手段之一 。對壁厚在 3mm以下的薄壁殼體，可只用表面法檢測。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 （二） 鑄件缺陷的檢測 鑄件內(nèi)部組織粗大、不均勻、致密性差、表面粗糙、形狀復(fù)雜。一般白點產(chǎn)生的溫度低于 2022℃ 。 第六節(jié) 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 通常 ， 大型鍛件的超聲檢測一般采用 25MHz， 檢測方法廣泛采用直探頭縱波脈沖反射法 ， 有時用斜探頭補充檢測 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 3） （ 1） 透聲性能好 。 超聲波的頻率在很大程度上決定了其對缺陷的探測能力 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 1） 一般市場上出售的 A型脈沖反射式超聲波檢測儀已具備一些基本功能 ， 其基本性能參數(shù) (垂直線性 、 水平線性等 )也能滿足通常超聲檢測的要求 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 超聲檢測方法可采用多種檢測技術(shù) ， 每種檢測技術(shù)在實施過程中 ， 都有其需要考慮的特殊問題 ， 其檢測過程也各有特點 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 (a) 無缺陷； (b) 有缺陷 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 （ 2） 脈沖反射法的優(yōu)點： ① 檢測靈敏度高，能發(fā)現(xiàn)較小的缺陷； ② 檢測精度較高； ③ 適用范圍廣； ④ 操作簡單方便。 fn22 ???? 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 透射法 （ 穿透法 ） 透射法通常采用兩個探頭 ， 分別放置在試件兩側(cè) ， 一個將脈沖波發(fā)射到試件中 ， 另一個接收穿透試件后的脈沖信號 ， 依據(jù)脈沖波穿透試件后幅值的變化來判斷內(nèi)部缺陷的情況 。 根據(jù)不同的耦合條件和耦合介質(zhì) ， 探頭與試塊之間的耦合方式有直接接觸法和液浸法 。當對實際缺陷大小進行計算時，往往得到的是該缺陷相當于多大的規(guī)則反射體， 把這個大小稱為缺陷的 當量尺寸 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 與一般的測量過程一樣 ， 為了保證檢測結(jié)果的準確性與重復(fù)性 、 可比性 ， 必須用一個具有已知固定特性的試樣 (試塊 )對檢測系統(tǒng)進行校準 。基本形式是直探頭和斜探頭 ， 直探頭主要用于發(fā)射和接收縱波 ， 斜探頭常用的有橫波探頭 、 表面波探頭 、 板波探頭等 。 它具有傳統(tǒng)模擬式檢測儀的基本功能 ， 同時又增加了數(shù)字化帶來的先進功能 ， 即實現(xiàn)了儀器功能的精確 、 自動控制 ， 信號獲取和處理的數(shù)字化和自動化 ，檢測結(jié)果的可記錄性和可再現(xiàn)性 。 A型顯示原理圖 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 B型顯示顯示的是試件 縱斷面 的一個二維截面圖 ， 屏幕縱坐標代表探頭在探測面上沿一直線移動掃查的位置坐標 ， 橫坐標是聲傳播的時間 （ 或距離 ） 。 它是根據(jù)超聲波傳播原理 、 電聲轉(zhuǎn)換原理和無線電測量原理設(shè)計的 ， 種類繁多 ， 性能也不盡相同 ，脈沖式超聲波檢測儀應(yīng)用最廣泛 。 而實際聲場近場區(qū)聲壓分布比較均勻 ， 幅度變化小 ， 極值點的數(shù)量也明顯減少 。 指向角越大 ， 則聲束指向性越差 ， 聲束擴散越快 。 指向性與擴散角 第一章 超聲波檢測 圓盤聲源遠場中任一點的聲壓