【正文】 推導(dǎo) 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 )(K a s i n)(K a s i n2J 1???Dc 聲場(chǎng)中的 指向性 是指聲場(chǎng)中 θ 方向的聲壓振幅 pmax(θ )與 θ =0176。在采用當(dāng)量法超聲波缺陷測(cè)定時(shí)，它是最基本的公式。 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 圓盤聲源發(fā)出的聲場(chǎng) ， 由于聲源尺寸有限 ， 必然在其邊緣發(fā)生衍射效應(yīng)使聲束向周圍空間擴(kuò)散 ， 形成一個(gè)隨距離增大而波陣面面積不斷擴(kuò)大的擴(kuò)散聲束 。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 一 、 超聲檢測(cè)中使用的超聲波探頭 ， 主要部件是用壓電材料做的壓電晶片 ， 壓電晶片的兩表面涂有導(dǎo)電銀層作為電極 ， 使晶片表面上各點(diǎn)都具有相同的電位 。 平面波在曲面上的透射 c1＜ c2 c1＞ c2 c1＞ c2 c1＜ c2 聚焦 ? ? 發(fā)散 凹面 凹面 凸面 凸面 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 透射波陣面的形狀取決于曲界面的形狀。 當(dāng)曲面是球面時(shí)，反射線或其延長(zhǎng)線匯聚于一個(gè)焦點(diǎn)上。 由于理論計(jì)算公式復(fù)雜，因此借助于公式或?qū)嶒?yàn)得到幾種常見界面的聲壓反射率和透射率圖，見圖 17~19。 使縱波反射角達(dá)到 90176。 第一章 超聲波檢測(cè) L2LL1L s i ns i ncc?? ?L2L1a rc s i nccI ??第 6章 常用無損檢測(cè)方法 (2) 第二臨界角 α Ⅱ 。 這時(shí) ， 介質(zhì) 2中可能同時(shí)存在縱波與橫波 。 這時(shí) ， 橫波反射角 與縱波入射角之間的關(guān)系與光學(xué)中的斯涅耳定律相同 ， 為 L?L?S? 第一章 超聲波檢測(cè) L?第 6章 常用無損檢測(cè)方法 第一章 超聲波檢測(cè) 斯涅耳定律 Snell39。 復(fù)透射率愈大。 上述超聲波縱波垂直入射到單一平界面上的聲壓 、 聲強(qiáng)與其反射率 、 透射率的計(jì)算公式 ， 同樣適用于橫波入射的情況 。 聲波的這一性質(zhì)是超聲波檢測(cè)缺陷的物理基礎(chǔ)。 平面波不存在擴(kuò)散衰減，而球面波和柱面波有擴(kuò)散衰減現(xiàn)象。 （ 2） 板波的聲速 。 非頻散介質(zhì)中， 相速度等于群速度。聲波經(jīng)均質(zhì)性介質(zhì)時(shí)基本按直線持續(xù)傳播； 聲波經(jīng)兩種介質(zhì)時(shí)，其聲阻抗差超過 %即產(chǎn)生聲學(xué)界面，引起反射 。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 第一章 超聲波檢測(cè) )dB(II0l g1II)dB(pp20 l gpp21212121 ??? 在實(shí)際應(yīng)用過程中，超聲波的幅度或強(qiáng)度也用相同的方法即分貝表示，定義： IL 2m2222112121 cVcpcAI m ???? ???分貝差 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 目前市售的超聲波探傷儀，其示波屏上波高與聲壓成正比，即任意兩點(diǎn)的波高之比等于相應(yīng)的聲壓之比，二者的分貝差 若對(duì)二者取自然對(duì)數(shù)，則其單位為奈培 NP： 奈培與分貝的關(guān)系為： )dB(HH20l gpp20l g2121 ???)NP(HHlnppln2121 ???實(shí)際檢測(cè)時(shí)，常按此式 計(jì)算超聲波探傷儀示波 頻上任意兩個(gè)波高的分 貝差。 將某一聲強(qiáng) I與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng) I0之比取常用對(duì)數(shù)得到二者相差的數(shù)量級(jí)，稱為聲強(qiáng)級(jí)，用 IL表示。 第一章 超聲波檢測(cè) 第二節(jié) 超聲場(chǎng)及介質(zhì)的聲參量簡(jiǎn)介 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 聲壓 p 當(dāng)介質(zhì)中有超聲波傳播時(shí)，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，使介質(zhì)中壓強(qiáng)交替變化。 波前只有一個(gè) ， 而波陣面可以有任意多個(gè) 。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 板波 （ Plate wave） (a) 對(duì)稱型； (b) 非對(duì)稱型 第一章 超聲波檢測(cè) 薄板中部質(zhì)點(diǎn)以縱波形式振動(dòng)和傳播 薄板中部質(zhì)點(diǎn)以橫波形式振動(dòng)和傳播 S型 A型 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 連續(xù)波與脈沖波 連續(xù)波是介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)間為無窮時(shí)的波。 橢圓的長(zhǎng)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(diǎn)的橢圓振動(dòng)可視為縱波與橫波的合成 。 固體介質(zhì)可以承受拉壓應(yīng)力的作用，因此可以傳播縱波，液體和氣體雖不能承受拉應(yīng)力，但在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生容積的變化，因此液體和氣體介質(zhì)也可以傳播縱波。 其中，按按介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向之間的關(guān)系分類是研究超聲波在介質(zhì)中傳播規(guī)律的重要理論依據(jù)，將著重討論。 遇有界面時(shí)，將產(chǎn)生反射、折射和波型的轉(zhuǎn)換 。 可聽聲波： 2020220Hz，人耳可聽到的聲波范圍； 次聲波：低于 20 Hz； 超聲波：高于 20220Hz。 第一章 超聲波檢測(cè) 第一節(jié) 超聲檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí) 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 超聲波波長(zhǎng)很短，這決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛應(yīng)用于無損檢測(cè)。 第一章 超聲波檢測(cè) 一、超聲波的特點(diǎn) 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 （一）描述超聲波的基本物理量 超聲波的產(chǎn)生依賴于做高頻機(jī)械振動(dòng)的“聲源”和傳播機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)，所以機(jī)械振動(dòng)和波動(dòng)是超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)。 縱波 。 橫波的形成是由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變切應(yīng)力作用時(shí) ， 產(chǎn)生了切變形變 ， 所以 橫波又叫做切變波 。 表面波（ Surface wave） 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 板波 （ 蘭姆波 ） 。其中人們關(guān)心的頻譜特征量主要有峰值頻率、頻帶寬度和中心頻率。 當(dāng)聲源是一個(gè)點(diǎn)時(shí) ， 在各向同性介質(zhì)中的波陣面為以聲源為中心的球面 。 由于超聲波的頻率很高，遠(yuǎn)大于聲波的頻率，故超聲波的聲壓一般也遠(yuǎn)大于聲波的聲壓。 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 第一章 超聲波檢測(cè) 1分貝 人類耳朵剛剛能聽到的聲音 20分貝以下 認(rèn)為是安靜的， 15分貝以下 ,認(rèn)為是“死寂”的 2040分貝 大約是情侶耳邊的喃喃細(xì)語 4060分貝 正常的交談聲音 60分貝以上 屬于吵鬧范圍 70分貝 很吵的，而且開始損害聽力神經(jīng) 汽車噪音介乎 80100分貝 90分貝以上 會(huì)使聽力受損 100120分貝 如無意外，一分鐘人類就得暫時(shí)性失聰（致聾） 聲音與噪音對(duì)人的影響 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 1分貝是人類耳朵剛剛能聽到的聲音 ， 20分貝以下的聲音 ， 一般來說 ， 我們認(rèn)為它是安靜的 ， 當(dāng)然 ， 一般來說 15分貝以下的我們就可以認(rèn)為它屬于 死寂 的了 。 聲阻抗表示聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。 因此 ， 聲速又是一個(gè)表征介質(zhì)聲學(xué)特性的參量 。 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(guān) ，即它們各自的相速度和群速度相同 ， 因此一般說到它們的聲速都是指相速度 。 聲速的一般表達(dá)式 密度彈性率聲速 ?第 6章 常用無損檢測(cè)方法 聲衰減系數(shù) a 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) ， 隨著傳播距離的增加能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做 超聲波的衰減 。 固體介質(zhì)中，吸收衰減相對(duì)于散射衰減幾乎可忽略不計(jì)，但對(duì)液體介質(zhì)，吸收衰減是主要的衰減方式。 r和 t的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 12120rZZZZppr????1220t 2ZZZppt???式中： Z Z2分別為兩種介質(zhì)的聲阻抗。 第一章 超聲波檢測(cè) 超聲波由聲阻抗為 Z1的第一介質(zhì)入射到 Z1和 Z2的交界面 ，然后通過聲阻抗為 Z2的第二介質(zhì)薄層射到 Z2和 Z3的交界面 ，最后進(jìn)入聲阻抗為 Z3的第三介質(zhì) 。 光的折射是由于光在不同介質(zhì)的傳播速度不同而引起的 。 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 若入射聲波為橫波，也會(huì)產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象，這時(shí)橫波入射角 α S與橫波反射角 相等。同時(shí)， 由于縱波聲速總是大于橫波聲速，因此縱波折射角βL要大于橫波折射角 βS。 通常在超聲檢測(cè)中 ， 臨界角主要應(yīng)用于第二介質(zhì)為固體 ， 而第一介質(zhì)為固體或液體的情況 。 第一章 超聲波檢測(cè) L1LS1S s i ns i ncc?? ?L1S1a rc s i nccI I I ??第 6章 常用無損檢測(cè)方法 4 斜入射時(shí)的聲壓反射率和透射率 斯 涅耳反射、折射定律只討論了超聲波傾斜入射到界面上時(shí)，各種類型反射波和折射波的傳播方向，沒有涉及它們的聲壓反射率和透射率。在這種情況下， 同類型的反射波和入射波總是相互平行，方向相反 ；不同類型的反射波和入射波互不平行，且難以被發(fā)射探頭接收。反射波波陣面為柱面，凹柱面的反射波好像從實(shí)焦點(diǎn)出發(fā)的柱面波，凸柱面的反射波好像從虛焦點(diǎn)出發(fā)的柱面波。 聲束聚焦，使得聲能更為集中，中心軸線上聲壓增強(qiáng)，聲束指向性更加改善，對(duì)提高檢測(cè)靈敏度和分辨率均有利。 理想的圓盤聲源是指圓形平面的聲振動(dòng)源 ， 當(dāng)它沿平面法線方向振動(dòng)時(shí) ， 其面上各點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值和相位都相同 ， 發(fā)射的波稱為 活塞波 。 從圓盤聲源的對(duì)稱性來分析 ， 通過圓盤中心且垂直于盤面的直線應(yīng)是聲場(chǎng)的 對(duì)稱軸 ， 稱為 圓盤聲源軸線 。在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，由于聲源表面上各點(diǎn)輻射至被考察點(diǎn)的波程差大，所引起的聲源振幅差和相位差也大，且它們彼此相互干涉，結(jié)果是近場(chǎng)區(qū)的聲源分布十分復(fù)雜，出現(xiàn)很多極大值與極小值。 這種聲束集中向一個(gè)方向輻射的性質(zhì)叫做聲場(chǎng)的 指向性 。 這一距離之內(nèi)就稱為 非擴(kuò)散區(qū) 。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 一 、 超聲檢測(cè)通用技術(shù) 1. 超聲檢測(cè)設(shè)備和器材包括超聲波檢測(cè)儀 、 探頭 、 試塊 、 耦合劑和機(jī)械掃查裝置等 。 （ 2） 按缺陷顯示方式分類：脈沖式檢測(cè)儀按回波信號(hào)的顯示方式又可分為 A型顯示 、 B型顯示和 C型顯示三種類型 。 探頭在每一位置接收的信號(hào)幅度以光點(diǎn)輝度表示 。 超聲波探頭用于實(shí)現(xiàn)聲能和電能的互相轉(zhuǎn)換 。 所以聲場(chǎng)就有圓盤源聲場(chǎng) 、 聚焦聲源聲場(chǎng)和斜探頭發(fā)射的橫波聲場(chǎng) 。標(biāo)準(zhǔn)試塊用于測(cè)試探傷儀的性能 、 調(diào)整檢測(cè)靈敏度和聲時(shí)的測(cè)定范圍 。 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 聲波的耦合 當(dāng)探頭和試件之間有一層空氣時(shí) ， 超聲波的反射率幾乎為 100％ ， 即使很薄的一層空氣也可以阻止超聲波傳入試件 。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 二 、 超聲檢測(cè)方法 超聲檢測(cè)的方法很多 ， 可按原理 、 波型和使用探頭的數(shù)目及探頭接觸方式來分類 。 透射法檢測(cè)的缺點(diǎn)： ① 一對(duì)探頭單發(fā)單收，只能判斷缺陷的大小和有無，不能確定缺陷的方位； ② 當(dāng)缺陷尺寸小于探頭波束寬度時(shí)，該方法的探測(cè)靈敏度低。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 （ 5） 液浸法是在探頭與試件之間填充一定厚度的液體介質(zhì)作耦合劑 ， 使聲波首先經(jīng)過液體耦合劑 ， 而后再入射到試件中 ， 探頭與試件并不直接接觸 。 ② 檢測(cè)條件的確定 ， 包括超聲波檢測(cè)儀 、 探頭 、 試塊等的選擇 。 （ 3） 檢測(cè)大厚度試件或高衰減材料時(shí) ， 選擇發(fā)射功率大 、 增益范圍大 、 電噪聲低的超聲波檢測(cè)儀 ， 有助于提高穿透能力和小缺陷顯示能力 。 針對(duì)具體對(duì)象 ， 適用的頻率需在上述考慮當(dāng)中取得一個(gè)最佳的平衡 ， 既要保證所需尺寸缺陷的檢出 ， 并滿足分辨力的要求 ， 也要保證在整個(gè)檢測(cè)范圍內(nèi)具有足夠的靈敏度與信噪比 。 （ 3） 對(duì)試件無腐蝕 ， 對(duì)人體無損害 ， 對(duì)環(huán)境無污染 。嚴(yán)重影響工件的延伸率、斷面收縮率與沖擊韌性）、裂紋和晶粒粗大等。因?yàn)檫@樣確定下來的缺陷大小，并不是鍛件中實(shí)際缺陷的大小，而只是一種相對(duì)比較（或稱當(dāng)量），把這種方法稱為“ 當(dāng)量法 ”。檢測(cè)時(shí)一般選用 較低的超聲頻率 ，如 ～ 2 MHz，因此檢測(cè)靈敏度也低，雜波干擾嚴(yán)重，缺陷檢測(cè)要求較低， 只能檢測(cè)出面積較大的缺陷 。 脈沖反射法適用于復(fù)合材料是由兩層材料復(fù)合而成，粘合層中的分層多數(shù)與板材表面平行的情況。 焊縫探傷一般采用斜射橫波接觸法 ， 在焊縫兩側(cè)進(jìn)行掃查 。即 Ⅰ 級(jí)焊縫質(zhì)量最高 ， 依次