【導(dǎo)讀】船舶可以看成是一個最終產(chǎn)品，船舶建造的制造級可以看成是：采購原材料；身的不完善，使得焊接缺陷很難避免無損檢測技術(shù)的運用。無損檢測技術(shù)的運用，使得焊接缺陷的檢測的準(zhǔn)確與速度大大提高。同時采用幾種方法，以便保證各種檢測方法互相取長補短，從而取得更多的信息。計使學(xué)生對所學(xué)的理論知識進行一次系統(tǒng)性的總結(jié)，結(jié)合現(xiàn)代造船模式進行設(shè)計，造性地獨立完成設(shè)計任務(wù)。畢業(yè)設(shè)計雖是教學(xué)性的設(shè)計，但對所作的設(shè)計必須體?，F(xiàn)現(xiàn)代造船的基本要求。建造的規(guī)范為參考。無損探傷定義及產(chǎn)生背景，無損探傷種類優(yōu)缺點。應(yīng)用相關(guān)探傷方法對油輪進行實際檢測應(yīng)用。[2]魏國亮．趙振宇，徐勝航，于洋．工業(yè)常用無損探傷原理及特點分析[J]，[5]吳明復(fù)．焊縫的無損檢測技術(shù)[J]．首都航天機械公司航天工藝，圖紙、說明書質(zhì)量符合要求。自述流暢，回答問題基本準(zhǔn)確，具有一定分析問題解決問題能力。

　　

【正文】 波速。波長 λ：同一波線上相鄰兩振動相位相同的質(zhì)點間的距離稱為波長，波源或介質(zhì)中任意一質(zhì)點完成一次全振動，波正好前進一個波長的距離，常用單位為米 (m)；頻率 f：波動過程中，任一給定點在 1 秒鐘內(nèi)所通過的完整波的個數(shù)稱為頻率 ，常用單位為赫茲 (Hz)；波速 C：波動中，波在單位時間內(nèi)所傳播的距離稱為波速，常用單位為米 /秒（ m/s）。 由上述定義 可得： C=λf ，即波長與波速成正比，與頻率成反比；當(dāng)頻率一定時，波速愈大，波長就愈長；當(dāng)波速一定時，頻率愈低，波長就愈長。 次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機械波，在同一介質(zhì)中的傳播速度相同。它們的區(qū)別在主要在于頻率不同。頻率在 20~20200Hz 之間的能引起人們聽覺的機械波稱為聲波，頻率低于 20Hz 的機械波稱為次聲波，頻率高于 20200Hz 的機械波稱為超聲波。次聲波、超聲波不可聞。 超聲探傷所用的頻率一般在 ~10MHz 之間，對鋼等金屬材料的檢驗，常用的頻率為 1~5MHz。超聲波波 長很短，由此決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛用于無損探傷。 1. 方向性好：超聲波是頻率很高、波長很短的機械波，在無損探傷中使用的波長為毫米級；超聲波象光波一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射，易于在被檢材料中發(fā)現(xiàn)缺陷。 2. 能量高：由于能量（聲強）與頻率平方成正比，因此超聲波的能量遠(yuǎn)大于一般聲波的能量。 3. 能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換：超聲波具有幾何聲學(xué)的上一些特點，如在介質(zhì)中直線傳播，遇界面產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等。 4. 穿透能力強：超聲波在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時，傳播能量損失小，傳播 距離大，穿透能力強，在一些金屬材料中其穿透能力可達數(shù)米。 波的類型及波速測量 一．波的類型 根據(jù)波動傳播時介質(zhì)質(zhì)點的振動方向相對于波的傳播方向的不同，可將波動分為縱波、橫波、表面波和板波等。 1. 縱波 L 介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向互相平行的波，稱為縱波，用 L表示。 精品文檔 值得下載 當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點受到交變拉壓應(yīng)力作用時，質(zhì)點之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波；凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。固體介質(zhì)能承受位伸或壓縮應(yīng)力；液體和氣體雖不能承受拉伸應(yīng)力，但能承受壓應(yīng)力產(chǎn)生容積變化。因此固體、液 體和氣體都能傳播縱波。鋼中縱波聲速一般為 5960m/s?？v波一般應(yīng)用于鋼板、鍛件探傷。 2. 橫波 S(T) 介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波，稱為橫波，用 S或 T表示。 當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點受到交變的剪切應(yīng)力作用時，產(chǎn)生剪切形變，從而形成橫波；只有固體介質(zhì)才能承受剪切應(yīng)力，液體和氣體介質(zhì)不能承受剪切應(yīng)力，因此橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。鋼中橫波聲速一般為 3230m/s。橫波一般應(yīng)用于焊縫、鋼管探傷。 3. 表面波 R 當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，稱 為表面波，常用 R表示。又稱瑞利波。 表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r，介質(zhì)表面質(zhì)點作橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向；橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫波的合成，因此表面波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。 表面波的能量隨深度增加而迅速減弱，當(dāng)傳播深度超過兩倍波長時，質(zhì)點的振幅就已經(jīng)很小了，因此，一般認(rèn)為表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長深度內(nèi)的缺陷。表面波一般應(yīng)用于鋼管探傷。 4. 板波 在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟?，稱為板波。根據(jù)質(zhì)點的 振動方向不同可將板波分為 SH波和蘭姆波。板波一般應(yīng)用于薄板、薄壁鋼管探傷。 二．超聲波聲速測量 對探傷人員來說，用探傷儀測量聲速是最簡便的，用這種方法測聲速，可用單探頭反射法或雙探頭穿透法；可用于測縱波聲速和橫波聲速。 1. 反射法測縱波聲速 聲速按下式計算： 聲速 C=2d/(T1t)； t = 2T1 – T2 式中 d 工件厚度； t 由探頭晶片至工件表面?zhèn)鬏敃r間； T1 由探頭晶片至工件底 一次波傳輸時間； T2 由探頭晶片至工件底二次波傳輸時間； 2. 穿透法測縱波聲速 聲速按下式計算： 聲速 C=d/(T1t)； t = 2T1 – T2 式中 d 工件厚度； t 由探頭晶片至工件表面?zhèn)鬏敃r間； T1 由探頭晶片至工件底一次波傳輸時間； T2 由探頭晶片至工件底二次波傳輸時間； 精品文檔 值得下載 3. 反射法測橫波聲速 用半圓弧測橫 波聲速，按下式計算： 聲速 C=2d/(T1t)； t = 2T1 – T2 式中 d 半圓半徑長度； t 由探頭晶片至半圓弧探測面?zhèn)鬏敃r間； T1 由探頭晶片至圓弧面一次波傳輸時間； T2 由探頭晶片至圓弧面二次波傳輸時間； 波的若干概念 一． 波的迭加與干涉 1. 波的迭加原理 當(dāng)幾列波在同一介質(zhì)中傳播時，如果在空間某處相遇，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的位移的矢量和。幾列波相遇后仍保持自己原有的頻率、波長、振動方向等特性并按原來的傳播方向繼續(xù)前進，好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣，這就是波的迭加原理，又稱波的獨立性原理。 波的迭加現(xiàn)象可以從許多事實觀察到，如兩石子落水，可以看到兩個石子入水處為中心的圓形水波的迭加情況和相遇后的傳播情況。又如樂隊合奏或幾個人談話，人們可以分辨出各種樂器或各人的聲音，這些都可以說明波傳播的獨立性。 2. 波的干涉 兩列頻率相同，振動方向相同，位相相同或位相差恒定的波 相遇時，介質(zhì)中某些地方的振動互相加強，而另一些地方的振動互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。 波的迭加原理是波的干涉現(xiàn)象的基礎(chǔ)，波的干涉是波動的重要特征。在超聲波探傷中，由于波的干涉，使超聲波源附近出現(xiàn)聲壓極大極小值。 二． 惠更斯原理和波的衍射 如前所述，波動是振動狀態(tài)的傳播，如果介質(zhì)是連續(xù)的，那么介質(zhì)中任何質(zhì)點的振動都將引起鄰近質(zhì)點的振動，鄰近質(zhì)點的振動又會引起較遠(yuǎn)質(zhì)點的振動，因此波動中任何質(zhì)點都可以看作是新的波源。據(jù)此惠更斯提出了著名的惠更斯原理：介質(zhì)中波動傳播到的各 點都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其后任意時刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。 （繞射） 波在傳播過程中遇到與波長相當(dāng)?shù)恼系K物時，能繞過障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進的現(xiàn)象，稱為波的衍射或波的繞射。當(dāng) D?時，波的繞射強，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢；當(dāng) D?時，反射強，繞射弱，聲波幾乎全反射。 波的繞射對探傷即有利又不利。由于波的繞射，使超聲波產(chǎn)生晶料繞射順利地在介質(zhì)中傳播，這對探傷有利；但同時由于波的繞射，使一些小缺陷回波顯著下降，以致造成漏檢，這對探傷不利。一般超聲波探傷靈敏度 約為 ?/2。 三． 超聲場的特征值 充滿超聲波的空間或超聲振動所波及的部分介質(zhì)，叫超聲場；超聲場具有一定的空間大小和形狀，只有當(dāng)缺陷位于超聲場內(nèi)時，才有可能被發(fā)現(xiàn)。描述超聲場的特征植（即物理量）主要有聲壓、聲強和聲阻抗。 精品文檔 值得下載 P 超聲場中某一點在某一時刻所具有的壓強 P1與沒有超聲波存在時的靜態(tài)壓強 P0之差，稱為該點的聲壓，用 P表示（ P = P1 P0）。 聲壓幅值 p = ?cu = ?c(2?fA) 其中 ?介質(zhì)的密度 。 c波速 。 u質(zhì)點的振動速度； A聲壓最大幅值； f頻率。 超聲場中某一點的聲壓的幅值與介質(zhì)的密度、波速和頻率成正比。在超聲波探傷儀上，屏幕上顯示的波高與聲壓成正比。 Z 超聲場中任一點的聲壓 p與該處質(zhì)點振動速度 u之比稱為聲阻抗，常用 Z 表示。 Z = p / u = ?cu / u = ?c 由上式可知，聲阻抗的大小等于介質(zhì)的密度與波速的乘積。由 u = P/Z 可知，在同一聲壓下， Z 增加，質(zhì)點的振動速度下降。因此聲阻抗 Z可理解為介質(zhì)對質(zhì)點振動的阻礙作用。超聲波在兩種 介質(zhì)組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。 I 單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能稱為聲強，常用 I 表示。 I = Z u2/2 = P2/(2Z) 當(dāng)超聲波傳播到介質(zhì)中某處時，該處原來靜止不動的質(zhì)點開始振動，因而具有動能；同時該處介質(zhì)產(chǎn)生彈性變形，因而也具有彈性位能；聲能為兩者之和。 聲波的聲強與頻率平方成正比，而超聲波的頻率遠(yuǎn)大于可聞聲波。因此超聲波的聲強也遠(yuǎn)大于可聞聲波的聲強。這是超聲波能用于探傷的重要原因。 在同一介質(zhì)中，超聲波的聲強與聲壓的平方成正比。 四． 分貝的概念與應(yīng)用 1. 概念 由于在生產(chǎn)和科學(xué)實驗中，所遇到的聲強數(shù)量級往往相差懸殊，如引起聽覺的聲強范圍為 10 16 ~ 10– 4 瓦 /厘米 2，最大值與最小值相差 12個數(shù)量級。顯然采用絕對量來度量是不方便的，但如果對其比值（相對量）取對數(shù)來比較計算則可大簡化運算。分貝就是兩個同量綱的量之比取對數(shù)后的單位。 通常規(guī)定引起聽覺的最弱聲強為 I1 = 10 – 16 瓦 /厘米 2 作為聲強的標(biāo)準(zhǔn)，另一聲強 I2 與標(biāo)準(zhǔn)聲強 I1 之比的常用對數(shù)稱為聲強級，單位是貝爾 (BeL)。實際應(yīng)用時貝爾太大，故常取 1/10 貝爾即分貝（ dB）來作單位。（如取自然對數(shù)，則單位為奈培 NP） ? = lg (I2/I1) (Bel) =10 lg (I2/I1) = 20 lg (P2/P1) (dB) 在超聲波探傷中，當(dāng)超聲波探傷儀的垂直線性較好時，儀器屏幕上的波高與聲壓成正比。這時有 ? = 20 lg (P2/P1) = 20 lg(H2/H1) (dB) 這時聲壓基準(zhǔn) P1 或波高基準(zhǔn) H1 可以任意選取。 2. 應(yīng)用 精品文檔 值得下載 分貝用于表示兩個相差很大的量之比顯得很方便，在聲學(xué)和電學(xué)中都得到廣泛的應(yīng)用，特別是在超 聲波探傷中應(yīng)用更為廣泛。例如屏上兩波高的比較就常常用 dB 表示。 例如，屏上一波高為 80％，另一波高為 20％，則前者比后者高 ? = 20 lg(H2/H1) = 20 lg(80/20) = 12 （ dB） 用分貝值表示回波幅度的相互關(guān)系，不僅可以簡化運算，而且在確定基準(zhǔn)波高以后，可直接用儀器的增益值（數(shù)字機）或衰減值（模擬機）來表示缺陷波相對波高。 第 2 節(jié)波的反射、透射及衰減 超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)內(nèi)，稱為反射波；另一部分能量透 過界面在另一種介質(zhì)內(nèi)傳播，稱為透射波。在界面上聲能（聲壓、聲強）的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規(guī)律。 一． 單一界面的反射和透射 聲能的變化與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)，設(shè)波從介質(zhì) 1（聲阻抗 Z1）入射到介質(zhì)2（聲阻抗 Z2），有以下幾種情況： 1. Z2 Z1 聲壓反射率小于透射率。如水 /鋼界面。 2. Z1 Z2 聲壓反射率大于透射率。如鋼 /水界面。 聲強反射率及透射率只與 Z1 、 Z2的數(shù)值有關(guān)，與從哪種介質(zhì)入射無關(guān)。 3. Z1 Z2 聲壓（聲強）幾乎全反射，透射率趨于 0。如鋼 /空氣界面。 4. Z1? Z2 此時幾乎全透射，無反射。因此在焊縫探傷中，若母材與填充金屬結(jié)合面沒有任何缺陷，是不會產(chǎn)生界面回波的。 二． 薄層界面的反射和透射 此情況主要對探頭保護膜設(shè)計具有指導(dǎo)意義。 當(dāng)超聲波依次從三種介質(zhì) Z Z2 、 Z3(如晶片 — 保護膜 — 工件 )中穿過，則當(dāng)薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍時，通過薄層的聲強透射與薄層的性質(zhì)無關(guān)，即好象不存在薄層一樣；當(dāng)薄層厚度等于四分之一波長的奇數(shù)倍且薄層聲阻抗為其兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗幾何平均值 （ Z2 = （ Z2 Z3） 1/2 ）時，超聲波全透射 三． 波型轉(zhuǎn)換和反射、折射定律 當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會產(chǎn)生不同類型的反射和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。 1. 縱波斜入射 2. 橫波入射 四． 超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波衰減。引起超聲波衰減的主要原因是波束擴散、晶粒散射和介質(zhì)吸收 1. 擴散衰減 精品文檔 值得下載 超聲波在傳播過程中，由于波束的擴散，使超聲波的能量隨距離增加面逐漸減弱的現(xiàn)象叫做擴散衰減。超聲波的擴散衰減僅取決于波陣面的形狀，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。 2. 散 射衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射引起衰減的現(xiàn)象，