【導(dǎo)讀】船舶可以看成是一個(gè)最終產(chǎn)品，船舶建造的制造級(jí)可以看成是：采購(gòu)原材料；身的不完善，使得焊接缺陷很難避免無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用，使得焊接缺陷的檢測(cè)的準(zhǔn)確與速度大大提高。同時(shí)采用幾種方法，以便保證各種檢測(cè)方法互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而取得更多的信息。計(jì)使學(xué)生對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行一次系統(tǒng)性的總結(jié)，結(jié)合現(xiàn)代造船模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，造性地獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)。畢業(yè)設(shè)計(jì)雖是教學(xué)性的設(shè)計(jì)，但對(duì)所作的設(shè)計(jì)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(wú)損探傷定義及產(chǎn)生背景，無(wú)損探傷種類優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)用相關(guān)探傷方法對(duì)油輪進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用。[2]魏國(guó)亮．趙振宇，徐勝航，于洋．工業(yè)常用無(wú)損探傷原理及特點(diǎn)分析[J]，[5]吳明復(fù)．焊縫的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J]．首都航天機(jī)械公司航天工藝，圖紙、說(shuō)明書質(zhì)量符合要求。自述流暢，回答問(wèn)題基本準(zhǔn)確，具有一定分析問(wèn)題解決問(wèn)題能力。

　　

【正文】 波速。波長(zhǎng) λ：同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離稱為波長(zhǎng)，波源或介質(zhì)中任意一質(zhì)點(diǎn)完成一次全振動(dòng)，波正好前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)的距離，常用單位為米 (m)；頻率 f：波動(dòng)過(guò)程中，任一給定點(diǎn)在 1 秒鐘內(nèi)所通過(guò)的完整波的個(gè)數(shù)稱為頻率 ，常用單位為赫茲 (Hz)；波速 C：波動(dòng)中，波在單位時(shí)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(zhǎng)與波速成正比，與頻率成反比；當(dāng)頻率一定時(shí)，波速愈大，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)；當(dāng)波速一定時(shí)，頻率愈低，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)。 次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)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(tīng)覺(jué)的機(jī)械波稱為聲波，頻率低于 20Hz 的機(jī)械波稱為次聲波，頻率高于 20200Hz 的機(jī)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(duì)鋼等金屬材料的檢驗(yàn)，常用的頻率為 1~5MHz。超聲波波 長(zhǎng)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(wú)損探傷。 1. 方向性好：超聲波是頻率很高、波長(zhǎng)很短的機(jī)械波，在無(wú)損探傷中使用的波長(zhǎng)為毫米級(jí)；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(qiáng)）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(diǎn)，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(qiáng)：超聲波在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播能量損失小，傳播 距離大，穿透能力強(qiáng)，在一些金屬材料中其穿透能力可達(dá)數(shù)米。 波的類型及波速測(cè)量 一．波的類型 根據(jù)波動(dòng)傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向相對(duì)于波的傳播方向的不同，可將波動(dòng)分為縱波、橫波、表面波和板波等。 1. 縱波 L 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)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(diǎn)受到交變拉壓應(yīng)力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)的振動(dòng)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(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力作用時(shí)，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(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ǎQ 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(shí)，介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長(zhǎng)軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向；橢圓運(yùn)動(dòng)可視為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)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(guò)兩倍波長(zhǎng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟?，稱為板波。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的 振動(dòng)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(cè)量 對(duì)探傷人員來(lái)說(shuō)，用探傷儀測(cè)量聲速是最簡(jiǎn)便的，用這種方法測(cè)聲速，可用單探頭反射法或雙探頭穿透法；可用于測(cè)縱波聲速和橫波聲速。 1. 反射法測(cè)縱波聲速 聲速按下式計(jì)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(shí)間； T1 由探頭晶片至工件底 一次波傳輸時(shí)間； T2 由探頭晶片至工件底二次波傳輸時(shí)間； 2. 穿透法測(cè)縱波聲速 聲速按下式計(jì)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(shí)間； T1 由探頭晶片至工件底一次波傳輸時(shí)間； T2 由探頭晶片至工件底二次波傳輸時(shí)間； 精品文檔 值得下載 3. 反射法測(cè)橫波聲速 用半圓弧測(cè)橫 波聲速，按下式計(jì)算： 聲速 C=2d/(T1t)； t = 2T1 – T2 式中 d 半圓半徑長(zhǎng)度； t 由探頭晶片至半圓弧探測(cè)面?zhèn)鬏敃r(shí)間； T1 由探頭晶片至圓弧面一次波傳輸時(shí)間； T2 由探頭晶片至圓弧面二次波傳輸時(shí)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(shí)，如果在空間某處相遇，則相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是各列波 引起振動(dòng)的合成，在任意時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)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(zhǎng)、振動(dòng)方向等特性并按原來(lái)的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，好象在各自的途中沒(méi)有遇到其他波一樣，這就是波的迭加原理，又稱波的獨(dú)立性原理。 波的迭加現(xiàn)象可以從許多事實(shí)觀察到，如兩石子落水，可以看到兩個(gè)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(lè)隊(duì)合奏或幾個(gè)人談話，人們可以分辨出各種樂(lè)器或各人的聲音，這些都可以說(shuō)明波傳播的獨(dú)立性。 2. 波的干涉 兩列頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相相同或位相差恒定的波 相遇時(shí)，介質(zhì)中某些地方的振動(dòng)互相加強(qiáng)，而另一些地方的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)是振動(dòng)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(diǎn)的振動(dòng)都將引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，因此波動(dòng)中任何質(zhì)點(diǎn)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(dòng)傳播到的各 點(diǎn)都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其后任意時(shí)刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。 （繞射） 波在傳播過(guò)程中遇到與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)恼系K物時(shí)，能繞過(guò)障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象，稱為波的衍射或波的繞射。當(dāng) D?時(shí)，波的繞射強(qiáng)，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢；當(dāng) D?時(shí)，反射強(qiáng)，繞射弱，聲波幾乎全反射。 波的繞射對(duì)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(duì)探傷有利；但同時(shí)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(duì)探傷不利。一般超聲波探傷靈敏度 約為 ?/2。 三． 超聲場(chǎng)的特征值 充滿超聲波的空間或超聲振動(dòng)所波及的部分介質(zhì)，叫超聲場(chǎng)；超聲場(chǎng)具有一定的空間大小和形狀，只有當(dāng)缺陷位于超聲場(chǎng)內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。描述超聲場(chǎng)的特征植（即物理量）主要有聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。 精品文檔 值得下載 P 超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的壓強(qiáng) P1與沒(méi)有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng) P0之差，稱為該點(diǎn)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(diǎn)的振動(dòng)速度； A聲壓最大幅值； f頻率。 超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)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(chǎng)中任一點(diǎn)的聲壓 p與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(diǎn)的振動(dòng)速度下降。因此聲阻抗 Z可理解為介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)，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(shí)，該處原來(lái)靜止不動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始振動(dòng)，因而具有動(dòng)能；同時(shí)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(qiáng)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(qiáng)也遠(yuǎn)大于可聞聲波的聲強(qiáng)。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(qiáng)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(shí)驗(yàn)中，所遇到的聲強(qiáng)數(shù)量級(jí)往往相差懸殊，如引起聽(tīng)覺(jué)的聲強(qiáng)范圍為 10 16 ~ 10– 4 瓦 /厘米 2，最大值與最小值相差 12個(gè)數(shù)量級(jí)。顯然采用絕對(duì)量來(lái)度量是不方便的，但如果對(duì)其比值（相對(duì)量）取對(duì)數(shù)來(lái)比較計(jì)算則可大簡(jiǎn)化運(yùn)算。分貝就是兩個(gè)同量綱的量之比取對(duì)數(shù)后的單位。 通常規(guī)定引起聽(tīng)覺(jué)的最弱聲強(qiáng)為 I1 = 10 – 16 瓦 /厘米 2 作為聲強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，另一聲強(qiáng) I2 與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng) I1 之比的常用對(duì)數(shù)稱為聲強(qiáng)級(jí)，單位是貝爾 (BeL)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)貝爾太大，故常取 1/10 貝爾即分貝（ dB）來(lái)作單位。（如取自然對(duì)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(shí)，儀器屏幕上的波高與聲壓成正比。這時(shí)有 ? = 20 lg (P2/P1) = 20 lg(H2/H1) (dB) 這時(shí)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(gè)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(jiǎn)化運(yùn)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(jī)）或衰減值（模擬機(jī)）來(lái)表示缺陷波相對(duì)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(shí)，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(guò)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(qiáng)）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(qiáng)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(wú)關(guān)。 3. Z1 Z2 聲壓（聲強(qiáng)）幾乎全反射，透射率趨于 0。如鋼 /空氣界面。 4. Z1? Z2 此時(shí)幾乎全透射，無(wú)反射。因此在焊縫探傷中，若母材與填充金屬結(jié)合面沒(méi)有任何缺陷，是不會(huì)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(duì)探頭保護(hù)膜設(shè)計(jì)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(hù)膜 — 工件 )中穿過(guò)，則當(dāng)薄層厚度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，通過(guò)薄層的聲強(qiáng)透射與薄層的性質(zhì)無(wú)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(zhǎng)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(shí)，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(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會(huì)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(shí)，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(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收 1. 擴(kuò)散衰減 精品文檔 值得下載 超聲波在傳播過(guò)程中，由于波束的擴(kuò)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(kuò)散衰減。超聲波的擴(kuò)散衰減僅取決于波陣面的形狀，與介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。 2. 散 射衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，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，