《無(wú)損檢測(cè)》超聲波

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1、第2章超聲波檢測(cè)本章提要：超聲檢測(cè)（UT）是利用其在物質(zhì)中傳播、界面反射、折射(產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換)和衰減等物理性質(zhì)來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法，應(yīng)用較為廣泛。按其工作原理不同分為：共振法、穿透法、脈沖反射法超聲檢測(cè)；按顯示缺陷方式不同分為：A型、B型、C型、3D型超聲檢測(cè)；按選用超聲波波型不同分為：縱波法、橫波法、表面波法超聲檢測(cè)；按聲耦和方式不同分為：直接接觸法、液浸法超聲檢測(cè)；本章將重點(diǎn)介紹：脈沖反射法原理、直接接觸法、A型顯示方式、縱波法、橫波法超聲檢測(cè)技術(shù)。2.1超聲波檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2.1.1超聲波的物理本質(zhì)它是頻率大于2萬(wàn)赫茲的機(jī)械振動(dòng)在彈性介

2、質(zhì)中的轉(zhuǎn)播行為。即超聲頻率的機(jī)械波。一般地說(shuō)，超聲波頻率越高，其能量越大，探傷靈敏度也越高。超聲檢測(cè)常用頻率在0.5～10MHZ。2.1.2超聲波的產(chǎn)生（發(fā)射）與接收(1)超聲波的產(chǎn)生機(jī)理——利用了壓電材料的壓電效應(yīng)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，某些晶體材料（如石英晶體）做成的晶體薄片，當(dāng)其受到拉伸或壓縮時(shí)，表面就會(huì)產(chǎn)生電荷；此現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)；反之，當(dāng)對(duì)此晶片施加交變電場(chǎng)時(shí)，晶體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，此現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的晶體材料就稱(chēng)為壓電材料。壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)圖解＋/－b.施加交流電場(chǎng)時(shí)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng)拉伸或壓縮時(shí)表面產(chǎn)生電荷－－－－－－－

3、－＋＋＋＋＋＋＋＋正壓電效應(yīng)～－/＋逆壓電效應(yīng)(2)超聲波的發(fā)射與接收①發(fā)射——在壓電晶片制成的探頭中，對(duì)壓電晶片施以超聲頻率的交變電壓，由于逆壓電效應(yīng)，晶片中就會(huì)產(chǎn)生超聲頻率的機(jī)械振動(dòng)——產(chǎn)生超聲波；若此機(jī)械振動(dòng)與被檢測(cè)的工件較好地耦合，超聲波就會(huì)傳入工件——這就是超聲波的發(fā)射。②接收——若發(fā)射出去的超聲波遇到界面被反射回來(lái)，又會(huì)對(duì)探頭的壓電晶片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，由于正壓電效應(yīng)，在晶片的上下電極之間就會(huì)產(chǎn)生交變的電信號(hào)。將此電信號(hào)采集、檢波、放大并顯示出來(lái)，就完成了對(duì)超聲波信號(hào)的接收?？梢?jiàn)，探頭是一種聲電換能元件，是一種特殊的傳感器，在探傷過(guò)程中發(fā)揮

4、重要的作用。2.1超聲波檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2.1.3超聲波波型的分類(lèi)按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與聲波的傳播方向之間的關(guān)系分為：（1）縱波L——介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致；（2）橫波S——介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直；2.1超聲波檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)（3）表面波R——介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿介質(zhì)表面做橢圓運(yùn)動(dòng)；又稱(chēng)瑞利波；2.1超聲波檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)（4）板波——板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ某暡?，板的兩表面介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿介質(zhì)表面做橢圓運(yùn)動(dòng)，板中間也有超聲波傳播。又稱(chēng)蘭姆波；a)對(duì)稱(chēng)型b)非對(duì)稱(chēng)型2.1超聲波檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)注意?、僖后w和氣體介質(zhì)（不能傳遞切向力）中，所以只能傳播縱

5、波！②同一介質(zhì)中，聲速的關(guān)系有：CL>CS>CR③同一介質(zhì)中，聲速、波長(zhǎng)、頻率之間的關(guān)系為：C=λ·f=常數(shù)。按超聲波振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分為：(1)連續(xù)波——在有效作用時(shí)間內(nèi)聲波不間斷地發(fā)射；(2)脈沖波——在有效作用時(shí)間內(nèi)聲波以脈沖方式間歇地發(fā)射。注意:超聲波檢測(cè)過(guò)程常采用脈沖波。2.1.4超聲波的基本性質(zhì)(1)具有良好的指向性：直線傳播，符合幾何光學(xué)定律；象光波一樣，方向性好；束射性，象手電筒的光束一樣，能集中在超聲場(chǎng)內(nèi)定向輻射。聲束的擴(kuò)散角滿足如下關(guān)系：θ=arcsin1.22(λ/D)(2-1)可見(jiàn)：波長(zhǎng)越短，擴(kuò)散角θ越小，聲能越集中。2.1超聲

6、波檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)(2)具有較強(qiáng)的穿透性，但有衰減；穿透性——來(lái)自于它的高能量，因?yàn)槁晱?qiáng)正比于頻率的平方；所以，超聲波的能量比普通聲波大100萬(wàn)倍！可穿透金屬達(dá)數(shù)米！衰減性——源于三個(gè)方面：擴(kuò)散、散射、吸收；(1)擴(kuò)散衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，因其波前在逐漸擴(kuò)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(kuò)散衰減。它主要取決于波陣面的幾何形狀，而與傳播介質(zhì)無(wú)關(guān)。2.1超聲波檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)(2)散射衰減散射是物質(zhì)不均勻性產(chǎn)生的。不均勻材料含有聲阻抗急劇變化的界面，在這兩種物質(zhì)的界面上，會(huì)產(chǎn)生聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，必然導(dǎo)致聲能的降低。2.1超聲波檢測(cè)

7、技術(shù)基礎(chǔ)(3)吸收衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)，引起的聲波能量減弱的現(xiàn)象，叫做超聲波的吸收衰減。2.1超聲波檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)（3）只能在彈性介質(zhì)中傳播，不能在真空（空氣近似看成真空）中傳播；強(qiáng)調(diào)：橫波不能在氣體、液體中傳播！表面波看作是縱波與橫波的合成，所以，也不能在氣體、液體中傳播！2.1超聲波檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)（4）遇到界面將產(chǎn)生：反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象；（5）對(duì)人體無(wú)害——優(yōu)于射線的性質(zhì)。主聲軸N近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N=D2/4λ超聲場(chǎng)及近場(chǎng)區(qū)壓電晶片2.1超聲波檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)3.24?2.2超聲波在介質(zhì)中的傳播2.2.1超聲波在金

8、屬中的衰減定律超聲波在金屬中主要的衰減原因是散射和擴(kuò)散；在液體中主要是吸收。研究表明，超聲波在金屬中的衰減規(guī)律可用下面的關(guān)