无损检测复习.ppt

三.无损检测技术概述2无损检测的目的：无损检测的目的：定量掌握缺陷与强度的关系，评价定量掌握缺陷与强度的关系，评价构件的允许载荷、寿命或剩余寿命。检构件的允许载荷、寿命或剩余寿命。检测结构在制造和使用过程中产生的结构测结构在制造和使用过程中产生的结构不完整性及缺陷情况，以便改进制造工不完整性及缺陷情况，以便改进制造工艺，提高产品质量，及时发现故障，保艺，提高产品质量，及时发现故障，保证设备安全、高效、可靠地运行。证设备安全、高效、可靠地运行。3质量管理：质量管理：对非连续或连续加工的原材料、对非连续或连续加工的原材料、零部件提供实时质量控制，如控制材料的零部件提供实时质量控制，如控制材料的冶金质量、加工工艺质量、组织状态、涂冶金质量、加工工艺质量、组织状态、涂镀层的厚度以及缺陷的大小、方位与分布镀层的厚度以及缺陷的大小、方位与分布等等。等等。在役检测：在役检测：对装置或构件在运行过程中进行对装置或构件在运行过程中进行监测，或者在检修期间进行定期检测。监测，或者在检修期间进行定期检测。质量鉴定：质量鉴定：对制成品（材料或零部件）在进对制成品（材料或零部件）在进行组装或投入使用前，进行最终检验。行组装或投入使用前，进行最终检验。4无损检测一般有三种含义：无损检测一般有三种含义：无损探伤无损探伤NDI(Nondestructive Inspection)无损检测无损检测NDT(Nondestructive Testing)无损评价无损评价NDE(Nondestructive Evaluation)NDI仅检测出缺陷（探伤）；仅检测出缺陷（探伤）；NDT以以NDI检测结果为判定基础，对检测对检测结果为判定基础，对检测对象的使用可能性进行判定；此外还含有参数测象的使用可能性进行判定；此外还含有参数测试的意思；试的意思；NDE掌握对象的载荷、环境条件，对构件的掌握对象的载荷、环境条件，对构件的完整性、可靠性及使用性能进行综合评价。完整性、可靠性及使用性能进行综合评价。u目前国内一般统称为目前国内一般统称为NDT，国外，国外NDE逐渐代替逐渐代替NDT。第一章第一章 超声波检测超声波检测 1.1超声检测的基础知识超声检测的基础知识 超声波的产生依赖于做高频机械振动的超声波的产生依赖于做高频机械振动的“声声源源”和传播机械振动的弹性介质，所以机械振动和和传播机械振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测的物理基础。波动是超声检测的物理基础。超声波是超声振动在介质中的传播，超声波超声波是超声振动在介质中的传播，超声波是在弹性介质中传播的机械波。与声波和次声波是在弹性介质中传播的机械波。与声波和次声波在弹性介质中的传播类同，区别在于超声波的频在弹性介质中的传播类同，区别在于超声波的频率高于率高于20kHz。工业超声波检测常用的工作频率为：工业超声波检测常用的工作频率为：0.510MHz。一、超声波的特点一、超声波的特点1.超声波的方向性好：超声波的方向性好：超声波具有像光波一样超声波具有像光波一样定向束射的特性。定向束射的特性。2.超声波的穿透能力强：超声波的穿透能力强：对于大多数介质而言，对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。料中，其穿透能力可达数米。3.超声波的能力高：超声波的能力高：超声检测的工作频率远高超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。能量。4.遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的转换：型的转换：利用超声波在介质中传播时这些利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。作的灵活性、精确度得以大幅度提高。5.对人体无害。对人体无害。二、超声波的分类二、超声波的分类（一）描述超声波的基本物理量（一）描述超声波的基本物理量声速：声速：单位时间内，超声波在介质中传播的距离称单位时间内，超声波在介质中传播的距离称为声速，用符号为声速，用符号“c”表示。表示。频率：频率：单位时间内，超声波在介质中任一给定点所单位时间内，超声波在介质中任一给定点所通过完整波的个数称为频率，用符号通过完整波的个数称为频率，用符号“f”表示。表示。波长：波长：声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点之间的距离称为波长，用符号同的质点之间的距离称为波长，用符号“”表示。表示。周期：周期：声波向前传播一个波长距离时所需要的时间声波向前传播一个波长距离时所需要的时间称为周期，用符号称为周期，用符号“T”表示。表示。角频率：角频率：角频率用符号角频率用符号“”表示。定义为表示。定义为=2f。上述各量之间的关系为：上述各量之间的关系为：T=1/f=2/=/c 图 1-1 超声波的分类二、超声波的分类二、超声波的分类1 1）超声波的波型超声波的波型超超声声波波的的波波型型指指的的是是介介质质质质点点的的振振动动方方向向与与波波的的传传播播方方向向的关系。按波型可分为纵波、横波、表面波和板波等。的关系。按波型可分为纵波、横波、表面波和板波等。（1 1）纵纵波波。介介质质中中质质点点的的振振动动方方向向与与波波的的传传播播方方向向相相同同的的波波叫叫纵纵波波，用用L L表表示示(见见图图1-2)1-2)。介介质质质质点点在在交交变变拉拉压压应应力力的的作作用用下下，质质点点之之间间产产生生相相应应的的伸伸缩缩变变形形，从从而而形形成成了了纵纵波波。纵纵波波传传播播时时，介介质质的的质质点点疏疏密密相相间间，所所以以纵纵波波有有时时又又称称为为压压缩缩波波或疏密波。或疏密波。能在任何介质中传播，气体、液体、固体。能在任何介质中传播，气体、液体、固体。（2 2）横横波波。介介质质中中质质点点的的振振动动方方向向垂垂直直于于波波的的传传播播方方向向的的波波叫叫横横波波，用用S S或或T T表表示示(见见图图1-3)1-3)。横横波波的的形形成成是是由由于于介介质质质质点点受受到到交交变变切切应应力力作作用用时时，产产生生了了切切变变形形变变，所所以以横横波波又又叫叫做做切切变变波波。液液体体和和气气体体介介质质不不能能承承受受切切应应力力，只只有有固固体体介介质质能能够够承承受受切切应应力力，因因而而横横波波只只能能在在固固体体介介质质中中传传播播，不不能能在在液液体体和气体介质中传播。和气体介质中传播。（3 3）表表面面波波（瑞瑞利利波波）。当当超超声声波波在在固固体体介介质质中中传传播播时时，对对于于有有限限介介质质而而言言，有有一一种种沿沿介介质质表表面面传传播播的的波波即即表表面面波波(见见图图1-4)1-4)，受受表表面面张张力力的的作作用用。瑞瑞利利首首先先对对这这种种波波给给予予了了理理论论上上的说明，因此表面波又称为瑞利波，的说明，因此表面波又称为瑞利波，常用常用R表示。表示。（4 4）板板波波（兰兰姆姆波波）。在在板板厚厚和和波波长长相相当当的的弹弹性性薄薄板板中中传传播播的的超超声声波波叫叫板板波波(或或兰兰姆姆波波)。板板波波传传播播时时声声场场遍遍及及整整个个板板的的厚厚度度。薄薄板板两两表表面面质质点点的的振振动动为为纵纵波波和和横横波波的的组组合合，质质点点振振动动的的轨轨迹迹为为一一椭椭圆圆，在在薄薄板板的的中中间间也也有有超超声声波波传传播播(见见图图1-5)1-5)。板板波波按按其其传传播播方方式式又又可可分分为为对对称称型型（S S型型）和和非非对对称称型型（A A型型）两两种种，这这是是由由质质点点相相对对于于板板的的中中间间层层作作对对称称型型还还是是非对称型运动来决定的。非对称型运动来决定的。2)2)超声波的波形超声波的波形超超声声波波由由声声源源向向周周围围传传播播的的过过程程可可用用波波阵阵面面进进行行描描述述。如如图图1-61-6所所示示，在在无无限限大大且且各各向向同同性性的的介介质质中中，振振动动向向各各方方向向传传播播，用用波波线线表表示示传传播播的的方方向向；将将同同一一时时刻刻介介质质中中振振动动相相位位相相同同的的所所有有质质点点所所连连成成的的面面称称为为波波阵阵面面；某某一一时时刻刻振振动动传传播播到到达达的的距距声声源源最最远远的的各各点点所所连连成成的的面面称称为为波波前前。在在各各向向同同性性介介质质中中波波线线垂垂直直于于波波阵阵面面。在在任任何何时时刻刻，波波前前总总是是距距声声源源最最远远的的一一个波阵面。个波阵面。波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。1.2 1.2 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介充充满满超超声声波波的的空空间间或或介介质质中中超超声声振振动动所所波波及及的的质质点点占占据据的范围叫超生场。的范围叫超生场。一、描述超声场的物理量一、描述超声场的物理量1.1.声压声压 p当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声之差称为该点的声压，用压，用P表示表示,即即（1-2）对于平面余弦波，对于平面余弦波，有：有：（1-3）式中：为介质的密度式中：为介质的密度;c c为介质中的声速；为介质质点的振为介质中的声速；为介质质点的振幅；幅；为介质质点振动的角频率；为介质质点振动的角频率；为质点振动速度的为质点振动速度的幅值；幅值；t t为时间；为时间；x x为质点距声源的距离；为质点距声源的距离；为声压幅值。为声压幅值。由上式可知：超声场中某一点的声压幅值由上式可知：超声场中某一点的声压幅值Pm与角频率成正与角频率成正比，也就与频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于声波比，也就与频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于声波的频率，故超声波的声压一般也远大于声波的声压。的频率，故超声波的声压一般也远大于声波的声压。2.2.声阻抗声阻抗 介介质质中中某某一一点点的的声声压压幅幅值值P Pm m与与该该处处质质点点振振动动速速度度幅幅值值V Vm m之之比比，称称为为声声阻阻抗抗，常常用用Z Z表表示示,单单位位为为g/(cmg/(cm2 2s)s)；k kg/(cm2s)。在在同同一一声声压压下下，声声阻阻抗抗Z Z愈愈大大，质质点点的的振振动动速速度度就就愈愈小小。声声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。由式由式(1-3)得得（1-4）气体、液体和固体的声阻抗相差较大：气体、液体和固体的声阻抗相差较大：Z Z气：气：Z Z液：液：Z Z金属金属=1=1：30003000：800080003.3.声强声强单单位位时时间间内内垂垂直直通通过过单单位位面面积积的的声声能能，称称为为声声强强，用用I I表表示，单位为示，单位为W/cmW/cm2 2。对于平面纵波，其声强对于平面纵波，其声强I为为（1-5）由式由式(1-5)可知，超声场中，声强与角频率平方成正比。由于超可知，超声场中，声强与角频率平方成正比。由于超声波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于探声波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于探伤的重要依据。伤的重要依据。4.4.分分贝贝的概念的概念实实际际探探伤伤中中，将将声声强强I I1 1与与I I2 2之之比比取取对对数数的的1010倍倍得得到到二二者者相相差差的数量的数量级级，这时单这时单位位为为分贝，用分贝，用dB表示，即表示，即 （1-6）根据式（根据式（1-5），有），有（1-7）式中：式中：Pm1、Pm2分别为声强分别为声强I1、I2对应的声压幅值。对应的声压幅值。对对于于线线性性良良好好的的超超声声波波探探伤伤仪仪，示示波波屏屏上上波波高高与与声声压压成成正正比比，即即任任意意两两波波高高H1、H2之之比比等等于于相相应应的的声声压压Pm1、Pm2之之比比，即即（1-8）取取自自然然对对数数ln，单单位位则则为为奈奈培培。有：有：二、介质的声参量二、介质的声参量1.1.声速声速声声速速表表示示声声波波在在介介质质中中传传播播的的速速度度，它它与与超超声声波波的的波波型型有有关关，但但更更依依赖赖于于传传声声介介质质自自身身的的特特性性。因因此此，声声速速又又是是一一个个表表征征介介质质声声学学特特性性的的参参量量。了了解解受受检检材材料料的的声声速速，对对于于缺缺陷陷的的定定位和定量分析都有重要的意义。位和定量分析都有重要的意义。声声速速又又可可分分为为相相速速度度和和群群速速度度。相相速速度度是是指指声声波波传传播播到到介介质质的的某某一一选选定定相相位位点点时时在在传传播播方方向向上上的的声声速速。群群速速度度是是指指传传播播声声波波的的包包络络上上具具有有某某种种特特征征（如如幅幅值值最最大大）的的点点上上沿沿传传播播方方向向上的声速。上的声速。群速度是波群的能量传播速度。群速度是波群的能量传播速度。（1）纵纵波波、横横波波和和表表面面波波的的声声速速。纵纵波波、横横波波和和表表面面波波的的声声速速主主要要是是由由介介质质的的弹弹性性性性质质、密密度度和和泊泊松松比比决决定定的的，而而与与频频率率无无关关，即即它它们们各各自自的的相相速速度度和和群群速速度度相相同同，因因此此一一般般说说到到它它们们的的声声速速都都是是指指相相速速度度。不不同同材材料料声声速速值值有有较较大大的的差差异。异。在给定的材料中，频率越高，波长越短。见在给定的材料中，频率越高，波长越短。见p16 同同一一固固体体介介质质中中，纵纵波波声声速速c1大大于于横横波波声声速速cs，横横波波声声速速cs又大于瑞利波声速又大于瑞利波声速cr。对于钢材，。对于钢材，c1 1.8cs，cs1.1cr。（2 2）板板波波的的声声速速。板板波波的的声声速速与与其其他他波波型型不不同同，其其相相速速度度随随频频率率变变化化而而变变化化。相相速速度度随随频频率率变变化化而而变变化化的的现现象象被被称为频散。称为频散。2.2.声衰减系数声衰减系数超超声声波波的的衰衰减减指指的的是是超超声声波波在在材材料料中中传传播播时时，声声压压或或声声能能随随距距离离的的增增大大逐逐渐渐减减小小的的现现象象。引引起起衰衰减减的的原原因因主主要要有有三三个个方方面面：一一是是声声束束的的扩扩散散；二二是是由由于于材材料料中中的的晶晶粒粒或或其其他他微微小颗粒引起声波的小颗粒引起声波的散射散射；三是介质的；三是介质的吸收吸收。在在超超声声检检测测中中，谈谈到到超超声声波波在在材材料料中中的的衰衰减减时时，通通常常关关心心的的是是散散射射衰衰减减和和吸吸收收衰衰减减，而而不不包包括括扩扩散散衰衰减减。对对于于平平面面波来说，波来说，声压幅值衰减规律可用下式表示：声压幅值衰减规律可用下式表示：（1-9）图1-7 超声波垂直入射于平界面的反射与透射 通通常常将将反反射射波波声声压压Pr与与入入射射波波声声压压P0的的比比值值称称为为声声压压反反射射率率r，将将透透射射波波声声压压Pt和和P0的的比比值值称称为为声声压压透透射射率率t。可可以以证证明明，r和和t的数学表达式为：的数学表达式为：（1-11）（1-12）式中：式中：Z1为第一种介质的声阻抗；为第一种介质的声阻抗；Z2为第二种介质的声阻抗。为第二种介质的声阻抗。为为了了研研究究反反射射波波和和透透射射波波的的能能量量关关系系，引引入入声声强强反反射射率率R和和声声强强透透射射率率T两两个个量量。R为为反反射射波波声声强强(Ir)和和入入射射波波声声强强(I0)之之比；比；T为透射波声强为透射波声强(It)和入射波声强和入射波声强(I0)之比。之比。（1-13）（1-14）声声波波垂垂直直入入射射到到平平界界面面上上时时，声声压压和和声声强强的的分分配配比比例例仅仅与与界界面面两两侧侧介介质质的的声声阻阻抗抗有有关关。在在垂垂直直入入射射时时，界界面面两两侧侧的的声声波波必须满足两个边界条件：必须满足两个边界条件：1、一侧声压等于另一侧声压；、一侧声压等于另一侧声压；2、两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。、两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。对对于于脉脉冲冲反反射射技技术术来来说说，还还有有一一个个有有意意义义的的量量是是声声压压往往返返透透过过率率，如如图图1-81-8所所示示。通通常常入入射射声声压压经经过过两两种种介介质质的的界界面面透透射射到到试试件件中中后后，均均需需经经过过相相反反的的路路径径（假假设设在在工工件件底底面面的的反反射射为为全全反反射射）再再次次穿穿过过界界面面到到第第一一介介质质中中才才被被探探头头所所接接收收。两两次次穿穿透透界界面面时时透透射射率率的的大大小小，决决定定着着接接收收信信号号的的强强弱弱。因因此此，将将声声压压沿沿相相反反方方向向两两次次穿穿过过界界面面时时总总的的透透射射率率称称为为声声压压往往返返透透过过率率(tp)，其其数数值值等等于于两两次次穿穿透透界界面面的的透透射射率率的的乘乘积积，由由式式（1-12）可得）可得（1-15）图1-8 声压往返透过率 图图1-10 超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换(a)纵波入射；纵波入射；(b)横波入射横波入射 1)反射反射 如如图图1-10（a）所所示示，当当纵纵波波以以入入射射角角L倾倾斜斜入入射射到到异异质质界界面面上上时时，将将会会在在介介质质1中中于于入入射射点点法法线线的的另另一一侧侧产产生生与与法法线线成成一一定定夹夹角角rL的的反反射射纵纵波波。反反射射波波与与入入射射点点法法线线之之间间的的夹夹角角称称为为反反射射角角。入入射射纵纵波波与与反反射射纵纵波波之之间间的的关关系系符符合合几几何何光光学学的的反反射定律，即射定律，即L=rL。与与光光的的反反射射不不同同的的是是，当当介介质质1 1为为固固体体时时，界界面面上上既既产产生生反反射射纵纵波波，同同时时又又发发生生波波型型转转换换并并产产生生反反射射横横波波，即即反反射射后后同同时时产产生生纵纵波波与与横横波波两两种种波波型型。这这时时，横横波波反反射射角角r rS S与与纵纵波波入入射射角之间的关系与光学中的斯奈尔定律相同，为角之间的关系与光学中的斯奈尔定律相同，为 （1-16）若若入入射射声声波波为为横横波波，也也会会产产生生同同样样的的现现象象，见见图图1-101-10（b)b)，这这时时横横波波入入射射角角S S与与横横波波反反射射角角r rS相相等等。介介质质1为为固固体体时时纵纵波反射角与横波入射角之间的关系为波反射角与横波入射角之间的关系为（1-17）由于固体中纵波声速总是大于横波声速，因此，无论是纵波入由于固体中纵波声速总是大于横波声速，因此，无论是纵波入射还是横波入射，均有。当介质射还是横波入射，均有。当介质1为液体或气体时，为液体或气体时，则入射波和反射波只能为纵波。则入射波和反射波只能为纵波。2 2）折射折射当当两两种种介介质质声声速速不不同同时时，透透射射部部分分的的声声波波会会发发生生传传播播方方向向的的改改变变，称称为为折折射射。不不论论是是纵纵波波入入射射还还是是横横波波入入射射，只只要要介介质质2 2为为固固体体，则则介介质质2 2中中除除有有与与入入射射波波相相同同波波型型的的折折射射波波外外，均均可可因因在在界界面面发发生生波波型型转转换换而而产产生生与与入入射射波波不不同同波波型型的的折折射射波波。这这时时，介介质质2 2中中可可能能同同时时存存在在纵纵波波与与横横波波(见见图图1-10)1-10)。折折射射角角与入射角之间的关系符合斯奈尔定律。与入射角之间的关系符合斯奈尔定律。折折射射角角相相对对于于入入射射角角的的大大小小和和折折射射波波声声速速与与入入射射波波声声速速的的比比率率有有关关。同同时时，由由于于纵纵波波声声速速总总是是大大于于横横波波声声速速，因因此此纵纵波波折射角折射角L要大于横波折射角要大于横波折射角S。3 3）临界角临界角当当第第二二种种介介质质中中的的折折射射波波型型的的声声速速比比第第一一种种介介质质中中入入射射波波型型的的声声速速大大时时，折折射射角角大大于于入入射射角角。此此时时，存存在在一一个个临临界界入入射射角角，在在这这个个角角度度下下，折折射射角角等等于于9090。大大于于这这一一角角度度时时，第第二种介质中不再有相应波型的折射波。二种介质中不再有相应波型的折射波。(1)(1)第第一一临临界界角角。当当入入射射波波为为纵纵波波，且且c cL2L2 c cL1L1时时，使使纵纵波波折折射射角角达达到到9090的的纵纵波波入入射射角角称称为为第第一一临临界界角角，用用符符号号表表示示。当当纵纵波波入入射射角角大大于于第第一一临临界界角角时时，第第二二介介质质中中不不再再有有折折射射纵波。纵波。(2)(2)第第二二临临界界角角。当当入入射射波波为为纵纵波波，第第二二介介质质为为固固体体，且且c cS2S2 c cL1L1时时，使使横横波波折折射射角角达达到到9090的的纵纵波波入入射射角角为为第第二二临临界界角角，用符号，用符号表示。表示。通通常常在在超超声声检检测测中中，临临界界角角主主要要应应用用于于第第二二介介质质为为固固体体，而而第第一一介介质质为为固固体体或或液液体体的的情情况况。这这种种情情况况下下，可可利利用用入入射射角角在在第第一一临临界界角角和和第第二二临临界界角角之之间间的的范范围围，在在固固体体中中产产生生一一定定角角度度范围内的纯横波，范围内的纯横波，对试件进行检测。对试件进行检测。(3)(3)第第三三临临界界角角。第第三三临临界界角角是是在在固固体体介介质质与与另另一一种种介介质质的的界界面面上上，用用横横波波作作为为入入射射波波时时产产生生的的。使使纵纵波波反反射射角角达达到到9090时的横波入射角称为第三临界角时的横波入射角称为第三临界角，用表示，用表示。4 4）斜入射时的声压反射率和透射率斜入射时的声压反射率和透射率斜斜入入射射时时反反射射波波和和透透射射波波的的声声压压关关系系较较为为复复杂杂。但但在在超超声声检检测测中中，关关心心的的是是斜斜入入射射的的反反射射率率和和透透射射率率随随入入射射角角度度的的变变化化。对对脉脉冲冲反反射射法法，更更关关心心的的是是声声压压往往返返透透过过率率随随入入射射角角度度的的变变化。化。见见P22三、三、超声波入射到曲界面上的反射和透射超声波入射到曲界面上的反射和透射1）平面波入射到曲界面上的反射平面波入射到曲界面上的反射平平面面波波入入射射到到曲曲界界面面上上时时的的情情况况如如图图1-11所所示示。平平面面波波束束与与曲曲面面上上各各入入射射点点的的法法线线成成不不同同的的夹夹角角：入入射射角角为为0的的声声线线沿沿原原方方向向返返回回，称称为为声声轴轴；其其余余声声线线的的反反射射角角则则随随着着距距声声轴轴距距离离的的增增大大而而增增大大。当当曲曲面面是是球球面面时时，反反射射线线或或其其延延长长线线汇汇聚聚于于一一个个焦焦点点上上；反反射射面面为为圆圆柱柱面面时时，反反射射线线或或其其延延长长线线汇汇聚聚于于一一条条焦线上。此时，焦距焦线上。此时，焦距F与曲面曲率半径与曲面曲率半径r的关系为的关系为 （1-18）图图1-11 平面波入射至曲面时的反射平面波入射至曲面时的反射 三、三、超声波入射到曲界面上的反射和透射超声波入射到曲界面上的反射和透射1）平面波入射到曲界面上的反射平面波入射到曲界面上的反射反射波波阵面的形状取决于曲界面的形状。反射波波阵面的形状取决于曲界面的形状。（1）界界面面为为球球面面时时，具具有有焦焦点点。反反射射波波波波阵阵面面为为球球面面，凹凹球球面面上上的的反反射射波波好好像从实焦点发出的球面波，凸球面上的反射波好像从虚焦点发出的球面波。像从实焦点发出的球面波，凸球面上的反射波好像从虚焦点发出的球面波。（2）界界面面为为柱柱面面时时，具具有有焦焦轴轴。反反射射波波波波阵阵面面为为柱柱面面，凹凹柱柱面面上上的的反反射射波波好好像从实焦轴发出的柱面波，凸柱面上的反射波好像从虚焦轴发出的柱面波。像从实焦轴发出的柱面波，凸柱面上的反射波好像从虚焦轴发出的柱面波。声速中心轴线上，反射波的声压分别为：声速中心轴线上，反射波的声压分别为：球曲面：球曲面：柱曲面：柱曲面：2 2）平面波在曲面上的透射平面波在曲面上的透射 平平面面波波入入射射到到曲曲面面上上时时，其其透透射射波波也也将将发发生生聚聚焦焦或或发发散散，如如图图1-121-12所所示示。这这时时透透射射波波的的聚聚焦焦或或发发散散不不仅仅与与曲曲面面的的凹凹凸凸有有关关，而而且且与与界界面面两两侧侧介介质质的的声声速速有有关关。对对于于凹凹面面，c c1 1 c c2 2时发散；对于凸面，时发散；对于凸面，c c1 1 c c2 2时聚焦，时聚焦，c c1 1 c c2 2时发散。时发散。透透射后的焦距射后的焦距F为为（1-19）图1-12 平面波在曲面上的透射 2 2）平面波在曲面上的透射平面波在曲面上的透射 透射波波阵面的形状取决于曲界面的形状。透射波波阵面的形状取决于曲界面的形状。如果曲面为球面时，则其波阵面为球面，透射波好像从焦点发如果曲面为球面时，则其波阵面为球面，透射波好像从焦点发出的球面波，同理，曲面为柱面时，透射波波阵面为柱面，透出的球面波，同理，曲面为柱面时，透射波波阵面为柱面，透射波好像从焦轴发出的柱面波。射波好像从焦轴发出的柱面波。声速中心轴线上，透射波的声压分别为：声速中心轴线上，透射波的声压分别为：球曲面：球曲面：柱曲面：柱曲面：t为声压透射率为声压透射率2)2)超声波探头超声波探头（1 1）超超声声波波探探头头的的作作用用。超超声声波波探探头头用用于于实实现现声声能能和和电电能能的的互互相相转转换换。它它是是利利用用压压电电晶晶体体的的正正、逆逆压压电电效效应应进进行行换换能能的的。探探头头是是组组成成检检测测系系统统的的最最重重要要的的组组件件，其其性性能能的的好好坏坏直直接接影响超声检测的效果。影响超声检测的效果。（2 2）常常用用超超声声波波探探头头的的类类型型。超超声声波波检检测测中中由由于于被被探探测测工工件件的的形形状状和和材材质质、探探测测的的目目的的、探探测测的的条条件件不不同同，因因而而要要使使用用各各种种不不同同形形式式的的探探头头。其其中中最最常常用用的的是是接接触触式式纵纵波波直直探探头头、接接触触式式横横波波斜斜探探头头、双双晶晶探探头头、水水浸浸探探头头与与聚聚焦焦探探头头等等。一一般般横横波波斜斜探探头头的的晶晶片片为为方方形形，纵纵波波直直探探头头的的晶晶片片为为圆圆形形，而而聚聚焦焦声声源源的的圆圆形形晶晶片片为为声声透透镜镜。所所以以声声场场就就有有圆圆盘盘源源声声场场、聚聚焦焦声声源声场和斜探头发射的横波声场。源声场和斜探头发射的横波声场。图图1-21为一组探头的图片为一组探头的图片。1 1）穿透法穿透法穿穿透透法法通通常常采采用用两两个个探探头头，分分别别放放置置在在试试件件两两侧侧，一一个个将将脉脉冲冲波波发发射射到到试试件件中中，另另一一个个接接收收穿穿透透试试件件后后的的脉脉冲冲信信号号，依依据据脉脉冲冲波波穿穿透透试试件件后后幅幅值值的的变变化化来来判判断断内内部部缺缺陷陷的的情情况况(见见图图1-22)。2 2）脉冲反射法脉冲反射法脉脉冲冲反反射射法法是是由由超超声声波波探探头头发发射射脉脉冲冲波波到到试试件件内内部部，通通过过观观察察来来自自内内部部缺缺陷陷或或试试件件底底面面的的反反射射波波的的情情况况来来对对试试件件进进行行检检测测的的方方法法。图图1-23 1-23 显显示示了了接接触触法法单单探探头头直直射射声声束束脉脉冲冲反反射法的基本原理。射法的基本原理。第二章第二章 射线检测射线检测 2.1 2.1 射线检测的物理基础射线检测的物理基础一、一、射线的种类和频谱射线的种类和频谱在在射射线线检检测测中中应应用用的的射射线线主主要要是是X射射线线、射射线线和和中中子子射射线线。X射线和射线和射线属于电磁辐射，而中子射线是中子束流。射线属于电磁辐射，而中子射线是中子束流。1)X射线射线X射射线线又又称称伦伦琴琴射射线线，是是射射线线检检测测领领域域中中应应用用最最广广泛泛的的一一种种射射线线，波波长长范范围围约约为为0.0006100 nm(见见图图2-1)。在在X射射线线检检测测中中常常用用的的波波长长范范围围为为0.0010.1 nm。X射射线线的的频频率率范范围围约约为为310951014 MHz。图2-1 射线的波长分布 二、X X射线的产生射线的产生X X射射线线是是一一种种波波长长比比紫紫外外线线还还短短的的电电磁磁波波，它它具具有有光光的的特特性性，例例如如具具有有反反射射、折折射射、干干涉涉、衍衍射射、散散射射和和偏偏振振等等现现象象。它能使一些结晶物体发生荧光、气体电离和胶片感光。它能使一些结晶物体发生荧光、气体电离和胶片感光。X X射射线线通通常常是是将将高高速速运运动动的的电电子子作作用用到到金金属属靶靶(一一般般是是重重金金属属)上上而而产产生生的的,见见教教材材p47p47。图图2-22-2是是在在35 35 kVkV的的电电压压下下操操作作时时，钨钨靶靶与与钼钼靶靶产产生生的的典典型型的的X X射射线线谱谱。钨钨靶靶发发射射的的是是连连续续光光谱谱，而而钼钼靶靶除除发发射射连连续续光光谱谱之之外外还还叠叠加加了了两两条条特特征征光光谱谱，称称为为标标识识X X射射线线，即即K K线线和和K K线线。若若要要得得到到钨钨的的K线线和和K线线，则电压必须加到则电压必须加到70 kV以上。以上。(2)连连续续X射射线线的的波波长长在在长长波波方方向向，理理论论上上可可以以扩扩展展到到=；而而在在短短波波方方向向，实实验验证证明明具具有有最最短短波波长长min(见见图图2-2)，且有且有（2-1）式中：式中：U为为X射线管的管电压，单位为射线管的管电压，单位为kV。四、四、射线通过物质的衰减定律射线通过物质的衰减定律1 1）射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射射线线与与物物质质的的相相互互作作用用主主要要有有三三种种过过程程：光光电电效效应应、康康普普顿顿效效应应和和电电子子对对的的产产生生。这这三三种种过过程程的的共共同同点点是是都都产产生生电电子子，然然后后电电离离或或激激发发物物质质中中的的其其他他原原子子；此此外外，还还有有少少量量的的汤汤姆姆森森效效应应。光光电电效效应应和和康康普普顿顿效效应应随随射射线线能能量量的的增增加加而而减减少少，电电子子对对的的产产生生则则随随射射线线能能量量的的增增加加而而增增加加，四四种种效效应应的的共共同同结结果果是是使射线在透过物质时能量产生衰减。使射线在透过物质时能量产生衰减。（1 1）光电效应。光电效应。在在普普朗朗克克概概念念中中每每束束射射线线都都具具有有能能量量为为E E=hvhv的的光光子子。光光子子运运动动时时保保持持着着它它的的全全部部动动能能。光光子子能能够够撞撞击击物物质质中中原原子子轨轨道道上上的的电电子子，若若撞撞击击时时光光子子释释放放出出全全部部能能量量，并并将将原原子子电电离离，则则称称为为光光电电效效应应(见见图图2-4)2-4)。光光子子的的一一部部分分能能量量把把电电子子从从原原子子中中逐逐出出去去，剩剩余余的的能能量量则则作作为为电电子子的的动动能能被被带带走走，于于是是该该电电子子可可能能又又在在物物质质中中引引起起新新的的电电离离。当当光光子子的的能能量量低低于于1 1 MeVMeV时时，光光电电效效应应是是极极为为重重要要的的过过程程。另另外外，光光电电效效应应更更容容易易在在原原子子序序数数高高的的物物质质中中产产生生，如如在在铅铅(Z82)中中产产生生光光电电效效应应的的程程度度比比在铜在铜(Z=29)中大得多。中大得多。图2-4 光电效应（2）康康普普顿顿效效应应。在在康康普普顿顿效效应应(见见图图2-5)中中，一一个个光光子子撞撞击击一一个个电电子子时时只只释释放放出出它它的的一一部部分分能能量量，结结果果光光子子的的能能量量减减弱弱并并在在和和射射线线初初始始方方向向成成角角的的方方向向上上散散射射，而而电电子子则则在在和和初初始始方方向向成成角角的的方方向向上上散散射射。这这一一过过程程同同样样服服从从能能量量守守恒恒定定律律，即即电电子子所所具具有有的的动动能能为为入入射射光光子子和和散散射射光光子子的的能能量量之之差差，最最后电子在物质中因电离原子而损失其能量。后电子在物质中因电离原子而损失其能量。在在绝绝大大多多数数的的轻轻金金属属中中，射射线线的的能能量量大大约约在在0.23 MeV范范围围时时，康康普普顿顿效效应应是是极极为为重重要要的的效效应应。康康普普顿顿效效应应随随着着射射线线能能量量的的增增加加而而减减小小，其其大大小小也也取取决决于于物物质质中中原原子子的的电电子子数数。在在中中等等原原子子序序数数的的物物质质中中，射射线线的的衰衰减减主主要要是是由由康康普普顿顿效效应应引引起起，在射线防护时主要侧重于康普顿效应。在射线防护时主要侧重于康普顿效应。图2-5 康普顿效应（3 3）电子对的产生。电子对的产生。一一个个具具有有足足够够能能量量的的光光子子释释放放出出它它的的全全部部动动能能而而形形成成具具有有同同样样能能量量的的一一个个负负电电子子和和一一个个正正电电子子，这这样样的的过过程程称称为为电电子子对对的的产产生生。产产生生电电子子对对所所需需的的最最小小能能量量为为0.51 0.51 MeVMeV，所所以以光子能量光子能量hv必须大于等于必须大于等于1.02 MeV，如图，如图2-6所示。所示。图2-6 电子对的产生和消失 光光子子的的能能量量一一部部分分用用于于产产生生电电子子对对，一一部部分分传传递递给给电电子子和和正正电电子子作作为为动动能能，另另一一部部分分能能量量传传给给原原子子核核。在在物物质质中中负负电电子子和和正正电电子子都都是是通通过过原原子子的的电电离离而而损损失失动动能能，在在消消失失过过程程中中正正电电子子和和物物质质中中的的负负电电子子相相作作用用成成为为能能量量各各为为0.51 0.51 MeVMeV的的两两个个光光子子，它它们们在在物物质质中中又又可可以以通通过过光光电电效效应应和和康康普普顿顿效效应应进一步相互作用。进一步相互作用。由由于于产产生生电电子子对对的的能能量量条条件件要要求求不不小小于于1.02 1.02 MeVMeV，所所以以电电子子对对的的产产生生只只有有在在高高能能射射线线中中才才是是重重要要的的过过程程。该该过过程程正正比比于于吸吸收收体体的的原原子子序序数数的的平平方方，所所以以高高原原子子序序数数的的物物质质电电子子对的产生也是重要的过程。对的产生也是重要的过程。（4 4）汤姆森效应。汤姆森效应。射射线线与与物物质质中中带带电电粒粒子子相相互互作作用用，产产生生与与入入射射波波长长相相同同的的散散射射线线的的现现象象叫叫做做汤汤姆姆森森效效应应。这这种种散散射射线线可可以以产产生生干干涉涉，能量衰减十分微小，能量衰减十分微小，如图如图2-7所示。所示。图2-7 汤姆森效应 2 2）射线的衰减定律和衰减曲线射线的衰减定律和衰减曲线射射线线的的衰衰减减是是由由于于射射线线光光子子与与物物体体相相互互作作用用产产生生光光电电效效应应、康康普普顿顿效效应应、汤汤姆姆森森效效应应或或电电子子对对的的产产生生，使使射射线线被被吸吸收收和和散散射射而而引引起起的的。由由此此可可知