第一章无损检测基础知识.doc

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1、第一章 无损检测基础知识第一节 无损检测概述一、无损检测概念（一）无损检测的定义无损检测（NDT）是一门综合性的应用科学技术，它是在不改变或不影响被检对象使用性能的前提下，借助于物理手段，对其进行宏观与微观缺陷检测，几何特性度量、化学成分、组织结构和力学性能变化的评定，并进而就其使用性能做出评价的一门学科。日常生活中无损检测方法常被使用，如买西瓜用手轻轻拍打西瓜外皮，听声响或凭手感，想猜一下西瓜的生熟，这是人们常有的习惯，这种并不损坏西瓜而知西瓜生熟的检测方式就是生活中的“无损检测”。不过，需要指出的是，类似“拍皮猜瓜”这些古老而简单的无损检测方法尽管至今仍在沿用，但因它们对缺陷的位置和大小做

2、不出“基本相符”的判断，而不被视为无损检测的技术方法。真正的技术方法必须确保无损检测结果的准确性和可重复性。（二）无损检测的作用随着现代工业的发展，无损检测已经广泛深入到产品的设计、制造、使用等各个方面，它在产品质量控制中所起的不可取代的重要作用已为日益众多的科技人员和企业家所认同。在设计阶段，设计单位要充分考虑无损检测的实际能力，以保证结构设计要求与无损检测的灵敏度、分辨率和可靠性相一致；在制造阶段，为确保产品质量达到设计要求，同样要运用无损检测技术，根据一定标准对原料的缺陷以及非均质性进行鉴定和评价；在使用阶段，为保证使用的可靠性，使用部门必须根据设计部门规定的周期和方法及制造部门所提交的

3、检测细则对指定零部件进行可靠的无损检测甚至于实时监控。事实上，就是用户订货，也常常通过无损检测技术进行验收检查，有人说，现代工业是建立在无损检测基础之上的，此并非言过其实之词，现代无损检测技术不仅形式多样，技术手段也日臻成熟，在铸件、锻件、棒材、粉末冶金制件、焊接件、非金属材料、陶瓷制件、复合材料、锅炉、压力容器、核电设备等许多领域都有较好的应用，对于改进产品的设计制造工艺、降低制造成本以及提高设备运行的可靠性等具有十分重要的意义，其作用主要有：1无损探伤 对产品质量作出评价。无论是铸件、锻件、焊接件、钣金件或机加工件以至非金属结构都能应用无损检测技术探测它表面或内部缺陷，并进行定位定量分析。

4、2材料检测 用无损检测技术测定材料的物理性能和组织结构，能判断材料的品种和热处理状态，进行材料分选。3几何度量 产品的几何尺寸、涂层和镀层厚度、表面腐蚀状态、硬化层深度和应力密度都能用无损检测技术测定，根据测定结果利用断裂理论确定是否进行修补和报废处理，对产品进行寿命评定。4现场监视 对在役设备或生产中的产品进行现场或动态检测，将产品中的缺陷变化信息连续的提供给运行和生产部门实行监视。在高温、高压、高速或高负载的运行条件下尤其需要无损检测。例如压力容器和钢轨的探伤等。（三）无损检测的特点1不破坏被检对象。2可实现100%的检验。3发现缺陷并做出评价，从而评定被检对象的质量。4可对缺陷形成原因及

5、发展规律做出判断，以促进有关部门改进生产工艺和产品质量。5对关键部件和关键部位在运行中作定期检查，甚至长期监控以保证运行安全，防止事故发生。（四）无损检测的发展从无损检测的作用和特点表明，无损检测技术是工业发展必不可少的有效工具，它必将随着工业生产的进步而发展，早期的无损检测称为无损探伤（NDI），它的作用是在不损坏产品的前提下发现人眼无法看到的缺陷，以满足工程设计中的强度要求。第二阶段称为无损检测（NDT），这个阶段始于70年代，它不但检测最终产品，而且要测量各种工艺参数，制成工件后还需知道它的组织结构、晶粒大小和残余应力等。第三阶段称为无损评价（NDE），尤其对航空、航天、核电、能源、交通

6、、石油和化工等方面的机械产品，在加强检测同时注重产品质量的评价，确保每一件产品都是合格的。在工业发达国家已从一般无损评价发展到自动无损评价，采用计算机来进行检测和评价，尽可能减少人为因素的影响，这在超声检测的发展中成效突出，例如钢轨探伤车。这种发展趋势促使无损检测人员应具有更广的知识面，更深厚的基础理论和更高的综合分析能力。二、常用无损探伤方法*无损探伤是无损检测（包括探伤、测量、评价）的一个重要组成部分，它是对材料、工件或组件进行非破坏性检测和分析，以发现材料和构件中非连续性宏观缺陷（如裂纹、夹渣、气孔等）为主要目的的检验。无损探伤的方法种类较多，据美国国家宇航局调研分析，认为可分六大类约7

7、0余种，但在实际应用中较普遍的为超声探伤、射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤五种常规方法，除此之外，还有红外监测、声振检测、激光全息摄影、微波探伤、同位素射线示踪等非常规探伤技术。鉴于超声波探伤在目前占有举足轻重的地位，本书将在后面予以重点介绍，以下针对其它几种常规探伤简要介绍基本原理、主要特点和适用场合。（一）射线探伤（RT）射线通常指射线、射线、射线、射线和中子射线等，其中，射线、射线和中子射线因易于穿透物质而在产品质量检测中获得了广泛应用，工业应用中的射线探伤技术大体上可以分为：射线照相探伤技术、射线实时成相探伤技术、射线层析（CT）探伤技术等，常规的射线探伤技术一般指射线照相探伤技

8、术（以下均以此技术介绍），其基本原理（图11）：射线在穿过物质的过程中，会受到物质的散射和吸收作用，因物体材料、缺陷和穿透距离的不同，射线强度将产生不同程度的衰减，这样，当把强度均匀的射线照射到物体的一侧，使透过的射线在物体另一侧的胶片上感光，把胶片显影后，得到与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不同的图像，即射线底片。通过对图像的观察分析，最终确定物体缺陷的种类、大小和分布情况。射线探伤适用于体积形缺陷探测。如气孔、夹碴、缩孔、疏松等，对片形缺陷检测较难。图11（1T1）缺陷的射线照相（二）磁粉探伤（MT）磁粉探伤是指把钢铁等铁磁性材料磁化后，利用缺陷部位所发生的磁极吸附磁粉的特性，显示缺陷位置

9、的方法。把一根中间有横向裂纹的强磁性材料试件进行磁化后（图12），可以认为磁化的材料是许多小磁铁的集合体，在没有缺陷的连续部分，由于小磁铁的N、S磁极互相抵消，而不呈现出磁极，但在裂纹等缺陷处，由于磁性的不连续将呈现磁极，在缺陷附近的磁力线绕过空间出现在外面，此即缺陷漏磁，缺陷附近所产生的称作为缺陷的漏磁场，其强度取决于缺陷的尺寸、位置及试件的磁化强度等，这样，当把磁粉散落在试件上时，在裂纹处就会吸附磁粉，称为缺陷磁粉迹痕，由此可以发现缺陷的部位。磁粉探伤仅适用于铁磁材料的表面或近表面缺陷的检测，其探伤灵敏度高低受试件表面光洁度、缺陷形状和取向、磁化方法和范围等影响。磁粉探伤能确定缺陷的位置、

10、大小和形状，但对缺陷深度确定较难。磁粉探伤的方法可分为连续法和剩磁法两种。图12 磁场的形成（三）渗透探伤（PT）渗透探伤是指将溶有荧光染料（荧光探伤）或着色染料（着色探伤）的渗透液施加在试件表面，渗透液由于毛细作用能渗入到各型开口于表面的细小缺陷中，此时清除附着在表面的多余渗透液，把工件表面多余的渗透液清洗干净，但不得把已深入缺陷内的渗透液清洗掉，然后经干燥和施加显像剂后，在黑光或白光下观察，缺陷处可分别相应地发出黄绿色的荧光或呈现红色，从而能够用肉眼检查出试件表面的开口缺陷。渗透探伤的基本步骤见图13。渗透探伤除荧光渗透探伤和着色渗透探伤方法外，还有滤出粒子探伤法，氪气体渗透成像等。渗透探

11、伤适用于检测金属和非金属材料表面开口的裂纹、折叠、疏松、针孔等缺陷。它能确定缺陷的位置、大小和形状，但难于确定其深度，不适用于探测多孔性材料及材料内部缺陷。图13 渗透探伤的基本操作过程（四）涡流探伤（ET）涡流探伤是将通有交流电的激励线圈靠近某一导电试件（图14），由于电磁感应作用，进入试件的交变磁场可在试件中感生出方向与激励磁场相垂直的、呈旋涡状流动的电流（涡流），此涡流产生磁场会影响原磁场的变化，从而引起线圈阻抗的变化，通过对线圈阻抗变化的测量，就可得知试件中产生的涡流状况，从而获悉与试件有关的一些参量。当试件内有缺陷时，涡流因流动途径的变化，使涡流磁场也相应变化，经试验线圈检出异常磁场

12、的变化量，可获得缺陷的信息。由于涡流是交流电，具有集肤效应，在导电试件的表面较多，随着涡流向试件内部的深入，电流按指数函数而减少，因此，涡流探伤主要适用于金属和石墨等导电材料的表面和近表面缺陷，通常能够确定缺陷的位置和相对尺寸，不适用于非导电材料的缺陷检测。图14（1T4）涡流的产生以上介绍了四种常用探伤方法，超声波探伤将在后面详细叙述。在实际应用当中，射线探伤和超声波探伤适合于内部缺陷探测，而磁粉、渗透、涡流探伤则适合于表面缺陷探测，它们各有其优越性，选择哪一种探伤方法进行无损检测，必须结合缺陷具体情况合理配合使用，才会收到更好的效果。几种探伤方法的比较见表11。表11 五种常规无损探伤方法

13、比较项目探伤方法优 点缺 点适 用 范 围射线1适用于几乎所有材料2探伤结果（底片）显示直观、便于分析3探伤结果可以长期保存 4探伤技术和检验工作质量可以监测 1检验成本较高2对裂纹类缺陷有方向性限制3需考虑安全防护问题（如、射线的传播）检测铸件及焊接件等构件内部缺陷，特别是体积型缺陷（即具有一定空间分布的缺陷），磁粉1直观显示缺陷的形状、位置、大小2灵敏度高，可检缺陷最小宽度约为1m3几乎不受试件大小和形状的限制。4检测速度快、工艺简单、费用低廉5操作简便、仪器便于携带1只能用于铁磁性材料2只能发现表面和近表面缺陷3对缺陷方向性敏感4能知道缺陷的位置和表面长度，但不知道缺陷的深度检测铸件、锻

14、件、焊缝和机械加式零件等铁磁性材料的表面和近表面缺陷（如裂纹）渗透1设备简单，操作简便，投资小2效率高（对复杂试件也只需一次检验）3适用范围广（对表面缺陷，一般不受试件材料种类及其外形轮廓限制）1只能检测开口于表面的缺陷，且不能显示缺陷深度及缺陷内部的形状和尺寸2无法或难以检查多孔的材料，检测结果受试件表面粗糙度影响3难于定量控制检验操作程序，多凭检验人员经验、认真程度和视力的敏锐程度用于检验有色和黑色金属的铸件、锻件、粉末冶金件、焊接件以及各种陶瓷、塑料、玻璃制品的裂纹、气孔、分层、缩孔、疏松、折叠及其它开口于表面的缺陷 涡流1适于自动化检测（可直接以电信号输出）2非接触式检测，无需耦合剂且

15、速度快3适用范围较广（既可检测缺陷也可检测材质、形状与尺寸的变化等）1只限用于导电材料2对形状复杂试件及表面下较深部位的缺陷检测有困难，检测结果尚不直观，判断缺陷性质、大小及形状尚难 用于钢铁、有色金属等导电材料所制成的试件，不适于玻璃、石头和合成树脂等非金属材料超声波1适于内部缺陷检测，探测范围大、灵敏度高、效率高、操作简单2适用广泛、使用灵活、费用低廉1探伤结果显示不直观，难于对缺陷作精确定性和定量2一般需用耦合剂，对试件形状的复杂性有一定限制 可用于金属、非金属及复合材料的铸、锻、焊件与板材第二节 超声波探伤基础超声波探伤是依据定向辐射超声波束在缺陷界面上产生反射或使透过声能下降等原理，

16、通过测量回波信息和透过声波强度变化来指示伤损的一种方法。一、超声波一般知识人们日常所听到的各种声音，是由于各种声源（如演奏小提琴时，声源即为被擦动的那根弦）的振动通过空气等弹性介质传播到耳膜引起的耳膜振动，牵动听觉神经，产生听觉。声源的振动有快有慢，通常用每秒内的振动次数即“频率”来衡量，单位为“赫兹”（符号为Hz），必须指出，只有当频率在一定范围内的振动才能引起听觉。人们把能引起听觉的机械振动称为声波，频率大致在20Hz20kHz（即20000Hz，1kHz1000Hz）。频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20kHz的机械波称为超声波（用于探伤的超声波频率范围为0.225MHz，其

17、中最常用的频段为0.510MHz）。生活当中，人耳听不到超声波，但蝙蝠、秋虫和海豚等却能听见并可用超声波传递信息。尤其是蝙蝠，它能发射超声脉冲，并能接受和识别从电线等障碍物或昆虫等反射回来的波，因此它在飞行时不会碰撞障碍物。超声波探伤大多采用的就是像蝙蝠这样的脉冲反射形式，这种反射波又叫回波。超声波探伤可检查金属材料、部分非金属材料的表面和内部缺陷。如检查锻件中的白点、裂纹、夹渣、分层；非金属材料中的气泡、分层和粘合层中的粘合不良；焊缝中裂纹，未焊透、夹渣、气孔以及管棒和锻件中与表面成一定角度的缺陷。因此，它被广泛地应用于无损探伤。（一）超声波探伤的优、缺点1超声波探伤的优点（1）指向性好 超

18、声波波长很短，像光波一样，可以定向发射，因而能方便、准确地对缺陷定位。（2）穿透力强 超声波能量高，在大多数介质中传播时能量损失小，在一些金属材料中传播时，其穿透能力可达数米。（3）灵敏度高 一个存在于钢中的空气分层厚度为106 mm，反射率可超过21%，当分层厚度在105 mm以上时，反射率可超过94%。（4）适用面广 可检测金属、非金属、复合材料等多种材料制件的检测；采用多种波型以及各种探头作不同方向的探测，能探出工件内部和表面各种取向的缺陷。（5）高效低价 检测速度快，在较短的时间内就可完成对工件的检测，仅耗损少量电能和耦合剂。2超声波探伤的缺点（1）检测结果受人为影响 对试件中缺陷的发

19、现与评价，主要取决于探伤人员对仪器的调节和判断。（2）探测面状态影响检测 探测表面要求制备，不良的探测面影响伤损检测灵敏度。（3）工件状态影响检测结果 工件形状过于复杂，材料晶粒和组织不均匀对探伤结果均有一定的影响。（4）定量精度差 探测出缺陷的当量或延伸度与实际缺陷大小均有一定的误差。（二）超声波的产生人们把声源振动在介质（如空气等）中的传播过程，称为波动，简称波。波是物质的一种运动形式，可分为电磁波和机械波两类。电磁波是交变电磁场在空间的传播过程，如无线电波、红外线等，而机械波是指机械振动在弹性介质中的传播过程，如水波、超声波等。产生机械波需要两个必要条件：一是要有作机械振动的振源；二是要

20、有能传递机械振动的弹性介质。探伤作业中，超声探头就是产生超声波的振源，原则上凡是能将其它形式能量转换成超声振动方式能量的方法都可以产生超声波，如机械方法、热效应法、磁伸缩法和电磁声法，在超声波探伤中应用最广的是利用某些压电材料（石英、锆钛酸铅等）的压电效应，来实现超声波的发生和接收。必须注意的是，超声波在传播过程中，实际上只是振动能量的传播，并没有产生物质的迁移，介质质点本身仅限于平衡位置附近振动。（三）超声波的类型超声波的分类方法很多，下面介绍几种常见的分类方法：1按质点的振动方向分类根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向不同，可将超声波分为纵波（压缩波）、横波（剪切波）、表面波（瑞

21、利波）、兰姆波等。它们的比较如表12所示。表12 几种波的比较波的类型简图质点振动特点传播介质应用纵波L介质质点振动方向平行于波的传播方向固体、液体 和气体钢板、锻件 探伤等横波S介质质点振动方向垂直于波的传播方向固体焊缝、钢管 探伤等表面波R在介质表面传播时介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向固体钢板、锻件、 钢管探伤等兰姆波对称型（S型）薄板中心质点作纵向运动，上下表面质点作相位相反并对称于中心的椭圆运动固体（厚度与波长相当的薄板）薄板、薄壁钢管（）非对 称型 （A型）薄板中心质点作横向运动，上下表面作相位相同的椭圆运动固体（厚度与波长相当的薄板）薄板

22、、薄壁钢管（）2按振动持续时间分类根据波源振动持续时间的长短，超声波可分为连续波和脉冲波两种（图15）。其中连续波是指波源持续不断地振动所辐射的波，常用于穿透法探伤和共振法测厚。而脉冲波则指波源振动持续时间很短（微秒级，1106）、间歇辐射的波，超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。图15 连续波与脉冲波3按波的形状分类波形是根据波阵面的形状来区分的，所谓波阵面，是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点联成的面。某一时刻波动所到达的空间各点所联成的面称为波前（波前是最前面的波阵面），任一时刻，波前只有一个。根据波阵面形状的不同，波又可以分为三种：平面波、柱面波和球面波（图16），它们的特性见表13

23、。图16 超声波波形表13 不同波形分类及特性波 形特 性平面波1无限大平面（即波长与声源尺寸相比可忽略不计）作谐振动时，在各向同性的弹性介质中传播的波2如不考虑介质吸收波的能量，声压不随与声源的距离而变化球面波1声源为点状球体，波阵面是以声源为中心的球面2声强与距声源距离的平方成反比柱面波1声源为一无限长的线状直柱，波阵面是同轴圆柱面2声强与距声源的距离成反比（四）超声波的基本参数1振幅（A） 指振动质点偏离平衡位置的最大距离。2频率（） 振动质点单位时间（通常指1秒，以下同）内围绕平衡位置完成全振动的次数称为振动频率，其数值与波动频率相等。波动频率是指波动过程中任一给定质点在单位时间内通过

24、完整波的个数。单位为赫兹（Hz）。在实际探伤中往往会遇到工作频率和重复频率两个概念。工作频率是指探头发射的超声波频率；重复频率是指探头每秒钟向试件发射超声波的次数。为了提高探伤速度，一般要求重复频率越高越好，但过高的重复频率会导致发射和接收间的干扰，产生幻象回波，因此，重复频率应根据被检工件的大小，一次声程所需要的时间，仪器接收和发射超声波的能力，以及探伤速度等多方面因素决定。3周期（T） 指振动质点完成一次全振动所需要的时间。单位为秒（）。周期与频率的关系式：4波长（） 同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长。波源或介质中任一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离。单位为毫

25、米（mm）或米（m）。5声速（C） 声波在弹性介质中，单位时间内所传播的距离，也可称为波速。单位为米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。波长、声速和频率之间的关系式：声速（C）与介质的弹性模量和介质的密度有关，对于一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同介质有不同的声速，介质的弹性模量愈大，密度愈小则声速愈大，对液体介质来说，当介质温度变化时，其容变弹性模量和密度会发生变化，因而声速也随着变化。另外，超声波波型不同时，介质弹性变形形式不同，声速也不一样。一般来说，在同一种固体材料中（由于液体和气体介质只能传播纵波，因而不存在各种波型的不同声速问题），纵波声速（CL）大于横波声速

26、（CS），横波声速（CS）又大于表面波声速（CR）。表14 为一些常用材料的声速和波长。表14 一些常用材料的声速和波长材料声速（km/s）纵波波长（mm）横波波长（mm）纵波横波2MHZ2.5MHZ2MHZ2.5MHZ钢5.93.232.952.361.6151.292有机玻璃2.731.431.371.090.7150.572尼龙10102.41.20.96水1.480.740.59油1.40.700.56空气0.340.170.14（五）超声场及其特征值1超声场概述通常把充满超声波的空间部分称为超声场。圆盘声源（指一种圆平面状的振子）辐射的纵波声场轴线上的声压分布规律如图17所示。图17

27、（1T7） 圆盘声源声束轴线上的声压分布由图可知，波源附近的轴线上声压上下起伏变化，存在若干个极大极小值。距波源的距离愈近，声压极大极小值的点就愈密。声学上把由子波的干涉在波源附近的轴线上产生一系列声压极大极小值的区域称为超声场的近场区。波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用N表示。直探头的近场区长度可以用下式来计算：式中 D为圆形压电晶片的直径；为超声波波长；A方晶片（或矩形晶片）面积。斜探头的近场区长度（N）值计算时，由于声束折射变化（图18），所以先计算出晶片在折射后的有效面积，然后再进行换算，斜探头的近场区长度可以用下式来计算：式中 A0晶片折射后的有效面积；为超声

28、波波长；A晶片面积；、折射角、入射角。图18 斜探头近场区示意图由于近场区存在声压极大极小值，处于声压极大值处的较小缺陷可能回波较高，而处于声压极小值处的较大缺陷可能回波较低，这样就可能引起误判，所以超声探伤中总是尽量避开这一区域。大于近场区长度（xN）的区域称为远场区。在远场区中，轴线上的声压随距离增加而单调减少，在距离x3N时，圆盘源声束轴线上的声压与球面波的声压相差已甚小（图17中虚线）。以上讨论的是波源轴线上的声压分布情况，对超声场中不同截面上的声压来说，其分布规律在声程（X）为0.5N的截面中心声压为0（图19），中心附近的声压较高，而XN的各截面中心声压最高，偏离中心的声压逐渐降低

29、，且同一横截面上的声压的分布是完全对称。实际检测中，测定探头波束轴线的偏离和横波斜探头的K值时，应选择在2N以外的范围进行。图19（1T9） 超声场纵截面声压分布2波束指向性与指向角（0）日常使用灯泡照明时，灯泡的光亮总是朝各个方向发散，而手电筒却能射出一束范围狭窄亮度较强的光。高频超声与低频可闻声音相比，就好比手电筒与灯泡一样，前者容易形成窄小的声束。以圆形平板振动声源为例，只要平板直径（D）与声波波长（）符合恰当的比例（如平板直径为7.5mm，而声波频率为100万赫），就能得到如图110所示的窄小的波束，像这种探头发出的超声波能量集中在一定区域并向一个方向辐射的现象称为波束指向性。晶片发出

30、的超声波束如手电筒发出的光柱类似，在靠近晶片较短的范围看作是笔直传播，经过一段距离后，按一定角度扩展辐射，非扩散的区域为近场长度（N）的1.67倍，大于1.67 N为扩散区，其优劣常用指向角（0）表示。图110 超声场主声束和副声束超声波的能量主要集中在20以内的锥形区域内，此区域称为主声束，主声束边缘声压为零。主声束旁侧的波束为副声束，副声束能量低，传播距离小。对圆盘声源辐射的纵波声场，其声束声束指向角（0）计算式如下：式中 D为晶片的直径；为超声波波长。上式可知，指向角0与比值有关，相同条件下，若晶片直径（D）愈大或波长（）愈短（频率愈高），则指向角（0 ）就愈小，波束指向性就愈好，超声波

31、能量集中，探伤灵敏度高，分辨率好，定位精确，不过近场长度（N）也将愈大。边长为a的方晶片声束指向角计算式：需要指出的是，上述分析主要建立在圆盘声源辐射的纵波声场基础上，对于横波发射声场（常用的超声波横波由斜探头得到），其近场区长度和指向角计算相对更复杂一些。3超声场的特征值描述超声场的特征值主要有声压、声强和声阻抗。（1）声压 超声场中某一点某一瞬时所具有的压强（P1）与该点没有超声波存在时的静态压强（P0）之差称为该点的声压（P）。单位为帕斯卡（a，1Pa1 N/m2）。在超声场内，各点的声压并不一样，通常某一点的声压是一个随时间按正弦函数周期变化的量，其幅值与介质密度、声速和频率成正比。由

32、于超声波的频率很高，远大于声波的频率，故超声波的声压也远大于声波的声压。 （2）声阻抗 介质中某一点的声压与该点的振动速度之比称为声阻抗（Z）。单位为kg/（m2），数值上声阻抗等于介质密度（）与声速（C）的乘积，即，它表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。由于固体、液体和气体三者的声速和密度相差很大，因此，它们的声阻抗大不相同，即使在同一固体介质中，由于纵波、横波和表面波的声速（C）不同，因此它们的声阻抗也不一样。（3）声强 单位时间内，垂直通过单位面积的声能量称为声强（）。常用单位为erg/（cm2s）或W/cm2 。对于平面余弦波，其平均声强（）为：由于声强的变化范围非常大，数量级可以相

33、差很多，如人耳可闻的最弱声强（称为标准声强）为0=1016W/cm2，而人耳可忍受的声强达104W/cm2。两者相差1012倍，显然不便于比较和计算。因此常用两个声波声强之比的常用对数值来表示两者的关系，称为声强级（IL）。单位为贝尔（BeL），即IL=lgI/I0。在实用上，贝尔这个单位太大，因而常取其1/10，单位为分贝（dB）。即IL=10lgI/I0。由于声强与声压的平方成正比，所以有IL=10lg（I/I0）=20 lg（P1/P2 ）（dB）。对于放大线性良好的超声波探伤仪，示波屏上波高与声压成正比，即任意两波高之比H1/H2等于相应的声压之比P1/P2，两者的分贝差为：二、超声波

34、的传播特性（一）超声波的叠加、干涉、散射1波的叠加当几列波在同一介质中传播并相遇时，相遇处质点的振动是各列波引起的分振动的合成，任一时刻该质点的位移是各列波引起的分位移的矢量和。相遇后的各列波仍保持它们原来的特性（频率、波长、振动方向等）不变，并按照各自原来的传播方向继续前进，好像在各自的传播过程中没有遇到其它波一样，称为波的叠加原理。2波的干涉两列频率和振动方向相同、相位差恒定的波相遇时，由于波的叠加作用，使某些地方振动始终互相加强，而另一些地方振动始终互相减弱或完全抵消，这种现象称为波的干涉。能产生干涉现象的波称为相干波。相干波的波源称为相干波源。两列振幅相同的相干波，在同一直线上沿相反方

35、向传播时互相叠加而成的波称为驻波。3波的散射超声波在介质中传播时遇到小于波长的障碍物或其它不连续性，而使超声波向各个不同方向产生无规律反射、折射或衍射的现象称为散射。散射的结果使声能分散、穿透力降低和引起不规则的草状杂波，导致信噪比及灵敏度下降。散射现象的强弱取决于材料内部组织、入射波波长和异质界面的平整度。当被检工件为铸件、探测面或反射面不平整、工件内存在与波长相当的气孔和夹杂，散射现象尤为严重。钢轨探伤中遇有轨面擦伤，轨底（轨颚）锈蚀，以及铝热焊焊缝的晶粒粗大等引起灵敏度下降、杂波增多，这都是散射现象。（二）惠更斯原理、和波的衍射（绕射）*1惠更斯原理惠更斯在波动的起源和波动在弹性介质中传

36、播的规律基础上，总结了通过障碍物上小孔所形成新的波动与孔前的波动状态有关这一实验现象（图111），并提出了著名的惠更斯原理：介质中波动传到的各点都可看作是发射子波的波源，在其后的每一时刻，这些子波的包络就决定新的波阵面。图111 障碍物上小孔成为新波源用点振动源波阵面的包络来解释波动现象的惠更斯原理是介于几何声学和波动理论之间的方法，是一种工程上实用的方法，这对讨论超声场、超声波指向性及缺陷声压反射率计算和波的传播问题，具有重要的指导意义。2波的衍射（绕射）波在传播过程中遇到障碍物时能绕过其边缘并继续前进的现象称为波的衍射或绕射。超声波在传播过程中遇到障碍物时，一方面产生反射和折射，另一方面产

37、生绕射（图112）。绕射现象取决于障碍物尺寸（D）和波长（）之比。当D时，阴影区较大。图112 绕射现象示意图（三）超声波的反射、折射和波型转换超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，部分能量反射回原介质内，称反射波，另有部分能量透过界面进入另一种介质，称透射波。界面上这种声能（声压、声强）的分配和传播方向的变化都遵循一定的规律。在工业生产中常运用超声透射法对产品进行无损探测。超声波发生器发射出的超声波能够透过被检测的样品，被对面的接收器所接收（图113a）。如果样品内部有缺陷，超声波就会在缺陷处发生反射（图113b），这时，对面的接收器便收不到或者不能全部收到发生器发射出的

38、超声波信号。这样，就可以在不损伤被检测样品的情况下，检测出样品内部有无缺陷。a b图113 超声探伤1超声波垂直入射单层界面时的反射和透射当超声波从声阻抗为Z1介质垂直入射到声阻抗为Z2的介质，其界面为足够大的单一光滑平界面时，则服从表15所示的反射和透射规律：表15 平面波垂直入射到单一平界面的反射与透射规律项 目概 念表 达 式反射、透射示意简图声压反射率（r）界面上反射波声压Pr 与入射波声压0 之比声压透射率（t）界面上透射波声压t 与入射波声压0 之比 声压往复透射率（P）透射声波无损失（如固/气界面产生全反射）地反射返回到接收处的声压Pa与入射波声压0 之比声强反射率 （R）界面上

39、反射波声强与r 与入射波声强0 之比声强透射率（I）界面上透射波声强t 与入射波声强0 之比表15说明，超声波垂直入射到平界面上时，声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。表中公式不仅适用于纵波入射，也适用横波入射（但必须注意在固液与固气界面上，横波将全反射）。一般情况下界面两侧的声阻抗有以下三种表现：（1）当Z1Z2时，即界面两侧的声阻抗近似相等，如普通碳钢焊缝的母材与焊接金属之间的声阻抗相差很小，一般约为1%，这时可以得到r0，t1。显然，这种情况下，声压几乎全透射，无反射。因此，在焊缝探伤中，若母材与焊接金属结合面没有任何缺陷，就不会产生界面回波。（2）当Z1 Z2时，如钢机油

40、界面，计算可得反射率为95%，透射率5%，所以在试块上调试灵敏度时，如反射体（平底孔或横通孔）内渗入机油，会导致声能的透射而使反射回波略有下降。（3）当Z1 Z2时，如钢空气界面，计算可得： r -1（负值表示反射波相位与入射波相位相反），t0，R1，T0。显然，此时声压几乎全反射而无透射。因此，实际探伤中，探头与工件间或探头与保护膜间如不施加耦合剂，则形成固（晶片）气界面，超声波将无法进入工件。2超声波垂直入射双层界面时的反射和透射超声波探伤中，经常会遇至垂直入射双层平行界面的情况，如复合板的探伤，工件中片状缺陷的检测，探头与保护膜间的耦合，以及钢轨擦伤引起表面剥离层等，虽然声波通过每一层界

41、面时仍服从反射和透射规律，但由于薄层中声波的叠加，使反射和透射规律更为复杂。（1）工件中夹有片状缺陷（Z1=Z3Z2），它的声压反射率与缺陷厚度有关，当厚度为半波长的整数倍时，缺陷的反射声压很弱，呈现半波透声现象。为了提高缺陷声压反射率，可采取改变探伤工作频率，增加缺陷的反射声压，有利于缺陷检测，但改变后的频率不能是原频率的整数倍。（2）钢轨擦伤引起的剥离层若厚度大，超声波在剥离层往复传播一次所用时间大于脉冲宽度，则能在荧光屏上显示多次反射波，如果剥离层的厚度很小，而脉冲宽度较大时，多次反射波会重叠在一起，形成宽而杂的回波。（3）探头与保护膜之间的耦合层（Z1Z2Z3），要实现良好的透声性，就

42、应注意耦合层材料的声阻抗和厚度的选择，一般，厚度为1/4波长的奇数倍透声性最好。如选择不恰当的耦合层或是在探头和保护膜之间加的凡士林过厚都会使探伤灵敏度下降。3超声波倾斜入射时的反射、折射和波型转换当超声波倾斜入射到异质界面时，除产生反射、折射（透射）现象以外，还往往伴随着波型转换现象，即产生与入射波不同类型的反射波和折射波。这种现象只发生在斜入射且介质为固体（因为液、气体介质中只能传播纵波）的场合，并与界面两侧介质的状态有关。具体规律详见表16所示。表16 超声波斜入射时的反射、折射和波型转换波型图 示规律（表达式）说 明一 般 情 形1指不考虑有波型转换的入射情况。2、波的入射角、反射角和

43、折射角。 、超声波分别在两种介质中的传播速度。3该表达式为超声波倾斜入射时的反射和折射定律，又称斯涅尔定律。 纵 波 入 射1以固固界面分析，两种介质中都有波型转换，即经界面反射和折射后，不仅仍有纵波，还出现了横波。2CL1、CL2两介质中的纵波声速。C1、CS2两介质中的横波声速。、纵、横波反射角。、S纵、横波折射角。纵波入射角。3若CL2 CL1 ，则=90时对应的纵波入射角称为第一临界角，用表示。4若CS2 CL1 ，则S = 90时对应的纵波入射角称为第二临界角，用表示。横 波 入 射1以固固界面分析，两种介质中都有波型转换，即经界面反射和折射后，不仅仍有横波，而且出现了纵波。2S 横

44、波入射角。3当= 90时，对应的横波入射角称为第三临界角，用 表示。（1）临界角的特点由表16通过计算可得：arcsin ；arcsin ； = arcsin 。若第一介质中的纵波入射角L，则第二介质中既存在折射横波，又存在折射纵波。若L=，则第二介质中只存在折射横波，不存在折射纵波。这就是常用横波探头的设计原理和依据。若L，则第二介质中既无折射纵波，也无折射横波，但这时在第二介质表面形成表面波。这就是常用表面波探头的设计原理和依据。只有当第一介质为固体时，才会有第三临界角。（2）纵波入射有机玻璃与钢界面纵波从有机玻璃斜入射击至钢中的折射率和入射角关系见图114。由图可见，入射角小于28时，钢

45、中有折射纵波和折射横波；当入射角28 62时，钢中只有折射横波。图114 有机玻璃与钢的折射率和入射角之间关系纵波从有机玻璃斜入射击至钢中的往复透过率见图115。由图可见，当入射角L为3055 （折射角S为3575 ）时，折射横波声压往复透过率较大，最大为30%，在一定条件下入射角为30 探头比50 探头的往复透过率高。图115 有机玻璃与钢界面往复透过率（四）超声波在特殊部位的反射1端角的反射超声波在两个相互垂直平面构成的直角内反射称为端角反射（图116）。每次反射过程都遵循超声波的反射定律，反射波与入射波波型相同时，以平行于入射方向返回，反射率的大小与入射角和入射波型有关。 无波型转换 有波型转换图116 端角反射示意图纵波入射时，除入射角很小（0附近）或入射角很大（90附近