超声波检测理论基础精选课件.ppt
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1、关于超声波检测理论基础关于超声波检测理论基础2022/12/9第一页,本课件共有119页2022/12/9第一章第一章 绪论绪论l1.1超声检测的定义及作用超声检测的定义及作用l超声检测一般是指超声波与工件相互作用,就反射、透射和散射的波进行研究,对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征,并进而对其特定应用性进行评价的技术。l特种设备行业中,超声检测通常指宏观缺陷测量和材料厚度测量。l超声检测是五大常规无损检测技术之一。l作用:实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率。l设备维护中不可或缺的手段之一。第二页,本课件共有119页2022/12/91.2超
2、声检测的基础知识超声检测的基础知识l1.2.1次声波、声波和超声波次声波、声波和超声波l机械波是机械振动在弹性介质中的传播。如水波、声波、超声波l声波是在弹性介质中的传播的机械纵波,频率在2020000Hzl频率低于20Hz的声波不能被人听到,称为次声波l频率高于20000Hz的声波人耳也听不到,称为超声波。探伤用超声波频率在(0.510)MHz第三页,本课件共有119页2022/12/9超声波的特点超声波的特点l超声波波长很短,这决定了超声波具有一些重要特性,使其能广泛应用于无损检测。l1、方向性好 超声波具有像光波一样定向束射的特性。l2、穿透能力强 对于大多数介质而言,它具有较强的穿透能
3、力。例如在一些金属材料中,其穿透能力可达数米。l 3、能量高 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能量。l 4、遇有界面时,将产生反射、折射和波型的转换。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,使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。l5、对人体无害。第四页,本课件共有119页2022/12/91.2.2超声检测工作原理超声检测工作原理l原理:原理:l1、声源产生超声波,采用一定方式进入工件l2、超声波在工件中传播,与工件材料和其中缺陷相互作用,传播方向或特征被改变l3、改变后的超声波通过检测设备被接收,并对其处理分析l4、根据接收的超声波的特征,评
4、估工件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特征l通常用来发现缺陷和用来评估的基本信息:通常用来发现缺陷和用来评估的基本信息:l1、是否存在来自缺陷的超声波信号及其幅度l2、入射声波与接收声波之间的传播时间l3、超声波通过材料后能量的衰减第五页,本课件共有119页2022/12/91.2.3超声检测方法的分类超声检测方法的分类l1、按原理:脉冲反射法、衍射时差法、穿透法、共振法l2、按显示方式:A型显示、超声成像显示l3、按波型:纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法l4、按探头数目:单探头法、双探头法、多探头法l5、按探头与工件的接触方式:接触法;液浸法、电磁耦合法l6、按人工干预的程度:手工检
5、测、自动检测第六页,本课件共有119页2022/12/91.2.4超声检测的优点和局限性超声检测的优点和局限性l1、优点、优点l适用于金属、非金属和复合材料等多种材料的无损检测l穿透力强,多较大厚度工件内部缺陷进行检测l缺陷定位较准确l面积型缺陷的检出率高l灵敏度高l检测成本低、速度快、设备轻便、使用方便,对人和环境无害第七页,本课件共有119页2022/12/91.2.4超声检测的优点和局限性超声检测的优点和局限性l2、局限性、局限性l对工件中的缺陷进行精确的定性和定量仍需做深入研究l对具有复杂形状或不规则外形的工件检测困难l缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响l工件材质和晶粒度对检测
6、有较大影响l常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观,检测结果无直接见证记录第八页,本课件共有119页2022/12/9第二章第二章 超声检测的物理基础超声检测的物理基础l2.1机械振动和机械波机械振动和机械波l2.1.1机械振动l物体或质点在某一平衡位置附近做来回往复的运动,称为机械振动。l产生的必要条件:物体一离开平衡位置就会受到回复力的作用;阻力要足够小。l振幅:振动物体离开平衡位置的最大距离,A。l周期:当物体作往复运动时完成一次全振动所需要的时间,T(s)。l频率:振动物体在单位时间内完成全振动的次数,f(Hz)1KHz=103Hzl1MHz=106Hz lT=1/f第九页,本课
7、件共有119页2022/12/9谐振动谐振动l物体(或质点)在受到跟位移大小成正比,而方向总是指向平衡位置的回复力的作用下的振动。l位移随时间的变化符合余弦定理(或正弦)规律的振动形式称为谐振动。lY=Acos(t+)=2f=2/Tl平衡位置势能为零,动能最大,位移最大位置势能最大,动能为零。l只有弹力或重力做功。第十页,本课件共有119页2022/12/92.1.2机械波机械波l振动的传播过程称为波动。l机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。l必备条件:l1、要有作机械振动的波源l2、要有能传播机械振动的弹性介质第十一页,本课件共有119页2022/12/9机械波的主要物理量机械波的主要物
8、理量l1、声速c:单位时间内,超声波在介质中传播的距离;l 超声波的速度就是声音的速度,即声在空气(15)中的速度是340米/秒,只不过它们的频率不同而已;超声波在20 的钢中是5 900米/秒;在铝中的传播速度为5100米/秒。l2、频率f: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;l3、波长: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;第十二页,本课件共有119页2022/12/9机械波的主要物理量机械波的主要物理量l4、周期T:声波向前传播一个波长距离时所需的时间;l5、角频率:l其中频率和周期是由波源决定的,声速与传声介质的特性和波型有关。第十三页,本课件共
9、有119页2022/12/92.2 波的类型波的类型l2.2.1按波型分类按波型分类l1、纵波、纵波L:介质中质点振动方向和波的传播方向平行的波。l压缩波l疏密波l承受压缩或拉伸l应力即可传播第十四页,本课件共有119页2022/12/92.2.1 按波型分类按波型分类l2、横波、横波S:介质中质点的振动方向和波的传播方向相互垂直的波。l切变波l剪切波l能承受剪切l应力才能传播第十五页,本课件共有119页2022/12/92.2.1 按波型分类按波型分类l3、表面波、表面波R:当介质表面受到交变应力作用时,产生沿介质表面传播的波。l瑞利1887年首提,又称瑞利波。介质表面的质点作椭圆运动。椭圆
10、的长轴垂直于波的传播方向,短轴平行于波的传播方向,介质质点的椭圆振动可视为纵波与横波的合成。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明,因此表面波又称为瑞利波(Rayleigh wave),常用R表示。l如采用表面波探伤只能发现工件的表面缺陷。一般只能发现距离工件表面两倍波长深度范围内的缺陷。第十六页,本课件共有119页2022/12/9表面波表面波第十七页,本课件共有119页2022/12/92.2.2 按波形分类按波形分类l波的形状是指波阵面的形状。l波线:用波线表示传播的方向l波阵面:将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面l波前:某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面称为波前
11、。l在各向同性介质中波线垂直于波阵面。在任何时刻,波前总是距声源最远的一个波阵面。波前只有一个,而波阵面可以有任意多个。第十八页,本课件共有119页2022/12/92.2.2 按波形分类按波形分类波线、波线、波前与波阵面波前与波阵面(a)平面波;平面波;(b)柱面波;柱面波;(c)球面波球面波 第十九页,本课件共有119页2022/12/92.2.2 按波形分类按波形分类l根据波阵面的形状(波形),可将超声波分为平面波、柱面波和球面波等。l平面波即波阵面为平面的波,而柱面波的波阵面为同轴圆柱面,球面波的波阵面为同心球面。当声源是一个点时,在各向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。l可以证
12、明,球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。当声源的尺寸远小于测量点距声源的距离时,可以把超声波看成是球面波。第二十页,本课件共有119页2022/12/92.2.3 按振动的持续时间分类按振动的持续时间分类l1、连续波、连续波l波源持续不变的振动所辐射的波。l2、脉冲波、脉冲波l波源振动持续时间很短,间歇辐射的波称为脉冲波。l通常是微秒数量级第二十一页,本课件共有119页2022/12/92.3 波的叠加、干涉和衍射波的叠加、干涉和衍射l2.3.1波的叠加波的叠加:几列波在空间某处相遇,则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成,在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。l相遇后各列
13、波的波长、频率、振动方向和传播方向都保持不变,波的叠加原理或者波的独立性原理。第二十二页,本课件共有119页2022/12/92 波的干涉波的干涉l两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇,介质中某些地方的振动互相加强,而另外一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫波的干涉现象。lA=(A21+A22+2A1A2cos2/)1/2l注意:l(1)当=n(n为正数)时,A=A1+A2,l(2)当=(2n+1)/2时,A=A1-A2.第二十三页,本课件共有119页2022/12/92.3.2 波的绕射波的绕射l1.惠更斯-菲涅尔原理l2.波的绕射(衍射)lTOFD成为可能l绕射能使
14、超声波在介质中顺利传播l绕射使小缺陷回波幅度显著下降,造成漏检l超声检测灵敏度约为/2第二十四页,本课件共有119页2022/12/92.4 超声波的传播速度超声波的传播速度l声速表示声波在介质中传播的速度,它与超声波的波型有关,还与介质的密度和弹性模量有关。声速是一个表征介质声学特性的重要参量。l2.4.1固体介质中的声速固体介质中的声速:纵波、横波和表面波的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的,而与频率无关,不同材料声速值有较大的差异。在给定的材料中,频率越高,波长越短。第二十五页,本课件共有119页2022/12/91.无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的声速l无限大固体介
15、质中的纵波声速:l无限大固体介质中的横波声速:第二十六页,本课件共有119页2022/12/91.无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的声速l无限大固体介质中的表面波声速:lCR=(0.87+1.12)/(1+)CSE-介质的杨氏弹性模量,介质的杨氏弹性模量,MPaMPa;G-介质的剪切弹性模量,介质的剪切弹性模量,MPaMPa;-介质的密度介质的密度-介质的泊松比介质的泊松比 00.5同一固体介质中,纵波声速同一固体介质中,纵波声速CL大于横波声速大于横波声速Cs,横波声速,横波声速Cs又大于又大于表面波声速表面波声速CR。对于钢材,。对于钢材,CL 1.8Cs,Cs1.1CR。第二十七页
16、,本课件共有119页2022/12/91.无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的声速l2.细长棒中的纵波声速CLbl3.声速和温度、应力、均匀性的关系l温度高,声速低l应力增加,声速增加(缓慢)l晶粒细,声速大第二十八页,本课件共有119页2022/12/92.4.2 液体、气体介质中的声速液体、气体介质中的声速l1.声速公式lC=(B/P)1/2l式中B容变弹性模量;P密度l2.液体介质中声速与温度的关系l水CL=1557-0.0245(74-t)2l其他,温度升高,B减小,声速降低第二十九页,本课件共有119页2022/12/92.4.3 声速的测量声速的测量l1.超声检测仪器测量法l(
17、1)检测仪器按时间刻度l(2)检测仪器按深度刻度l2.测厚仪测量法l(1)共振式测厚仪l(2)脉冲反射式测厚仪l3.示波器测量法第三十页,本课件共有119页2022/12/92.5 超声场的特征值超声场的特征值l2.5.1 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P0之差称为该点的声压,用p表示,单位为帕,Pa,第三十一页,本课件共有119页2022/12/92.5 超声场的特征值超声场的特征值l2.5.2声阻抗声阻抗Zl任一点的声压p与该处质点振动速度之比叫声阻抗Z,单位:g/(cm
18、2.s);kg/(m2.s)。声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下,介质的声阻抗越大,质点的振动速度就越小。l实验证明,气体、液体与金属之间的特性声阻抗之比大约为实验证明,气体、液体与金属之间的特性声阻抗之比大约为1:3000:80001:3000:8000。lZ=P/V=Cl一般材料随温度升高而Z降低。第三十二页,本课件共有119页2022/12/92.5 超声场的特征值超声场的特征值l2.5.3 声强声强I:在超声场的传播方向上,单位时间内垂直通过单位面积上的声能叫声强,用I表示,单位W/cm2。lI=cA22/2=ZV2/2=P2/2Zl超声波的声强和频率的平方成正比,
19、l同一介质中,超声波的声强和声压成正比。第三十三页,本课件共有119页2022/12/92.5 超声场的特征值超声场的特征值l2.5.4分贝和奈培分贝和奈培l分贝的概念分贝的概念l以引起听觉的最弱声强I0=10-16W/cm2为声强标准,在声学上称为“闻阈”,即f=1000Hz时引起人耳听觉的声强最小值。l将某一声强I与标准声强I0之比取常用对数得到二者相差的数量级,称为声强级,声强级的单位为贝尔B,即l =lg(I2/I1)贝尔(B)l在实际应用过程中,贝尔这个单位太大,常用分贝(dB)作为声强级的单位。第三十四页,本课件共有119页2022/12/92.5 超声场的特征值超声场的特征值第三
20、十五页,本课件共有119页2022/12/92.5 超声场的特征值超声场的特征值l在实际应用过程中,超声波的幅度或强度也用相同的方法即分贝表示,第三十六页,本课件共有119页2022/12/92.5 超声场的特征值超声场的特征值 目前市售的超声波探伤仪,其示波屏上波高与声压成正比,即任意两点的波高之比等于相应的声压之比,二者的分贝差实际检测时,常按此式实际检测时,常按此式计算超声波探伤仪示波计算超声波探伤仪示波频上任意两个波高的分频上任意两个波高的分贝差。贝差。第三十七页,本课件共有119页2022/12/92.5 超声场的特征值超声场的特征值l若对二者取自然对数,则其单位为奈培NP:l奈培与
21、分贝的关系为:第三十八页,本课件共有119页2022/12/92.6 超声波垂直入射到界面的反射和透射超声波垂直入射到界面的反射和透射l超声波在无限大介质中传播时,将一直向前传播,不改变方向。但遇到异介质界面(即声阻抗差异较大的异质界面)时,会产生反射和透射现象 当超声波垂直入射到足当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时,将够大的光滑平界面时,将在第一介质中产生一个与在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波,入射波方向相反的反射波,在第二介质中产生一个与在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。入射波方向相同的透射波。第三十九页,本课件共有119页2022/12/92.6.1 单一平界
22、面的反射率和透射率单一平界面的反射率和透射率l反射波声压反射波声压Pr与入射波声压与入射波声压P0的比值称为的比值称为声压反射声压反射率率r,透射波声压,透射波声压Pt和和P0的比值称为的比值称为声压透射率声压透射率t。l r和和t的数学表达式为:的数学表达式为:式中:式中:Z1、Z2分别为两种介质的声阻抗。分别为两种介质的声阻抗。第四十页,本课件共有119页2022/12/92.6.1 单一平界面的反射率和透射率单一平界面的反射率和透射率l声强反射率R和声强透射率T:R为反射波声强(Ir)和入射波声强(I0)之比;T为透射波声强(It)和入射波声强(I0)之比。声波垂直入射到平界面上时,声压
23、和声强的分配比例仅与界面两声波垂直入射到平界面上时,声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。侧介质的声阻抗有关。第四十一页,本课件共有119页2022/12/92.6.1 单一平界面的反射率和透射率单一平界面的反射率和透射率l在垂直入射时,界面两侧的声波必须满足两个边界条件:l(1)一侧总声压等于另一侧总声压,否则界面会发生运动;l(2)两侧质点速度振幅相等,以保持波的连续性。l上述超声波纵波垂直入射到单一平界面上的声压、声强与其反射率、透射率的计算公式,同样适用于横波入射的情况。但在固液、固气界面上,横波将发生全反射,这是因为横波不能在液体和气体中传播。第四十二页,本课件共有119
24、页2022/12/92.6.1 单一平界面的反射率和透射率单一平界面的反射率和透射率l几种情形的讨论:l(1)Z2Z1l(2)Z1Z2l(3)Z1远大于Z2l(4)Z1Z2第四十三页,本课件共有119页2022/12/92.6.2 薄层界面的反射率和透射率薄层界面的反射率和透射率l薄层界面薄层界面l在进行超声检测时,经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层,这些都可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透射问题。l 在两个界面上的反射和透在两个界面上的反射和透射射d2超超声声波波由由声声阻阻抗抗为为Z1的的第第一一介介质质入入射射到到Z1和和Z2的的交交界界面面,然然后后通通过过声声阻阻抗抗为为Z2的的第第二
25、二介介质质薄薄层层射射到到Z2和和Z3的的交交界界面面,最最后后进进入入声声阻阻抗抗为为Z3的的第第三三介介质质。当当然然在在有有三三层层介介质质时时,很很多多情情况况是是第第一一介介质质和和第第三三介介质质为为同同一一种种介介质质(超声波检测即是这种情况)(超声波检测即是这种情况)。第四十四页,本课件共有119页2022/12/92.6.2 薄层界面的反射率和透射率薄层界面的反射率和透射率l1.均匀介质中的异质薄层(Z1=Z3Z2)第四十五页,本课件共有119页2022/12/92.6.2 薄层界面的反射率和透射率薄层界面的反射率和透射率l由公式可知:l(1)半波透声层l(2)薄层厚度为1/
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