10现代测试技术超声检测技术.pptx

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1、第七章第七章 超声检测技术超声检测技术超声检测技术第1页/共101页第一节第一节 超声波超声波的的理论基础理论基础7.1超声检测的理论基础第2页/共101页一、什么是超声波一、什么是超声波7.1超声检测的理论基础n振动在弹性介质内的传播称为波动振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。简称波。n频率在频率在20 20 2102104 4 Hz Hz之间之间,声波声波;低于低于16 Hz16 Hz的，次声波的，次声波;高于高于2102104 4 Hz Hz，超声波。，超声波。n工业超声检测常用工作频率：工业超声检测常用工作频率：0.5 0.5 10MHz10MHz；较高频率用于细晶；较高频率用于细

2、晶材料和高灵敏度检测；较低频率常用于衰减较大的材料和粗晶材料材料和高灵敏度检测；较低频率常用于衰减较大的材料和粗晶材料的检测。的检测。第3页/共101页二、描述超声波的基本物理量二、描述超声波的基本物理量n声速声速：单位时间内，超声波在介质中传播的距离称为声速，用符：单位时间内，超声波在介质中传播的距离称为声速，用符号号“c”c”表示。表示。n频率频率：单位时间内，超声波在介质中任一给定点所通过完整波的：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，用符号个数称为频率，用符号“f”f”表示。表示。n波长波长：声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点之间：声波在传播时，同

3、一波线上相邻两个相位相同的质点之间的距离称为波长，用符号的距离称为波长，用符号“”表示。表示。n周期周期：声波向前传播一个波长距离时所需要的时间称为周期，用：声波向前传播一个波长距离时所需要的时间称为周期，用符号符号“T T”表示。表示。n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=2=2f f。n上述各量之间的关系为：上述各量之间的关系为：T=1/f=2T=1/f=2/=/c/c第4页/共101页三、超声波的特点三、超声波的特点7.1超声检测的理论基础n方向性好方向性好：超声波具有像光波一样定向束射的特性。：超声波具有像光波一样定向束射的特性。n穿透能力强穿透能力强

4、：对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例：对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。n能量高能量高：超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量：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。远大于声波的能量。n遇有界面时，超声波将产生遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的转换反射、折射和波型的转换：利用超声：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。工作的灵活性、精

5、确度得以大幅度提高。n对人体无害。对人体无害。第5页/共101页7.1超声检测的理论基础四、超声波的分类四、超声波的分类波型波型：介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系；：介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系；波形波形：波振面的形状；：波振面的形状；第6页/共101页 纵波纵波介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波；介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波；介质质点在交变拉压应力的作用下，质点之间产生相应的伸缩变形介质质点在交变拉压应力的作用下，质点之间产生相应的伸缩变形纵波传播时，介质的质点疏密相间，又称为压缩波或疏密波。纵波传播时，介质的质点疏密相间，又称为压缩

6、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。7.1超声检测的理论基础n按波型分类按波型分类直探头产生纵波直探头产生纵波第7页/共101页 横波横波介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向；介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向；由于介质质点受到交变切应力作用时，由于介质质点受到交变切应力作用时，产生切变形变，又称切变波；产生切变形变，又称切变波；只能在固体介质中传播，因为液体和气体介质不能承受切应力。只能在固体介质中传播，因为液体和气体介质不能承受切应力。7.1超声检测的理论基础斜斜探头产生纵波探头产生纵波第8页/共101页在同一介质中在同一介质中,纵

7、波声速比横波声速快纵波声速比横波声速快,纵波波长比横波波长短纵波波长比横波波长短.纵波与横波的应用特点纵波与横波的应用特点纵波的穿透能力比横波强纵波的穿透能力比横波强.横波常用于焊缝横波常用于焊缝检测检测对粗晶粒焊缝对粗晶粒焊缝检测检测,常用纵波斜探头常用纵波斜探头 横波横波检测检测灵敏度高灵敏度高,能检测的最小缺陷比纵波小能检测的最小缺陷比纵波小.钢钢有机玻璃有机玻璃纵波声速纵波声速横波声速横波声速58805900 58805900 m/sm/s3230 3230 m/sm/s2720 2720 m/sm/s1460 1460 m/sm/s7.1超声检测的理论基础第9页/共101页 表面波（

8、瑞利波）表面波（瑞利波）当超声波在固体介质中传播时，当超声波在固体介质中传播时，对于有限介质而言，有一种沿介质表对于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波；面传播的波；介质做椭圆运动，该运动是纵波与横波的合成；介质做椭圆运动，该运动是纵波与横波的合成；只能在固体传播。只能在固体传播。7.1超声检测的理论基础第10页/共101页 板波（兰姆波）板波（兰姆波）在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波；在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波；板波传播时声场遍及整个板的厚度；板波传播时声场遍及整个板的厚度；薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合，薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合，轨迹为一椭圆；

9、轨迹为一椭圆；按其传播方式又可分为对称型（按其传播方式又可分为对称型（S S型）和非对称型（型）和非对称型（A A型）两种。型）两种。7.1超声检测的理论基础(a)(a)对称型；对称型；(b)(b)非对称型非对称型 第11页/共101页(a)(a)平面波；平面波；(b)(b)柱面波；柱面波；(c)(c)球面波球面波 n按波形分类按波形分类7.1超声检测的理论基础平面波平面波/活塞波活塞波:平面声源产生的波形平面声源产生的波形,超声检测常用波形超声检测常用波形 第12页/共101页用波线表示传播的方向；用波线表示传播的方向；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波阵面：将同一时

10、刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面波前：某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面；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；在各向同性介质中波线垂直于波阵面；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；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。波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。基本术语基本术语7.1超声检测的理论基础第13页/共101页n连续波和脉冲波连续波和脉冲波连续波：介质中各质点振动时间为无穷；连续波：介质中各质点振动时间为无穷；脉冲波：质点振动时间很短；脉冲波：质点振动时间很短；超

11、声检测中最常用的是超声检测中最常用的是脉冲波脉冲波。对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率。值频率、频带宽度和中心频率。7.1超声检测的理论基础第14页/共101页五、超声场和声介的声参量五、超声场和声介的声参量 充满超声波的空间或介质中，超声振动所波及充满超声波的空间或介质中，超声振动所波及的质点占据的范围叫超声场。的质点占据的范围叫超声场。n描述超声场的声参量描述超声场的声参量 声压声压 p p超声场中某一点在某

12、一瞬时所具有的超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强压强P P1 1与没有超声波存在时同一与没有超声波存在时同一点的点的静态压强静态压强P P0 0之差称为该点的声压，用之差称为该点的声压，用P P表示表示;超声场中某一点的声压幅值超声场中某一点的声压幅值P Pm m与角频率成正比，即与频率成正比。与角频率成正比，即与频率成正比。7.1超声检测的理论基础第15页/共101页 声阻抗声阻抗 Z Z介质中某一点的声压幅值介质中某一点的声压幅值P Pm m与该处质点振动速度幅值与该处质点振动速度幅值V Vm m之比；之比；声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用，在同一声压声阻抗表示超声场中介质对质

13、点振动的阻碍作用，在同一声压下，声阻抗下，声阻抗Z Z愈大，质点的振动速度就愈小；愈大，质点的振动速度就愈小；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=1：30003000：80008000。r,r,c分别表示介质密度和声速分别表示介质密度和声速7.1超声检测的理论基础第16页/共101页声强声强 I I单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用I I表示，单位为表示，单位为W/cmW/cm2 2;声强与角频率平方成正比。由于超声波的频率很高，声强与角频率平方成正比。由于

14、超声波的频率很高，故超声波的声强很大，故超声波的声强很大，这是超声波能用于检测的重要这是超声波能用于检测的重要依据依据。7.1超声检测的理论基础第17页/共101页 分贝分贝dBdB实实际际检检测测中中，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的数数量量级，这时单位为分贝，用级，这时单位为分贝，用dBdB表示，即表示，即 式中：式中：P Pm1m1、P Pm2m2分别为声强分别为声强I I1 1、I I2 2对应的声压幅值。对应的声压幅值。7.1超声检测的理论基础第18页/共101页对对于于线线性性良良好好的的超超声声波波检检测测仪

15、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，即任意两波高即任意两波高H H1 1、H H2 2之比等于相应的声压之比等于相应的声压P Pm1m1、P Pm2m2之比，之比，即即 取自然对数取自然对数lnln，单位则为奈培。有：单位则为奈培。有：7.1超声检测的理论基础第19页/共101页7.1超声检测的理论基础n描述声介的声参量描述声介的声参量声速声速 c cc c与超声波的波型有关，又是一个表征介质声学特性的参量；与超声波的波型有关，又是一个表征介质声学特性的参量；声速又可分为相速度和群速度。相速度是指声波传播到介质的声速又可分为相速度和群速度。相速度是指声波传播到介质的某一选定相

16、位点时在传播方向上的声速，群速度是指传播声波某一选定相位点时在传播方向上的声速，群速度是指传播声波的包络上具有某种特征（如幅值最大）的点上沿传播方向上的的包络上具有某种特征（如幅值最大）的点上沿传播方向上的声速，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；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，相速度和群速度相同；泊松比决定的，而与频率无关，相速度和群速度相同；板波的相速度随频率变化而变化；这种现象被称为频散。板波的相速度随频率变化而变化；这种现象被称为频散。第20页/共101页7.

17、1超声检测的理论基础声衰减系数声衰减系数 c c 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距离的增大逐渐减小的现象。随距离的增大逐渐减小的现象。引起衰减的原因主要有三个方面：引起衰减的原因主要有三个方面：一是声束的扩散；一是声束的扩散；二是由于材料中的晶粒或其他微小颗粒引起声波的散射；二是由于材料中的晶粒或其他微小颗粒引起声波的散射；三是介质的吸收。三是介质的吸收。第21页/共101页 通常关心的是通常关心的是散射衰减和吸收衰减散射衰减和吸收衰减，对于平面波来说，对于平面波来说，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

18、示：介质中超声波的衰减系数介质中超声波的衰减系数a a与超声波的频率关系密切，与超声波的频率关系密切，通常情况下，衰减系数随频率的增高而增大，且横波引起通常情况下，衰减系数随频率的增高而增大，且横波引起的衰减大于纵波。的衰减大于纵波。7.1超声检测的理论基础对粗晶材料尽量选低频对粗晶材料尽量选低频,纵波探头纵波探头第22页/共101页第二节第二节 超声波超声波在介质中的在介质中的传播特性传播特性7.2 超声波在介质中的传播特性第23页/共101页N近场近场远场远场焦点焦点声束扩散角声束扩散角压电晶片压电晶片主声轴主声轴D0 6一、一、超声波束射特性超声波束射特性7.2 超声波在介质中的传播特性

19、第24页/共101页n束射特性对超声检测的影响束射特性对超声检测的影响近场影响近场影响:超声在近场内声压不稳定超声在近场内声压不稳定,应尽量避免在近场内检测应尽量避免在近场内检测探头直径越小探头直径越小,近场越短近场越短,探头频率越低探头频率越低,近场越短近场越短 薄板应尽量选择近场短的探头薄板应尽量选择近场短的探头,厚板应尽量选择近场长的探头厚板应尽量选择近场长的探头如必须在近场内检测如必须在近场内检测,必须使用对比试块对缺陷定量必须使用对比试块对缺陷定量声速扩散角的影响声速扩散角的影响:声速扩散角越小声速扩散角越小,能量越集中能量越集中,能提高横向分辨率能提高横向分辨率 小的扩散角与短的近

20、场长度是矛盾关系小的扩散角与短的近场长度是矛盾关系,因此应综因此应综合考虑各因素选择合适的探头合考虑各因素选择合适的探头探头直径越大探头直径越大,频率越高频率越高,声速扩散角越小声速扩散角越小 7.2 超声波在介质中的传播特性第25页/共101页二、二、超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波垂直入射到平界面上的反射和透射单一界面单一界面 超声波垂直入射于平界面的反射与透射超声波垂直入射于平界面的反射与透射 透射波透射波(声强为声强为I It t)反射波反射波(声强为声强为I Ir r)声波的反射和透射是超声波检测缺陷的物理基础。声波的反射和透射是超声波检测缺陷的物理基础。7.2 超声波在介

21、质中的传播特性在垂直入射时，在垂直入射时，边界条件：边界条件：一侧声压等于一侧声压等于另一侧声压；另一侧声压；两侧质点速度两侧质点速度振幅相等，以振幅相等，以保持波的连续保持波的连续性。性。第26页/共101页声压透射率声压透射率t t：声压反射率声压反射率r r：为了研究反射波和透射波的能量关系，引入声强反射为了研究反射波和透射波的能量关系，引入声强反射率率R R和声强透射率和声强透射率T T两个量：两个量：7.2 超声波在介质中的传播特性声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例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。仅与界面两侧介质的声阻抗有关。第

22、27页/共101页 对于脉冲反射技术来说，还有一个有意义的量是声压对于脉冲反射技术来说，还有一个有意义的量是声压往返透过率往返透过率:声压往返透过率声压往返透过率 7.2 超声波在介质中的传播特性第28页/共101页薄层界面薄层界面在两个界面上的反射和透射在两个界面上的反射和透射超声波经过耦合剂层进入试件，超声波经过耦合剂层进入试件，Z Z1 1ZZ2 2ZZ3 3；试件存在裂纹或分层等，试件存在裂纹或分层等，Z Z1 1=Z=Z3 3ZZ2 27.2 超声波在介质中的传播特性第29页/共101页0,131,0-0,87树脂玻璃树脂玻璃入射波入射波透射波透射波反射波反射波钢钢超声波垂直入射示例

23、超声波垂直入射示例7.2 超声波在介质中的传播特性第30页/共101页反射特性对超声反射特性对超声检测检测的影响的影响 检测分层时检测分层时,应尽量用不同频率的探头检测应尽量用不同频率的探头检测,避免透声层影响避免透声层影响 超声波能检测到的最小缺陷尺寸为半波长超声波能检测到的最小缺陷尺寸为半波长 探头的频率越高探头的频率越高,能检测出的缺陷越小能检测出的缺陷越小 对于粗晶粒材料对于粗晶粒材料,应选择频率尽量低的探头应选择频率尽量低的探头,提高穿透性能和信提高穿透性能和信噪比噪比 探头保护膜声阻抗应尽量满足探头保护膜声阻抗应尽量满足 检测检测时应尽量使偶合剂厚度趋于时应尽量使偶合剂厚度趋于0

24、07.2 超声波在介质中的传播特性第31页/共101页7.2 超声波在介质中的传播特性三、三、超声波倾斜入射到平界面上的反射、超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换折射和波型变换介质介质2 2为固体为固体第32页/共101页无论是纵波入射还是横波入射，均有。当介质无论是纵波入射还是横波入射，均有。当介质1 1为为液体或气体时，则入射波和反射波只能为纵波。液体或气体时，则入射波和反射波只能为纵波。纵波折射角纵波折射角L L要大于横波折射角要大于横波折射角S S。反射角与折射角反射角与折射角斯奈尔定律：斯奈尔定律：7.2 超声波在介质中的传播特性第33页/共101页临界角临界角 当第二种介

25、质中的折射波型的声速比第一种介质当第二种介质中的折射波型的声速比第一种介质中入射波型的声速大时，折射角大于入射角。中入射波型的声速大时，折射角大于入射角。第一临界角第一临界角 当入射波为纵波，且当入射波为纵波，且c cL2L2 c cL1L1时，时，使纵波折射角达到使纵波折射角达到9090的纵波入射角称为第一临界角的纵波入射角称为第一临界角，用符号，用符号表示。表示。当纵波入射角大于第一临界角时，第二介质中不再有当纵波入射角大于第一临界角时，第二介质中不再有折射纵波。折射纵波。7.2 超声波在介质中的传播特性第34页/共101页7.2 超声波在介质中的传播特性第二临界角第二临界角 当入射波为纵

26、波，第二介质为固体，当入射波为纵波，第二介质为固体，且且c cS2S2 c cL1L1时，时，使横波使横波折射角达到折射角达到9090的纵波入射角为第二临界角的纵波入射角为第二临界角，用符号，用符号表示。表示。临界角主要应用于第二介质为固体，临界角主要应用于第二介质为固体，而第一介质为固体或液体的而第一介质为固体或液体的情况。情况。可利用入射角在第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中可利用入射角在第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中产生一定角度范围内的产生一定角度范围内的纯横波纯横波，对试件进行检测。对试件进行检测。第35页/共101页第三临界角第三临界角 第三临界角是在固体介质与另

27、一种介质的界面上，用横波作第三临界角是在固体介质与另一种介质的界面上，用横波作为入射波时产生的。为入射波时产生的。使纵波反射角达到使纵波反射角达到9090时的横波入射角称为时的横波入射角称为第三临界角第三临界角，用表示，用表示。7.2 超声波在介质中的传播特性第36页/共101页第三节第三节 超声波检测超声波检测7.3 超声波检测第37页/共101页 超声波检测设备一般由超声波检测仪、探头和试块组超声波检测设备一般由超声波检测仪、探头和试块组成。成。7.3 超声波检测第38页/共101页一、一、超声检测超声检测目标目标n发现缺陷发现缺陷n得到缺陷的精确位置得到缺陷的精确位置n对缺陷定量对缺陷定

28、量n对缺陷定性对缺陷定性7.3 超声波检测第39页/共101页 二、二、超声超声检测检测基本原理基本原理 当超声波在介质中传播时当超声波在介质中传播时,如果遇到声阻抗不同的另一种材如果遇到声阻抗不同的另一种材料料,超声波将发生反射超声波将发生反射,通过分析反射回波得到工件的内部信息通过分析反射回波得到工件的内部信息超声波超声波工件工件缺陷缺陷探头探头超声检测基本原理超声检测基本原理7.3 超声波检测第40页/共101页放大器放大器被检工件被检工件探头探头水平偏移水平偏移时基时基触发电路触发电路起始波起始波回波回波超声波超声波7.3 超声波检测超声检测基本原理超声检测基本原理第41页/共101页

29、 三、三、超声超声检测仪基本结构检测仪基本结构7.3 超声波检测超声检测仪基本结构超声检测仪基本结构 超声波检测仪超声波检测仪:产生电振荡并加于换能器产生电振荡并加于换能器探头，激励探头发探头，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大处理后以一定方式显射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大处理后以一定方式显示出来，从而得到被探测工件内部有无缺陷及缺陷的位置和大小等示出来，从而得到被探测工件内部有无缺陷及缺陷的位置和大小等信息。信息。第42页/共101页n接收电路接收电路n发射电路发射电路n时基电路时基电路n课后阅读相关书籍课后阅读相关书籍7.3 超声波检测第43页/共101页n 超

30、声超声检测仪分类检测仪分类7.3 超声波检测按超声波的连续性分类：连续波检测仪、调频波检测仪、按超声波的连续性分类：连续波检测仪、调频波检测仪、脉冲式检测仪。其中脉冲式检测仪用途最广。脉冲式检测仪。其中脉冲式检测仪用途最广。按（脉冲式）回波信号的显示方式：按（脉冲式）回波信号的显示方式：A A型显示、型显示、B B型显示和型显示和C C型显示。型显示。按超声波的通道分类：可分为单通道和多通道检测仪按超声波的通道分类：可分为单通道和多通道检测仪;按是否数字化分类：可分为数字式超声波检测仪和模拟式按是否数字化分类：可分为数字式超声波检测仪和模拟式超声波检测仪。超声波检测仪。第44页/共101页模拟

31、式和数字式模拟式和数字式A A型脉冲反射式超声波检测仪在工程实际中型脉冲反射式超声波检测仪在工程实际中应用最为广泛，其型号有应用最为广泛，其型号有CTS-22CTS-22、CTS-21CTS-21、JTS-5JTS-5、CST-3CST-3等。等。超声波检测仪超声波检测仪(a)(a)、(b)(b)、(c)(c)数字式超声检测仪；数字式超声检测仪；(d)(d)探伤小车探伤小车 7.3 超声波检测第45页/共101页A A型显示原理图型显示原理图 A A型显示是一种波形显示；型显示是一种波形显示；屏幕的横坐标代表声波的传屏幕的横坐标代表声波的传播时间（或距离），纵坐标播时间（或距离），纵坐标代表反

32、射波的声压幅度；代表反射波的声压幅度；该方式显示的是沿探头发射该方式显示的是沿探头发射声束方向上一条线上的不同声束方向上一条线上的不同点的回波信息。点的回波信息。左图中，左图中，T T表示发射脉冲，表示发射脉冲，F F表示来自缺陷的回波，表示来自缺陷的回波，B B表示表示底面回波。底面回波。7.3 超声波检测第46页/共101页B B型显示显示的是试件的一个二维截面图；型显示显示的是试件的一个二维截面图；屏幕纵坐标代表探头在探测面上沿一直线移动扫查的位置坐标，屏幕纵坐标代表探头在探测面上沿一直线移动扫查的位置坐标，横坐标是声传播的时间（或距离）；横坐标是声传播的时间（或距离）；该方式可以直观地

33、显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺该方式可以直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度等信息。陷的深度等信息。B B型显示原理图型显示原理图 7.3 超声波检测第47页/共101页C C型显示原理图型显示原理图 C C型显示显示的是试件的一个平面投影图，探头在试件表面做二维扫查，型显示显示的是试件的一个平面投影图，探头在试件表面做二维扫查，屏幕的二维坐标对应探头的扫查位置。屏幕的二维坐标对应探头的扫查位置。探头在每一位置接收的信号幅度以光点辉度表示。该方式可形象地显示探头在每一位置接收的信号幅度以光点辉度表示。该方式可形象地显示工件内部缺陷的平面投影图像，但不能显示缺陷的深度

34、。工件内部缺陷的平面投影图像，但不能显示缺陷的深度。7.3 超声波检测第48页/共101页n 超声超声检测仪选择检测仪选择7.3 超声波检测所需采用的超声频率特别高或特别低时，所需采用的超声频率特别高或特别低时，应注意频带宽度。应注意频带宽度。对薄试件检测和近表面缺陷检测时，应注意发射脉冲是否可对薄试件检测和近表面缺陷检测时，应注意发射脉冲是否可调为窄脉冲。调为窄脉冲。检测大厚度试件或高衰减材料时，选择发射功率大、检测大厚度试件或高衰减材料时，选择发射功率大、增益范增益范围大、电噪声低的超声波检测仪，有助于提高穿透能力和小围大、电噪声低的超声波检测仪，有助于提高穿透能力和小缺陷显示能力。缺陷显

35、示能力。对衰减小或厚度大的试件，选用重复频率可调为较低数值的对衰减小或厚度大的试件，选用重复频率可调为较低数值的超声波检测仪。超声波检测仪。室外现场检测时，应选择重量轻，荧光屏亮度好，室外现场检测时，应选择重量轻，荧光屏亮度好，抗干扰能抗干扰能力强的便携式超声波检测仪。力强的便携式超声波检测仪。自动快速扫查时应选择最高重复频率高的超声波检测仪。自动快速扫查时应选择最高重复频率高的超声波检测仪。第49页/共101页n超声波探头超声波探头7.3 超声波检测超声波探头又称超声波探头又称超声波换能器超声波换能器，是完成超声波发射和接收的关键，是完成超声波发射和接收的关键器件；器件；超声波换能器可以将其

36、他形式的能量转换成高频声能超声波换能器可以将其他形式的能量转换成高频声能(发射换能发射换能器器)，并且也能够把超声能量转换成其他易于检测的能量，并且也能够把超声能量转换成其他易于检测的能量(接收换接收换能器能器)；在超声检测中往往用一个超声换能器，既作发射换能器，又作接在超声检测中往往用一个超声换能器，既作发射换能器，又作接收换能器。收换能器。第50页/共101页n超声波探头分类超声波探头分类按产生的波形分为纵波直探头，横波斜探头，表面波探按产生的波形分为纵波直探头，横波斜探头，表面波探头，板波探头。头，板波探头。按接触方式分为直接接触探头，水浸探头。按接触方式分为直接接触探头，水浸探头。按检

37、测用途分为分割式联合双探头，聚焦探头，可变角按检测用途分为分割式联合双探头，聚焦探头，可变角探头，专用探头等。探头，专用探头等。按探头的频带宽度分为通用型，宽频带型，密封型，高按探头的频带宽度分为通用型，宽频带型，密封型，高频型频型。按工作原理：压电换能器和磁致伸缩换能器等按工作原理：压电换能器和磁致伸缩换能器等7.3 超声波检测第51页/共101页压电换能器压电换能器逆压电效应：逆压电效应：电电 能能超声波超声波逆压电效应逆压电效应正压电效应：正压电效应：超声波超声波电电 能能正压电效应正压电效应7.3 超声波检测第52页/共101页压电换能器结构压电换能器结构 压电晶片压电晶片保护膜保护膜

38、吸收块吸收块压电换能器外形压电换能器外形压电换能器结构压电换能器结构7.3 超声波检测第53页/共101页圆形压电换能器声源的声场圆形压电换能器声源的声场7.3 超声波检测理想圆盘声源沿平面法线方向振动时，其面上各点的振动速度幅值和理想圆盘声源沿平面法线方向振动时，其面上各点的振动速度幅值和相位都相同，相位都相同，发射的波称为发射的波称为活塞波活塞波。圆盘声源发出的声场，在其边缘发生衍射效应，形成一个随距离增大圆盘声源发出的声场，在其边缘发生衍射效应，形成一个随距离增大而波阵面面积不断扩大的扩散声束。而波阵面面积不断扩大的扩散声束。声源上各点发出的声波相互干涉又使得声压的空间分布不是随距离单声

39、源上各点发出的声波相互干涉又使得声压的空间分布不是随距离单调变化的。调变化的。从圆盘声源的对称性来分析，通过圆盘中心且垂直于盘面的直线应是从圆盘声源的对称性来分析，通过圆盘中心且垂直于盘面的直线应是声场的对称轴，称为圆盘声源轴线。声场的对称轴，称为圆盘声源轴线。讨论圆盘声源的声场从声压沿轴线的分布以及声束扩散的特性着手。讨论圆盘声源的声场从声压沿轴线的分布以及声束扩散的特性着手。第54页/共101页1 1）圆盘声源轴线上的声压分布）圆盘声源轴线上的声压分布 如果声源发出的波为连续简谐波，并假定介质为无衰如果声源发出的波为连续简谐波，并假定介质为无衰减的液体介质，则声源轴上声压幅值减的液体介质，

40、则声源轴上声压幅值P P的分布符合：的分布符合：式式中中：P P0 0为为声声源源的的起起始始声声压压；D D为为圆圆盘盘声声源源的的直直径径；为为传传声声介介质质中中声声波波的的波波长长；x x为为圆圆盘盘声声源源轴轴线线上上某某一一点点距距声声源的距离。源的距离。7.3 超声波检测第55页/共101页 圆盘声源轴线上的声压分布圆盘声源轴线上的声压分布 7.3 超声波检测第56页/共101页最后一个声压极大值点距声源距离的表达式：最后一个声压极大值点距声源距离的表达式：当当D D时，时，/4/4可以忽略，从而得到近场长度的简化计算公式可以忽略，从而得到近场长度的简化计算公式:图中标有图中标有

41、“P P球球”的虚线为球面波声压随距离的变化曲线，的虚线为球面波声压随距离的变化曲线，可以看出，距离大于可以看出，距离大于3N 3N 以后，圆盘声源声轴上的声压幅值变化以后，圆盘声源声轴上的声压幅值变化与球面波的曲线非常接近。与球面波的曲线非常接近。7.3 超声波检测第57页/共101页当当x3Nx3N时，有时，有式式中中：S S=D D2 2/4/4为为圆圆盘盘声声源源的的面面积积。声声压压幅幅值值与与距距声声源源的的距离成反比，正是球面波的声压幅值的变化规律。距离成反比，正是球面波的声压幅值的变化规律。7.3 超声波检测第58页/共101页 指向性与扩散角研究的是声束在空间扩散的规律。指向

42、性与扩散角研究的是声束在空间扩散的规律。根据叠加原理，可将在空间中距声源有一定距离的任一点的声根据叠加原理，可将在空间中距声源有一定距离的任一点的声压，看做是声源上各点的辐射声压的叠加压，看做是声源上各点的辐射声压的叠加(如下图如下图)。2 2）指向性与扩散角指向性与扩散角 圆盘声源远场中任一点的声压推导圆盘声源远场中任一点的声压推导 7.3 超声波检测第59页/共101页主声束主声束:超声场中超声波的能量主要集中于以声轴为中心的某一角度超声场中超声波的能量主要集中于以声轴为中心的某一角度范围内，这一范围称为。范围内，这一范围称为。声场的指向性声场的指向性:声束集中向一个方向辐射。在主声束角度

43、范围以外还声束集中向一个方向辐射。在主声束角度范围以外还存在一些能量很低的、只分布于声源附近的副瓣声束。存在一些能量很低的、只分布于声源附近的副瓣声束。式中：式中：J J1 1为第一类第一阶贝塞尔函数；为第一类第一阶贝塞尔函数；S S为声源面积。为声源面积。设设R Rs s为圆形声源的半径，为圆形声源的半径，x x为空间任一点为空间任一点M M到声源中心到声源中心的距离，的距离，为为M M点与声源中心的连线与声源轴线的夹角。当点与声源中心的连线与声源轴线的夹角。当满足条件满足条件x x33N N时，声压幅值的表达式为时，声压幅值的表达式为 7.3 超声波检测第60页/共101页圆盘声源声场指向

44、性示意图圆盘声源声场指向性示意图 7.3 超声波检测第61页/共101页距声源充分远处的任一横截面上，以声源轴线上的声压为最高，这距声源充分远处的任一横截面上，以声源轴线上的声压为最高，这是超声检测中对缺陷定位的依据。是超声检测中对缺陷定位的依据。存在偏离轴线的若干个角度存在偏离轴线的若干个角度上的声压的幅值为零。上的声压的幅值为零。指向角或半扩散角：将远场中第一个声压为零的角度，以指向角或半扩散角：将远场中第一个声压为零的角度，以0 0表示表示指向角是代表主声束范围的角度，反映了声束的定向集中程度，也反指向角是代表主声束范围的角度，反映了声束的定向集中程度，也反映了声束随距离扩散的快慢。映了

45、声束随距离扩散的快慢。指向角越大，则声束指向性越差，声束扩散越快。指向角越大，则声束指向性越差，声束扩散越快。声源的直径越大，声源的直径越大，波长越短，则声束指向角越小，波长越短，则声束指向角越小，指向性越好。指向性越好。7.3 超声波检测第62页/共101页当当D D时，式时，式(1-26)(1-26)可简化为可简化为：在距声源一定距离内，超声能量未逸出以晶片直径所约束的在距声源一定距离内，超声能量未逸出以晶片直径所约束的范围；范围；非扩散区：非扩散区：声束直径小于晶片直径的区域声束直径小于晶片直径的区域，非扩散区之外，非扩散区之外，则称为扩散区。按几何关系，则称为扩散区。按几何关系，可得到

46、非扩散区的长度可得到非扩散区的长度b b为：为：7.3 超声波检测第63页/共101页圆盘声源非扩散区示意图圆盘声源非扩散区示意图 7.3 超声波检测第64页/共101页简化计算时假定声源是均匀、连续激发的，而实际探头多是简化计算时假定声源是均匀、连续激发的，而实际探头多是非均匀激发的脉冲波源；非均匀激发的脉冲波源；简化计算时假定介质是液体介质，简化计算时假定介质是液体介质，实际检测对象多为固体介实际检测对象多为固体介质。质。实际声场与简化计算结果的实际声场与简化计算结果的差别主要在于近场区的声压分布差别主要在于近场区的声压分布。简化计算结果中近场区声压变化剧烈，可有多处极大值和极简化计算结果

47、中近场区声压变化剧烈，可有多处极大值和极小值。小值。而实际声场近场区声压分布比较均匀，幅度变化小，而实际声场近场区声压分布比较均匀，幅度变化小，极值点的数量也明显减少。极值点的数量也明显减少。尽管实际声场与简化分析结果有所差异，但尽管实际声场与简化分析结果有所差异，但在远场区是基本在远场区是基本符合的符合的。因此，可以应用简化推导得出的结果，进行实际检。因此，可以应用简化推导得出的结果，进行实际检测中的近似计算。测中的近似计算。3)3)实际声源的声场实际声源的声场7.3 超声波检测第65页/共101页磁致伸缩换能器磁致伸缩换能器 磁物质置于交变的磁场中时在沿着磁场方向产生伸缩的现象。磁物质置于

48、交变的磁场中时在沿着磁场方向产生伸缩的现象。磁致伸缩换能器就是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机磁致伸缩换能器就是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生超声波。械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生超声波。磁致伸缩换能器磁致伸缩换能器7.3 超声波检测第66页/共101页探头的选择探头的选择频率。频率。对于小缺陷、对于小缺陷、近表面缺陷或薄件的检测，可以选近表面缺陷或薄件的检测，可以选择较高频率；对于大厚度试件、高衰减材料，应选择较择较高频率；对于大厚度试件、高衰减材料，应选择较低频率。在灵敏度满足要求的情况下，低频率。在灵敏度满足要求的情况下，选择宽带探

49、头可选择宽带探头可提高分辨力和信噪比。提高分辨力和信噪比。晶片尺寸。晶片尺寸。探头晶片尺寸对检测的影响主要是通过其对探头晶片尺寸对检测的影响主要是通过其对声场特性的影响体现出来的。多数情况下，检测大厚度声场特性的影响体现出来的。多数情况下，检测大厚度的试件时，采用大直径探头较为有利；检测厚度较小的的试件时，采用大直径探头较为有利；检测厚度较小的试件时，试件时，则采用小直径探头较为合理则采用小直径探头较为合理7.3 超声波检测第67页/共101页n 试块与耦合剂试块与耦合剂7.3 超声波检测为了保证检测结果的准确性与重复性、可比性，必须用一个为了保证检测结果的准确性与重复性、可比性，必须用一个具

50、有已知固定特性的试样具有已知固定特性的试样(试块试块)对检测系统进行校准。对检测系统进行校准。按一定的用途设计制作的具有简单形状的人工反射体试件即按一定的用途设计制作的具有简单形状的人工反射体试件即称为试块。称为试块。超声检测用试块通常分为两种类型，即标准试块超声检测用试块通常分为两种类型，即标准试块(校准试块校准试块)和对比试块和对比试块(参考试块参考试块)。第68页/共101页当探头和试件之间有一层空气时，超声波的反射率几乎为当探头和试件之间有一层空气时，超声波的反射率几乎为100100，即使很薄的一层空气也可以阻止超声波传入试件。即使很薄的一层空气也可以阻止超声波传入试件。耦合剂：为了改