无损检测超声波
2.1 超声波检测技术基础
• (3)吸收衰减: • 超声波在介质中传播时, • 由于介质质点间的内摩擦和热传导, • 引起的声波能量减弱的现象, • 叫做超声波的吸收衰减。
2.1 超声波检测技术基础
(3)只能在弹性介质中传播,不能在真空(空 气近似看成真空)中传播; 强调:横波不能在气体、液体中传播!表面波看作是纵波与横波的合成, 所以,也不能在气体、液 体中传播!
(4)遇到界面将产生: 反射、折射和波型转换现象;
(5)对人体无害——优于射线的性质。
压电晶片
N 近场区长度
N=D2 /4λ
超声场及 近场区
主声轴
2.1 超声波检测技术基础
• 3.24?
2.2 超声波在介质中的传播
2.2.1 超声波在金属中的衰减定律
超声波在金属中主要的衰减原因是散射和扩散;在液体中主要是吸收。
• 一般说来: • 超声波通过异质薄层时: • 声压反射率和透射率,不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关,而且与薄层厚度同其波长之比( )
有关。
d2 / 2
• (1)、当一、三介质为同一介质时,对均匀介质中的异质薄层有如下规律性:
•
(反射) 2-21
•
•
•
1 (m 1()透2 s射in)2 22-22d2
研究表明,超声波在金属中的衰减规律可用下面的关系式表达:
PX = P0 ·e-α·x α——衰减系数;dB/m
(2-2)
x ——声束传播的距离,即声程 m。
• (2-2)式表明,超声波的声压在其传播的路径上,呈负指数规律衰减。
• 这里强调指出:衰减系数α为频率f4和晶粒尺寸d3的函数。
所以,对粗晶检测时,应适当降低超声波频率,弥补能量的不足。
2.1 超声波检测技术基础
• (1)扩散衰减 • 声波在介质中传播时,因其波前在逐渐扩展, • 从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的 扩散衰减。 • 它主要取决于波阵面的几何形状, • 而与传播介质无关。
2.1 超声波检测技术基础
• (2)散射衰减 • 散射是物质不均匀性产生的。 • 不均匀材料含有声阻抗急剧变化的界面, • 在这两种物质的界面上, • 会产生声波的反射、折射和波型转换现象, • 必然导致声能的降低。
2.3 超声波在介质中的传播
• 描述: 超声场的物理量 • 充满超声波的空间,或在介质中超声振动波所及的“质点占据的范围”叫超声场。 • 对超声场我们常用: • 1.声压、 • 2.声强、 • 3.声阻抗、 • 4.质点振动位移和质点振动速度
等物理量,来描述超声波声场。
2.3 超声波在介质中的传播
r
4
m
2
1 1 (m 1 )2 sin2 2d2
4
m
2
1
t 11(m 1)2 sin2 2d2
4m
2
• 式中:d2-异质薄层的厚度,
-异质薄层的波长,
-两种介质的声阻抗之比,
• 由公式(2-21)(2-22)可知:
• ①当
时(n为2 正整数),
。
• ②当 • ③当
m 时(n为正整数),r最高, 。
2.1 超声波检测技术基础
(4)板波 ——板厚与波长相当的薄板中传播的超声波,板的两表面介质质点沿介质表面做椭圆运动, 板中间也有超声波传播。又称兰姆波;a)对称型 b)非对称型
• 注意! ① 液体和气体介质(不能传递切向力) 中,所以只能传播纵波! ② 同一介质中,声速的关系有:
CL > CS > CR ③ 同一介质中,声速、波长、频率之间
2.1.3 超声波波型的分类 • 按质点的振动方向与声波的传播方向之间的关系分为: (1)纵波 L—— 介质质点的振动方向与波的传播方向一致;
2.1 超声波检测技术基础 (2)横波 S—— 介质质点的振动方向与波的传播方向垂直;
2.1 超声波检测技术基础 (3)表面波 R——介质质点沿介质表面做椭圆运动;又称瑞利波;
• 注意: • 在垂直入射时, • 介质两侧的声波必须满足两个边界条件: (1)、一侧总声压等于另一侧总声压。 否则界面两侧受力不等,将会发生界面运动。 (2)、两侧质点速度振幅相等,以保持波的连续性。
• 上述的是超声波纵波:
• 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。
具有压电效应的晶体材料就称为压电材料。
• 压电效应图解
压电效应
正压电效应 --------
++++++++
逆压电效应
-/+ ~
+/-
a. 拉伸或压缩时表面产生电荷
b. 施加交流电场时内部质点产生振动
(2) 超声波的发射与接收
①发射——在压电晶片制成的探头中,对压电晶片施以超声频率的交变电压,由于逆压电效应,晶片中 就会产生超声频率的机械振动——产生超声波;
• 研究表明,声压p与超声波探伤仪示波屏上的波高h成正比关系:
p1/p2 = h1/h2
(2-3)
• 实际探测时,超声波探伤仪示波屏上的波高h能够反映声波的衰减状况。
超声波探伤仪示波屏上 波高h的衰减状况
• 这里,B1~ B6代表超声波在工件底面的 6次反射波。波高h依次递减。
T B1 B2 B6
• 按声耦和方式不同分为: 直接接触法、液浸法超声检测;
• 本章将重点介绍: 脉冲反射法原理、 直接接触法、 A型显示方式、 纵波法、横波法 超声检测技术。
2.1 超声波检测技术基础
2.1.1 超声波的物理本质 它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性介质中的转播行为。 即超声频率的机械波。 一般地说,超声波频率越高,其能量越大,探伤灵敏度也越高。 超声检测常用频率在 0.5~10 MHZ。
束射性,象手电筒的光束一样,能集中在超声场内定向辐射。
声束的扩散角满足如下关系:
θ= arcsin 1.22(λ/D)
(2-1)
可见: 波长越短,扩散角θ越小,
声能越集中。
2.1 超声波检测技术基础
(2)具有较强的穿透性,但有衰减; 穿透性——来自于它的高能量,因为声强正比于频率的平方; 所以,超声波的能量比普通声波大100万倍!可穿透金属达数米! 衰减性——源于三个方面: 扩散、散射、吸收;
2.3 超声波在介质中的传播
• 超声波的声强: ①、正比于质点振动位移振幅的平方; ②、正比于质点振动角频率的平方; ③、正比于质点振动速度振幅的平方。
• 注意: 由于超声波的频率高,其强度(能量)是远远大于 可闻声波 的强度。
• 例如: 1MHz声波的能量等于100kHz声波能量的100倍,等于lkHz声波能量的100万倍。
• 1、在单一界面上反射波声压与入射波声压之比,称为界面的 声压反射率: 用表示。
式中: • Z1- 介质1的声阻抗, • Z2-介质2的声阻抗。
r pr Z2 Z1 p0 Z2 Z1
• 2、在单一界面上透射波声压与入射波声压之比,称为界面的 声压透射率:
• 用t表示:
•
• 3、在界面上反射波声强与入射波声强之比,称为 声强反射率:
2.1.2 超声波的产生(发射)与接收 (1) 超声波的产生机理——利用了压电材 料的压电效应。 试验发现,某些晶体材料(如石英晶体)做成的晶体薄片,当其受到拉伸或压缩时,表面就会产生 电荷;此现象称为正压电效应; 反之,当对此晶片施加交变电场时,晶体内部的质点就会产生机械振动,此现象称为逆压电效应。
的关系为: C = λ·f = 常数。
• 按超声波振动持续时间分为: (1)连续波——在有效作用时间内声波不间 断地发射;
(2)脉冲波——在有效作用时间内声波以脉 冲方式间歇地发射。
注意: 超声波检测过程常采用脉冲波。
2.1.4 超声波的基本性质
(1)具有良好的指向性:
直线传播,符合几何光学定律;象光波一样,方向性好;
时,即 时,则薄层厚度愈小,透射率愈大,反射率愈小。
d2
n 2
2
d2 (2n1) 4
d2 0
d2Leabharlann 4r0,t 1t 0
• •
(例2)如、:晶片Z—,1保即护非Z薄均2膜匀—介工Z质3件中,的或薄晶层片有—如耦下合规剂律—性工:件等情况。
• 此时 声压往复透射率 为:
•
(2-23)
T(Z1Z3)2co2 sd 224 Z (1Z Z2 3Z Z 1Z 23)2si2n 2 d 22
反射系数K % 0
81 77 88 17 100 100
④反射现象的辩证分析 反射现象: 对发射超声波不利 ; 对脉冲反射法接收有利。
⑤影响反射系数K的因素 反射系数K值的大小,决定于相邻介质的声阻抗之差: Δ Z =| Z 2-Z 1| Δ Z 越大,K 值越大。 而与何者为第一介质无关。
• (一)、在单一界面上 • 当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时: • ①.在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波。 • ②.在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。 • ③.反射波与透射波的声压(声强)是按一定比例分配。 • ④.分比例由声压反射率(或声强反射率), • 和声压透射率(或声强透射率)来表示。
• A-介质质点的振幅,
•
-介质中质点振动的圆频率(),
• A -质点振动的速度振幅(),
• T -时间,
• x-至波源的距离。
•
且有关系式:
•
式中: -声压的极大值。
pm cA
pm
2.3 超声波在介质中的传播
• 可见: 声压的绝对值,与波速、质点振动的速度振幅(或角频率)成正比。
• 因为超声波的频率高,所以超声波比声波的声压大。
• (一)声压
• 超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强 ,与没有超声场存在时,同一点的静态压强之差为该点的