超聲波探傷課件1

1、 1.1 無(wú)損檢測(cè)的定義 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(Non-Destructive Testing,簡(jiǎn)稱NDT) 是第 二次世界大戰(zhàn)后迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興的、多學(xué)科綜合 應(yīng)用的工程科學(xué)。 此項(xiàng)技術(shù)是在不改變及損傷被檢對(duì)象的各種性能(其中包 括物理性能、化學(xué)性能、幾何形狀、 表面狀態(tài) 等)的前提 下，采用多種適用的方法對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，以確定其 質(zhì)量，即確定該被檢對(duì)象的實(shí)際使用性能是否能滿足事先 設(shè)計(jì)的需要，以及確定其某些特性，如幾何尺寸、所使用 的材料、表面狀況、均勻性、密度等。 五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè) 射線檢測(cè)（RT） 超聲檢測(cè)（UT） 磁粉檢測(cè)（MT） 滲透檢測(cè)（PT） 渦流檢測(cè)（ET） 磁粉、滲透和渦

2、流統(tǒng)稱為表面檢測(cè)。 超聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中 的傳播。 該章主要涉及幾何聲學(xué)和物理聲學(xué)的基本定律 和概念。 幾何聲學(xué)：反射定律、折射定律、波形轉(zhuǎn)換。 物理聲學(xué)：波的疊加、干涉、衍射等 11振動(dòng) 物體(或物體一部分）在某一中心位置兩側(cè)所做的往復(fù)周期 性的運(yùn)動(dòng),稱為機(jī)械振動(dòng)，常常簡(jiǎn)稱為震動(dòng)。 振動(dòng)產(chǎn)生的必要條件： 一是，物體一旦離開(kāi)平衡位置，就會(huì)受到回復(fù)力的作用；二是阻 力足夠小。 全振動(dòng)：我們把從某一震動(dòng)狀態(tài)出發(fā)，又回到該震動(dòng)狀態(tài)所 發(fā)生的震動(dòng)稱為一次全震動(dòng)。 回復(fù)力：能夠使震動(dòng)物體回到平衡位置的力。 振動(dòng)的表示：可用周期和頻率表示振動(dòng)的快慢； 用振幅表示振動(dòng)的強(qiáng)弱。 周期T 振動(dòng)

3、物體完成一次全振動(dòng)所需要的時(shí)間, 稱為振動(dòng)周期.單位：秒（S） 頻率f 振動(dòng)特物體在單位時(shí)間內(nèi)完成全振動(dòng)的 次數(shù),稱為振動(dòng)頻率.單位：赫茲（Hz） 振幅A 振動(dòng)物體離開(kāi)平衡位置的最大距離。 f 1 T 簡(jiǎn)諧振動(dòng) 物體在受到大小跟位移成正比而方向恒 相反的合外力作用下的運(yùn)動(dòng) 簡(jiǎn)諧振動(dòng)動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，總機(jī) 械能守恒。 圖1.1 質(zhì)點(diǎn)諧振動(dòng)參考圖 質(zhì)點(diǎn)諧振動(dòng)等效圖 簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程 質(zhì)點(diǎn)的水平位移和時(shí)間t的關(guān)系式： y=Acos(t+) 其中：A：振幅，最大水平位移 ：圓頻率， =2f=2 / T ：初相位，即t=0時(shí)質(zhì)點(diǎn)的相位 t+：質(zhì)點(diǎn)在t時(shí)刻的相位 簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程描述了諧振動(dòng)物體在任意 時(shí)刻的位

4、移情況。 阻尼振動(dòng) 在機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，由于受到摩擦力或其他阻 力的作用，系統(tǒng)的能量會(huì)不斷損耗，質(zhì)量振動(dòng) 的振幅逐漸減小，以至于振動(dòng)停止。所以，阻 尼振動(dòng)是一個(gè)比較普遍情況，也稱為衰減振動(dòng)。 (不符合機(jī)械能守恒) 受迫振動(dòng) 由于振動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的阻尼作用，能量逐漸消耗， 因初始激發(fā)引起的自由振動(dòng)，將因?yàn)槟芰恐饾u 損耗，振動(dòng)逐漸減弱，以至運(yùn)動(dòng)停止。要維持 振動(dòng)必須由另一系統(tǒng)不斷給以激發(fā)，即不斷地 補(bǔ)充能量，這種由外加作用維持的振動(dòng)，稱為 強(qiáng)迫振動(dòng)。 (不符合機(jī)械能守恒) y=Acos(Pt+) 其中：A：振幅，最大水平位移 P：策動(dòng)力的圓頻率T ：初相位 12波動(dòng) 振動(dòng)的傳播過(guò)程，成為波動(dòng)。 波動(dòng)分為

5、機(jī)械波和電磁波兩大類。 機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程。如 水波、聲波、超聲波等。 電磁波是交變電磁場(chǎng)在空間的傳播過(guò)程。如無(wú)線 電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、射線 等。 超聲波是機(jī)械波，因此下面只討論機(jī)械波。 物質(zhì)的彈性模型 彈性介質(zhì)：這種質(zhì)點(diǎn)間以彈性力聯(lián)系在一 起的介質(zhì)稱為彈性介質(zhì)。一般固體、液體、 氣體都可視為彈性介質(zhì)。 機(jī)械波的產(chǎn)生：彈性介質(zhì)中的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的 振動(dòng)就會(huì)引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn) 的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，于是振 動(dòng)就以一定的速度由近及遠(yuǎn)地向各個(gè)方向 傳播開(kāi)來(lái)，從而就形成了機(jī)械波。 機(jī)械波：是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程. 機(jī)械波必須具備以下兩個(gè)條件:

6、 1）要有作機(jī)械振動(dòng)的波源； 2）能傳播機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)。 振動(dòng)與波動(dòng)是互相關(guān)聯(lián)的，振動(dòng)是產(chǎn)生波動(dòng)的根源， 波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播。波動(dòng)中介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)并不隨 波前進(jìn)，只是以交變的振動(dòng)速度在各自的平衡位置 附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播過(guò)程，也是振動(dòng)能量的傳播 過(guò)程。這種能量的傳播，不是靠質(zhì)點(diǎn)的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn) 的，而是由各質(zhì)點(diǎn)的位移連續(xù)變化來(lái)逐漸傳播出去 的 。 機(jī)械波的主要物理量 波長(zhǎng) ： 單位：mm、m 同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距 離.或者說(shuō)：沿著波的傳播方向，兩個(gè)相鄰的同相 位質(zhì)點(diǎn)間的距離。 頻率 ：f 單位：赫茲（Hz） 波動(dòng)過(guò)程中,任一給定點(diǎn)在1秒鐘內(nèi)所通過(guò)的完 整波的個(gè)

7、數(shù). 波速 ：C 單位：m/s km/s 波動(dòng)中,波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離稱為波速. C= f 或=C/f 波長(zhǎng)與波速成正比，與頻率成反比。 當(dāng)頻率一定時(shí)，波速愈大，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)； 當(dāng)波速一定時(shí)，頻率愈低，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)。 超聲波是聲波的一種，廣泛地應(yīng)用于無(wú)損超聲波是聲波的一種，廣泛地應(yīng)用于無(wú)損 檢測(cè)中。聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械檢測(cè)中。聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械 波，其種類按頻率范圍可以分為三類：波，其種類按頻率范圍可以分為三類： 次聲波頻率在次聲波頻率在20Hz以下，人耳聽(tīng)不到；以下，人耳聽(tīng)不到； 聲波在聲波在20Hz20KHz之間，人耳可聞；之間，人耳可聞； 超聲波在超聲波在20KHz以

8、上，人耳不可聞。以上，人耳不可聞。 超聲波探傷常用的頻率為超聲波探傷常用的頻率為 0.5MHz10MHz。 對(duì)鋼等金屬材料的檢驗(yàn)，常用的頻率為對(duì)鋼等金屬材料的檢驗(yàn)，常用的頻率為 15MHz。 1、根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類 根據(jù)波動(dòng)傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向相對(duì)于波 的傳播方向的不同,可將波動(dòng)分為縱波、橫波、 表面波和板波等. 縱波：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向平 行。用 L 表示，又稱壓縮波或疏密波。 當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變正應(yīng)力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)之間 產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波。這時(shí)介質(zhì) 質(zhì)點(diǎn)疏密相間，故縱波又稱為壓縮波或疏密波。 凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱 波。所以，縱波可以在固

9、體、液體和氣體中傳 播。 橫波：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直。 用T 表示 當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn) 生切變變形，從而形成橫波。只有固體能夠承受 剪切應(yīng)力，液體和氣體不能承受剪切應(yīng)力，因此， 橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體 中傳播。 表面波：當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì) 表面?zhèn)鞑サ牟?。用R表示，表面波是瑞利在1887年首次 提出的，因此，表面波又稱瑞利波。 表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，質(zhì)點(diǎn)作橢圓 運(yùn)動(dòng)，橢圓長(zhǎng)軸垂直于波的傳播方向，短 軸平行于波的傳播方向。橢圓運(yùn)動(dòng)可以視 為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的合成，即縱波和 橫波的合成。所以，表面波和橫波一樣， 只能

10、在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣 體中傳播。 表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?。表面波?能量隨傳播深度的增加而迅速減弱。一般 認(rèn)為，表面波檢測(cè)只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩 倍波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)的缺陷。 板波： 我們把在板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋“逯?傳播的波稱為板波。 各 種 類 型 波 的 比 較 波的類型 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)特點(diǎn)傳播介質(zhì)應(yīng)用 縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行于波傳播方向固、液、氣體介質(zhì)鋼板、鍛件檢測(cè)等 橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于波傳播方向固體介質(zhì)焊縫、鋼管檢測(cè)等 表面波 質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長(zhǎng)軸垂直波 傳播方向，短軸平行于撥傳播方向 固體介質(zhì)鋼管檢測(cè)等 2、按波的形狀分類按波的形狀分類 波形（波的形狀）：是指波陣面的形狀。

11、波陣面：同一時(shí)刻，介質(zhì)中振動(dòng)相位相同的所有 質(zhì)點(diǎn)所聯(lián)成的面稱為波陣面。 波 前：某一時(shí)刻，波動(dòng)所到達(dá)的空間各點(diǎn)聯(lián)成 的面積稱為波前。 波 線：波的傳播方向稱為為波線。 由以上定義可知，波前是最前面的波陣面。任 意時(shí)刻，波前只有一個(gè)，而波陣面卻有很多。在 各向同性的介質(zhì)中，波線恒垂直于波陣面或波前。 據(jù)波陣面形狀不同，可以把不同波源發(fā)出的 波分為平面波、柱面波和球面波。 （1）平面波 波陣面為互相平行的平面的波稱為平面波。平 面波的波源為一個(gè)平面。 尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的剛性平面波源在各向同性的 均勻介質(zhì)中輻射的波可視為平面波。 平面波波束不擴(kuò)散，平面波各質(zhì)點(diǎn)振幅是一個(gè)常 數(shù)，不隨距離而變化。 )(c

12、os c x tAy （2）柱面波 波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波的波 源為一條線 。 長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的線狀波源在各向同性的介質(zhì)中輻 射的波可視為柱面波。柱面波波束向四周擴(kuò)散，柱 面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離平方根成反比。 )(cos c x t x A y （3）球面波 波陣面為同心圓的波稱為球面波。球面波的波源為 一點(diǎn) 。 尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的點(diǎn)波源在各向同性的介質(zhì)中輻射 的波可視為球面波。球面波波束向四面八方擴(kuò)散， 球面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離成反比。 實(shí)際應(yīng)用的超聲波探頭中的波源近似活塞振動(dòng)，在 各向同性的介質(zhì)中輻射的波稱為活塞波。當(dāng)距離源 的距離足夠大時(shí)，活塞波類似于球面波。 )(cos

13、 c x t x A y 3、按振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類、按振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類 根據(jù)波源振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，將波動(dòng)分為連續(xù) 波和脈沖波。 （1） 連續(xù)波 波源持續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波稱為連續(xù)波。 超聲波穿透法檢測(cè)常采用連續(xù)波。 （2） 脈沖波 波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短（通常是微秒數(shù)量級(jí)）， 間歇輻射的波稱為脈沖波。 目前超聲波檢測(cè)中廣泛采用的就是脈沖波。 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度（聲速）是表征介質(zhì)聲 學(xué)特性的重要參數(shù)。 超聲波的傳播速度與下列因素有關(guān)： 1）介質(zhì)：彈性模量、密度、彈性變形形式、尺寸大小、 均勻性等 2）超聲波的波型：如縱波、橫波與表面波等 3）溫度: 一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低

14、 4）應(yīng)力：一般固體的應(yīng)力增加，聲速緩慢增加 3-1 無(wú)限大固體介質(zhì)中的聲速 縱波聲速： 橫波聲速： 表面波聲速： E：介質(zhì)的楊氏彈性模量； ：介質(zhì)的伯松比； ：介質(zhì)密度 G：介質(zhì)的切變彈性模量 )1)(21 ( )1 ( E CL )1 (2 E CS G CR 1 12. 187. 0 由以上三式可知： 1）固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有 關(guān)，不同的介質(zhì)聲速不同； 介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。 2）聲速與波的類型有關(guān)，在同一種固體介質(zhì)中，縱 波、橫波和表面波的聲速各不相同，并存在如下 關(guān)系：CLCSCR 對(duì)于鋼材: CL:CS:CR=1.8 : 1 : 0.9 3

15、-2 細(xì)長(zhǎng)棒中的縱波聲速 CLb 細(xì)長(zhǎng)棒中(棒徑d0.1)縱波的聲速與無(wú) 限大介質(zhì)中的縱波聲速不同. E C L B :液體、氣體介質(zhì)的容變彈性模量，表示產(chǎn)生單位 容積相對(duì)變化量所需的壓強(qiáng)； ：液體、氣體介質(zhì)的密度 幾乎除水以外的所有液體當(dāng)溫度升高時(shí)，容變彈 性模量減小，聲速降低。 水是溫度在74攝氏度左右時(shí)聲速達(dá)最大值。 B C 4-1 波的疊加原理 幾列波相遇后仍保持自已原有的頻率、波長(zhǎng)、振動(dòng)方 向等特性并按原來(lái)的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，好象在各自 的途中沒(méi)有遇到其他波一樣，這就是波的疊加原理。 又稱波的獨(dú)立性原理。 波的迭加現(xiàn)象可以從許多事實(shí)觀察到，如兩石子落水， 可以看到兩個(gè)以石子入水處為中

16、心的圓形水波的迭加 情況和相遇后兩波仍按原來(lái)的方向進(jìn)行傳播的情況。 4-2 波的干涉 兩列頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相相同或位相差 恒一的波相遇時(shí)，介質(zhì)中某些地方的振動(dòng)互相加強(qiáng)， 而另一些地方的振動(dòng)互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫 做波的干涉現(xiàn)象。 駐波 兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳 播時(shí)互相疊加而成的波，稱為駐波 4-3惠更斯原理 波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，如果介質(zhì)是連續(xù)的，那 么介質(zhì)，中任何質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都將引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的 振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)， 因此波動(dòng)中任何質(zhì)點(diǎn)都可以看作是新的波源。據(jù) 此惠更斯于1690年提出了著名的惠更斯原理： 介質(zhì)中波動(dòng)傳播到的各點(diǎn)都可以看

17、作是發(fā)射子波 的波源，在其后任意時(shí)刻這些子波的包跡就決定 新的波陣面。 利用惠更斯原理可以確定波前的幾何形狀和波的 傳播方向。 惠更斯原理圖 4-4 波的衍射 波在傳播過(guò)程中遇到與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)恼系K物時(shí)， 能繞過(guò)障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象， 稱為波的衍射或波的繞射。 波的衍射現(xiàn)象是衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)（TOFD） 的物理基礎(chǔ)。 波的衍射 波的衍射和障礙物的尺寸Df及波長(zhǎng)的相對(duì)大小有關(guān). 當(dāng)Df 時(shí),反射強(qiáng),繞射弱,幾乎全反射;當(dāng)Df , 221 1 1 sinsinsinsinsin S s L L S s L L L L CCCCC L L L S L S 第一臨界角：第一臨界角： 當(dāng)CL2

18、 CL1 時(shí)，L L ,隨著L 增大,L 也增大， 當(dāng) L 90時(shí)，所對(duì)應(yīng)的縱波入射角,1 第二臨界角：第二臨界角： 2 1 1 arcsin L L C C 2 1 arcsin S L C C 21 sinsin S s L L CC 21 sinsin L L L L CC （1）當(dāng)縱波入射角小于第一臨界角時(shí)，第二 介質(zhì)中既有縱波又有橫波； （2）當(dāng)縱波入射角介于第一臨界角和第二臨 界角時(shí)，第二介質(zhì)中只有橫波，沒(méi)有縱波， 這就是常用橫波斜探頭的制作原理。 （3）當(dāng)縱波入射角大于等于第二臨界角時(shí)， 第二介質(zhì)中即沒(méi)有縱波也沒(méi)有橫波，這是 其介質(zhì)的表面存在表面波，這就是常用表 面波探頭的制作原

19、理。 橫波入射 S Z1 Z2 S L L S L s 橫波入射 反射、折射定律 第三臨界角： 當(dāng)橫波入射角增大到一定程度，反射縱波沿著 界面?zhèn)鞑?，這時(shí)所對(duì)應(yīng)當(dāng)橫波入射角為第三臨界 角。 當(dāng)橫波入射角大于等于第三臨界角時(shí)，第一介 質(zhì)中只有反射橫波，沒(méi)有反射縱波，即橫波全反 射。 1 1 arcsin L S III C C 1 1 1 sinsin L L S s CC 82 端角反射 端角反射：超聲波在兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi) 的反射叫做端角反射。 超聲波是一種頻率很高波長(zhǎng)很短的機(jī)械波， 當(dāng)超聲波入射到曲界面上時(shí)，與可見(jiàn)光入射到曲 界面上的情況相似，具有聚焦和發(fā)散的特性。而 且，由于超聲波在界面

20、上會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，因此 超聲波的聚焦與發(fā)散更為復(fù)雜。為了便于討論， 這里不考慮波型轉(zhuǎn)換存在。超聲波在遇到曲界面 時(shí)的聚集與發(fā)散，與入射波的波形，曲界面兩側(cè) 的聲速等因素有關(guān)，存在多種可能性。下面就超 聲波檢測(cè)中經(jīng)常遇到的情況，作簡(jiǎn)單的介紹。 91 聲壓距離公式 1、平面波 平面波不擴(kuò)散，而是相互平行，因此， 聲壓不隨距離而擴(kuò)散。 2、球面波 球面波的波振面為同心球面，超聲場(chǎng)中 某一點(diǎn)的聲壓與該點(diǎn)至波源的距離成反比。 P0：初始聲壓 X：某點(diǎn)至波源的距離 X P P 0 3、柱面波 柱面波的波振面為同軸柱面，聲壓與距離的平方根成反 比。 X P P 0 1、平面波在曲界面上的反射 當(dāng)平面波入射到曲界面上時(shí)，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā) 散。平面波束與曲界面上各入射的法線成不同的夾角： 入射角為0C的聲束沿原方向返回，稱為聲軸，其余聲 線的反射則隨著距聲軸距離的增大，反射角逐漸增大。 當(dāng)曲界面為凹球面時(shí)，反射線匯聚于一個(gè)焦點(diǎn)上； 當(dāng)曲界面為凹圓柱面時(shí)，反射線匯聚于一條焦線上。此 時(shí)，焦距為：