無(wú)損檢測(cè)取證考試UT要點(diǎn)

1、UT要點(diǎn) 概述：對(duì)于鋼等金屬材料的檢測(cè)，常用頻率為0.510MHz。超聲波的頻率很高，因而使超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛用于無(wú)損檢測(cè)。聲波、次聲波和超聲波1.超聲波方向性好：超聲波頻率高，波長(zhǎng)短，擴(kuò)散角小，可以定向發(fā)射；2.超聲波能量高：超聲波的檢測(cè)頻率遠(yuǎn)高于聲波，其聲強(qiáng)與頻率的平方成正比；3.超聲波能在異質(zhì)界面產(chǎn)生反射、折射、衍射和波形轉(zhuǎn)換：在超聲檢測(cè)中，特別是在脈沖反射法檢測(cè)中，利用了超聲波幾何聲學(xué)的一些特點(diǎn)，如在介質(zhì)中直線傳播，遇界面產(chǎn)生反射、折射等。4.超聲波穿透能力強(qiáng)：超聲波在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，在很多金屬材料中其穿透能力可達(dá)數(shù)米。1、聲

2、波基礎(chǔ)知識(shí)1.1機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波機(jī)械振動(dòng)物體（或質(zhì)點(diǎn)）在某一平衡位置附近作來(lái)回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，稱為機(jī)械振動(dòng)。振動(dòng)是往復(fù)、周期性的運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)的快慢常用振動(dòng)周期和振動(dòng)頻率兩個(gè)物理量來(lái)描述。振動(dòng)的強(qiáng)弱用振幅來(lái)表征。機(jī)械波的產(chǎn)生與傳播：在介質(zhì)內(nèi)部，各質(zhì)點(diǎn)間以彈性力連接在一起的介質(zhì)，稱為彈性介質(zhì)。在彈性力的作用下，彈性介質(zhì)中一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)就會(huì)引起臨近質(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)方向傳播開來(lái)，從而就形成了機(jī)械波。產(chǎn)生機(jī)械波必須具備以下兩個(gè)條件：（1） 要有作機(jī)械振動(dòng)的波源。（2）要有能傳播機(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

3、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)，而是按照與波源相同的振動(dòng)頻率在各自的平衡位置上振動(dòng)，并將能量傳遞給周圍的質(zhì)點(diǎn)。這種能量的傳播，不是靠物質(zhì)的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也不是靠相鄰質(zhì)點(diǎn)的彈性碰撞來(lái)完成的，而是由各質(zhì)點(diǎn)的位移連續(xù)變化來(lái)逐漸遞出去的 。因此，機(jī)械波的傳播不是物質(zhì)的傳播，而是振動(dòng)狀態(tài)和能量的傳播。關(guān)于波長(zhǎng)、周期、頻率和波速波長(zhǎng)：同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)的距離，稱為波長(zhǎng)，用表示。波源或介質(zhì)中任意一質(zhì)點(diǎn)完成一次全振動(dòng)，波正好前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)的距離。波長(zhǎng)的常用單位為毫米（mm）?；蛎祝╩）。周期T和頻率f：為波動(dòng)經(jīng)過(guò)的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的周期和頻率，機(jī)械波的周期和頻率只與振

4、源有關(guān)，與傳播介質(zhì)無(wú)關(guān)。波動(dòng)頻率也可定義為波動(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)數(shù)，與該點(diǎn)振動(dòng)頻率數(shù)值相同，單位為赫茲（Hz）。波速C：波動(dòng)中，波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離稱為波速，用C表示。常用單位為米/秒（m/s）。次聲、聲波和超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，在同一介質(zhì)中的傳播速度相同。它們的區(qū)別主要在于頻率不同。 C = f 或 = C/f1.2 波的類型縱波、橫波、表面波縱波：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相互平行的波，稱為縱波（L）橫波：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相垂直的波稱為橫波，用（S）或（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)生切變形變，從

5、而形成橫波。故橫波又稱為切變波。只有固體介質(zhì)才能承受剪切應(yīng)力，液體和氣體介質(zhì)不能承受剪切應(yīng)力，因此橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。固體介質(zhì)能承受拉伸或壓縮應(yīng)力，因此固體介質(zhì)可以傳播縱波。液體和氣體雖然不能承受拉伸應(yīng)力，但能承受壓應(yīng)力產(chǎn)生體積的壓縮和膨脹，因此液體和氣體也可以傳播縱波。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?，稱為表面波，常用（R）表示。表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，介質(zhì)表面質(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)可視為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的合成，即縱波與橫波的合成。因

6、此表面波同橫波一樣只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體或氣體介質(zhì)中傳播。表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?。表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱。當(dāng)傳播深度超過(guò)兩倍波長(zhǎng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振幅就已經(jīng)很小了。因此，一般認(rèn)為，表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長(zhǎng)深度內(nèi)的缺陷。平面波、柱面波、球面波、波前、波線、波陣面平面波：波陣面為相互平行的平面的波，其波源為一平面。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。柱面波：波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波的波源為一直線。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

7、面波。柱面波波束向四周擴(kuò)散，柱面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離的平方根成反比。球面波：波陣面為同心球面的波稱為球面波。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。波前：某一時(shí)刻，波動(dòng)所到達(dá)的空間各點(diǎn)所連成的面為波前。波線：波的傳播方向稱為波線。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)所連成的面稱為波陣面。波前是最前面的波陣面，是波陣面的特例。任意時(shí)刻，波前只有一個(gè)，而波陣面卻很多。在各向同性的介質(zhì)中，波線恒垂直于波陣面或波前。連續(xù)波、脈沖波連續(xù)波：波源持續(xù)不斷的振動(dòng)所輻射的波稱為連續(xù)波。超聲穿透法檢測(cè)常

8、采用連續(xù)波。脈沖波：波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短（通常是微妙級(jí)，1s=10-6s）、間歇輻射的波稱為脈沖波。目前超聲檢測(cè)中廣泛采用的就是脈沖波。1.3波的迭加、干涉和衍射波的迭加原理：當(dāng)幾列波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，如果在空間某處相遇，則相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是各列波引起振動(dòng)的合成，在任意時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)的位移是各列波引起位移的矢量和。幾列波相遇后仍保持自己原有的頻率、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有遇到其他波一樣，這就是波的迭加原理，又稱波的獨(dú)立性原理。波的干涉：兩列頻率相同，振方向相同，相位相同或相位差恒定的波相遇時(shí)，介質(zhì)中某些地方的振動(dòng)互相加強(qiáng)，而別一些地方的振動(dòng)互相減弱或完

9、全抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波叫相干波，其波源稱為相干波源。波的迭加原理是波的干涉現(xiàn)象的基礎(chǔ)，波的干涉是波動(dòng)的重要特征。在超聲波探傷中，由于波的干涉，使超聲波源附近出現(xiàn)聲壓極大、極小值。 當(dāng)波程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，二者互相加強(qiáng)，合振幅最大；當(dāng)波程差等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，二者互相抵消，合振幅最小?；莞苟ɡ砗筒ǖ难苌洌ɡ@射）：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，在其后任意時(shí)刻這些子波的包跡就決定了新的波陣面。根據(jù)惠更斯定理，波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到障礙可

10、改變傳播方向。波的繞射與障礙物尺寸 Df 及波長(zhǎng) 的相對(duì)大小有關(guān)。當(dāng)Df 時(shí)，波的繞射強(qiáng)，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢。超聲檢測(cè)靈敏度約為 /2，這是一個(gè)重要原因。當(dāng)Df 時(shí)，反射強(qiáng)，繞射弱，聲波幾乎全反射。1.4超聲波的傳播速度無(wú)限大固體介質(zhì)中的縱波、橫波與表面波聲速縱波聲速： CL =橫波聲速： CS = =表面波聲速： CR =式中 E：介質(zhì)的楊氏彈性模量 G：介質(zhì)的剪切彈性模量 ：介質(zhì)的密度 ：介質(zhì)的泊松比，所有固體介質(zhì)的泊松比都在 00.5之間聲速與溫度、應(yīng)力及介質(zhì)材質(zhì)均勻性的關(guān)系：固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)溫度、應(yīng)力、均勻性有關(guān)。一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低。固體介質(zhì)的應(yīng)力狀

11、況對(duì)聲速有一定的影響，當(dāng)應(yīng)力方向與聲波傳播方向一致時(shí)，若應(yīng)力為壓應(yīng)力，應(yīng)力增加，聲速增加；反之，若應(yīng)力為拉應(yīng)力，則聲速減慢。固體材料組織均勻性對(duì)聲速的影響在鑄鐵中表現(xiàn)較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快，晶粒細(xì)，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。此外，鑄鐵中石墨含量和尺寸對(duì)聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。1.5超聲場(chǎng)的特征值聲壓、聲強(qiáng)、聲阻抗聲壓：超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的壓強(qiáng)P1與沒有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差，稱為該點(diǎn)的聲壓P。聲壓?jiǎn)挝唬号了箍?1Pa = 1N/m2 P = c式中 介質(zhì)的密度 c波速，c=dx/dt 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速

12、度，u=A=2fA。 超聲檢測(cè)儀器顯示的信號(hào)幅值的本質(zhì)就是聲壓P，示波屏上的波高與聲壓成正比。在超聲檢側(cè)中，就缺陷而論，聲壓值反應(yīng)缺陷的大小。聲強(qiáng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)，常用I表示。單位是：瓦/厘米2（W/cm2）或焦耳/厘米2秒（J/cm2s）。由于超聲波的聲強(qiáng)與頻率平方成正比，而超聲波的頻率遠(yuǎn)大于聲波。因此超聲波的聲強(qiáng)也遠(yuǎn)大于聲波的聲強(qiáng)。在同一介質(zhì)中，超聲波的聲強(qiáng)與聲壓的平方成正I =聲阻抗：超聲場(chǎng)中任一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比稱為聲阻抗，常用Z表示。 Z=P/=c/=c聲阻抗的單位為：克/厘米2秒（g/cm2s）或千克/米2秒（kg/m2s）。聲阻抗是表征介質(zhì)聲

13、學(xué)性質(zhì)的重要物理量。超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。材料的聲阻抗與溫度有關(guān)，一般材料的聲阻抗隨溫度升高而降低。這是因?yàn)槁曌杩筞=c，而大多數(shù)材料的密度 和聲速 c 隨溫度增加而減少。分貝與奈培：通常規(guī)定引起聽覺的最弱聲強(qiáng)為I1=10-16瓦/厘米2作為聲強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，另一聲強(qiáng)（如平常談話的聲強(qiáng)為10-11瓦/厘米2）I2與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I1之比的常用對(duì)數(shù)稱為聲強(qiáng)級(jí)，單位為貝爾（BeL）。 =lg （I2 / I1） （BeL） 實(shí)際應(yīng)用貝爾太大，取1/10為單位：分貝（db ） = 10lg（I1/I2）= 20lg（P1/P2） （db）若H2/H1或P2/P1

14、取自然對(duì)數(shù)，則其單位為奈培（NP）。 = ln（P2/P1）= ln（H2/H1）（NP）令： P2/P1 = e 則ln（P2/P1）= lne =1（NP）20lg（P2/P1）= 20lge = 8.68db 即：1NP = 8.68db 分貝與奈培就是兩個(gè)同量綱的量之比取對(duì)數(shù)后的單位。1.6超聲波垂直入射到界面時(shí)的反射和透射單一平面的反射率和透射率：設(shè)：入射波的聲壓為P0，反射波的聲壓為Pr、透射波的聲壓為Pt，則：rP = Pr / P0 = tP = Pt / P0 =該公式成立的條件是（1）界面兩側(cè)總聲壓相等；（2）界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值相等。當(dāng)Z2 > Z1 如水/鋼水

15、/鋼界面：r =0.935 R=0.875 t =1.935 T=0.125 當(dāng)Z1 > Z2 如鋼/水 鋼/水界面： r =0.935 R=0.875 t =0.065 T=0.125 RI = Ir / I0 = = r2 TI = It / I0 = = 1-r2 I =薄層界面的反射率與透射率：均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層（Z1Z3Z2）：（1）當(dāng)d2=n （n為正整數(shù)）時(shí)，r0、t1。這說(shuō)明當(dāng)薄層兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗相等，且薄層厚度為其半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，超聲波全透射，幾乎無(wú)反射，好像不存在異質(zhì)薄層一樣。這種透聲層稱為半波透聲層。（2）當(dāng)d2=（2n+1） （n為整數(shù)）時(shí)，即異質(zhì)薄層厚度等于其

16、四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，聲壓透射率最低，聲壓反射率最高。薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面（Z1Z2Z3）：（1）當(dāng)d2=n （n為整數(shù)）時(shí)，即薄層厚度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，通過(guò)薄層的聲強(qiáng)透過(guò)率與薄層的性質(zhì)無(wú)關(guān)，好像薄層不存在一樣。（2）當(dāng)d2=（2n+1） （n為整數(shù)），且Z2 = 時(shí)，即薄層厚度等于四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，且薄層聲阻抗為兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗的幾何平均值時(shí)，其聲強(qiáng)透過(guò)率等于1 。超聲波全透射。聲壓往復(fù)透射率：聲壓往復(fù)透過(guò)率與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，與從何種介質(zhì)入射到界面無(wú)關(guān)。界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗相差越小，聲壓往復(fù)透過(guò)率就越高，反之就越小。聲壓往復(fù)透過(guò)率高低直接影響檢測(cè)靈敏度的高低，往復(fù)透過(guò)率

17、高，檢測(cè)靈敏度就高。 TP = = 1-r2 1.7超聲傾斜入射到界面時(shí)的反射和折射波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律：當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會(huì)產(chǎn)生不同類型的反射和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。已知有機(jī)玻璃中縱波聲速為：2730M/S；鋼中縱波聲速為5900M/S；橫波聲速為3230M/S水中縱波聲速1480M/S則：第一臨界角為27.6°（14.5°） 第二臨界角為57.7°（27.3°） 第三臨界角為33.2°聲壓反射率和聲壓往復(fù)透射率：由于傾斜入射時(shí)，聲壓反射率、透射率不僅與介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，而且與入射角有關(guān)，

18、其理論計(jì)算公式十分復(fù)雜，因此這里只介紹由理論計(jì)算結(jié)果繪制的曲線圖形。P4143圖端角反射：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，在端角反射中，超聲波經(jīng)歷了兩次反射，當(dāng)不考慮波型轉(zhuǎn)換時(shí)，二次反射回波與入射波互相平行。即PaP0，且+=90。縱波入射時(shí)，端角反射率都很低，原因是縱波在端角的兩次反射中都分離出較強(qiáng)的橫波。橫波入射時(shí)，入射角為30°或60°附近時(shí)，端角反射率最低。當(dāng)橫波入射角（也就是探頭的折射角）為35°55°時(shí)，即K=0.71.43時(shí)，端角反射率達(dá)100%，檢測(cè)靈敏度較高。當(dāng)橫波入射角大于、等于56°時(shí)，即K1.5，檢測(cè)靈敏

19、度較低。1.8超聲波的聚焦與發(fā)散聲壓距離公式平面波波束不擴(kuò)散，聲壓不隨距離變化。球面波的波陣面為同心球面，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聲壓與距離成反比。柱面波的波陣面為同軸柱面，聲壓與距離的平方根成反比。平面波在曲面上的反射與折射球面波在曲面上的反射與折射超聲波徑向檢測(cè)大型圓柱形鍛件時(shí)，屬于球面波在凹柱面的反射。其反射波聚焦于像點(diǎn)，使像點(diǎn)處的聲壓變大。如果像點(diǎn)處存在一較小的缺陷，那么從底面反射至缺陷，再?gòu)娜毕莘瓷渲恋酌妫詈笥傻酌娣瓷浠靥筋^，形成路徑似“W” 的反射，稱為W反射。W反射時(shí)，示波屏上同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)缺陷波，一前一后、一高一低，前者位于底波B1之前，高度較低，為缺陷直接

20、反射波。后者位于B1之后，高度較高，為W反射波。檢測(cè)時(shí)應(yīng)根據(jù)前者來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。超聲波徑向檢測(cè)空心圓柱體時(shí)，類似于球面波在凸柱面上的反射反射波發(fā)散。1.9超聲波的衰減衰減的原因：引起超聲波衰減的主要原因是波束擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收。擴(kuò)散衰減：超聲波在傳播過(guò)程中，由于波束的擴(kuò)散，使超聲波的能量隨距離增加而逐漸減弱的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散衰減。超聲波的擴(kuò)散衰減僅取決于波陣面的形狀，與介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。平面波波陣面為平面，波束不擴(kuò)散，不存在擴(kuò)散衰減。柱面波波陣面為同軸圓柱面。波束向四周擴(kuò)散，存在擴(kuò)散衰減，聲壓與距離的平方根成反比。球面波波陣面為同心球面，波束向四面八方擴(kuò)散，存在擴(kuò)散衰減，聲壓與距離成反

21、比。散射衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射引起衰減的現(xiàn)象，稱為散射衰減。散射衰減與材質(zhì)的晶粒度密切相關(guān)，當(dāng)材質(zhì)晶粒粗大時(shí)，散射衰減嚴(yán)重，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播到探頭，在示波屏上引起林狀回波（又叫草波），使信噪比下降，嚴(yán)重時(shí)噪聲會(huì)湮沒缺陷波。吸收衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間內(nèi)摩擦（即粘滯性）和熱傳導(dǎo)引起超聲波的衰減，稱為吸收衰減或粘滯衰減。衰減方程與衰減系數(shù)：球面波與柱面波既存在擴(kuò)散衰減，又存在介質(zhì)衰減，其衰減方程分別為：球面波： Px = 柱面波：Px =衰減系數(shù)只考慮了介質(zhì)的散射和吸收衰減，未涉及擴(kuò)散衰減。對(duì)于金屬材料等固體介質(zhì)而言，介質(zhì)衰

22、減系數(shù)等于散射衰減系數(shù)s和吸收衰減系數(shù)a之和。對(duì)液體介質(zhì)而言，主要是液體的吸收衰減。衰減系數(shù)的測(cè)定： 當(dāng) T 3N 時(shí)：在工件好區(qū)測(cè)定。 =當(dāng) T3N 且n m=2n時(shí)： = 與4730標(biāo)準(zhǔn)一致。 2、超聲檢測(cè)工作原理 2.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)圓盤波源輻射的縱波聲場(chǎng)：波源軸線上聲壓分布： Px = P0 近場(chǎng)區(qū)：波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大、極小值的區(qū)域，稱為超聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)，又叫菲涅耳區(qū)。近場(chǎng)區(qū)聲壓分布不均，是由于波源各點(diǎn)至軸線上某點(diǎn)的距離不同，存在波程差，互相迭加時(shí)存在相位差而互相干涉，使某些地方聲壓互相加強(qiáng)，另一些地方互相減弱，于是就出現(xiàn)聲壓極大極小值的點(diǎn)。波源軸線上最后一個(gè)聲壓極大

23、值至波源的距離稱為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度。 （N） N = 近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度與波源面積成正比，與波長(zhǎng)成反比。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：近場(chǎng)區(qū)以外的區(qū)域即為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。半擴(kuò)散角：0 = arcsin 1.22 70圓盤源輻射的縱波聲場(chǎng)的第一零值發(fā)散角。聲束未擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)： b = 1.64N矩形波源輻射的縱波聲場(chǎng)：矩形波源的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為： N =矩形波源有兩個(gè)不同的半擴(kuò)散角，其聲場(chǎng)為矩形。0 = arcsin/2b = 570 = arcsin/2a = 57縱波聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布： 設(shè)水層厚度為L(zhǎng)，則鋼中剩余近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N為：基于鋼中近場(chǎng)區(qū)計(jì)算：N= N鋼 L基于水中近場(chǎng)區(qū)計(jì)算：N=（N水L）實(shí)際聲場(chǎng)與理想聲場(chǎng)比較理想聲場(chǎng)

24、：液體介質(zhì)，波源作活塞振動(dòng)，輻射連續(xù)波等理想條件下的聲場(chǎng)。實(shí)際聲場(chǎng)：固體介質(zhì)，波源非均勻激發(fā)，輻射脈沖波聲場(chǎng)。2.2橫波發(fā)射的聲場(chǎng)：假想的橫波波源：Ds= Ds橫波聲場(chǎng)的結(jié)構(gòu)：波束軸線上的聲壓： P =近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度：N =半擴(kuò)散角：縱波斜入射在第二介質(zhì)中產(chǎn)生橫波聲場(chǎng)，其聲束不再對(duì)稱于聲束軸線，而是存在上下兩個(gè)兩個(gè)半擴(kuò)散角，其中上半擴(kuò)散角上大于下半擴(kuò)散角下。第二介質(zhì)中的橫波近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N2.3規(guī)則反射體的回波聲壓：大平底面回波聲壓和實(shí)心圓柱體凹曲底面回波聲壓 Px = P0平底孔回波聲壓Px = P0短橫孔回波聲壓Px = P0球孔回波聲壓Px = P0長(zhǎng)橫孔回波聲壓Px = P0 3.檢測(cè)儀器、探

25、頭和試塊3.1檢測(cè)儀器：超聲檢測(cè)儀的作用和分類：超聲檢測(cè)儀是超聲檢測(cè)的主體設(shè)備，其作用是產(chǎn)生電振蕩并施加于換能器（探頭）上，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)接收來(lái)自于探頭的電信號(hào)，將其放大后以一定的方式顯示出來(lái)，從而得到被檢工件中有關(guān)缺陷的信息。A、B、C型顯示的超聲檢測(cè)儀：模擬式超聲檢測(cè)儀與數(shù)字式超聲檢測(cè)儀：模擬式超聲檢測(cè)儀：同步電路：又稱觸發(fā)電路，主要有振蕩器和微分電路等組成。其作用是每秒鐘產(chǎn)生數(shù)十至數(shù)千個(gè)周期性的同步脈沖，作為發(fā)射電路、掃描電路及其他輔助電路的觸發(fā)脈沖，使各電路在時(shí)間上協(xié)調(diào)一致的工作。每秒鐘內(nèi)發(fā)射同步脈沖的次數(shù)稱為重復(fù)頻率。同步脈沖的重復(fù)頻率決定了超聲檢測(cè)儀器的發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率

26、，即決定了每秒鐘向被檢工件內(nèi)發(fā)射超聲脈沖的次數(shù)。目前，大多數(shù)儀器上沒有重復(fù)頻率調(diào)節(jié)旋鈕。掃描電路：又稱時(shí)基電路，用來(lái)產(chǎn)生鋸齒波電壓，施加到示波管水平偏轉(zhuǎn)板上，使示波管熒光屏上的光點(diǎn)沿水平方向從左至右作等速移動(dòng)，產(chǎn)生一條水平掃面時(shí)基線。改變掃描速度（鋸齒波的斜率）即可改變顯示在屏幕上的時(shí)間范圍，也就是超聲波傳播的距離范圍。該電路通常提供兩個(gè)調(diào)節(jié)功能：一是掃查范圍和聲速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)上是掃描速度（鋸齒波斜率）的調(diào)節(jié)。二是示波屏顯示時(shí)間起點(diǎn)的調(diào)節(jié)，稱為原點(diǎn)調(diào)節(jié)或延遲。 發(fā)射電路：這是一個(gè)電脈沖信號(hào)發(fā)生器，可以產(chǎn)生100400V的高壓電脈沖，施加到壓電晶片上產(chǎn)生脈沖超聲波。通常電壓越高，發(fā)射脈沖越寬（頻

27、帶越窄），發(fā)射能量越大，但盲區(qū)大，深度分辨力差；反之，發(fā)射脈沖越窄（頻帶越寬），隨然發(fā)射能量小，但分辨力好。接收電路：超聲信號(hào)經(jīng)壓電晶片轉(zhuǎn)換后得到的微弱電脈沖，被輸入到接收電路。接收電路對(duì)其進(jìn)行放大、檢波，使其能在顯示屏上得到足夠的顯示。接收電路的性能對(duì)檢測(cè)儀性能影響極大，它直接影響到檢測(cè)儀的垂直線性、動(dòng)態(tài)范圍、檢測(cè)靈敏度、分辨力等重要技術(shù)指標(biāo)。由缺陷回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓通常只有幾十毫伏，而示波管顯示所需電壓有上百伏，所以接收電路必須具有約105倍的放大能力。一般把放大器的電壓放大倍數(shù)用db表示。 Kv = 20lg （db） 式中： Kv：電壓放大倍數(shù)的分貝值 U出：放大器輸出電

28、壓 U入：放大器輸入電壓一般檢測(cè)儀的電壓放大倍數(shù)可達(dá)104105倍，相當(dāng)于80100db。在用單晶片探頭以脈沖反射方式進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)射脈沖在激勵(lì)探頭的同時(shí)也直接進(jìn)入接收電路，形成始波（始脈沖）。由于發(fā)射脈沖電壓很高，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。又由于發(fā)射脈沖自身有一定的寬度，加上放大器的阻塞現(xiàn)像，在靠近始波的一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能發(fā)現(xiàn)，具體到被檢工件中，這段時(shí)間所對(duì)應(yīng)的由入射面進(jìn)入工件的深度距離，稱為盲區(qū)。3.2超聲探頭超聲波探頭是組成超聲檢測(cè)系統(tǒng)的最重要的組件之一。探頭的性能直接影響超聲檢測(cè)的能力和效果。壓電效應(yīng)與壓電材料：某些晶體

29、材料在交變拉、壓應(yīng)力作用下，產(chǎn)生交變電場(chǎng)的效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。反之，當(dāng)晶體材料在交變電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生伸縮變形的效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料分為單晶材料和多晶材料。壓電材料的主要性能參數(shù)：壓電應(yīng)變常數(shù)d33、壓電電壓常數(shù)g33、介電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù) K、機(jī)械品質(zhì)因子m、頻率常數(shù)Nt、7.居里溫度Tc探頭的結(jié)構(gòu)：探頭的主要種類及型號(hào)接觸式縱波直探頭接觸式斜探頭：包括縱波斜探頭、橫波斜探頭、表面波探頭和蘭姆波探頭等。雙晶探頭：雙晶探頭具有的優(yōu)點(diǎn)：（1）靈敏度高：雙晶探頭的兩塊晶片，一發(fā)一收，發(fā)射鏡片用發(fā)射靈敏度高的壓電材料制成，如PZT

30、；接收晶片由接收靈敏度高的壓電材料制成，如硫酸鋰。這樣探頭發(fā)射和接收靈敏度都高，這是單晶探頭無(wú)法比擬的。（2）雜波少、盲區(qū)?。弘p晶探頭的發(fā)射與接收分開，消除了發(fā)射壓電晶片與延遲塊之間的反射雜波。同時(shí)由于始脈沖未進(jìn)入放大器，克服了阻塞現(xiàn)象，使盲區(qū)大大減小，為檢測(cè)近表面缺陷提供了有利條件。（3）工件中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度小：雙晶探頭采用了延遲塊，縮短了工件中的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，這對(duì)檢測(cè)是有利的。（4）檢測(cè)范圍可調(diào)：雙晶探頭檢測(cè)時(shí)，對(duì)位于菱形abcd內(nèi)的缺陷靈敏度較高。而菱形abcd是可調(diào)的，可以通過(guò)改變?nèi)肷浣荓來(lái)調(diào)整。L增大，菱形abcd向表面移動(dòng)，在水平方向變扁；L減小，菱形向內(nèi)部移動(dòng)，在垂直方向變扁。雙晶探頭

31、主要用于檢測(cè)近表面缺陷和已知缺陷的定點(diǎn)測(cè)量。雙晶探頭的主要參數(shù)為頻率、晶片尺寸和聲束匯聚區(qū)的范圍。聚焦探頭：接觸式聚焦探頭、水浸式聚焦探頭。F = =n:聲透鏡與耦合介質(zhì)的聲速比，n=c1/c2。聚焦探頭檢測(cè)工件時(shí)，實(shí)際焦距F會(huì)變小。 F= F L（C3/C21） 水層厚度 H = FL（C3/C2）高溫探頭和電磁超聲探頭：3.3試塊試塊的分類和作用：標(biāo)準(zhǔn)試塊：通常是由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定的試塊，其特性與制作要求有專門的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)試塊通常據(jù)有規(guī)定的材質(zhì)、形狀、尺寸和表面狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)試塊用于儀器、探頭系統(tǒng)性能測(cè)試校準(zhǔn)和檢測(cè)校準(zhǔn)。對(duì)比試塊：以特定方法檢測(cè)特定工件時(shí)采用的試塊，含有意義明確的人工反射體（平

32、底孔、長(zhǎng)橫孔等）。它與被檢工件材料聲學(xué)特性相似，其外形尺寸應(yīng)能代表被檢工件的特征，試塊厚度應(yīng)與被檢工件的厚度相對(duì)應(yīng)。對(duì)比試塊主要用于檢測(cè)校準(zhǔn)及評(píng)估缺陷的當(dāng)量尺寸，以及將所檢出的不連續(xù)信號(hào)與試塊中已知反射體產(chǎn)生的信號(hào)相比較。模擬試塊：含有模擬缺陷的試塊，可以是模擬工件中實(shí)際缺陷而制作的樣件，或者是在以往檢測(cè)中所發(fā)現(xiàn)的含有自然缺陷的樣件。模擬試塊主要用于檢測(cè)方法的研究；無(wú)損檢測(cè)人員資格考核；評(píng)定、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證儀器探頭系統(tǒng)的檢測(cè)能力及檢測(cè)工藝等。標(biāo)準(zhǔn)試塊的要求：標(biāo)準(zhǔn)試塊的基本要求材質(zhì)均勻，無(wú)影響使用的缺陷，內(nèi)部雜質(zhì)少；易加工，不易變形和銹蝕，具有良好的聲學(xué)性能；試塊的平行度、垂直度和尺寸精度都應(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)

33、格檢驗(yàn)并符合要求。標(biāo)準(zhǔn)試塊要用軟鋼（如20#鋼）制作。Ra=1.6，尺寸公差±0.05mm。平底孔要求注硅膠檢驗(yàn)。關(guān)于人工反射體：試塊的人工反射體有：長(zhǎng)橫孔、短橫孔、橫通孔、平底孔及其他線切割槽，如V形槽等。（1）橫通孔和長(zhǎng)橫孔：具有軸對(duì)稱特點(diǎn)，反射波幅比較穩(wěn)定，有線性缺陷特征。適用于各種K值探頭。通常用于對(duì)接焊接接頭等檢測(cè)。（2）短橫孔：在近場(chǎng)區(qū)表現(xiàn)為線狀反射體特征，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)表現(xiàn)為點(diǎn)狀反射體特征。適用于各種K值探頭。通常用于對(duì)接焊接接頭等檢測(cè)。（3）平底孔：具有點(diǎn)狀面積型反射體的特點(diǎn)，主要用于鍛件、鋼板、對(duì)接焊接接頭等檢測(cè)。（4）V形槽和其他切割槽：具有表面開口的線性缺陷的特點(diǎn)，適

34、用于鋼管等工件橫波檢測(cè)。常采用特定K值的探頭。3.4儀器和探頭的性能及其測(cè)試1、超聲檢測(cè)儀的主要性能脈沖發(fā)射部分： 脈沖重復(fù)頻率 、發(fā)射脈沖頻譜、發(fā)射電壓（發(fā)射脈沖寬度）、脈沖上升時(shí)間 、脈沖持續(xù)時(shí)間。接收部分：（包括與示波器結(jié)合的性能）垂直線性 、頻率響應(yīng)、噪聲電平、最大使用靈敏度衰減器精確度、垂直偏轉(zhuǎn)極限、垂直線性范圍、動(dòng)態(tài)范圍。時(shí)基部分：（包括與示波器結(jié)合的性能）水平線性、水平偏轉(zhuǎn)極限、水平線性范圍 。2.探頭的主要性能頻率響應(yīng)、相對(duì)靈敏度、時(shí)間域響應(yīng)、電阻抗、距離幅度特性、聲擴(kuò)散特性、斜探頭的入射點(diǎn)和折射角、聲軸偏斜角和雙峰等。3.超聲檢測(cè)儀和探頭的組合性能（1）靈敏度：整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)（

35、儀器和探頭）發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力。用靈敏度余量來(lái)衡量?jī)x器和探頭的靈敏度。靈敏度余量：儀器最大輸出時(shí)（增益、發(fā)射強(qiáng)度最大、衰減和抑制為 零），使規(guī)定反射體回波達(dá)基準(zhǔn)高所需衰減的衰減總量。（2）分辨率：能夠?qū)σ欢ù笮〉膬蓚€(gè)相鄰反射體提供可分離指示時(shí)兩者最小的距離?？v向分辨率：在深度方向上分辨兩個(gè)相鄰反射體的能力。橫向分辨率：探頭平移時(shí)，分辨兩個(gè)相鄰反射體的能力。入射面（上）分辨率和底面（下）分辨率：在工件的入射面和底面附近，可分辨的缺陷和相鄰界面間的距離。（3）信噪比：示波屏上有用的最小缺陷信號(hào)幅度與無(wú)用的噪聲雜波幅度之比.（4）頻率：儀器和探頭組合后的一個(gè)重要參數(shù)。取決于儀器的發(fā)射電路和探頭的組合

36、性能。用回波頻率誤差表征儀儀器和探頭組合使用時(shí)，經(jīng)工件底面反射回的超聲波頻率與探頭的公稱頻率間的誤差極限。超聲檢測(cè)儀的主要使用性能及其測(cè)試方法：垂直線性、水平線性、動(dòng)態(tài)范圍。探頭的主要使用性能及其測(cè)試方法：頻率響應(yīng)：即回波頻譜分析、距離波幅特性：不同探頭，采用不同反射體作距離波幅曲線、斜探頭入射點(diǎn)和前沿長(zhǎng)度、斜探頭K值或折射角、聲軸的偏移和聲束的寬度、探頭雙峰。儀器和探頭組合性能及其測(cè)試方法：靈敏度余量、盲區(qū)與始脈沖寬度、遠(yuǎn)場(chǎng)分辨率、信噪比、回波頻率。4.超聲檢測(cè)方法和基本檢測(cè)技術(shù)4.1超聲檢測(cè)方法概述脈沖反射法：缺陷回波法、底波高度法、多次底波法。衍射時(shí)差法：TOFD法。穿透法：共振法：A型

37、顯示法：縱波法：縱波直射法、縱波斜射法。橫波法：接觸橫波法、水浸橫波法。單探頭法、雙探頭法：4.2儀器和探頭的選擇儀器的選擇：探頭的選擇：探頭型式（縱波直探頭、橫波斜探頭、小角度縱波斜探頭、雙晶探頭、聚焦探頭等。）、探頭頻率（近場(chǎng)區(qū)、擴(kuò)散角、材質(zhì)衰減、靈敏度、分辨率）、探頭帶寬、探頭晶片尺寸（能量、近場(chǎng)區(qū)、擴(kuò)散角）、橫波斜探頭入射點(diǎn)、K值（掃查到焊縫整個(gè)截面、端角反射）。4.3耦合與補(bǔ)償耦合劑的作用：在于排除探頭與工件表面之間的空氣，使超聲波能有效地傳入工件，達(dá)到檢測(cè)的目的。耦合劑的要求、種類及應(yīng)用：影響聲耦合的主要因素：耦合層厚度的影響、工件表面粗糙度的影響、耦合劑聲阻抗的影響、工件表面形狀

38、的影響。4.4檢測(cè)儀器的調(diào)節(jié)掃描速度的調(diào)節(jié)：縱波直探頭掃描速度的調(diào)節(jié)，一是使時(shí)基線顯示的范圍足以包含需檢測(cè)的深度范圍；二是使時(shí)基線刻度與在材料中聲傳播的距離成一定比例，以便準(zhǔn)確測(cè)定缺陷的深度位置。橫波斜探頭掃描速度的調(diào)節(jié)：入射點(diǎn)、折射角、水平、深度、聲程調(diào)節(jié)。檢測(cè)靈敏度的調(diào)節(jié)：檢測(cè)靈敏度是指在確定的距離范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)規(guī)定大小缺陷的能力。靈敏度的基本要素是：基準(zhǔn)反射體的幾何尺寸、基準(zhǔn)反射體的最大距離、基準(zhǔn)反射體的基準(zhǔn)反射波高?？v波試塊調(diào)節(jié)法、計(jì)算法、盲區(qū)試塊調(diào)節(jié)法。橫波距離波幅曲線制作。4.5缺陷位置的測(cè)定縱波檢測(cè)時(shí)缺陷定位：平面位置定位、深度定位。橫波檢測(cè)時(shí)缺陷定位：聲程、水平、深度定位。（一次波、二次波）4.6缺陷大小的測(cè)定當(dāng)量法：試塊當(dāng)量比較法、缺陷當(dāng)量計(jì)算法。測(cè)長(zhǎng)法：相對(duì)靈敏度測(cè)長(zhǎng)：以缺陷最高回波為基準(zhǔn)，使探頭沿缺陷長(zhǎng)度方向兩端移動(dòng)，使缺陷波下降一定的dB值，常用6dB法（半波）、 端點(diǎn)6dB法（半波）。絕對(duì)靈敏度測(cè)長(zhǎng)：探傷儀在規(guī)定靈敏度條件下沿缺陷方向移動(dòng)，使缺陷波下降至規(guī)定的位置，將