超聲(波)檢測(cè)的原理教學(xué)內(nèi)容課件

1、 超聲波超聲檢測(cè)超聲檢測(cè)的應(yīng)用2-1 超聲檢測(cè)原理 超聲波特性(1)在液體和固體介質(zhì)中長(zhǎng)距離傳輸(雖然在氣體中衰減很快)； (2)超聲波能量在傳輸時(shí)有明確的方向性；(3)超聲波在一定介質(zhì)中傳輸時(shí)速度不變；(4)超聲波傳輸通過(guò)不同材料界面時(shí)，可能會(huì)改變其振動(dòng)模式。 超聲檢測(cè)就是利用超聲波來(lái)對(duì)材料和工件進(jìn)行檢驗(yàn)和測(cè)量。 典型的應(yīng)用，是超聲探傷以及材料和工件的物理性能與力學(xué)性能檢驗(yàn)。 在測(cè)量方面，許多非聲學(xué)特性和某些狀態(tài)參量，例如液位、流量等都可用超聲方法測(cè)定。 超聲波應(yīng)用非常廣泛。如超聲加工和處理，利用超聲能量來(lái)改變物質(zhì)特性和狀態(tài)，如超聲鉆孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。 超聲檢驗(yàn)與測(cè)量之間的

2、關(guān)系非常密切，如超聲探傷和超聲液位測(cè)量，技術(shù)原理相仿。 超聲檢測(cè)和超聲加工處理之間的區(qū)別明顯，超聲加工往往著重大功率的連續(xù)波超聲，而超聲檢測(cè)則太多使用靈敏度高、功率不大的脈沖波。 超聲加工處理時(shí)非常重視一些描述聲場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量(如聲壓、聲強(qiáng)、聲功率等)的測(cè)定。 而超聲檢測(cè)則著重描述介質(zhì)中超聲傳播特性的物理量(如聲速、聲衰減、聲阻抗等)的測(cè)定。 超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的波。 質(zhì)點(diǎn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱為振動(dòng)，振動(dòng)是波動(dòng)的產(chǎn)生根源，波動(dòng)是振動(dòng)的傳播過(guò)程。 超聲波的產(chǎn)生，依賴于作高頻機(jī)械振動(dòng)的聲源和彈性介質(zhì)的傳播 超聲波的傳播，包括振動(dòng)過(guò)程和能量傳播。 研究超聲波傳播時(shí)，可以將彈性介質(zhì)看成是相互間由彈性力

3、聯(lián)系著的無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)所組成。 當(dāng)在彈性介質(zhì)的表面層上施加一個(gè)正弦變化的外力時(shí)，由于各質(zhì)點(diǎn)間有彈性力聯(lián)系，相鄰層上的質(zhì)點(diǎn)也將產(chǎn)生振動(dòng)，一層推動(dòng)一層，振動(dòng)也由近及遠(yuǎn)地傳播。2-1-1 波動(dòng)的種類(lèi)與波型 波的種類(lèi)是根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波動(dòng)傳播方向的關(guān)系來(lái)區(qū)分，可分為縱波、橫波、表面波和板波，如圖所示。(1) 縱波 當(dāng)介質(zhì)受到交替變化的正弦拉-壓應(yīng)力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生疏密相間的縱向振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致 縱波常用 L 表示，它在介質(zhì)中傳播時(shí)，僅使介質(zhì)各部分改變體積而不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。任何彈性介質(zhì) (固體、液體和氣體)中都能傳播縱波。(2) 橫波 當(dāng)介質(zhì)受到交替變化的正弦剪切應(yīng)力時(shí)，質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生具有波峰與波

4、谷的橫向振動(dòng)，并在介質(zhì)中傳播，其振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，這種波稱為橫波，也稱切變波。 橫波用符號(hào)T或S表示。在介質(zhì)中傳播時(shí)，僅使介質(zhì)各部分產(chǎn)生形變而介質(zhì)體積不變。 由于液體和氣體介質(zhì)沒(méi)有剪切彈性，因此不能傳播橫波。(3) 表面波 半無(wú)限大彈性介質(zhì)與氣體的交界面，受到交替變化的表面張力作用時(shí)，介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)發(fā)生縱向和橫向振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)繞其平衡位置作橢圓運(yùn)動(dòng)，并作用于相鄰質(zhì)點(diǎn)而在表面?zhèn)鞑ィ@種波稱為表面波，也稱瑞利波。 表面波常用符號(hào) R 表示，圖中表示的是瞬時(shí)的質(zhì)點(diǎn)位移狀態(tài)。表面波傳播深度約l2個(gè)波長(zhǎng)，振幅隨深度的增加而迅速減小，當(dāng)深度達(dá)到兩個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，振幅降至最大振幅的0.37倍(4) 板波 板狀

5、介質(zhì)受到交替變化的表面張力作用，而且板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)，質(zhì)點(diǎn)的縱向和橫向振動(dòng)軌跡也是橢圓，聲場(chǎng)遍布整個(gè)板厚。這種波稱為板波，也稱蘭姆波。板波常用符號(hào) P 表示板波與表面波不同，其傳播要受到兩個(gè)界面的束縛，從而形成對(duì)稱型(S型，圖2-1d)和非對(duì)稱型(A型，圖2-1e)兩種情況。對(duì)稱型板波在傳播中，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)以板厚為中心面對(duì)稱，上下表面上質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的相位相反，中心面上質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方式類(lèi)似于縱波。非對(duì)稱型板波在傳播中，上下表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的相位相同，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方式類(lèi)似于橫波。2-1-2 聲波的波動(dòng)特性 聲波的波動(dòng)特性，主要是指幾個(gè)波相遇時(shí)出現(xiàn)的干涉、疊加以及衍射現(xiàn)象。(1)波的干涉疊加 當(dāng)幾個(gè)波在同一介質(zhì)中傳

6、播至某處相遇，則相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是各個(gè)波所引起的振動(dòng)的合成，相遇點(diǎn)上質(zhì)點(diǎn)的位移是各個(gè)波在該點(diǎn)所引起的位移的矢量和，這就是波的疊加原理。脈沖波由若干正弦波疊加而成，1MHz的脈沖波是由0.85MHz、1MHz和1.21MHz正弦波疊加而成的。所以雖然看來(lái)脈沖波每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)沒(méi)有表示出同樣高度，但它的確是由若干正弦波所組成。為合成某一脈沖，脈沖寬度愈窄，需要數(shù)量愈多的正弦子波，子波具有與中心頻率不同的頻率。根據(jù)傅利葉分析，脈沖是由某一頻譜范圍內(nèi)的波構(gòu)成，脈沖愈窄時(shí)頻譜愈寬。疊加波，若符合相干條件(頻率相同，傳播方向一致和有一定的相位關(guān)系)，則在空間某些地方振動(dòng)始終加強(qiáng)，而在另一些地方則始終減弱或完

7、全消失，這種現(xiàn)象稱為波的干涉。 當(dāng)兩個(gè)振幅與頻率都相同的相干波，在同一直線上沿相反方向彼此相向傳播時(shí)，疊加而成的波稱為駐波，駐波是波的干涉現(xiàn)象的特例。當(dāng)在聲波傳播方向上的介質(zhì)厚度恰為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)就會(huì)產(chǎn)生駐波現(xiàn)象。這種駐波在介質(zhì)的厚度方向引起共振，這就是所謂共振法超聲檢測(cè)的基本原理。(2)波的衍射波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，如果遇到障礙物或其它不連續(xù)的情況，而使波陣面發(fā)生畸變的現(xiàn)象稱為波的衍射。任意形狀的波在傳播過(guò)程中遇到一個(gè)障礙AB時(shí)，AB上有一個(gè)寬度大小與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)莫M縫，穿過(guò)狹縫的波是以狹縫為中心的球形波，與原來(lái)的波陣面無(wú)關(guān)。這說(shuō)明可以把狹縫看作新的波源。波前上的所有點(diǎn)，都可看作產(chǎn)生球面子波的

8、點(diǎn)源，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，該波前的新位置將是這些子波波前相切的包跡面，這稱之謂惠更斯原理。惠更斯原理在超聲檢測(cè)中獲得了廣泛應(yīng)用，不僅適用于機(jī)械波，同樣也適用于電磁波。它用幾何方法比較廣泛地解決了波的傳播問(wèn)題。(3)聲速、波長(zhǎng)和頻率 聲速是聲波在介質(zhì)中傳播的速度(c)，波長(zhǎng)是指聲波每振動(dòng)一次所走過(guò)的距離()，頻率是指每秒鐘聲波振動(dòng)的次數(shù)(f)，三者之間的關(guān)系聲速由介質(zhì)決定，在各向同性的無(wú)限大彈性固體中，聲速可用下式表示式中E-介質(zhì)的正彈性模量，-介質(zhì)的密度，K-常數(shù)與波型有關(guān)。縱波聲速橫波聲速式中G-介質(zhì)切變模量，-介質(zhì)的泊松比。表面波聲速 縱波速度在氣體中每秒為幾百米，在液體中為12km/s，固體

9、中為36km/s。 在固體中還有橫波，橫波的速度約為縱波速度的一半，表面波速度約為橫波速度的0.95某些物質(zhì)的密度、聲速和特性阻抗見(jiàn)表 當(dāng)棒的直徑與波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)稱為細(xì)棒，細(xì)棒中聲波以膨脹形式傳播，稱為棒波。當(dāng)棒的直徑d0.1(波長(zhǎng))時(shí)，棒波的速度與泊松比無(wú)關(guān)，可表示為 總之，介質(zhì)彈性能越好(E和G越大)、密度越小，則聲波在介質(zhì)中的傳播速度越高。2-1-3 聲場(chǎng)及其特征值 聲場(chǎng)特征常用聲壓、聲強(qiáng)和特性阻抗等特征值來(lái)描述。 聲壓(p)是指聲傳播時(shí)，造成介質(zhì)中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，單位為帕斯卡(Pa)，1Pa=1N/m2 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)中每一點(diǎn)的聲壓將隨時(shí)間和距離的變化而改變。聲壓與介質(zhì)密度、波速和頻

10、率成正比式中 v-質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度 上式中當(dāng)聲壓 p 不變時(shí)，c 越大，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度就越小 ，所以c 被稱為介質(zhì)的特性阻抗，以 z表示。 超聲檢測(cè)中，可以到觀察熒光屏上出現(xiàn)的反射波高度，該高度與聲壓 p 成正比。 液體阻抗約為氣體的3000倍，固體阻抗約為液體的30倍。 在聲場(chǎng)中的某點(diǎn)，在與指定方向垂直的單位面積上，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的平均聲能，稱為聲強(qiáng)度，以I表示。 聲強(qiáng)度與質(zhì)點(diǎn)位移振幅和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率的平方成正比，與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度振幅的平方成正比，與聲壓振幅的平方成正比。 超聲波的頻率很高，其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般聲音，這就是超聲波能夠用于檢測(cè)的前提。 在實(shí)際超聲波檢測(cè)中，超聲波是由一定尺寸的探頭發(fā)出的，輻

11、射的是活塞波。 離探頭很近的地方可認(rèn)為是平面波，遠(yuǎn)離探頭的地方則視為球面波。 這種聲源發(fā)射的聲波可以認(rèn)為是由無(wú)數(shù)個(gè)能發(fā)射子波源的聲波疊加的結(jié)果。 探頭中心軸線上的聲壓分布如用平面波理論分析可得下式 式中a-輻射圓盤(pán)半徑檢測(cè)時(shí)測(cè)得的信號(hào)高度與聲壓成正比，中心軸上的聲壓分布如圖所示。聲壓分布分為兩個(gè)區(qū)域，即x時(shí)，N值可用下式獲得 可見(jiàn)，輻射器的直徑D愈大、頻率愈高(波長(zhǎng)越短)，則近場(chǎng)長(zhǎng)度N也就愈長(zhǎng)。當(dāng)xN時(shí)稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，此時(shí)聲壓隨距離增加而下降，但只有聲程大于3N后，聲壓與聲程才比較符合反比關(guān)系。因此，習(xí)慣上以聲程大于3N時(shí)為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的聲壓分布可由下式計(jì)算 可見(jiàn)，中心軸線上的聲壓與晶片面積和

12、起始聲壓成正比，而與波長(zhǎng)和聲程成反比。聲場(chǎng)中的聲壓不但隨距離x、時(shí)間t而變，同時(shí)還隨聲束的半擴(kuò)散角而變。半擴(kuò)散角直接反映聲場(chǎng)中聲能集中的程度和幾何邊界。換能器聲場(chǎng)傳播方向角半擴(kuò)散角的大小可按下式計(jì)算式中 D-圓形壓電晶片的直徑 a-方形晶片邊長(zhǎng)換能器聲場(chǎng)傳播方向角也就是說(shuō)，半擴(kuò)散角取決于晶片尺寸和波長(zhǎng)。提高頻率和加大晶片尺寸，均可改善超聲的指向性。換能器聲場(chǎng)傳播方向角輻射器輻射的超聲波能量的80%以上集中在主瓣的聲束上，副瓣的能量小，傳播距離短，因此可以認(rèn)為副瓣束集中在近場(chǎng)區(qū)。換能器聲場(chǎng)傳播方向角 超聲檢測(cè)大多采用脈沖波，而在介紹基本理論時(shí)，一般采用連續(xù)波。 這是由于分析脈沖形狀非常復(fù)雜，而從

13、實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，近似用連續(xù)波代替脈沖波，但二者的聲場(chǎng)特性上別很大。 由于脈沖波是持續(xù)時(shí)間很短的波動(dòng)，所以它們可能不產(chǎn)生干涉或只產(chǎn)生不完全干涉。 脈沖波中脈沖個(gè)數(shù)對(duì)近場(chǎng)區(qū)內(nèi)的聲壓分布影響極大。當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)小于等于6時(shí)，近場(chǎng)區(qū)聲壓明顯變得簡(jiǎn)單，副瓣數(shù)目和尺寸減小。2-1-4 超聲波在異質(zhì)界面上的 透射、反射和折射 所謂異質(zhì)界面，是指由兩種特性阻抗不同的介質(zhì)所構(gòu)成的界面，如氣/界面、氣/固界面、液/固界面和不同固體界面等。介質(zhì) I介質(zhì) II界面 超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，相對(duì)于異質(zhì)界面而言，當(dāng)垂直入射時(shí)只有反射和透射，波的類(lèi)型(縱波或橫波)不發(fā)生變化。介質(zhì) I介質(zhì) II界面當(dāng)傾斜入射時(shí)除反射波外

14、，透射波產(chǎn)生干射，同時(shí)伴隨有波型轉(zhuǎn)換。超聲波以一定傾角入射固體界面，反射波和折射波都分裂成兩種波型，除原有波型的反射和折射波外，還存在不同波型的反射波與折射波。入射縱波(L)除產(chǎn)生反射縱波(L1)和折射縱波(L2)外，還產(chǎn)生反射橫波(S1)和折射橫波(S2)，與法線夾角分別L、L1、L2、S1和S2這些角度與波速之間的關(guān)系符合反射和折射定理如下式 由于CL=CL1 ，所以L與L1相等 。 對(duì)相同介質(zhì)CLCS，所以L1大于S1，L2大于S2 即縱波的反射角和折射角分別大于橫波的反射角和折射角。 當(dāng)波速小的介質(zhì)入射到波速大的介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角，隨著入射角度增大，折射角也增大。 當(dāng)L增大到LK

15、1時(shí)，使L2等于90o，繼續(xù)增大，縱波在界面被完全反射，介質(zhì)中只存在橫波，此時(shí)縱波入射角LK1稱為第一臨界角。 當(dāng)L1繼續(xù)增大到LK2時(shí)、使S2等于90o，再增大時(shí)橫波也被全反射 此時(shí)的縱波入射角LK2稱為第二臨界角不同介質(zhì)具有不同的臨界角，計(jì)算公式為超聲波入射到特性阻抗不同的界面，一部分能量透過(guò)界面進(jìn)入另一介質(zhì)，另一部分反射回原有介質(zhì)，從介質(zhì)I到介質(zhì)的聲壓透過(guò)率為反射率為式中 Z1、Z2分別為介質(zhì)I和的特性阻抗從上述公式可見(jiàn)透過(guò)率與反射率之間關(guān)系為超聲檢測(cè)中常采用同一探頭發(fā)射和接收超聲波，若把往返兩者結(jié)合起來(lái)考慮，則聲壓的往返透過(guò)率為 當(dāng)用油耦合劑探測(cè)測(cè)試件時(shí)，在油與鋼界面上的往返透過(guò)率約為

16、11%。 兩種介質(zhì)的特性阻抗相差很大時(shí)(如固體和氣體界面)，超聲在界面上幾乎全反射，聲波既不能從固體進(jìn)入氣體，也不能從氣體進(jìn)入固體。 超聲檢測(cè)時(shí)，要保證探頭和工件之間完全耦合，否則由于氣隙的存在影響超聲的進(jìn)入。 例如鋼的特性阻抗為4.5106(Pa.s)/m，空氣的聲阻抗為0.0004106(Pa.s)/m，當(dāng)超聲波傳輸?shù)戒撆c空氣的界面時(shí)，幾乎100%被反射。 鋼中有氣隙存在時(shí)很容易被發(fā)現(xiàn)，而鋼試件中的非金夾雜物，由于它的特性阻抗與基體比較接近，因此其反射波比較弱。當(dāng)探頭與鋼試件之間存在空氣時(shí)，超聲波基本上不能透入鋼中，采用機(jī)油為耦合劑時(shí)，約有16%的發(fā)射聲壓進(jìn)入鋼中，已足夠了?？砂殉暡醋?/p>

17、和光線一樣是直線傳播，用幾何光學(xué)理論來(lái)探討超聲波的曲面反射和折射規(guī)律。當(dāng)平面波入射到曲界面時(shí)，超聲的透射情況如圖曲界面對(duì)相鄰介質(zhì)中的透射波所起作用，就如光學(xué)上聚焦透鏡和發(fā)散透鏡一樣，要考慮界面的彎曲方向和兩種介質(zhì)的聲速比。聚焦聲透鏡，是超聲檢測(cè)中提高檢測(cè)靈敏度的有效途徑。超聲波檢測(cè)用的聚焦透鏡往往采用平凹面的型式，如圖所示聚焦探頭通常用有機(jī)玻璃或環(huán)氧樹(shù)脂作聲聚焦透鏡，透鏡與晶片接觸的面仍為平面，而聲透視面為凹曲面。 當(dāng)與聲透鏡凹曲面接觸的第二介質(zhì)的聲速c2小于透鏡中聲速c1時(shí)、透射聲波具有聚焦作用，透鏡的凹面曲率半徑為在環(huán)氧透鏡水浸聚焦的情況下，r可近似為當(dāng)聚焦聲束射入工件時(shí)，工件中的焦點(diǎn)深度

18、如圖所示，并可根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算式中、f及 H圖中已標(biāo)明，c1、c2分別為水中和工件中的聲速。2-1-5 超聲波傳播中的衰減 超聲波傳播過(guò)程中遇到障礙物，就可能產(chǎn)生若干現(xiàn)象，這些現(xiàn)象與障礙物的大小有關(guān)。 如果障礙物的尺寸比超聲波的波長(zhǎng)小得多，則它們對(duì)超聲波的傳播幾乎沒(méi)有影響。 如果障礙物的尺寸與超聲波的波長(zhǎng)近似，其聲阻抗與周?chē)橘|(zhì)不同，則超聲波將發(fā)生不規(guī)則反射、折射和透射。 這些現(xiàn)象都是波的散射，是造成超聲波在介質(zhì)傳播時(shí)、隨著傳播距離的增加其能量逐漸減弱的主要因素，稱為衰減。 其它兩種造成超聲波衰減的因素是由于聲束傳播時(shí)擴(kuò)散和由于介質(zhì)的吸收。 在多晶體金屬材料中，散射是造成超聲波衰減的主要原

19、因。 散射現(xiàn)象主要取決于材料內(nèi)部組織、超聲波波長(zhǎng)和散射體的形狀。 當(dāng)組織為粗晶(如鑄態(tài)組織、奧氏體焊縫等)或組織中有大量第二相時(shí)，特別是當(dāng)它們的尺寸與超聲波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，散射現(xiàn)象特別嚴(yán)重。 超聲散射時(shí)產(chǎn)生的不規(guī)則反射波和折射波現(xiàn)象，在熒光屏上表演為林狀回波(或草狀回波)干擾信號(hào)，使信噪比下降，降低檢測(cè)靈敏度。 工件表面粗糙度也對(duì)衰減產(chǎn)生影響，采用的超聲波頻率愈高時(shí)散射愈嚴(yán)重。 吸收是由于介質(zhì)的粘滯性造成的質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦引起的，它使一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?吸收與介質(zhì)粘滯系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)及頻率的某次方成正比，與聲速三次方和密度成反比。 超聲波在液體和氣體中的衰減主要是吸收。 有機(jī)玻璃等高分子材料的聲速和密度較小