超聲波檢測(cè)技術(shù)

會(huì)計(jì)學(xué)1超聲波檢測(cè)技術(shù)

3.超聲波的分類(lèi)超聲波的分類(lèi)方法很多，如圖6.1所示。主要有：按介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向之間的關(guān)系分類(lèi)，即按波型分類(lèi)；按波振面的形狀分類(lèi)，即按波形分；按振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類(lèi)等。其中，按波型是研究超聲波在介質(zhì)中傳播規(guī)律的重要理論依據(jù)，將著重討論。第1頁(yè)/共94頁(yè)圖6-1超聲波的分類(lèi)第2頁(yè)/共94頁(yè)

1）超聲波的波型超聲波的波型指的是介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向的關(guān)系。按波型可分為縱波、橫波、表面波和板波等。（1）縱波。介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相同的波叫縱波，用L表示(見(jiàn)圖6-2)。介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在交變拉壓應(yīng)力的作用下，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮變形，從而形成了縱波?？v波傳播時(shí)，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)疏密相間，所以縱波有時(shí)又稱(chēng)為壓縮波或疏密波。

第3頁(yè)/共94頁(yè)圖6-2縱波

第4頁(yè)/共94頁(yè)（2）橫波。介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向的波叫橫波，用S或T表示(見(jiàn)圖6-3)。橫波的形成是由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變切應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生了切變形變，所以橫波又叫做切變波。液體和氣體介質(zhì)不能承受切應(yīng)力，只有固體介質(zhì)能夠承受切應(yīng)力，因而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。（3）表面波（瑞利波）。當(dāng)超聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)，對(duì)于有限介質(zhì)而言，有一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟幢砻娌?見(jiàn)圖6-4)。瑞利首先對(duì)這種波給予了理論上的說(shuō)明，因此表面波又稱(chēng)為瑞利波，

常用R表示。

第5頁(yè)/共94頁(yè)圖6-3橫波

第6頁(yè)/共94頁(yè)圖6-4表面波

第7頁(yè)/共94頁(yè)（4）板波（蘭姆波）。在板厚和波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)膹椥员“逯袀鞑サ某暡ń邪宀?或蘭姆波)。板波傳播時(shí)聲場(chǎng)遍及整個(gè)板的厚度。薄板兩表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)為縱波和橫波的組合，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡為一橢圓，在薄板的中間也有超聲波傳播(見(jiàn)圖6-5)。板波按其傳播方式又可分為對(duì)稱(chēng)型（S型）和非對(duì)稱(chēng)型（A型）兩種，這是由質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于板的中間層作對(duì)稱(chēng)型還是非對(duì)稱(chēng)型運(yùn)動(dòng)來(lái)決定的。

第8頁(yè)/共94頁(yè)圖6-5板波(a)對(duì)稱(chēng)型；

(b)非對(duì)稱(chēng)型

第9頁(yè)/共94頁(yè)

2)超聲波的波形超聲波由聲源向周?chē)鷤鞑サ倪^(guò)程可用波陣面進(jìn)行描述。如圖6-6所示，在無(wú)限大且各向同性的介質(zhì)中，振動(dòng)向各方向傳播，用波線(xiàn)表示傳播的方向；將同一時(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(chēng)為波陣面；某一時(shí)刻振動(dòng)傳播到達(dá)的距聲源最遠(yuǎn)的各點(diǎn)所連成的面稱(chēng)為波前。在各向同性介質(zhì)中波線(xiàn)垂直于波陣面。在任何時(shí)刻，波前總是距聲源最遠(yuǎn)的一個(gè)波陣面。

波前只有一個(gè)，而波陣面可以有任意多個(gè)。

第10頁(yè)/共94頁(yè)圖6-6波線(xiàn)、波前與波陣面(a)平面波；

(b)柱面波；

(c)球面波

第11頁(yè)/共94頁(yè)根據(jù)波陣面的形狀(波形)，可將超聲波分為平面波、柱面波和球面波等。平面波即波陣面為平面的波，而柱面波的波陣面為同軸圓柱面，球面波的波陣面為同心球面，如圖6-6所示。當(dāng)聲源是一個(gè)點(diǎn)時(shí)，在各向同性介質(zhì)中的波陣面為以聲源為中心的球面。可以證明，球面波中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)幅度與距聲源的距離成反比。當(dāng)聲源的尺寸遠(yuǎn)小于測(cè)量點(diǎn)距聲源的距離時(shí)，可以把超聲波看成是球面波。

球面波的波動(dòng)方程為

（6-2）

第12頁(yè)/共94頁(yè)

3）連續(xù)波與脈沖波連續(xù)波是介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)間為無(wú)窮時(shí)的波。脈沖波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)間很短的波，超聲檢測(cè)中最常用的是脈沖波。對(duì)脈沖波進(jìn)行頻譜分析，可知它并非單一頻率，而是包括多種頻率成分。其中人們關(guān)心的頻譜特征量主要有峰值頻率、頻帶寬度和中心頻率。第13頁(yè)/共94頁(yè)6.1.2超聲場(chǎng)及介質(zhì)的聲參量簡(jiǎn)介

1.超聲場(chǎng)的物理量

1)聲壓當(dāng)介質(zhì)中有超聲波傳播時(shí)，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，使介質(zhì)中壓強(qiáng)交替變化。超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬時(shí)所具有的壓強(qiáng)P1與沒(méi)有超聲波存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差稱(chēng)為該點(diǎn)的聲壓，用P表示,即(6-3)第14頁(yè)/共94頁(yè)對(duì)于平面余弦波，

可以證明：

（6-4）

式中：為介質(zhì)的密度;c為介質(zhì)中的聲速；為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振幅；V為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的角頻率；為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的幅值；t為時(shí)間；x為質(zhì)點(diǎn)距聲源的距離；為聲壓幅值。由上式可知：超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓幅值Pm與角頻率成正比，也就與頻率成正比。由于超聲波的頻率很高，遠(yuǎn)大于聲波的頻率，故超聲波的聲壓一般也遠(yuǎn)大于聲波的聲壓。第15頁(yè)/共94頁(yè)

2）聲阻抗介質(zhì)中某一點(diǎn)的聲壓幅值Pm與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值Vm之比，稱(chēng)為聲阻抗，常用Z表示。在同一聲壓下，聲阻抗Z愈大，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度就愈小。聲阻抗表示超聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。

由式(6-4)得

（6-5）

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3）聲強(qiáng)單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的聲能，稱(chēng)為聲強(qiáng)，用I表示。對(duì)于平面縱波，其聲強(qiáng)I為

（6-6）

由式(6-6)可知，超聲場(chǎng)中，聲強(qiáng)與角頻率平方成正比。由于超聲波的頻率很高，故超聲波的聲強(qiáng)很大，這是超聲波能用于探傷的重要依據(jù)。第17頁(yè)/共94頁(yè)

4）分貝的概念

實(shí)際探傷中，將聲強(qiáng)I1與I2之比取對(duì)數(shù)的10倍得到二者相差的數(shù)量級(jí)，這時(shí)單位為分貝，用dB表示，即（6-7）

根據(jù)式（6-6），有（6-8）

式中：

Pm1、

Pm2分別為聲強(qiáng)I1、

I2對(duì)應(yīng)的聲壓幅值。

第18頁(yè)/共94頁(yè)對(duì)于線(xiàn)性良好的超聲波探傷儀，示波屏上波高與聲壓成正比，即任意兩波高H1、H2之比等于相應(yīng)的聲壓Pm1、Pm2之比，即（6-9）

第19頁(yè)/共94頁(yè)

2.介質(zhì)的聲參量

1）聲速聲速表示聲波在介質(zhì)中傳播的速度，它與超聲波的波型有關(guān)，但更依賴(lài)于傳聲介質(zhì)自身的特性。因此，聲速又是一個(gè)表征介質(zhì)聲學(xué)特性的參量。了解受檢材料的聲速，對(duì)于缺陷的定位和定量分析都有重要的意義。聲速又可分為相速度和群速度。相速度是指聲波傳播到介質(zhì)的某一選定相位點(diǎn)時(shí)在傳播方向上的聲速。群速度是指?jìng)鞑ヂ暡ǖ陌j(luò)上具有某種特征（如幅值最大）的點(diǎn)上沿傳播方向上的聲速。

群速度是波群的能量傳播速度。

第20頁(yè)/共94頁(yè)（1）縱波、橫波和表面波的聲速?？v波、橫波和表面波的聲速主要是由介質(zhì)的彈性性質(zhì)、密度和泊松比決定的，而與頻率無(wú)關(guān)，即它們各自的相速度和群速度相同，因此一般說(shuō)到它們的聲速都是指相速度。不同材料聲速值有較大的差異。在給定的材料中，頻率越高，波長(zhǎng)越短。同一固體介質(zhì)中，縱波聲速cL大于橫波聲速cs，橫波聲速cs又大于瑞利波聲速cr。對(duì)于鋼材，cL≈1.8cs，cs≈1.1cr。（2）板波的聲速。板波的聲速與其他波型不同，其相速度隨頻率變化而變化。相速度隨頻率變化而變化的現(xiàn)象被稱(chēng)為頻散。

第21頁(yè)/共94頁(yè)

2）聲衰減系數(shù)超聲波的衰減指的是超聲波在材料中傳播時(shí)，聲壓或聲能隨距離的增大逐漸減小的現(xiàn)象。引起衰減的原因主要有三個(gè)方面：一是聲束的擴(kuò)散；二是由于材料中的晶粒或其他微小顆粒引起聲波的散射；三是介質(zhì)的吸收。在超聲檢測(cè)中，談到超聲波在材料中的衰減時(shí)，通常關(guān)心的是散射衰減和吸收衰減，而不包括擴(kuò)散衰減。

對(duì)于平面波來(lái)說(shuō)，

聲壓幅值衰減規(guī)律可用下式表示：

（6-10）

第22頁(yè)/共94頁(yè)介質(zhì)中超聲波的衰減系數(shù)α與超聲波的頻率關(guān)系密切，通常情況下，衰減系數(shù)隨頻率的增高而增大。

將式(6-10)兩邊取對(duì)數(shù)可轉(zhuǎn)換為以下關(guān)系式：

（6-11）

此時(shí)，的單位為dB／mm(分貝／毫米)。在超聲檢測(cè)中，直接可測(cè)量的量是兩個(gè)聲壓比值的分貝數(shù)。因此衰減系數(shù)可通過(guò)超聲波穿過(guò)一定厚度（Δx）材料后聲壓衰減的分貝（ΔdB）數(shù)進(jìn)行測(cè)量，將衰減量(ΔdB)除以厚度即為衰減系數(shù)α。

第23頁(yè)/共94頁(yè)6.1.3超聲波在介質(zhì)中的傳播特性

1.超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射如圖6-7所示，當(dāng)超聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)，一部分能量透過(guò)界面進(jìn)入第二種介質(zhì)，成為透射波(聲強(qiáng)為It)，波的傳播方向不變；另一部分能量則被界面反射回來(lái)，沿與入射波相反的方向傳播，成為反射波(聲強(qiáng)為Ir)。聲波的這一性質(zhì)是超聲波檢測(cè)缺陷的物理基礎(chǔ)。第24頁(yè)/共94頁(yè)圖6-7超聲波垂直入射于平界面的反射與透射

第25頁(yè)/共94頁(yè)通常將反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0的比值稱(chēng)為聲壓反射率r，將透射波聲壓Pt和P0的比值稱(chēng)為聲壓透射率t?？梢宰C明，r和t的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（6-12）

（6-13）

式中：

Z1為第一種介質(zhì)的聲阻抗；

Z2為第二種介質(zhì)的聲阻抗。

第26頁(yè)/共94頁(yè)為了研究反射波和透射波的能量關(guān)系，引入聲強(qiáng)反射率R和聲強(qiáng)透射率T兩個(gè)量。R為反射波聲強(qiáng)(Ir)和入射波聲強(qiáng)(I0)之比；T為透射波聲強(qiáng)(It)和入射波聲強(qiáng)(I0)之比。（6-14）

（6-15）

第27頁(yè)/共94頁(yè)對(duì)于脈沖反射技術(shù)來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)有意義的量是聲壓往返透過(guò)率，如圖6-8所示。通常入射聲壓經(jīng)過(guò)兩種介質(zhì)的界面透射到試件中后，均需經(jīng)過(guò)相反的路徑（假設(shè)在工件底面的反射為全反射）再次穿過(guò)界面到第一介質(zhì)中才被探頭所接收。兩次穿透界面時(shí)透射率的大小，決定著接收信號(hào)的強(qiáng)弱。因此，將聲壓沿相反方向兩次穿過(guò)界面時(shí)總的透射率稱(chēng)為聲壓往返透過(guò)率(tp)，其數(shù)值等于兩次穿透界面的透射率的乘積，

由式（6-13）可得

（6-16）

第28頁(yè)/共94頁(yè)圖6-8聲壓往返透過(guò)率

第29頁(yè)/共94頁(yè)

2.超聲波垂直入射到多層界面上時(shí)的反射和透射在超聲檢測(cè)中經(jīng)常遇到超聲波進(jìn)入第二種介質(zhì)后，穿過(guò)第二種介質(zhì)再進(jìn)入第三種介質(zhì)的情況。如圖6-9所示，當(dāng)超聲波從介質(zhì)1（聲阻抗為Z1）中垂直入射到介質(zhì)1和介質(zhì)2（聲阻抗為Z2）的界面上時(shí)，一部分聲能被反射，另一部分透射到介質(zhì)2中；當(dāng)透射的聲波到達(dá)介質(zhì)2和介質(zhì)3（聲阻抗為Z3）的界面時(shí)，再次發(fā)生反射與透射，其反射波部分在介質(zhì)2中傳播至介質(zhì)2與介質(zhì)1的界面，則又會(huì)發(fā)生同樣的過(guò)程。如此不斷地繼續(xù)下去，則在兩個(gè)界面的兩側(cè)，產(chǎn)生一系列的反射波與透射波。

第30頁(yè)/共94頁(yè)圖6-9在兩個(gè)界面上的反射和透射第31頁(yè)/共94頁(yè)

3.超聲波傾斜入射到平界面上的反射、折射和波型變換當(dāng)超聲波相對(duì)于界面入射點(diǎn)法線(xiàn)以一定的角度傾斜入射到兩種不同介質(zhì)的界面上時(shí)，在界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，見(jiàn)圖6-10。入射聲波與入射點(diǎn)法線(xiàn)之間的夾角稱(chēng)為入射角。

第32頁(yè)/共94頁(yè)圖6-10超聲波傾斜入射到平界面上的反射、折射和波型變換(a)縱波入射；

(b)橫波入射

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1)反射如圖6-10（a）所示，當(dāng)縱波以入射角αL傾斜入射到異質(zhì)界面上時(shí)，將會(huì)在介質(zhì)1中于入射點(diǎn)法線(xiàn)的另一側(cè)產(chǎn)生與法線(xiàn)成一定夾角αL′的反射縱波。反射波與入射點(diǎn)法線(xiàn)之間的夾角稱(chēng)為反射角。入射縱波與反射縱波之間的關(guān)系符合幾何光學(xué)的反射定律，即αL=αL′。與光的反射不同的是，當(dāng)介質(zhì)1為固體時(shí)，界面上既產(chǎn)生反射縱波，同時(shí)又發(fā)生波型轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生反射橫波，即反射后同時(shí)產(chǎn)生縱波與橫波兩種波型。這時(shí)，橫波反射角αS′與縱波入射角之間的關(guān)系與光學(xué)中的斯奈爾定律相同，為

（6-17）

第34頁(yè)/共94頁(yè)若入射聲波為橫波，也會(huì)產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象，見(jiàn)圖6-10（b)，這時(shí)橫波入射角αS與橫波反射角αS′相等。介質(zhì)1為固體時(shí)縱波反射角與橫波入射角之間的關(guān)系為

（6-18）

由于固體中縱波聲速總是大于橫波聲速，因此，無(wú)論是縱波入射還是橫波入射，均有。當(dāng)介質(zhì)1為液體或氣體時(shí)，則入射波和反射波只能為縱波。第35頁(yè)/共94頁(yè)

2）折射當(dāng)兩種介質(zhì)聲速不同時(shí)，透射部分的聲波會(huì)發(fā)生傳播方向的改變，稱(chēng)為折射。不論是縱波入射還是橫波入射，只要介質(zhì)2為固體，則介質(zhì)2中除有與入射波相同波型的折射波外，均可因在界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生與入射波不同波型的折射波。這時(shí)，介質(zhì)2中可能同時(shí)存在縱波與橫波(見(jiàn)圖6-10)。折射角與入射角之間的關(guān)系符合斯奈爾定律。折射角相對(duì)于入射角的大小和折射波聲速與入射波聲速的比率有關(guān)。同時(shí)，由于縱波聲速總是大于橫波聲速，因此縱波折射角βL要大于橫波折射角βS。

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3）臨界角當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)中的折射波型的聲速比第一種介質(zhì)中入射波型的聲速大時(shí)，折射角大于入射角。此時(shí)，存在一個(gè)臨界入射角，在這個(gè)角度下，折射角等于90°。大于這一角度時(shí)，第二種介質(zhì)中不再有相應(yīng)波型的折射波。

(1)第一臨界角。當(dāng)入射波為縱波，且cL2>cL1時(shí)，使縱波折射角達(dá)到90°的縱波入射角稱(chēng)為第一臨界角，用符號(hào)αⅠ表示。當(dāng)縱波入射角大于第一臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中不再有折射縱波。

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(2)第二臨界角。當(dāng)入射波為縱波，第二介質(zhì)為固體，且cS2>cL1時(shí)，使橫波折射角達(dá)到90°的縱波入射角為第二臨界角，用符號(hào)αⅡ表示。通常在超聲檢測(cè)中，臨界角主要應(yīng)用于第二介質(zhì)為固體，而第一介質(zhì)為固體或液體的情況。這種情況下，可利用入射角在第一臨界角和第二臨界角之間的范圍，在固體中產(chǎn)生一定角度范圍內(nèi)的純橫波，

對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)。

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(3)第三臨界角。第三臨界角是在固體介質(zhì)與另一種介質(zhì)的界面上，用橫波作為入射波時(shí)產(chǎn)生的。使縱波反射角達(dá)到90°時(shí)的橫波入射角稱(chēng)為第三臨界角，用表示αⅢ。

4）斜入射時(shí)的聲壓反射率和透射率斜入射時(shí)反射波和透射波的聲壓關(guān)系較為復(fù)雜。但在超聲檢測(cè)中，關(guān)心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的變化。對(duì)脈沖反射法，更關(guān)心的是聲壓往返透過(guò)率隨入射角度的變化。

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3.超聲波入射到曲界面上的反射和透射

1）平面波入射到曲界面上的反射平面波入射到曲界面上時(shí)的情況如圖6-11所示。平面波束與曲面上各入射點(diǎn)的法線(xiàn)成不同的夾角：入射角為0°的聲線(xiàn)沿原方向返回，稱(chēng)為聲軸；其余聲線(xiàn)的反射角則隨著距聲軸距離的增大而增大。當(dāng)曲面是球面時(shí)，反射線(xiàn)或其延長(zhǎng)線(xiàn)匯聚于一個(gè)焦點(diǎn)上；反射面為圓柱面時(shí)，反射線(xiàn)或其延長(zhǎng)線(xiàn)匯聚于一條焦線(xiàn)上。此時(shí)，焦距F與曲面曲率半徑r的關(guān)系為

（6-19）第40頁(yè)/共94頁(yè)圖6.11平面波入射至曲面時(shí)的反射第41頁(yè)/共94頁(yè)

2）平面波在曲面上的折射平面波入射到曲面上時(shí)，其折射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖6-12所示。這時(shí)折射波的聚焦或發(fā)散不僅與曲面的凹凸有關(guān)，而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速有關(guān)。對(duì)于凹面，c1<c2時(shí)聚焦，c1>c2時(shí)發(fā)散；對(duì)于凸面，c1>c2時(shí)聚焦，c1<c2時(shí)發(fā)散。折射后的焦距F為

（6-20）

第42頁(yè)/共94頁(yè)圖6-12平面波在曲面上的折射

第43頁(yè)/共94頁(yè)6.1.4由圓形壓電晶片產(chǎn)生的聲場(chǎng)簡(jiǎn)介

1.圓形壓電晶片聲源的聲場(chǎng)理想的圓盤(pán)聲源是指圓形平面的聲振動(dòng)源，當(dāng)它沿平面法線(xiàn)方向振動(dòng)時(shí)，其面上各點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值和相位都相同，發(fā)射的波稱(chēng)為活塞波。圓盤(pán)聲源發(fā)出的聲場(chǎng)，由于聲源尺寸有限，必然在其邊緣發(fā)生衍射效應(yīng)使聲束向周?chē)臻g擴(kuò)散，形成一個(gè)隨距離增大而波陣面面積不斷擴(kuò)大的擴(kuò)散聲束。另一方面，聲源上各點(diǎn)發(fā)出的聲波相互干涉又使得聲壓的空間分布不是隨距離單調(diào)變化的。因此，對(duì)圓盤(pán)聲源聲場(chǎng)中聲壓分布的描述非常復(fù)雜。從圓盤(pán)聲源的對(duì)稱(chēng)性來(lái)分析，通過(guò)圓盤(pán)中心且垂直于盤(pán)面的直線(xiàn)應(yīng)是聲場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)軸，稱(chēng)為圓盤(pán)聲源軸線(xiàn)。討論圓盤(pán)聲源的聲場(chǎng)將從聲壓沿軸線(xiàn)的分布以及聲束擴(kuò)散的特性著手。

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1)圓盤(pán)聲源軸線(xiàn)上的聲壓分布根據(jù)疊加原理，圓盤(pán)聲源軸線(xiàn)上任何一點(diǎn)處的聲壓等于聲源上各點(diǎn)輻射的聲壓在該點(diǎn)的疊加。如果聲源發(fā)出的波為連續(xù)簡(jiǎn)諧波，并假定介質(zhì)為無(wú)衰減的液體介質(zhì)，則可推出聲源軸上聲壓幅值P的分布符合下式：

（6-21）式中：P0為聲源的起始聲壓；D為圓盤(pán)聲源的直徑；λ為傳聲介質(zhì)中聲波的波長(zhǎng)；x為圓盤(pán)聲源軸線(xiàn)上某一點(diǎn)距聲源的距離。第45頁(yè)/共94頁(yè)圖6-13圓盤(pán)聲源軸線(xiàn)上的聲壓分布

第46頁(yè)/共94頁(yè)由式(6-21)，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到最后一個(gè)聲壓極大值點(diǎn)距聲源距離的表達(dá)式：

（6-22）

當(dāng)D>>λ時(shí)，λ/4可以忽略，從而得到近場(chǎng)長(zhǎng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下，可用于實(shí)際工作中近場(chǎng)長(zhǎng)度的估算：

（6-23）

再看圖6-13中遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)部分的特點(diǎn)，圖中標(biāo)有“P球”的虛線(xiàn)為球面波聲壓隨距離的變化曲線(xiàn)，可以看出，距離大于3N以后，圓盤(pán)聲源聲軸上的聲壓幅值變化與球面波的曲線(xiàn)非常接近。這一結(jié)論也可通過(guò)式(6-21)導(dǎo)出。

第47頁(yè)/共94頁(yè)當(dāng)4λx/D2>3，也就是x>3N時(shí)，式（6-21）可簡(jiǎn)化為

（6-24）

式中：S=πD2/4為圓盤(pán)聲源的面積。聲壓幅值與距聲源的距離成反比，正是球面波的聲壓幅值的變化規(guī)律。第48頁(yè)/共94頁(yè)

2）指向性與擴(kuò)散角指向性與擴(kuò)散角研究的是聲束在空間擴(kuò)散的規(guī)律。同樣根據(jù)疊加原理，可將在空間中距聲源有一定距離的任一點(diǎn)的聲壓，看做是聲源上各點(diǎn)的輻射聲壓的疊加(見(jiàn)圖6-14)，從而得到聲場(chǎng)內(nèi)聲壓幅值的分布情況，

如圖6-15所示。

第49頁(yè)/共94頁(yè)圖6-14圓盤(pán)聲源遠(yuǎn)場(chǎng)中任一點(diǎn)的聲壓推導(dǎo)

第50頁(yè)/共94頁(yè)圖6-15圓盤(pán)聲源聲場(chǎng)指向性示意圖

第51頁(yè)/共94頁(yè)超聲場(chǎng)中超聲波的能量主要集中于以聲軸為中心的某一角度范圍內(nèi)，這一范圍稱(chēng)為主聲束。這種聲束集中向一個(gè)方向輻射的性質(zhì)叫做聲場(chǎng)的指向性。在主聲束角度范圍以外還存在一些能量很低的、只分布于聲源附近的副瓣聲束。主聲束所包含的角度范圍可由距聲源充分遠(yuǎn)處的聲壓分布得到。設(shè)Rs為圓形聲源的半徑，r為空間任一點(diǎn)M到聲源中心的距離，θ為M點(diǎn)與聲源中心的連線(xiàn)與聲源軸線(xiàn)的夾角。當(dāng)滿(mǎn)足條件r>3R2s/λ，也就是r>3N時(shí)，聲壓幅值的表達(dá)式為（6-25）

式中：

J1為第一類(lèi)第一階貝塞爾函數(shù)；S為聲源面積。第52頁(yè)/共94頁(yè)根據(jù)上式可知，距聲源充分遠(yuǎn)處的任一橫截面上，以聲源軸線(xiàn)上的聲壓為最高。這是超聲檢測(cè)中對(duì)缺陷定位的依據(jù)。同時(shí)，存在偏離軸線(xiàn)的若干個(gè)角度θ上的聲壓的幅值為零。將遠(yuǎn)場(chǎng)中第一個(gè)聲壓為零的角度，稱(chēng)為指向角或半擴(kuò)散角，以θ0表示為（6-26）

指向角是代表主聲束范圍的角度，反映了聲束的定向集中程度，也反映了聲束隨距離擴(kuò)散的快慢。指向角越大，則聲束指向性越差，聲束擴(kuò)散越快。由式(6-26)可看出，聲源的直徑越大，

波長(zhǎng)越短，則聲束指向角越小，

指向性越好。

第53頁(yè)/共94頁(yè)圖6-16圓盤(pán)聲源非擴(kuò)散區(qū)示意圖

第54頁(yè)/共94頁(yè)當(dāng)λ<<D時(shí)，式(6-26)可簡(jiǎn)化為

（6-27）由于超聲能量主要集中于主聲束，對(duì)于圓形晶片，可以認(rèn)為在距聲源一定距離內(nèi)，超聲能量未逸出以晶片直徑所約束的范圍，聲束直徑小于晶片直徑。這一距離之內(nèi)就稱(chēng)為非擴(kuò)散區(qū)，如圖6-16所示。非擴(kuò)散區(qū)之外，則稱(chēng)為擴(kuò)散區(qū)。按幾何關(guān)系，可得到非擴(kuò)散區(qū)的長(zhǎng)度b為

(6-28)第55頁(yè)/共94頁(yè)

3)實(shí)際聲源的聲場(chǎng)簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)假定聲源是均勻、連續(xù)激發(fā)的，而實(shí)際探頭多是非均勻激發(fā)的脈沖波源；簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)假定介質(zhì)是液體介質(zhì)，實(shí)際檢測(cè)對(duì)象多為固體介質(zhì)。對(duì)實(shí)際聲場(chǎng)的研究結(jié)果表明，實(shí)際聲場(chǎng)與簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果的差別主要在于近場(chǎng)區(qū)的聲壓分布。簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果中近場(chǎng)區(qū)聲壓變化劇烈，可有多處極大值和極小值。而實(shí)際聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)聲壓分布比較均勻，幅度變化小，極值點(diǎn)的數(shù)量也明顯減少。盡管實(shí)際聲場(chǎng)與簡(jiǎn)化分析結(jié)果有所差異，但在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)是基本符合的。因此，可以應(yīng)用簡(jiǎn)化推導(dǎo)得出的結(jié)果，進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)中的近似計(jì)算。

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2.規(guī)則反射體回波聲壓與AVG曲線(xiàn)

1）規(guī)則反射體回波聲壓超聲檢測(cè)用于發(fā)現(xiàn)材料中缺陷的最常用的技術(shù)是脈沖反射法，是根據(jù)接收到的反射波的位置、幅度等信息判斷材料內(nèi)部存在缺陷的情況。因此，研究聲場(chǎng)中存在反射界面時(shí)反射波的聲壓對(duì)于缺陷的檢出和缺陷的評(píng)價(jià)是十分重要的。實(shí)際中總是結(jié)合圓盤(pán)聲源聲場(chǎng)規(guī)律，討論在圓盤(pán)聲場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)中，介質(zhì)衰減可以忽略且界面聲壓反射率為1時(shí)，不同形狀反射體反射聲壓的變化規(guī)律。

第57頁(yè)/共94頁(yè)由于實(shí)際缺陷形狀是各種各樣的，甚至可能是不規(guī)則的，在進(jìn)行理論分析時(shí)，采用幾種簡(jiǎn)化的規(guī)則形狀模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算。有些形狀可在試樣上人工制作，從而可作為人工模擬反射體，用于儀器的調(diào)整和缺陷的評(píng)價(jià)。規(guī)則形狀反射體主要包括大平面、圓形或方形平面、球形反射體和圓柱形反射體。具體的規(guī)則反射體回波聲壓公式可查閱有關(guān)資料。當(dāng)對(duì)實(shí)際缺陷大小進(jìn)行計(jì)算時(shí)，往往得到的是該缺陷相當(dāng)于多大的規(guī)則反射體，把這個(gè)大小稱(chēng)為缺陷的當(dāng)量尺寸。

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2)AVG曲線(xiàn)所謂AVG曲線(xiàn)，是描述規(guī)則反射體距聲源的距離(A)、回波高度(V)、當(dāng)量尺寸(G)三者之間關(guān)系的曲線(xiàn)。A、V、G是德文距離、增益和大小三詞的字頭。利用AVG曲線(xiàn)，可以進(jìn)行缺陷當(dāng)量的評(píng)定。

AVG曲線(xiàn)有多種類(lèi)型，有縱波AVG曲線(xiàn)和橫波AVG曲線(xiàn)、平底孔AVG曲線(xiàn)和橫孔AVG曲線(xiàn)、通用AVG曲線(xiàn)和實(shí)用AVG曲線(xiàn)等。通用AVG曲線(xiàn)和實(shí)用AVG曲線(xiàn)都可以用于調(diào)整檢測(cè)靈敏度和對(duì)缺陷進(jìn)行定量。

第59頁(yè)/共94頁(yè)6.1.5超聲波檢測(cè)方法

1.超聲檢測(cè)設(shè)備和器材超聲檢測(cè)設(shè)備和器材包括超聲波檢測(cè)儀、探頭、試塊、耦合劑和機(jī)械掃查裝置等。超聲檢測(cè)儀和探頭對(duì)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵性的作用，是產(chǎn)生超聲波并對(duì)經(jīng)材料中傳播后的超聲波信號(hào)進(jìn)行接收、處理、顯示的部分。由這些設(shè)備組成一個(gè)綜合的超聲檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體性能不僅受到各個(gè)分設(shè)備的影響，還在很大程度上取決于它們之間的配合。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，對(duì)檢測(cè)的可靠性、速度提出了更高的要求，以往的手工檢測(cè)越來(lái)越多地被自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)取代。

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1)超聲波檢測(cè)儀超聲波檢測(cè)儀是超聲檢測(cè)的主體設(shè)備，是專(zhuān)門(mén)用于超聲檢測(cè)的一種電子儀器。

(1)超聲波檢測(cè)儀的作用。它的作用是產(chǎn)生電振蕩并加于換能器——探頭，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)將探頭送回的電信號(hào)進(jìn)行放大處理后以一定方式顯示出來(lái)，從而得到被探測(cè)工件內(nèi)部有無(wú)缺陷及缺陷的位置和大小等信息。

第61頁(yè)/共94頁(yè)圖6-17A型顯示原理圖

第62頁(yè)/共94頁(yè)②按缺陷顯示方式分類(lèi)：脈沖式檢測(cè)儀按回波信號(hào)的顯示方式又可分為A型顯示、B型顯示和C型顯示三種類(lèi)型。

A型顯示是一種波形顯示，屏幕的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間（或距離），縱坐標(biāo)代表反射波的聲壓幅度?？梢哉J(rèn)為該方式顯示的是沿探頭發(fā)射聲束方向上一條線(xiàn)上的不同點(diǎn)的回波信息。圖6-17為A型顯示原理圖。圖中，T表示發(fā)射脈沖，F(xiàn)表示來(lái)自缺陷的回波，B表示底面回波。

B型顯示顯示的是試件的一個(gè)二維截面圖，屏幕縱坐標(biāo)代表探頭在探測(cè)面上沿一直線(xiàn)移動(dòng)掃查的位置坐標(biāo)，橫坐標(biāo)是聲傳播的時(shí)間（或距離）。該方式可以直觀(guān)地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度等信息。第63頁(yè)/共94頁(yè)圖6-18B型顯示原理圖

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C型顯示顯示的是試件的一個(gè)平面投影圖，探頭在試件表面做二維掃查，屏幕的二維坐標(biāo)對(duì)應(yīng)探頭的掃查位置。探頭在每一位置接收的信號(hào)幅度以光點(diǎn)輝度表示。該方式可形象地顯示工件內(nèi)部缺陷的平面投影圖像，但不能顯示缺陷的深度。圖6-19為C型顯示原理圖。

第65頁(yè)/共94頁(yè)圖6-19C型顯示原理圖

第66頁(yè)/共94頁(yè)③按超聲波的通道分類(lèi)：可分為單通道和多通道檢測(cè)儀。④按是否數(shù)字化分類(lèi)：可分為數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀和模擬式超聲波檢測(cè)儀所謂數(shù)字式主要指發(fā)射、接收電路的參數(shù)控制和接收信號(hào)的處理、顯示均采用數(shù)字方式的儀器。數(shù)字式超聲檢測(cè)儀是計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它具有傳統(tǒng)模擬式檢測(cè)儀的基本功能，同時(shí)又增加了數(shù)字化帶來(lái)的先進(jìn)功能，即實(shí)現(xiàn)了儀器功能的精確、自動(dòng)控制，信號(hào)獲取和處理的數(shù)字化和自動(dòng)化，檢測(cè)結(jié)果的可記錄性和可再現(xiàn)性。以上分類(lèi)中，模擬式和數(shù)字式A型脈沖反射式超聲波檢測(cè)儀在工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛，其型號(hào)有CTS-22、CTS-21、JTS-5、CST-3等。圖6-20為一組超聲波檢測(cè)儀的圖片。

第67頁(yè)/共94頁(yè)圖6-20超聲波檢測(cè)儀(a)、

(b)、

(c)數(shù)字式超聲檢測(cè)儀；

(d)探傷小車(chē)

第68頁(yè)/共94頁(yè)

2)超聲波探頭（1）超聲波探頭的作用。超聲波探頭用于實(shí)現(xiàn)聲能和電能的互相轉(zhuǎn)換。它是利用壓電晶體的正、逆壓電效應(yīng)進(jìn)行換能的。探頭是組成檢測(cè)系統(tǒng)的最重要的組件，其性能的好壞直接影響超聲檢測(cè)的效果。（2）常用超聲波探頭的類(lèi)型。超聲波檢測(cè)中由于被探測(cè)工件的形狀和材質(zhì)、探測(cè)的目的、探測(cè)的條件不同，因而要使用各種不同形式的探頭。其中最常用的是接觸式縱波直探頭、接觸式橫波斜探頭、雙晶探頭、水浸探頭與聚焦探頭等。一般橫波斜探頭的晶片為方形，縱波直探頭的晶片為圓形，而聚焦聲源的圓形晶片為聲透鏡。所以聲場(chǎng)就有圓盤(pán)源聲場(chǎng)、聚焦聲源聲場(chǎng)和斜探頭發(fā)射的橫波聲場(chǎng)。

圖6-21為一組探頭的圖片。

第69頁(yè)/共94頁(yè)圖6-21各種探頭(a)縱波直探頭；

(b)橫波斜探頭；

(c)雙晶探頭

第70頁(yè)/共94頁(yè)

3）試塊與耦合劑與一般的測(cè)量過(guò)程一樣，為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與重復(fù)性、可比性，必須用一個(gè)具有已知固定特性的試樣(試塊)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。這種按一定的用途設(shè)計(jì)制作的具有簡(jiǎn)單形狀人工反射體的試件即稱(chēng)為試塊。超聲檢測(cè)用試塊通常分為兩種類(lèi)型，即標(biāo)準(zhǔn)試塊(校準(zhǔn)試塊)和對(duì)比試塊(參考試塊)。

第71頁(yè)/共94頁(yè)當(dāng)探頭和試件之間有一層空氣時(shí)，超聲波的反射率幾乎為100％，即使很薄的一層空氣也可以阻止超聲波傳入試件。因此，排除探頭和試件之間的空氣非常重要。耦合劑就是為了改善探頭和試件間聲能的傳遞而加在探頭和檢測(cè)面之間的液體薄層。耦合劑可以填充探頭與試件間的空氣間隙，使超聲波能夠傳入試件，這是使用耦合劑的主要目的。除此之外，耦合劑有潤(rùn)滑作用，可以減少探頭和試件之間的摩擦，防止試件表面磨損探頭，并使探頭便于移動(dòng)。在液浸法檢測(cè)中，通過(guò)液體實(shí)現(xiàn)耦合，此時(shí)液體也是耦合劑。常用的耦合劑有水、甘油、

變壓器油、化學(xué)漿糊等。

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2.超聲檢測(cè)方法超聲檢測(cè)的方法很多，可按原理、波型和使用探頭的數(shù)目及探頭接觸方式來(lái)分類(lèi)。按原理分類(lèi)，有脈沖反射法、穿透法和共振法；按顯示方式分類(lèi)，有A型顯示、B型顯示和C型顯示；按波型分類(lèi)，有縱波法、橫波法、表面波法和板波法；按探頭數(shù)目分類(lèi)，有單探頭法、雙探頭法和多探頭法；按耦合方式分類(lèi)，有接觸法和液浸法；按入射角度分類(lèi)，有直射聲束法和斜射聲束法。

第73頁(yè)/共94頁(yè)

1）穿透法穿透法通常采用兩個(gè)探頭，分別放置在試件兩側(cè)，一個(gè)將脈沖波發(fā)射到試件中，另一個(gè)接收穿透試件后的脈沖信號(hào)，依據(jù)脈沖波穿透試件后幅值的變化來(lái)判斷內(nèi)部缺陷的情況(見(jiàn)圖6-22)。

第74頁(yè)/共94頁(yè)圖6-22直射聲束穿透法(a)無(wú)缺陷；

(b)有缺陷

第75頁(yè)/共94頁(yè)

2）脈沖反射法脈沖反射法是由超聲波探頭發(fā)射脈沖波到試件內(nèi)部，通過(guò)觀(guān)察來(lái)自?xún)?nèi)部缺陷或試件底面的反射波的情況來(lái)對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)的方法。圖6-23顯示了接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法的基本原理。

第76頁(yè)/共94頁(yè)圖6-23接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法(a)無(wú)缺陷；

(b)有缺陷

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3）液浸法液浸法是在探頭與試件之間填充一定厚度的液體介質(zhì)作耦合劑，使聲波首先經(jīng)過(guò)液體耦合劑，而后再入射到試件中，探頭與試件并不直接接觸。液浸法中，探頭角度可任意調(diào)整，聲波的發(fā)射、接收也比較穩(wěn)定，便于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化，大大提高了檢測(cè)速度。液浸法的缺點(diǎn)是當(dāng)耦合層較厚時(shí)，聲能損失較大。另外，自動(dòng)化檢測(cè)還需要相應(yīng)的輔助設(shè)備，有時(shí)是復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備和電子設(shè)備，它們對(duì)單一產(chǎn)品(或幾種產(chǎn)品)往往具有很高的檢測(cè)能力，但缺乏靈活性?？傊航ㄅc直接接觸法各有利弊，應(yīng)根據(jù)被檢對(duì)象的具體情況(幾何形狀的復(fù)雜程度和產(chǎn)品的產(chǎn)量等)，

選用不同的方法。

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3.超聲檢測(cè)通用技術(shù)超聲檢測(cè)方法可采用多種檢測(cè)技術(shù)，每種檢測(cè)技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中，都有其需要考慮的特殊問(wèn)題，其檢測(cè)過(guò)程也各有特點(diǎn)。但各種超聲檢測(cè)技術(shù)又都存在著通用的技術(shù)問(wèn)題。例如，檢測(cè)的過(guò)程都可歸納為以下幾個(gè)步驟：①試件的準(zhǔn)備。②檢測(cè)條件的確定，包括超聲波檢測(cè)儀、探頭、試塊等的選擇。③檢測(cè)儀器的調(diào)整。④掃查。⑤缺陷的評(píng)定。⑥

結(jié)果記錄與報(bào)告的編寫(xiě)。

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1）超聲波檢測(cè)儀的選擇一般市場(chǎng)上出售的A型脈沖反射式超聲波檢測(cè)儀已具備一些基本功能，其基本性能參數(shù)(垂直線(xiàn)性、水平線(xiàn)性等)也能滿(mǎn)足通常超聲檢測(cè)的要求。對(duì)于給定的任務(wù)，在選擇超聲波檢測(cè)儀時(shí)，主要考慮的是該任務(wù)的特殊要求，可從以下幾方面進(jìn)行考慮：（1）所需采用的超聲頻率特別高或特別低時(shí)，應(yīng)注意頻帶寬度。（2）對(duì)薄試件檢測(cè)和近表面缺陷檢測(cè)時(shí)，應(yīng)注意發(fā)射脈沖是否可調(diào)為窄脈沖。（3）檢測(cè)大厚度試件或高衰減材料時(shí)，選擇發(fā)射功率大、增益范圍大、電噪聲低的超聲波檢測(cè)儀，有助于提高穿透能力和小缺陷顯示能力。

第80頁(yè)/共94頁(yè)（4）對(duì)衰減小或厚度大的試件，選用重復(fù)頻率可調(diào)為較低數(shù)值的超聲波檢測(cè)儀，可避免幻象波的干擾。（5）室外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，應(yīng)選擇重量輕，熒光屏亮度好，抗干擾能力強(qiáng)的便攜式超聲波檢測(cè)儀。（6）

自動(dòng)快速掃查時(shí)應(yīng)選擇最高重復(fù)頻率高的超聲波檢測(cè)儀。

第81頁(yè)/共94頁(yè)

2）

探頭的選擇

（1）頻率。超聲波的頻率在很大程度上決定了其對(duì)缺陷的探測(cè)能力。頻率的選擇可以這樣考慮：對(duì)于小缺陷、近表面缺陷或薄件的檢測(cè)，可以選擇較高頻率；對(duì)于大厚度試件、高衰減材料，應(yīng)選擇較低頻率。在靈敏度滿(mǎn)足要求的情況下，選擇寬帶探頭可提高分辨力和信噪比。針對(duì)具體對(duì)象，適用的頻率需在上述考慮當(dāng)中取得一個(gè)最佳的平衡，既要保證所需尺寸缺陷的檢出，并滿(mǎn)足分辨力的要求，也要保證在整個(gè)檢測(cè)范圍內(nèi)具有足夠的靈敏度與信噪比。

第82頁(yè)/共94頁(yè)（2）晶片尺寸。探頭晶片尺寸對(duì)檢測(cè)的影響主要是通過(guò)其對(duì)聲場(chǎng)特性的影響體現(xiàn)出來(lái)的。多數(shù)情況下，檢測(cè)大厚度的試件時(shí)，采用大直徑探頭較為有利；檢測(cè)厚度較小的試件時(shí)，則采用小直徑探頭較為合理。

應(yīng)根據(jù)具體情況，

選擇滿(mǎn)足檢測(cè)要求的探頭。

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3）耦合劑的選擇選擇耦合劑主要考慮以下幾方面的要求：（1）透聲性能好。聲阻抗盡量