1、超声波探伤理论基础 超声波探伤理论基础 第一章 超声波探伤的物理基础 .波 介质的一切质点， 是以弹性力互相联系着的， 某质点在介质内振动， 能激起周围的质点振动。 振动是一种很普遍的运动形式， 物体在一定位置附近作周期性的往复运动叫作机械振动。 例如： 钟摆的来回摆动， 活塞的往复运动都是机械振动。 （有机械波和电磁波） 波是传递能量的一种方式， 波在传播振动的同时， 也将波源的能量传播出去， 即产生新的波源。 例如： 超声波探伤就是将探头晶片（波源） 振动的能量传递到钢材中去。 2.声波 声波是一种机械波， 可在气体、 液体、 固体中传播； 根据频率不同， 它可分为次声波、 可闻波、 超声
2、波和特超声波。 (1). 次 声 波 . 频 率 ( f ) 低于 秒叫作次声波。 (2). 声 波 . 频 率 ( f ) 大于 20 秒， 小于 20190 秒 叫作声波（ 可闻波） 。 (3). 超 声 波 : 频 率 ( f ) 大于 20190 秒； 小于 10000 秒叫作超声波。 (4).特超声波. 频率 ( f ) 大于 10000 秒 叫作特超声波。 我 们 用 来 探 伤 的 频 率 在 . 秒 秒 。 声波的频率越高， 越与光学的某些特征（如反射、 折射定律） 相似。 超声波比可闻波的波长短得多， 有相似于光的直线传播的性质， 因为它的波长短， 就是小缺陷引起的反射也比较
3、大， 很容易被发现。 3. 超声波的发射和接收 某些材料， 如： 石英（ ） ， 硫酸锂（ ） ； 锆钛酸铅（ ） 等 由于它们具有压电性， 即在一定方向上施加一定电压时， 在其厚 1度方向上产生伸长或缩短（取决于电压的正负） ， 其伸长或缩短的大小取决于电压的高低， 当在二电极上面施加高频交变电压时。 在这种晶体的周围介质就产生高频声波超声波。 当某种压电材料受到电脉冲时， 它的表面会产生振动（这一现象叫做） ， 其振动的频率超过 20190Hz 时， 就产生了 超声波， 这就是超声波的发射； 当某种压电材料受到一定的压力时， 会产生电荷（这一现象叫做） ， 从而被仪器接收， 这就是超声波的
4、接收， 超声波的接收是利及压电材料的正压电效应。 4. 超声波的波型 波型： 以质点振动方向与波传播方向的相对关系来表证的在介质中传播的超声波的类型。 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同， 可产生出不同波型的超声波。 超声波的波型主要有以下几种： (1).纵波（ ） 质点振动的方向和波传播的方向一致的波叫作纵波。 它能在固体、 液体、和汽体中传播。 纵波会使质点之间产生压缩和膨胀， 于是又叫作压缩波， 它用于纵波探伤。 (2.)横波（ ） 质点振动的方向和波传播的方向垂直的波叫作横波。 如图 所示， 它只能在固体和切变模数高的粘滞液体中传播， 横波又叫切变波。 (3.)表面波（
5、 ， 瑞利波） 表面波是沿介质表面传播的波， 质点振动的轨迹是椭园形， 位移的长轴垂直于传播方向； 质点位移的短轴， 平行于传播方向； 表面波只能在固体表面传播， 其振幅随深度的增加而迅速衰减， 传播的速度约为横波的 0.9 倍。 它的同意词是瑞利波。 (4)板波（P， 兰姆波） 在无限大板状介质中传播的一种声波。 板波仅在频率、 入射角及板厚为特定值时才能产生。 在板波的传播中， 按板中振动的形态分为对称型两种， 且质点振动的轨迹是椭园， 其传播速度与材质、 板厚及频率等有关。 它的同意词是兰姆波。 5、 频率、 声速与波长 (1) 超声波的频率（ ） 质点每秒钟振动的次数叫做频率。 超声波
6、的频率主要受探头晶片的厚度控制。 (2) 超声波的声速（ ） 2 超声波在介质中， 在单位时间内所传播的距离叫做声速。 (3) 超声波的波长（） 在波的传播方向， 两个相邻同相位的质点的距离。 或波峰与波峰， 或波谷与波谷的距离。 (4) 波长、 频率和声速的关系式 可见， 波长与声速成正比， 与频率成反比。 频率越高， 波长越短检出小缺陷的能力越强。 第二节 超声波在不同界面上的反射、 透过和折射 、 垂直入射的反射和透过 当超声波垂直入射至声阻抗不同的异质界面时， 声波在界面上分成反射和透射两部份， 这两部份的比例由接界的两种介质的声阻抗 所决定， 两种声阻抗分别用1 和2 来表示。 反射
7、波声压与入射波声压之比称为反射率， 用 r表示。 声波垂直投射到第一介质和第二介质的界面上， 设其入射声能的大小为i，在投射到界面的一瞬间， 在第一介质一侧会产生反射声压r ， 在第二介质一侧会产生透过波声压t ， 反射波的前进方向与入射波相反， 透过波的前进方向与入射波相同。 两种物质的声阻抗分别用1 和2 表示， 反射波声压与入射波声压之比称为声压反射率， 用 r表示。 介质中任何一点处的声压和该质点的振速之比称为声阻抗率， 简称声阻，用 表示。 物质不同声阻抗也不同。 声压反射率计算公式如下： 3 21 r 21 式中： 1 2 声阻抗比 声压透射率计算公式如下： 22 2 t 21 式
8、中： 1 2 声阻抗比 （3） 反射和折射定律 上述这些入射、 反射和折射角度之间同光学的性质一样符合反射和折射定律。 公式如下： L L s L1 L2 s2 式中： L-纵波入射角； L1-第一介质纵波声速 L-纵波折射角； L2-第二介质纵波声速 S-横波折射角； S2-第二介质横波声速 L L L1 L2 L S L1 S2 （4） 纵波临界角（第一临界角 ） 当纵波入射角 L增大， 纵波折射角 L随之增大； 纵波折射角增至 度时，此时的纵波入射角称为纵波临界角。 （此时固体中只有横波存在） 水和钢的纵波临界角为 度 ； 钢和钢纵波临界角为 度。 第一临界角： =Sin-CL1/CL2
9、 有机玻璃至钢中： 27. 6 4（5） 横波临界角(第二临界角 ) 当纵波入射角 L增大， 横波折射角横波折射角（s） 增至 度时， 此时的纵波入射角称为横波临界角。 此时固体中既无纵波也无横波存在， 即全反射。 第二临界角: =Sin-CL1/CS2 有机玻璃至钢中： 57. 6 在探伤工作中， 选择入射角时， 应尽可能避开临界角及其附近范围。 （6） 临界角计算公式 第一临界角： =Sin-CL1/CL2 有机玻璃至钢中： 27. 6 第二临界角: =Sin-CL1/CS2 有机玻璃至钢中： 57. 6 在产实际中， 所遇到的声强在数量上相差好几个数量级， 为了 避免过大的数字， 声强单
10、位一般采用对数比较单位， 通常规定： lg（ 。 ） =贝尔 在实际测试中， 贝尔的单位太大， 常用其 （ B） 分贝 l （1 2） 分贝=20lg(P1/P2)dB 在超声波探伤中常用（ B） 分贝表示回波高度 L （ 。 ） 。 105 3.22 1.11 B 2019 10 6 1 0 。 11/1.11/21/3.21/51/10 B 0-1 -6 -10 -14-20 不同声压比（或回波比） 的分贝值换算表 第四节 超声场的结构 、 声场 晶片的振动通过耦合剂使试件表振动， 晶片为辐射器， 辐射器是由无数个能发射声波的子波源组成， 这些子波源相互叠加的结果就是辐射器的声场。 在声源
11、的中心轴线上声压最大， 偏离中心轴线时声压逐渐减少， 形成声波的主瓣（主声束） 。 5 、 探头的指向性 探头的指向性用半扩散角 表示， 它取于声波的波长（） 及晶片直径 ，其关系是： s . / . / / 对于边长为 的方晶片， 则： s . / / 频率不同， 波长亦不同； 不同， 扩散角 亦不同； 半扩散角 与频率及探头直径成反比， 而与波长成正比。 扩散角 的大小应该适当的控制。 、 远距离声场和近距离声场 我们用 N。 来表示近距离声场（即近场区） ， 大于 N。 为远场区， 在 N。 以内声场变化复杂， 不利于探伤； N。 以外声压随着距离的增加而有规律地减少； 在 1.6N。
12、以外， 距离每增加一倍， 声压就降低一半。 N0可以用下式计算： N02/ 或 N0a2/ (a 为晶片半径) 纵 波 频 率 . 晶片直径（mm） 铝 钢 水（） 152135123298270338 油 163144131317288360 第五节 超声波的发散与聚焦 超声波在通过一个比波长大得多的曲面时， 则超声波从第一介质到第二介质时会产生发散与聚焦现象， 它主要取决于曲面凹凸形状及界面两侧介质声速C1和 C2的差值。 6 第六节 超声波在传播时的散射、 绕射和衰减 超声波在传播过程遇到障碍物时， 声波要发生反射与折射等现象。 当障碍物的形状不规则时， 声波的反射与折射也没有规律， 这
13、种现象称为散射。 这种散射现象使超声波的穿透能力大为降低， 并造成荧光屏上产生草状的干扰信号，影响探伤效果， 严重时无法探伤。 、 超声波在传播时的绕射 超声波在传播过程遇到障碍物时， 声波除发生反射、 折射、 散射和吸收外，还会产生绕射现象。 绕射现象取决于障碍物的的大小及声波的波长大小； 当波长远远大于晶粒尺寸而又小于缺陷时， 则超声波的穿透性能好， 反之则差。 、 超声波在传播时的衰减 超声波在介质中传播时， 其能量随着传播距离的增加而减弱， 即为超声波的衰减。 实验证明： ） 传播的距离越长， 衰减越大； ） 超声波的频率越高， 衰减越大； ） 介质的晶粒组织越粗大， 衰减越大。 超声
14、波的散射、 绕射和衰减限制了 探伤， 有些材质为了 提高探伤灵敏度，需要提高探伤频率； 晶粒粗大的材质， 则要降低频率。 探伤时， 可根据不同的材质、 声程选择合适的频率。 7 1、 波长计算公式 =C/f 式中2、 近场区计算公式 N0=D2/4 式中3、 指向角（扩散角） 计算公式 Sin=1.22/D 70/D 式中 C-被检材料声速 f -频率 D-探头直径 -波长 D-探头直径 -波长 4、 折射角计算公式 Sin1/C1=Sin2/C2 式中5、 临界角计算公式 第一临界角： I=Sin-1C1L/C2L 第二临界角： II=Sin-1C1L/C2s C1-第一介质声速 C2-第二
15、介质声速 式中： C1L： 第一介质声速； C2L： 第二介质纵波声速； C2S： 第二介质横波声速 6、 声压反射率计算公式 rp=(Z2-Z1)/(Z1+Z2)=（1） /（1） 7、 声压透射率计算公式 Tp=(2Z2)/(Z1+Z2) =2/1 式中： Z1-第一介质声阻抗； Z2- 第二介质声阻抗 1 2 声阻抗比 8、 K 值折射角换算公式 K=tg 9、 （用标准试块调整起始灵敏度） 求缺陷当量 lgDf= 或 Df=Ds 10 式中： DS-标准试块平底孔直径； Xs-标准试块平底孔声程； Xf -缺陷声程 dB-分贝值差 10、 用标准试块调整起始灵敏度 dB=40lgDf-lgDS+40(lgXs-lgXf) 式中： DS 标准试块平底孔直径； Xs 标准试块平底孔声程； Df 所求缺陷当量直径 Xf 缺陷声程 11、 用大平底调整起始灵敏度 dB=20lg(Df2Xb)/2Xf2) 式中： Df 所求缺陷当量直径； Xb 底波声程； Xf 所求缺陷声程； -波长 12、 （用大平底调整起始灵敏度） 求缺陷当量 lgDf=(dB-20lgXb+20lg2Xf2)/40
