超聲探課件 綜合課件

超聲波探傷 主講：唐海波 目 錄 第一章 超聲波探傷的物理根底 第二章 超聲波發(fā)射聲場與規(guī)那么反射體的回波聲壓 第三章 儀器、探頭和試塊第一章 超聲波探傷的物理根底 第一節(jié) 振動與波動 第二節(jié) 波的類型 第三節(jié) 超聲波的傳播速度 第四節(jié) 波的迭加、干預(yù)、衍射和惠更斯原理 第 節(jié) 超聲場 特征值 第五節(jié) 超聲場的特征值 第六節(jié) 分貝與奈培 第七節(jié) 超聲波垂直入射到界面時(shí)的反射和透射 第八節(jié) 超聲波傾斜入射到界面時(shí)的反射和透射 第九節(jié) 超聲波的聚焦與發(fā)散 第十節(jié) 超聲波的衰減 第一節(jié) 振動與波動一、振動1、振動的一般概念 1定義：物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作 往復(fù)周期性的運(yùn)動，稱為機(jī)械振動。 2例子： 直接覺察彈簧振子、鐘擺和汽缸中活塞運(yùn)動。 直接覺察彈簧振子、鐘擺和汽缸中活塞運(yùn)動。 難以覺察固體分子的熱運(yùn)動，一切發(fā)聲物體的運(yùn)動 難以覺察固體分子的熱運(yùn)動，一切發(fā)聲物體的運(yùn)動 以及超聲波波源的運(yùn)動。 3描述： 周期T振動物體完成一次全振動所需要的時(shí)間， 1周期T振動物體完成一次全振動所需要的時(shí)間， 稱為振動周期，用T表示。常用單位為秒s。 稱為振動周期，用T表示。常用單位為秒s。 頻率f振動物體在單位時(shí)間內(nèi)完成全振動的次 2頻率f振動物體在單位時(shí)間內(nèi)完成全振動的次 數(shù)，稱為振動頻率，用f表示。常用單位為赫茲Hz。 數(shù)，稱為振動頻率，用f表示。常用單位為赫茲Hz。2、諧振動 1定義：最簡單最根本的直線振動稱為諧振動。 2特點(diǎn)： 1回復(fù)力大小與位移成正比，方向總指向平衡位置。 2振幅不變，為自由振動，其頻率為固有頻率。 3物體做諧振動時(shí)，只有彈性力或重力做功，其它 力不做功，符合機(jī)械能守恒的條件，因此諧振物體的能 守機(jī)械 守恒 在平衡位 動 大勢 零 量遵守機(jī)械能守恒。在平衡位置時(shí)動能最大勢能為零， 在位移最大位置時(shí)勢能最大動能為零，其總能量保持不 變。3、阻尼振動 1定義：振幅或能量隨時(shí)間不斷減少的振動。 2特點(diǎn)：振幅不斷減少，而周期卻不變。阻尼振動受 到阻力作用，不符合機(jī)械能守恒。4、受迫振動 1定義：物體受周期性變化的外力作用時(shí)產(chǎn)生的振動。 2特點(diǎn)：受迫振動剛開始時(shí)情況很復(fù)雜，經(jīng)過一段時(shí)間 后到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，變?yōu)橹芷谛缘闹C振動。其振動頻率與 策劃力頻率相同，振幅保持不變。受迫振動物體受到策 動力作用，不符合機(jī)械能守恒。 3共振：受迫振動的振幅與策劃力的頻率有關(guān)，當(dāng)策劃 力頻率P與受迫振動物體固有頻率w。相同時(shí)，受迫振動 力頻率P與受迫振動物體固有頻率w 的振幅達(dá)最大值。這種現(xiàn)象稱為共振。 4共振在超聲的應(yīng)用：設(shè)計(jì)探頭中的壓電晶片時(shí)，應(yīng)使 高頻電脈沖的頻率等于壓電晶片的固有頻率；從而產(chǎn)生 共振，這時(shí)壓電晶片的電聲能量轉(zhuǎn)換效率最高。二、波動 1、機(jī)械波的產(chǎn)生與傳播 1定義：振動的傳播過程。波動分為機(jī)械波和 電磁波。 1機(jī)械波是機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過 程。如水波、聲波、超聲波等。 2電磁波是交變電磁場在空間的傳播過程。 電磁波是交變電磁場在 間的傳播 程 如無線電波、紅外線、可見光、紫外線、又射線、 y射線等。 2產(chǎn)生機(jī)械波的條件： 1要有作機(jī)械振動的波源 2有能傳播機(jī)械振動的彈性介質(zhì)。3特點(diǎn)：1振動與波動是互相關(guān)聯(lián)的，振動是產(chǎn)生波動的根源，波動是振動狀態(tài)的傳播。波動中介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)并不隨波前進(jìn)，只是以交交的振動速度在各自的平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動。2波動是振動狀態(tài)的傳播過程 也是振動能 波動是振動狀態(tài)的傳播過程，也是振動能量的傳播過程。但這種能量的傳播，不是靠物質(zhì)的遷移來實(shí)現(xiàn)的，也不是靠相鄰質(zhì)點(diǎn)的彈性碰撞來完成的，而是由各質(zhì)點(diǎn)的位移連續(xù)變化來逐漸傳遞出去的，猶如人們傳遞磚塊一樣。2、波長、頻率和波速 1波長：同一波線上相鄰兩振動相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的 波長 距離，用表示。常用單位為毫米mm或米m。 距離，用表示。常用單位為毫米mm或米m。 2頻率f：波動中，任一點(diǎn)在1秒內(nèi)所通過的完整波個(gè)數(shù)。 頻率f：波動中，任一點(diǎn)在1 波動頻率在數(shù)值上同振動頻率，單位為赫茲HZ。 波動頻率在數(shù)值上同振動頻率，單位為赫茲HZ。 3波速C：波動中，波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離，用 波速C 表示。常用單位為米/ m/s或千米/ km/s。 C表示。常用單位為米/秒m/s或千米/秒km/s。 Cf或 4三者關(guān)系： Cf或C/f 由上式可知，波長與波速成正比，與頻率成反比。當(dāng)頻 率一定時(shí)，波速愈大，波長就愈長；當(dāng)波速一定時(shí)，頻 率愈低，波長就愈長。三、次聲波、聲波和超聲波 1、次聲、聲波和超聲波的劃分 相同點(diǎn)：次聲波、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。 不同點(diǎn)：頻率 不同點(diǎn) 頻率 能引起聽覺的機(jī)械波稱為聲波，頻率在20- 1能引起聽覺的機(jī)械波稱為聲波，頻率在20- 20000Hz之間。 20000Hz之間。 2頻率低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波。 頻率低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波。 3頻率高于20000Hz的機(jī)械波稱為超聲波。 頻率高于20000Hz的機(jī)械波稱為超聲波。2、超聲波的應(yīng)用 超聲探傷所用的頻率一般在0.5-10MHz之間，對鋼等金 超聲探傷所用的頻率一般在0.5-10MHz之間，對鋼等金 屬材料的檢驗(yàn)，常用的頻率為1-5MHz。 屬材料的檢驗(yàn)，常用的頻率為1 5MHz。 1超聲波方向性好：超聲波是頻率很高、波長很短的 1超聲波方向性好：超聲波是頻率很高、波長很短的 機(jī)械波，在無損探傷中使用的波長為毫米數(shù)量級。超聲 波像光波一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射。 2越聲波能量高：超聲波探傷頻率遠(yuǎn)高于聲波，而能 2越聲波能量高：超聲波探傷頻率遠(yuǎn)高于聲波，而能 量聲強(qiáng)與頻率平方成正比 聲強(qiáng)與頻率平方成正比。 3能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換；在超聲波 3能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換；在超聲波 探傷中。 4超聲波穿透能力強(qiáng)：超聲波傳播能量損失小，傳播 4超聲波穿透能力強(qiáng)：超聲波傳播能量損失小，傳播 距離大，穿透能力強(qiáng)。3、次聲波的應(yīng)用 次聲波的頻率很低，波長很長，繞射能 力強(qiáng)，傳播衰減小、距離遠(yuǎn)。在大自然的 許多活動中伴隨著次聲波的發(fā)生，例如地 震、火箭起飛等。次聲波近似平面波，沿 著與地球外表平行的方向傳播。 著 球 平 傳播 第二節(jié) 波的類型一、據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動方向分類 根據(jù)波動傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動方向相對 于波的傳播方向的不同，可將波動分為縱波、橫 波、外表波和板波等。1、縱波L壓縮波，疏密波 、縱波L 1定義：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播 定義 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播 方向互相平行的波。 2特點(diǎn)：當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變拉壓應(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。3傳播介質(zhì)：固體，液體，氣體介質(zhì)32、橫波ST切變波 、橫波ST切變波1介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播1 方向互相垂直的波。2特點(diǎn)：當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切2應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生切變形變，從而形成橫應(yīng)力作用時(shí) 產(chǎn)生切變形變 從而形成橫波。3傳播介質(zhì)：固體介質(zhì)33、外表波R瑞利 、外表波R1定義：當(dāng)介質(zhì)外表受到交變應(yīng)力作用對，1 產(chǎn)生沿介質(zhì)外表傳播的波。 產(chǎn)生沿介質(zhì)外表傳播的波。2特點(diǎn)：外表波在介質(zhì)外表傳播時(shí)，介質(zhì)表2面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動，橢圓長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)動可視為 橫 橫縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫波的合成。外表波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱。當(dāng)傳播深度超過兩倍波長時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振幅就已經(jīng)很小了。因此，一般認(rèn)為，外表波探傷只能發(fā)現(xiàn)距工件外表兩倍波長深度內(nèi)的缺陷。3傳播介質(zhì)：固體外表傳播。34、板波：在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟ā?根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動方向不同可將板波分為SH波和 根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動方向不同可將板波分為SH波和 蘭姆波。 1SH波：水平偏振的橫波在薄板中傳播的波。 1SH波：水平偏振的橫波在薄板中傳播的波。 薄板中各質(zhì)點(diǎn)的振動方向平行于板面而垂直于波 的傳播方向，相當(dāng)于固體介質(zhì)外表中的橫波。 2蘭姆波：蘭姆波又分為對稱型S型 2蘭姆波：蘭姆波又分為對稱型S型和非對稱型A型。稱型A型 1對稱型S波蘭姆波的特點(diǎn)是薄板中心質(zhì) 對稱型S波點(diǎn)作縱向振動，上下外表質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動、振動相位相反并對稱于中心。2非對稱型A型蘭姆波特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)2非對稱型A型點(diǎn)作橫向振動，上下外表質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動、相位相同，不對稱。二、按波的形狀分類1、有關(guān)概念：1波的形狀波形是指波陣面的形狀。1波的形狀波形 2波陣面：同一時(shí)刻，介質(zhì)中振動相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)所聯(lián)成的面稱為波陣面， 3波前：某一時(shí)刻，波動所到達(dá)的空間各點(diǎn)所聯(lián)成的面稱為波前。 4波線：波的傳播方向稱為波線。2、分類：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。平面波的 波源為一平面。尺寸遠(yuǎn)大于波長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。 2柱面波；波陣面為同軸圓柱面的波。柱面波的波源 為 條線 長度遠(yuǎn)大于波長的線狀波源在各向同性的介 為一條線。長度遠(yuǎn)大于波長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)的振幅與娩離平方根成反比。 3球面波：波陣面為同心球面的波稱。球面波的波源 為一點(diǎn)。尺寸遠(yuǎn)小于波長的點(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。三、按振動的持續(xù)時(shí)間分類 1、連續(xù)波：波源持續(xù)不斷地振動所 輻射的波。超聲波穿透法探傷常采用連續(xù) 波。 2、脈沖波：波源振動持續(xù)時(shí)間很短 脈沖波 波源振動持續(xù)時(shí)間很短 通常是微秒數(shù)量級，1微秒10- 通常是微秒數(shù)量級，1微秒10-6秒，間 歇輻射的波。目前超聲波探傷中廣泛采用 的就是脈沖波。 波的類型 質(zhì)點(diǎn)振動特點(diǎn) 傳播介質(zhì) 應(yīng) 用 質(zhì)點(diǎn)振動方向平 固、液、氣體 鋼板、鍛件探 縱波 行于波傳播方向 介質(zhì) 傷等 質(zhì)點(diǎn)振動方向垂 焊縫、鋼管探 橫波 直于波傳播方向 固體介質(zhì) 傷等 質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動， 橢圓長軸垂直波 外表波 傳播方向，短軸 固體介質(zhì) 鋼管探傷等 平行于波傳播方 向 對稱型 上下外表：橢圓 運(yùn)動 中心：縱向 S型 振動 固體介質(zhì)厚 薄板、薄壁鋼板 度與波長相當(dāng) 管等波 上下外表；橢圓 的薄板