超声波检测基础知识汇总

第一章第一章超声波检测超声波检测 超声波检测定义超声波检测定义：使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行 研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检 测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。 超声检测的优点超声检测的优点： （1）适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检 测； （2）穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属 材料， 可检测厚度为 1～2mm 的薄壁管材和板材， 也可检测几米长的钢锻件；（3） 缺陷定位较准确； （4）对面积型缺陷的检出率较高； （5）灵敏度高，可检测试件 内部尺寸很小的缺陷； （6）检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害， 现场使用较方便。 超声检测的局限性超声检测的局限性 ： （1）对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深 入研究；(2)对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难； (3)缺陷 的位置、取向和形状对检测结果有一定影响； (4)材质、晶粒度等对检测有较大 影响；(5)以常用的手工 A 型脉冲反射法检测时结果显示不直观，且检测结果无 直接见证记录。 超声波检测的适用范围超声波检测的适用范围 ：从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和 复合材料；从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等； 从检测对象的形状来说，可用于板材、棒材、管材等；从检测对象的尺寸来说， 厚度可小至 1mm，也可大至几米；从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可 以是内部缺陷。 1.1 超声波检测的基础知识 1.1.1 超声波 声波：频率在 20～20KHz 之间； 次声波：频率低于20Hz；不容易衰减,不易被水和空气吸收.而次声波的波长 往往很长,因此能绕开某些大型障碍物发生衍射.某些次声波能绕地球 2 至 3 周. 某些频率的次声波由于和人体器官的振动频率相近,容易和人体器官产生共振,对 人体有很强的伤害性,危险时可致人死亡 超声波：频率大于 20KHz。方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在 水中传播距离远,可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。 超声波被应用于无损检测，主要是因为有以下特性： （1）超声波在介质中传播时，遇到界面会发生反射； （2）超声波指向性好， 频率越高；指向性越好； （3）超声波传播能量大，对各种材料穿透力强。 1.1.2 超声场及介质的声参量 1) 描述超声场的物理量 （1）声压 超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强，与没有超声场存在时同一点的静 态压强之差，称为该点的声压。单位为 Pa。 p  p 1  p 0 (1.1) （2）声强 在超声波传播的方向上，单位时间内介质中单位截面积上的声能叫做声强。 常用I表示，单位为W/cm2。 1 22 1 2 1 I 1 cV 2(1.2) cAp mm 22c2 （3）分贝 引起听觉的最弱声强称为标准声强（I 0 1016W /cm2） 。将某一声强与标准 声强取常用对数得到二者相差的数量级，称为声强级，用 IL 表示： IL  lg(I / I 0 )(1.3) 声强级的单位为贝尔，实际应用中，贝尔单位太大，常用分贝来表示声强级的单 位 dB，其为贝尔的十分之一。 2）介质的声参量 声波在介质中的传播是由其声学参量（包括声速、声阻抗、声衰减等）决定 的，因而深入研究介质的声参量具有重要意义。 （1）声阻抗 超声波在介质中传播时，任何一点的声压p与该点速度振幅 V 之比称为声 阻抗，常用 Z 表示，单位为kg /(cm2s) Z  p (1.4) V 声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。 在同一声压下，介质的声阻 抗越大，质点的振动速度越小。介质不同，声阻抗不同。同一种介质，如果波形 不同，声阻抗也不同。当超声波由一种介质传入另一种介质时，或者从介质的界 面反射时，主要取决于这两种介质的声阻抗。 气体、液体、固体的声阻抗差别很大，实验测定，其声阻抗之比接近于 1： 3000：8000。 （2）声速 声波在介质中传播的速度称为声速。在同一种介质中，波形不同，其传播速 度也各不相同。超声波的声速还取决于介质的特性（如密度、弹性模量） 。 声波分为相速度和群速度。 相速度：是声波传播到介质的某一选定的相位点时，在传播方向上的声速。 群速度：是指传播声速的包络上，具有某种特性的点上，声波在传播方向上 的速度。群速度是波群的能量传播速度，在非频散介质中，群速度等于相速度。 c  1.1.3 超声波的传播 1）超声波的分类 K  (1.5)   纵波 横波   波的传播方向之间的关系分类表面波按质点的振动方向与声       S型 板波    A型  平面波   按波面的形状分类柱面波  球面波     连续波 按振动持续的时间分类  脉冲波 根据介质中质点的振动方向和声波的传播方向，超声波的波形可分为以下几种： （1）纵波 质点的振动方向和传播方向一致的波形称为纵波。如图 1-1 所示。它能在固体、 液体、气体中传播，在探伤中用于纵波探伤法。 图 1-1 纵波 （2）横波 质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波。如图1-2 所示。它只能在固体中传 播，用于横波探伤法。 图 1-2 横波 （3）表面波（瑞利波） 质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰 减的波称为表面波。如图1-3 所示。表面波质点振动轨迹为椭圆。质点位移的长 轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。它用于表面波探伤法。 图 1-3 表面波 （4）兰姆波（板波） 兰姆波只产生在有一定厚度的薄板内，在板的两表面和中部都有质点的振动，声 场遍布整个板的厚度，沿着板的两表面及中部传播，所以又称为板波。如果两表 面质点振动的相位相反，中部质点以纵波的形式振动则称为对称性兰姆波。如果 两表面质点振动的相位相同，中部质点以横波的形式振动，则称为非对称性兰姆 波。如图1-4 所示。兰姆波可检测板厚及分层、裂纹等缺陷。还可以检测材料的 晶粒度和复合材料的粘合质量。 图 1-4 兰姆波 超声波在介质中以一定的速度传播。纵波、横波、表面波的传播速度，取决于介 质的弹性常数和介质密度。兰姆波的传播速度除与介质的弹性常数有关外，还与 介质的厚度和兰姆波的频率有关。 在无限大的固体介质中，各种波的传播速度为： 纵波：c L  K  4/3G  G （1.6） 横波：c S   （1.7） 表面波：cR 0.87 1.12 (1.8) 1 通常认为，横波声速是纵波的一半，表面波声速约为横波的 90%。 兰姆波的声速对于每一介质而言，取决于薄板厚度(或缺陷深度)和频率的乘积。 由于速度和频率有关，又有群速度和相速度之分。脉冲波是以群速度来传播的 , 连续波是以相速度来传播的。相速度是以声波〔或电磁波 )沿行进路线变更相位 的速度。 群速度是声能(或电磁能)变更的速度。·因为脉冲波不可能只包括一个频 率，而是包括一群不同频率不同幅度的正弦波之和。它的传播速度是群速度。当