超声检测理论认知

项目一 超声检测的理论认知,轨道交通学院检测教研室,2018/10/8,2018/10/8,自然界中的超声波,最早发现超声波的人是意大利科学家斯帕拉捷，他从蝙蝠的身上发现了超声波的存在,超声波检测的发展简介,海豚能发出超声波,频率超过20千赫兹,自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。 1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。 1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。,2018/10/8,超声波检测的发展简介,40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。,2018/10/8,超声波检测的发展简介,利用超声波来进行无损检测始于20世纪20年代末。1929年，前苏联人首先提出了用超声波检测金属物体内部缺陷的建议。并于第二次世界大战后研制成第一种穿透式检测仪器对材料进行检测。 这种方法检测灵敏度低，应用范围小，所以，不久这种仪器就被淘汰了。,2018/10/8,超声波检测的发展简介,超声波检测的发展简介,脉冲反射法和仪器的出现，给了超声波检测新的生命力。 20世纪40年代，美国的Firestone首次介绍了脉冲回波式超声检测仪，利用该技术，超声波可从物体的一面发射并接收，且能够检测小缺陷，较准确的确定缺陷的位置及测量缺陷尺寸。随后，由美国和英国开发出了A型脉冲反射式超声检测仪，并逐步用于锻钢和厚钢板的检测。,2018/10/8,超声波检测的发展简介,20世纪60年代，超声检测仪在灵敏度、分辨率和放大器线性等主要性能上取得了突破性进展，焊缝检测问题得到了很好的解决。 脉冲回波技术至今仍是通用性最好、使用最广泛的一种超声检测技术。在此基础上，超声检测发展为一个有效而可靠的无损检测手段，并得到了广泛的工业应用,2018/10/8,超声波检测的发展简介,随着工业生产对检测效率和检测可靠性要求的不断提高，人们要求超声检测更加快速，缺陷的显示更加直观，对缺陷的描述更加准确。因此，原有的以A型显示手工操作为主的检测方式不再能够满足要求。,2018/10/8,超声波检测的发展简介,20世纪80年代以来，对于规则的板、棒类等大批量生产的产品，逐渐发展了自动检测系统，配备了自动报警、记录等装置，发展了B型显示和C型显示。 与此同时，对缺陷的定性定量评价的研究得到了较大的进展，利用超声波技术进行材料特性评价也成为了重要的研究方向。,2018/10/8,超声波检测的发展简介,随着电子技术和计算机技术的发展，超声检测设备不断向小型化、智能化方向改进，并于20世纪80年代末出现了数字式超声仪器。目前，数字式仪器已日益成熟，正逐渐取代模拟式仪器成为主流产品。,2018/10/8,超声波检测的发展简介,我国超声检测的发展历史19501982年 起步仪器：汕头生产8A、8B、8C1982年1990 发展模拟超声波时代仪器：汕头生产CTS-22、CTS-23、CTS-26、CTS-33、CTS-36,2018/10/8,超声波检测的发展简介,19902000 数字超声发展阶段 2000年以后进入快速发展及成熟期，目前，我国的数字超声已经达到或者说是接近国际先进水平。具有代表性的名牌产品：武汉中科创新 HS-610/620系列汕头超声研究所 CTS-9006/9008/9009汕头超声电子 CTS-1002/1003/1008,2018/10/8,超声波检测的发展简介,总之，新中国成立以来，超声检测从起步的后来的快速发展，总的来说，取得了巨大的成就。建立了一支庞大的专业队伍，应用领域几乎渗透到所有工业部门，确立了超声检测在工业中的重要地位。,2018/10/8,模块一 机械振动与机械波,导入：超声波属于机械波的一种，而机械振动又是机械波的源头。因此，学好超声波检测就必须了解机械振动与机械波的有关知识。 课时：2学时。 授课方式：新授。 重点：机械振动的运动特点和类型；机械波的产生和类型及物理量和特点。 难点：波动方程。,2018/10/8,一 机械振动与机械波,波是物质运动的一种形式，它是运动状态的传递而非物质的自身运动，也可以是物质本身的运动结果，甚至把波直接看作一种粒子。 波动类型,电磁波,机械波,水波,声波,机械振动在弹性介质中的传播称为机械波。,波是物质运动的一种形式，它是运动状态的传递而非物质的自身运动，也可以是物质本身的运动结果，甚至把波直接看作一种粒子。 波动类型,2018/10/8,一 机械振动与机械波,一、机械振动 物体在某一固定的位置（即平衡位置）附近作周期性的往复运动，这种运动形式被称为机械振动，简称振动。如右图的弹簧振子。相关参数： 周期T-振动的物体完成一次全振动需要的时间。,频率f-单位时间内物体的振动次数，单位Hz。 振幅A-振动中，物体离开平衡位置的最大位移。,2018/10/8,一 机械振动与机械波,振动类型 1.自由振动-谐振动 不在外力作用下的振动称为自由振动。 理想的无阻尼情况下的振动称为无阻尼振动，振幅将一直保持不变。最简单最基本的直线无阻尼自由振动称为简谐振动，简称谐振。 谐振规律：其中：A：振幅，最大水平位移, ：圆频率 =2f=2 / T：初相位，即t=0时质点的相位, t+：质点在t时刻的相位简谐振动方程描述了谐振动物体在任意时刻的位移情况。,2018/10/8,一 机械振动与机械波,2、阻尼振动 在机械系统振动时，由于受到摩擦力或其他阻力的作用， 系统的能量会不断损耗，质量振动的振幅逐渐减小，以 至于振动停止。所以，阻尼振动是一个比较普遍情况， 也称为衰减振动。(不符合机械能守恒) 振动方程：,2018/10/8,一 机械振动与机械波,3.受迫振动 在周期性外力的作用下产生的振动称为受迫振动，这个周期性的外力称为策动力。如扬声器中纸盆的振动。 振动方程：y=Acos(Pt+) 其中：A：振幅，最大水平位移P：策动力的圆频率：初相位,2018/10/8,模块一 机械振动与机械波,要点： 自由振动时的周期、频率分别称为固有周期、固有频率。它们由振动系统的自身系统决定，与振幅无关。 受迫振动时的振动频率与外加的策动力频率一致，当其等于振动系统的固有频率时，将引起系统的共振。 二、机械波 机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波。,波源,媒介,产生条件,2018/10/8,一 机械振动与机械波,弹性介质示意图,波的物理量 波长：在同一波线上两个相邻的振动相位相同的质点之间的距离，称为波长（即一个“波”的长度），用符号表示。波长的常用单位是毫米（mm）或米（m）。 频率：单位时间内波动通过某一位置的完整波的数目，称为波动频率，也是质点在单位时间内的振动次数，用符号f表示。频率的常用单位是赫兹（Hz），即（次）/秒。,2018/10/8,一 机械振动与机械波,波速：在波动过程中，某一振动状态（即振动相位）在单位时间内所传播的距离叫做波速，用c表示，其常用单位为米/秒（m/s）。三者关系： 波动方程,角波数,2018/10/8,一 机械振动与机械波,小结： 本节主要讲授了振动的含义，机械振动的类型及它们的特点、机械波的传播方式、常用的物理量和波动方程表达式等。从中可以看出，机械振动是机械波的源头，机械波是振动形式和能量的传播，没有物质的迁移。振动和波动的规律可分别用振动方程和波动方程来描述。 作业： 如何理解机械振动和机械波之间的关系？机械波的产生需要哪些条件？,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,导入：超声检测时，我们必须知道超声波是如何在工件中传播的，遇到缺陷或者几列波碰到一起，会表现出那些特性，因此有必要学习波的衍射与干涉。 课时：2学时。 授课方式：新授（有条件的可借助实验器材）。 重点：惠更斯原理、衍射、干涉。 难点：干涉和驻波。,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,一、惠更斯原理 1.原理 波动传到的各点都可以看作是发射子波的波源，在其后的任一时刻，这些子波波阵面的包迹就决定新的波阵面。 波阵面：同一时刻，介质中振动相位相同的所有质点所联成的面称为波阵面；波前：某一时刻，波动所到达的空间各点所联成的面称为波前。,荷兰物理学家(1629-1695),2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,波线：波的传播方向称为波线； 且波线垂直于波阵面。 2.应用 t 时刻波阵面t+t 时刻波阵面波的传播方向。 如下图所示。,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,二、波的衍射 1.现象 波传播过程中当遇到障碍物时,能绕过障碍物的边缘而传播的现象。 2.作图（可用惠更斯原理）,比较两图,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,特点：波的衍射使波的传播方向改变，从而使缺陷背后的声影缩小，反射波降低；波的绕射和障碍物尺寸及波长的相对大小有关，当>时反射强，绕射弱，声波几乎全反射。,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,对探伤的利和弊： 有利：使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播。 不利：使一些小缺陷回波显著下降，以致造成漏检。,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,可见，相对而言，长波衍射现象明显，方向性不好；短波衍射现象不明显，方向性好。 (长波、短波是以波长与障碍物的线度相比较而言的), 如你家在大山后,听广播和看电 视哪个更容易? (若广播台、电视台都在山前侧) a(女)、b(男) 在说话，c 在墙 后较容易听到谁的声音？ 当然，c 不应该这样去偷听!,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,三、波的叠加 1.波的独立作用原理 几列波相遇时，能够保持各自的运动状态继续传播，不互相影响。 2.波的叠加原理 当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移、速度、加速度介质质点的位移都等于几列波单独转播时引起的位移、速度、加速度的矢量和。 3.现象举例：电台广播， 乐队合奏或几个人谈话。,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,四、波的干涉 两列频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象，称为波的干涉。 产生干涉现象的波叫相干波，其波源称为相干波源。 如图1-10所示，点波源S1、S2在P点引起的振动为：,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,1.相干条件,频率相同，振动方向相同，相位差恒定设：,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,其中：,设：,当：,当：,相长,相消,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,五、驻波 当两列振幅相同，频率相同，振动方向相同的 波以相反方向传播时，叠加形成驻波。1.表达式,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,2018/10/8,二 机械波的衍射与干涉,在超声检测中，当波从波疏介质垂直入射到波密介质，又从波密介质反射回到波疏介质时，在界面处形成波节；反之则形成波腹。如超声波垂直入射到钢/水界面，就会在钢/水界面处产生波腹；超声波垂直入射到水/钢界面，就会在水/钢界面处产生波节。 小结 衍射和干涉是波的特有特征，深入理解了衍射和干涉的原理对于分析超声检测的一些现象就不难想象了。 作业： 教材P50：一9,2018/10/8,三 机械波的类型,导入：超声检测时，根据不同的检测对象和检测要求应用不同的波型进行检测，否则可能漏检。 课时：2学时。 授课方式：新授。 重点：纵波与横波、表面波、板波、平面波、柱面波、球面波等波型的定义和传播特点。 难点：板波。,