超声波检测基础知识汇总.docx

第一章超声波检测超声波检测定义：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：（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 2皿的薄壁管材和板材，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：（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雄： （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: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1皿,也可大至几米：从缺陷 部位来说，既可以是表而缺陷，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，遇到界而会发生反射：（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 PaP 二 Pi-P （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/cm2oI PCA2 灼 2 PM2 32 2c2（3） 分贝引起听觉的最弱声强称为标准声强（lo=1O*6W/cm2 ） 0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

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）（1.4）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，或者从介质的界而反射时，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 = / （I.*）1.1.3超声波的传播1）超声波的分类纵波横波按质点的振 动方向与声波的传播方向之间的关系分类《表面波'S型 板波刃型平面波按波面的形状分类柱面波球面波琏续波脉冲波按振动持续的时间分类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 气体中传播，在探伤中用于纵波探伤法质点振动方向«•«•声波传播方向 一图1-1纵波(2)横波撒质点服动方向用于横波探伤法1-1所示它能在固体、液体、1-2所示它只能在固体中传质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波如图尸波传播方向图1-2横波(3) 表而波(瑞利波)质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表而传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表 而波如图1-3所示表而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而波探伤法4）兰姆波（板波）兰姆波只产生在有一定厚度的薄板内，在板的两表而和中部都有质点的振动，声场遍布整个 板的厚度，沿着板的两表而及中部传播，所以又称为板波如果两表而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而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(1) (b)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、表而波的传播速度，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：K 4/3G …厂、纵波：Cl （ 1.6）（1.7）横波：Cs = .表而波：Cr二0.87 1.12」(L8通常认为，横波声速是纵波的一半，表而波声速约为横波的 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传播速度与频率无关时，群速度等于相速度c)2）平而波、柱而波、球而波图1・5平而波、柱而波、球面波3）连续波与脉冲波洪鼎何•- J连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波•脉冲波是质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率成分其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率•图1-7脉冲波1.1. 4超声波在介质中的传播特性 1.141超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，并不改变方向。

但遇到异质界而时，会 发生反射和透射现象既有一部分超声波在界而上被反射回来，另一部分透过介质交界而进入 第二介质1）单一界而当超声波垂直入射到足够大的光滑平界而时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波在第二介质中产生应该与入射波方向相同的透射波 反射波和透射波的声压按一定比例分配这个分配比例由声压反射率（声强反射率）和声压透射 率（声强透射率）来表示图1-8单一界面反射和透射声压反射率r :界而上反射波的声压住与入射波的声压pc之比称为声压反射率Pr Xi (1.9r: Po Z2 *Zl声压透射率t :界而上透射波声压Pt与入射波的声压P之比(1. io)Pt 口2P°Z2‘ 乙声强反射率R：界而上反射波的声强I r与入射波的声强1之比R=••+1 J22 + 21 J(1-11) 2声强透射率T:界而上透射声强1,与入射波的声强1It %Z2Z12(1.12)从以上可以看出：声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关.但需要指出的是在垂直入射时，介质两侧的声波必须满足两个边界条件：一是-侧总声压等于另一侧总声压二是两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性.上述计算公式同样适合于横波入射情况，但必须注意：在固液、固气界而上，横波将发生全反射，这是因为横波不能在液体和气体中传播.2）薄层界面超声波由声阻抗为乙的第一介质，入射到乙和Z2的交界而，然后通过声阻抗为Z2的第二介质薄层射到Z2和Z3界面。

最后进入声阻抗为Z3的介质P\\ \\\\\ Y\\\\\Z3图1-9薄层界而超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与单一的平界而不同，异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在薄层两侧界而引起多次反射和透射， 形成一系列的反射和透射波当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时，薄层两侧的各次反射波、透 射波就会相互干涉由于上述原因，声压反射率和透射率的计算比较复杂一般来说，超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度与其波长之比（4/-Q有关』(1.13)(1.14)11 +1 丫.加2m——I cin1 4m )3 )11 2-isin(11 2F2n •1 +m 1 aind .1 4V m J1几2 L（1）当第一、第三介质为同一介质时：t = 1式中，d 2异质薄层的厚度：2异质蜒的波长;分析式（1.13）和（1.14），当nJ （n为正整数）时，0 t 1 ；2当d2=（2n・1）」（n为正整数）时，r最高;4当d2>0时，即d22时，则薄层厚度越小,4透射率越大，反射率越小即非均匀介质中的薄层其声压往复透射率为:42123乙 Z3 2cos@A人2L Z1Z3Z2Z2当当d? = n2 (n为正整数)时：2T 华 (1.16)G +Z3 )即超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时， 若薄层厚度等于半波长的整数倍时，通过薄层的声压往复透射率与薄层的性质无关。

当d2=(2n.1)_L(n为正整数)时，且Z2=jziZ3时，则有：y勺=1 (1.17)4此为全透射情况当d2： : : JJ时，则薄层厚度越小，声压往复透射率越大』1.1.4. 2超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射在两种不同介质之间的界面上，声波传输的几何性质与其它任何一种波的传输性质相同, 即斯涅耳定律有效不过由于声波和电磁波的反射和折射现象之间有所差异当声波沿倾斜角 到达固体介质的表面时，由于介质的界面作用，将改变其传输模式（例如从纵波转变成横波） 传输模式的变换还导致传输速度的变化，此时应以新的声波速度带入斯涅耳公式.C' cu C& cl21）斯涅耳定律sin - i si。