超声检测-物理基础课件.ppt

超超 声声 检检 测测ULTRASONIC TESTING 第一章第一章 概论概论Chapter 1 General Introduction n超声检测的历史超声检测的历史 History n超声波的特点超声波的特点 Characteristics n超声检测原理超声检测原理 Principlesn超声检测的优点和限制超声检测的优点和限制 Advantages&limitations超声检测的历史超声检测的历史n1808年，测量了铁管中的声速；n1826年，Colladon和Sturm在日内瓦湖中测量了水下声速n1830年，FelixirSavart利用一个大齿轮产生了24kHz声音n1880年代，Jacques-Paul和PierreCurie兄弟发现了压电效应超声检测的历史超声检测的历史nR.A.Fessenden研制了种低频（0.5401.1kHz）的活塞声源，可成功探测水下冰山n1915年，M.ConstantinChilowsky为探测潜艇提出方案声波测距，后来PaulLangevin利用石英压电换能器可探测1500米远的潜艇n1929年，苏联的S.Y.Sokolov和德国的Q.Muhlhauser首先提出用超声波以穿透法来寻找金属中隐藏的不连续性。

超声检测的历史超声检测的历史n1930，Firestone使用超声检验用脉冲回波仪n1937年，Sokolov创造了一基于压电效应的超声成像管20世纪30年代，超声脉冲回波被开发用于潜艇探测.n1940年，FloydFirestone提出了采用超声脉冲反射法的探伤装置和测量仪器的专利申请n1947年，通用汽车公司制成了第一台超声共振测厚仪超声检测的历史超声检测的历史n1948年，DonaldErdman提出了脉冲回波水浸检验技术，他首先采用了B扫描超声检验nW.P.Mason在1948年和J.Kaiser于1950年从金属试样上观察到声发射现象n1955年，电磁声换能器（EMAT）和激光超声n1959年，Kroutkromer发明AVG曲线超声检测的历史超声检测的历史n1964年，焊缝超声检测技术n70，裂纹高度测量，结合断裂力学，评估结构强度和寿命预测n80，随着电子技术和计算机的发展，超声检测自动化和成像技术发展迅速超声波的特点超声波的特点n超声波能量高n超声波穿透力强n超声波方向性好超声检测原理超声检测原理主要应用的超声特性主要应用的超声特性n反射特性利用异质界面超声波反射回波检测不连续性。

n折射特性利用异质界面超声波折射，检测倾斜不连续性；斜角探头制作n衍射特性利用超声波在裂纹尖端衍射，测量裂纹高度、检测不连续性TOFD技术超声检测原理超声检测原理主要应用的超声特性主要应用的超声特性n速度特性测量应力、浓度、孔隙率、针孔度等n衰减特性测量晶粒度n谐振特性测厚、声振检测n频谱特性定性分析、信号处理超声检测优点和限制超声检测优点和限制n超声检测优点：灵敏度高、穿透力强、材料适应面广、检测速度块、成本低、对人体无害n超声检测限制：存在检测盲区、对形状复杂的工件困难、缺陷定性定量尚不准、对检测员要求较高第二章第二章 超声检测的物理超声检测的物理基础基础Chapter 2 Physical Foundations for Ultrasonic Testing目目 录录 Contents n机械振动与机械波机械振动与机械波 n声波的种类声波的种类 n声波的叠加、干涉、衍射声波的叠加、干涉、衍射 n声波的传播速度声波的传播速度 n声场的特征值声场的特征值 n声波垂直入射到界面时的反射和折射声波垂直入射到界面时的反射和折射 n声波倾斜入射到界面时的反射、折射与波型转换声波倾斜入射到界面时的反射、折射与波型转换 n超声波的聚焦与发散超声波的聚焦与发散 n超声波的衰减超声波的衰减 机械振动与机械波机械振动与机械波Mechanic Vibration and Waven机械振动机械振动n机械波机械波机械振动机械振动谐振动谐振动n振动：质点不停地在平衡位置附近往复运动的状态。

n谐振动：质点受到跟位移成正比、方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动n振动方程：机械振动机械振动谐振动谐振动n特点：位移随时间的变化符合余弦规律；振幅和频率始终保持不变、自由、周期的振动最基本、最简单的理想的振动；固有频率由系统本身决定；只有弹力或重力做功，机械能守恒机械振动机械振动阻尼振动阻尼振动n定义：振幅或能量随时间不断减少的振动n振动方程n特点质点的振幅随时间不断减小，直至为零；不符合机械能守恒机械振动机械振动阻尼振动阻尼振动n在超声检测的应用超声检测换能器设计：晶片浇注背衬，使振动迅速停止，缩短脉冲宽度，提高检测分辨率机械振动机械振动强迫振动强迫振动n定义：在周期外力的作用下物体所作的振动n振动方程n特点：稳定后为谐振动，振幅不变，频率与策动力相同;不符合机械能守恒机械振动机械振动受迫振动受迫振动n共振当策动力的频率与其固有频率相同时，振幅达到最大的现象n超声检测的应用：超声检测换能器晶片在发射超声信号的激励下作受迫振动；接受信号时亦然机械波机械波产生与传播产生与传播 n机械波机械振动在介质中传播形成机械波n弹性介质由以弹性力保持平衡的各个质点所构成机械波机械波产生与传播产生与传播n产生机械波的条件机械振动源、弹性介质。

n特点：机械振动是机械波的根源、机械波是机械振动状态的传播机械波的传播不是物质的传播，而是振动状态和能量的传播机械波机械波产生与传播产生与传播n弹性波、声波在弹性介质中传播的机械振动n简谐波当振动源作谐振动时所产生的波机械波机械波物理量物理量n周期、频率、波长和波速：机械波机械波波动方程波动方程n原点质点振动方程n波动方程声波的种类声波的种类 Classification of Sound Waven按频率分按频率分n按波型分按波型分n按波形分按波形分n按振动的持续时间分按振动的持续时间分声波的种类声波的种类 按频率分按频率分n次声波：f20Hzn可闻声波：20Hzf20kHz声波的种类声波的种类 按波型分按波型分n纵波（压力波、压缩波、疏密波）longitudinal(compressive)waven特点质点的振动方向与波的传播方向一致n应用最广泛，适合于检测与工件表面平行的不连续性声波的种类声波的种类 按波型分按波型分n横波（剪切波）transversewave(sheerwave)n特点质点的振动方向与波的传播方向垂直n应用广泛，适合于检测与工件表面倾斜的不连续性声波的种类声波的种类 按波型分按波型分n表面波（瑞利波）surfacewave/Rayleighwaven特点：质点振动轨迹为椭圆n应用：较广泛，适合于检测工件表面不连续性。

声波的种类声波的种类 按波型分按波型分n板波(兰姆波)platewave（Lambwave）n特点：整板振动n应用：较广泛，薄板检测声波的种类声波的种类 按波形分按波形分n波阵面：同一时刻相同振动状态质点组成的面n平面波无穷大平板声源产生的波阵面为平面的声波n特点：在无穷大均匀弹性理想介质中，振幅不衰减n应用：直探头辐射的声波在晶片附近近似平面波.声波的种类声波的种类 按波形分按波形分n球面波球状声源产生的波阵面为球面的声波n特点振幅与距声源距离成反比n应用超声换能器辐射声波在足够远处近似球面波；所有规则反射体回波声压计算的前提声波的种类声波的种类 按波形分按波形分n柱面波柱状声源产生的波阵面为柱面的声波n特点质点振幅与声程的平方根成反比声波的种类声波的种类 按波形分按波形分n活塞波实际超声检测换能器辐射的声波n特点既非平面波，也非球面波近处接近平面波；远处接近球面波声波的种类声波的种类 按振动的持续时间分按振动的持续时间分n连续波n脉冲波n应用连续波较少；脉冲波强度高、灵敏度高、脉冲窄、频带宽、分辨率高，应用广泛声波的种类声波的种类 按振动的持续时间分按振动的持续时间分n频谱峰值频率中心频率频带宽度n频谱分析脉冲波可分解为多个不同频率的谐振动的叠加。

频谱分析在超声检测中的应用频谱分析在超声检测中的应用提高超声无损检测分辨率的方法提高超声无损检测分辨率的方法（无损检测无损检测1997（4），），P91）n分析方法：傅立叶变换后作相关处理n远场分辨率：两相距6mm反射体频谱分析在超声检测中的应用频谱分析在超声检测中的应用提高超声无损检测分辨率的方法提高超声无损检测分辨率的方法（无损检测无损检测 1997（4），），P91）n远场分辨率：两相距2mm反射体频谱分析在超声检测中的应用频谱分析在超声检测中的应用提高超声无损检测分辨率的方法提高超声无损检测分辨率的方法（无损检测无损检测 1997（4），），P91）n底面分辨率：底面3mm裂纹频谱分析在超声检测中的应用频谱分析在超声检测中的应用提高超声无损检测分辨率的方法提高超声无损检测分辨率的方法（无损检测无损检测 1997（4），），P91）n表面分辨率：距上表面2.5mm深的1mm平底孔声波的叠加、干涉、衍射声波的叠加、干涉、衍射 Superposition,interference,diffractionn波的叠加与干涉波的叠加与干涉n驻波驻波n惠更斯菲涅耳原理与波的衍射惠更斯菲涅耳原理与波的衍射波的叠加与干涉波的叠加与干涉n波的叠加原理独立性原理几列波在空间某处相遇时，质点的振动是各列波引起振动的合成。

n波的干涉两频率相同、振动方向相同、相位差恒定的波相遇时，某些地方振动加强、另一些地方振动减弱的现象波的叠加与干涉波的叠加与干涉n质点M的合成驻驻 波波n定义：两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时相互叠加而成的波干涉的特例驻驻 波波n特点：波腹：振幅为2A；波节：振幅为0；相邻两波腹或波节之间的距离n在超声检测的应用超声检测探头晶片形成驻波时振动最强，惠更斯菲涅耳原理与波的衍射惠更斯菲涅耳原理与波的衍射n惠更斯原理：波阵面上的任何一点都可看作新的次波源，从波阵面上各点发出的许多次波形成的包络就是新的波阵面n作用确定波前的几何形状和波的传播方向,解释波的反射、折射和衍射如活塞波惠更斯菲涅耳原理与波的衍射惠更斯菲涅耳原理与波的衍射n波的衍射（绕射）惠更斯菲涅耳原理与波的衍射惠更斯菲涅耳原理与波的衍射n对超声检测的影响有利：超声波可在晶粒中传播；不利：小缺陷反射波弱，易漏检n超声检测的应用利用衍射波检测缺陷TOFD技术；微小缺陷的检测超声检测灵敏度极限研究超声检测灵敏度极限研究,1996 P957nA型脉冲反射式超声检测小缺陷回波幅度超声检测灵敏度极限研究超声检测灵敏度极限研究,1996 P957超声检测灵敏度极限研究超声检测灵敏度极限研究,1996 P957n灵敏度受检测系统、耦合、工件性质、不连续性性质、检测频率的影响。

声波的传播速度声波的传播速度 Sound Velocityn固体介质中的声速固体介质中的声速n液体、气体介质中的声速液体、气体介质中的声速n声速的测量声速的测量n超声波速度特性的应用超声波速度特性的应用固体介质中的声速固体介质中的声速无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的声速n声速：介质声学特征参量n无限大固体介质中的声速：固体介质中的声速固体介质中的声速无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的声速n特点：声速取决于介质和波型固体介质中的声速固体介质中的声速细长棒中的纵波声速细长棒中的纵波声速固体介质中的声速固体介质中的声速声速与温度、应力、均匀性的关系声速与温度、应力、均匀性的关系n固体介质中的声速固体介质中的声速声速与温度、应力、均匀性的关系声速与温度、应力、均匀性的关系n铸铁均匀性表面冷却速度快、晶粒细、速度大；中心冷却速度慢、晶粒粗、速度小固体介质中的声速固体介质中的声速兰姆波声速兰姆波声速n兰姆波分类：对称型（S）、非对称型（A）n相速度：相位传播的速度n群速度：包络的传播速度n特点：频散波速度与频率、板厚有关固体介质中。