华东交通大学机械工程测试技术超声波资料.pptx

第二章第二章 超声波检测技术超声波检测技术2.1 概述概述2.2 超声波的分类超声波的分类2.3 声场及介质的声参量声场及介质的声参量2.4 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性2.5 超声波检测仪、探头及试块超声波检测仪、探头及试块2.6 超声波检测方法和通用检测技术超声波检测方法和通用检测技术2.7 超声波测厚超声波测厚2.8 超声波检测应用实例超声波检测应用实例第四节第四节 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性n一、超声场一、超声场n二、超声波垂直入射到界面上的反射和透射二、超声波垂直入射到界面上的反射和透射n三、超声波倾斜入射到界面上的反射和透射三、超声波倾斜入射到界面上的反射和透射n四、超声波在曲面上的反射和透射四、超声波在曲面上的反射和透射4.14.1超声场超声场直探头发出的超声波束一、超声场结构一、超声场结构一般由主声束和副声束构一般由主声束和副声束构成成主声束主声束：截面大，能量集：截面大，能量集中，很好的指向性中，很好的指向性()副声束副声束：截面小，能量弱，：截面小，能量弱，方向易变方向易变第四节第四节 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性第四节第四节 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性 圆盘源超声场圆盘源超声场b主声束轴线上的声压分布主声束轴线上的声压分布以压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场为例：以压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场为例：a a 声束未扩散区声束未扩散区与扩散区与扩散区b 轴线上声压分布轴线上声压分布近场近场：出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场。：出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场。近场长度近场长度：距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离：距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离远场：远场：近场以外的部分近场以外的部分 探伤时，一般利用远场中的声学特性来发现缺陷。探伤时，一般利用远场中的声学特性来发现缺陷。近场长度近场长度N就圆直探头纵波而言，就圆直探头纵波而言，N可近似表示为：可近似表示为：ND2/4D:直探头压电晶片直径直探头压电晶片直径N：近场长度：近场长度：波长：波长指向特性指向特性由指向角由指向角(半扩散角半扩散角)表征表征 越小则越好越小则越好圆形直探头纵波而言圆形直探头纵波而言:arcsin1.22/D：半扩散角，：半扩散角，：波长：波长D：直径：直径Df()则则 超声波不能在真空中传播（无声介质）超声波不能在真空中传播（无声介质）back4.24.2 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超超声声波波在在无无限限大大介介质质中中传传播播时时，将将一一直直向向前前传传播播，不不改改变变方方向向。但但遇遇到到异异介介质质界界面面（即即声声阻阻抗抗差差异异较较大大的的异异质质界界面面）时时，会产生反射和透射现象。会产生反射和透射现象。第四节第四节 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性超声波垂直入射于平界面的反射与透射超声波垂直入射于平界面的反射与透射 当超声波垂直入射到两种介质的界面时，当超声波垂直入射到两种介质的界面时，一部分能量透过一部分能量透过界面进入第二种介质，成为界面进入第二种介质，成为透射波透射波(声强为声强为 It)，波的传播方向不波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为播，成为反射波反射波(声强为声强为 Ir)。声波的这一性质是超声波检测缺声波的这一性质是超声波检测缺陷的物理基础。陷的物理基础。1 1、单一界面单一界面 当超声波垂直入射到足够当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时，将在第大的光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射波方介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。向相同的透射波。反反射射波波声声压压Pr与与入入射射波波声声压压P0的的比比值值称称为为声声压压反反射率射率r，透射波声压，透射波声压Pt和和P0的比值称为的比值称为声压透射率声压透射率t。r和和t的数学表达式为：的数学表达式为：式中：式中：Z1、Z2分别为两种介质的声阻抗。分别为两种介质的声阻抗。为为了了研研究究反反射射波波和和透透射射波波的的能能量量关关系系，引引入入声声强强反反射射率率R和和声声强强透透射射率率T两两个个量量。R为为反反射射波波声声强强(Ir)和和入入射射波波声声强强(I0)之比；之比；T为透射波声强为透射波声强(It)和入射波声强和入射波声强(I0)之比。之比。声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例仅与声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。界面两侧介质的声阻抗有关。讨论：1、当当Z Z2 2Z Z1 1时，时，r r0 0，t1,t1,反射反射波与入射波同相波与入射波同相位，两波叠加，位，两波叠加，在界面上声压振在界面上声压振幅增大为幅增大为P P0 0+Pr+Pr。如平面波在水如平面波在水/钢界面的反射和钢界面的反射和透射透射.P.Pt tPP0 02、当当Z Z1 1Z Z2 2时，时，r r0 0，反射波与入反射波与入射波相位相射波相位相反，两波叠反，两波叠加，在界面加，在界面上声压振幅上声压振幅减小为减小为P P0 0-PrPr。如平面。如平面波在钢波在钢/水界水界面的反射和面的反射和透射透射,P,Pt tP c cL L1 1时时，折折射射角角大大于于入入射射角角，使使纵纵波波折折射射角角达达到到9090的的纵纵波波入入射射角角称称为为第第一一临临界界角角，用用符符号号表表示示。当当纵纵波波入入射射角角大大于于第第一一临临界界角角时时，第第二二介介质质中中不不再再有有折折射射纵纵波波，只有折射横波。只有折射横波。(2)(2)第第二二临临界界角角 。使使纵纵波波透透射射角角 等等于于9090时时的的纵纵波波入射角入射角L L，用符号用符号表示表示。且且c cS2S2 c cL1L1时。时。通通常常在在超超声声检检测测中中，临临界界角角主主要要应应用用于于第第二二介介质质为为固固体体，而而第第一一介介质质为为固固体体或或液液体体的的情情况况。这这种种情情况况下下，可可利利用用入入射射角角在在第第一一临临界界角角和和第第二二临临界界角角之之间间的的范范围围，在在固固体体中中产产生生一一定定角角度度范范围围内内的的纯纯横横波波，对对试试件件进进行行检检测测。当当入入射射角角大大于于第第二二临临界界角角时时，第第二二介介质质中中既既无无折折射射纵纵波波，又又无无折折射射横横波波，而而在在介介质质的的表表面面将将产产生表面波。生表面波。(3)第三临界角第三临界角。使纵波反射角达到使纵波反射角达到90时的横波入射时的横波入射角称为第三临界角，用表示角称为第三临界角，用表示。第三临界角是在第三临界角是在固体介质固体介质与另与另一种介质的界面上，用横波作为入射波时产生的。此时，介质中一种介质的界面上，用横波作为入射波时产生的。此时，介质中只存在反射横波。只存在反射横波。6、斜入射时的声压反射率和透射率斜入射时的声压反射率和透射率 斯涅耳反射、折射定律只讨论了超声波倾斜入射到界面斯涅耳反射、折射定律只讨论了超声波倾斜入射到界面上时，各种类型反射波和折射波的传播方向，没有涉及它们上时，各种类型反射波和折射波的传播方向，没有涉及它们的声压反射率和透射率。的声压反射率和透射率。斜入射时反射波和透射波的声压关系较为复杂。但在超斜入射时反射波和透射波的声压关系较为复杂。但在超声检测中，关心的是斜入射的反射率和透射率随入射角度的声检测中，关心的是斜入射的反射率和透射率随入射角度的变化。变化。对脉冲反射法，更关心的是声压往返透过率随入射角对脉冲反射法，更关心的是声压往返透过率随入射角度的变化。度的变化。在斜入射情况下，各种类型反射波和折射波的声在斜入射情况下，各种类型反射波和折射波的声压反射率和透射率不仅与界面两侧介质的声阻抗有关，还与压反射率和透射率不仅与界面两侧介质的声阻抗有关，还与入射波的类型及入射角的大小有关。入射波的类型及入射角的大小有关。由于理论计算公式复杂，由于理论计算公式复杂，因此借助于公式或实验得到几种常见界面的声压反射率和透因此借助于公式或实验得到几种常见界面的声压反射率和透射率图。射率图。纵波斜入射的声压反射率纵波斜入射的声压反射率 斜入射时的声压反射率和透射率不仅与介质声斜入射时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗有关，而且与入射角有关。阻抗有关，而且与入射角有关。1 1、纵波斜入射、纵波斜入射 到钢到钢/空气界面的声压空气界面的声压 反射率：反射率：2 2、横波斜入射到钢、横波斜入射到钢/空气界面的声压反射率：空气界面的声压反射率：三、声压往复透射率三、声压往复透射率 纵波斜入射到水纵波斜入射到水/钢界面：钢界面：纵波斜入射到有机玻璃纵波斜入射到有机玻璃/钢界面的声压往复透钢界面的声压往复透射率：射率：back4.4 4.4 超声波入射到曲界面上的反射和透射超声波入射到曲界面上的反射和透射1、平面波入射到曲界面上的反射、平面波入射到曲界面上的反射平平面面波波束束与与曲曲面面上上各各入入射射点点的的法法线线成成不不同同的的夹夹角角：入入射射角角为为0的的声声线线沿沿原原方方向向返返回回，称称为为声声轴轴；其其余余声声线线的的反反射射角角则则随随着着距距声声轴轴距距离离的的增增大大而而增增大大。当当曲曲面面是是球球面面时时，反反射射线线或或其其延延长长线线汇汇聚聚于于一一个个焦焦点点上上；反反射射面面为为圆圆柱柱面面时时，反反射射线线或或其其延延长长线线汇汇聚聚于于一一条条焦焦线线上。此时，焦距上。此时，焦距 f 与曲面曲率半径与曲面曲率半径r的关系为的关系为 平面波入射至曲面时的反射平面波入射至曲面时的反射（a）凹面镜（）凹面镜（b）凸面镜）凸面镜 超声波入射时，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发超声波入射时，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。散。当曲面是球面时，反射线或其延长线汇聚于一个焦点上。当曲面是球面时，反射线或其延长线汇聚于一个焦点上。反射波波阵面为球面，凹球面的反射波好像从实焦点出发的球反射波波阵面为球面，凹球面的反射波好像从实焦点出发的球面波，凸球面的反射波好像从虚焦点出发的球面波。面波，凸球面的反射波好像从虚焦点出发的球面波。反射面为圆柱面时，反射线或其延长线汇聚于一条焦线上，反射面为圆柱面时，反射线或其延长线汇聚于一条焦线上，称为称为焦轴焦轴。反射波波阵面为柱面，凹柱面的反射波好像从实焦。反射波波阵面为柱面，凹柱面的反射波好像从实焦点出发的柱面波，凸柱面的反射波好像从虚焦点出发的柱面波。点出发的柱面波，凸柱面的反射波好像从虚焦点出发的柱面波。反射波的声压反射波的声压球曲波：球曲波：柱曲波：柱曲波：发散时取发散时取“+”，聚焦时取聚焦时取“”发散时取发散时取“+”，聚焦时取聚焦时取“”p0：入射平面波声压；：入射平面波声压；f：焦距（：焦距（fr/2）x：中心轴线上某点至曲面顶点的距离：中心轴线上某点至曲面顶点的距离px：x处的反射声波的声压处的反射声波的声压2、平平面面波波在在曲曲面面上上的的透透射射 平平面面波波入入射射到到曲曲面面上上时时，其其折折射射波波也也将将发发生生聚聚焦焦或或发发散散。折折射射波波的的聚聚焦焦或或发发散散不不仅仅与与曲曲面面的的凹凹凸凸有有关关，而而且且与与界界面面两两侧侧介介质质的的声声速速有有关关。由由斯斯涅涅耳耳定定律律，对对于于凹凹面面，c c1 1 c c2 2时时发发散散；对对于于凸凸面面，c c1 1 c c2 2时聚焦，时聚焦，c c1 1 c c2 2时发散。时发散。由由斯斯涅涅耳耳定定律律，对对于于凹凹面面，c c1 1 c c2 2时时发发散散；对于凸面，对于凸面，c c1 1 c c2 2时聚焦，时聚焦，c c1 1 c2的凸曲面上时透射波的凸曲面上时透射波将产生聚焦的原理设计制作的。将产生聚焦的原理设计制作的。聚焦探头中的声透镜，如果为球面，将获得点聚焦；如果为聚焦探头中的声透镜，如果为球面，将获得点聚焦；如果为柱面，将获得线聚集。目前在实际检测中，线聚焦多用于机械柱面，将获得线聚集。目前在实际检测中，线聚焦多用于机械化自动检测，点聚焦多用于人工检测。化自动检测，点聚焦多用于人工检测。