《無損檢測》超聲波課件

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1、第第2章章 超聲波檢測超聲波檢測 本章提要：本章提要： 超聲檢測（超聲檢測（UT）是利用其在物質(zhì)中傳播、界面反）是利用其在物質(zhì)中傳播、界面反射、折射射、折射(產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換)和衰減等物理性質(zhì)來發(fā)現(xiàn)和衰減等物理性質(zhì)來發(fā)現(xiàn)缺陷的一種無損檢測方法，應(yīng)用較為廣泛。缺陷的一種無損檢測方法，應(yīng)用較為廣泛。 按其工作原理不同分為：共振法、穿透法、脈沖按其工作原理不同分為：共振法、穿透法、脈沖反射法反射法超聲檢測； 按顯示缺陷方式不同分為：按顯示缺陷方式不同分為： A型、型、B型、型、C型、型、3D型超聲檢測型超聲檢測； 按選用超聲波波型不同分為：縱波法、橫波法、按選用超聲波波型不同分為：縱波法、橫

2、波法、表面波法超聲檢測表面波法超聲檢測； 按聲耦和方式不同分為：按聲耦和方式不同分為： 直接接觸法、液浸法超聲檢測；直接接觸法、液浸法超聲檢測； 本章將本章將重點介紹重點介紹： 脈沖反射法原理、脈沖反射法原理、 直接接觸法、直接接觸法、 A型顯示方式、型顯示方式、 縱波法、橫波法縱波法、橫波法 超聲檢測技術(shù)。超聲檢測技術(shù)。2.1 超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)2.1.1 超聲波的物理本質(zhì)超聲波的物理本質(zhì) 它是頻率大于它是頻率大于2萬赫茲的機械振動在彈性萬赫茲的機械振動在彈性介質(zhì)中的轉(zhuǎn)播行為。介質(zhì)中的轉(zhuǎn)播行為。 即超聲頻率的機械波。即超聲頻率的機械波。 一般地說，超聲波頻率越高，其能量越一

3、般地說，超聲波頻率越高，其能量越大，探傷靈敏度也越高。大，探傷靈敏度也越高。 超聲檢測常用頻率在超聲檢測常用頻率在 0.510 MHZ。2.1.2 超聲波的產(chǎn)生（發(fā)射）與接收超聲波的產(chǎn)生（發(fā)射）與接收 (1) 超聲波的產(chǎn)生機理超聲波的產(chǎn)生機理利用了壓電材利用了壓電材 料的料的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 試驗發(fā)現(xiàn)，某些晶體材料（如石英晶體）試驗發(fā)現(xiàn)，某些晶體材料（如石英晶體）做成的晶體薄片，當其做成的晶體薄片，當其受到拉伸或壓縮時，受到拉伸或壓縮時，表面就會產(chǎn)生電荷表面就會產(chǎn)生電荷；此現(xiàn)象稱為；此現(xiàn)象稱為正壓電效正壓電效應(yīng)應(yīng)； 反之，當對此晶片反之，當對此晶片施加交變電場施加交變電場時，晶時，晶體內(nèi)部的

4、質(zhì)點就會產(chǎn)生體內(nèi)部的質(zhì)點就會產(chǎn)生機械振動機械振動，此現(xiàn)象，此現(xiàn)象稱為稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。 具有壓電效應(yīng)的晶體材料就稱為具有壓電效應(yīng)的晶體材料就稱為壓電材料壓電材料。 壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)圖解壓電效應(yīng)圖解 /b. 施加交流電場時內(nèi)部質(zhì)點產(chǎn)生振動施加交流電場時內(nèi)部質(zhì)點產(chǎn)生振動拉伸或壓縮時表面產(chǎn)生電荷拉伸或壓縮時表面產(chǎn)生電荷正壓電效應(yīng)/逆壓電效應(yīng) (2) 超聲波的發(fā)射與接收超聲波的發(fā)射與接收 發(fā)射在壓電晶片制成的探頭中，在壓電晶片制成的探頭中，對壓電晶片施以對壓電晶片施以超聲頻率超聲頻率的的交變電壓交變電壓，由于逆壓電效應(yīng)，晶片中就會產(chǎn)生超聲由于逆壓電效應(yīng)，晶片中就會產(chǎn)生超聲頻率的頻率的機械振動

5、機械振動產(chǎn)生超聲波產(chǎn)生超聲波； 若此機械振動與若此機械振動與被檢測的工件較好地被檢測的工件較好地耦合耦合，超聲波就會，超聲波就會傳入工件傳入工件這就是這就是超聲波的發(fā)射超聲波的發(fā)射。 接收接收若發(fā)射出去的超聲波遇到界面若發(fā)射出去的超聲波遇到界面被被反射回來反射回來，又會對探頭的壓電晶片產(chǎn)生，又會對探頭的壓電晶片產(chǎn)生機械振動，由于正壓電效應(yīng)，在晶片的上機械振動，由于正壓電效應(yīng)，在晶片的上下電極之間就會下電極之間就會產(chǎn)生交變的電信號產(chǎn)生交變的電信號。 將此電信號采集、檢波、放大并顯示出將此電信號采集、檢波、放大并顯示出來，就來，就完成了對超聲波信號的接收完成了對超聲波信號的接收。 可見，探頭是一種

6、可見，探頭是一種聲電換能元件聲電換能元件，是一，是一種特殊的種特殊的傳感器傳感器，在探傷過程中發(fā)揮重要，在探傷過程中發(fā)揮重要的作用。的作用。 2.1 超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)2.1.3 超聲波波型的分類超聲波波型的分類 按質(zhì)點的振動方向與聲波的傳播方向之間按質(zhì)點的振動方向與聲波的傳播方向之間的關(guān)系分為：的關(guān)系分為：（1）縱波縱波 L 介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致；傳播方向一致；（2）橫波橫波 S 介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直；的傳播方向垂直； 2.1 超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)（3）表面波）表面波 R介質(zhì)質(zhì)點沿

7、介質(zhì)表面做橢介質(zhì)質(zhì)點沿介質(zhì)表面做橢圓運動；又稱瑞利波；圓運動；又稱瑞利波； 2.1 超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)（4）板波）板波 板厚與波長相當?shù)谋“逯袀靼搴衽c波長相當?shù)谋“逯袀鞑サ某暡?，板的兩表面介質(zhì)質(zhì)點沿介質(zhì)播的超聲波，板的兩表面介質(zhì)質(zhì)點沿介質(zhì)表面做橢圓運動，板中間也有超聲波傳播。表面做橢圓運動，板中間也有超聲波傳播。又稱蘭姆波；又稱蘭姆波；a)對稱型對稱型 b)非對稱型非對稱型 2.1 超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 注意！注意！ 液體和氣體介質(zhì)液體和氣體介質(zhì)（不能傳遞切向力）（不能傳遞切向力） 中，所以中，所以只能傳播縱波只能傳播縱波！ 同一介質(zhì)中，聲速的關(guān)系有：同一介

8、質(zhì)中，聲速的關(guān)系有： CL CS CR 同一介質(zhì)中，聲速、波長、頻率之間同一介質(zhì)中，聲速、波長、頻率之間 的關(guān)系為：的關(guān)系為： C = f = 常數(shù)常數(shù)。 按超聲波振動持續(xù)時間分為：按超聲波振動持續(xù)時間分為： (1)連續(xù)波連續(xù)波在有效作用時間內(nèi)聲波不間在有效作用時間內(nèi)聲波不間 斷地發(fā)射；斷地發(fā)射； (2)脈沖波脈沖波在有效作用時間內(nèi)聲波以脈在有效作用時間內(nèi)聲波以脈 沖方式間歇地發(fā)射。沖方式間歇地發(fā)射。 注意注意: 超聲波檢測過程常采用超聲波檢測過程常采用脈沖波脈沖波。2.1.4 超聲波的基本性質(zhì)超聲波的基本性質(zhì) (1)具有良好的指向性：具有良好的指向性： 直線傳播直線傳播，符合幾何光學(xué)定律；象

9、光波，符合幾何光學(xué)定律；象光波一樣，方向性好；一樣，方向性好； 束射性束射性，象手電筒的光束一樣，能集中，象手電筒的光束一樣，能集中在超聲場內(nèi)定向輻射。在超聲場內(nèi)定向輻射。 聲束的擴散角滿足如下關(guān)系：聲束的擴散角滿足如下關(guān)系： = arcsin 1.22(/D) (2-1) 可見：可見： 波長越短波長越短，擴散角擴散角越小越小， 聲能越集中聲能越集中。 2.1 超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) (2)具有較強的具有較強的穿透性穿透性，但有，但有衰減衰減； 穿透性穿透性來自于它的高能量，因來自于它的高能量，因為聲強正比于頻率的平方；為聲強正比于頻率的平方； 所以，超聲波的能量比普通聲波大所以

10、，超聲波的能量比普通聲波大100萬倍！可穿透金屬達數(shù)米！萬倍！可穿透金屬達數(shù)米！ 衰減性衰減性源于三個方面：源于三個方面： 擴散擴散、散射散射、吸收吸收； (1)擴散衰減擴散衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時，因其波前在逐漸擴聲波在介質(zhì)中傳播時，因其波前在逐漸擴展，展， 從而導(dǎo)致聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超從而導(dǎo)致聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波的聲波的 擴散衰減擴散衰減。 它主要取決于波陣面的幾何形狀，它主要取決于波陣面的幾何形狀， 而與傳播介質(zhì)無關(guān)而與傳播介質(zhì)無關(guān)。2.1 超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) (2)散射衰減散射衰減 散射是物質(zhì)不均勻性產(chǎn)生的。散射是物質(zhì)不均勻性產(chǎn)生的。 不均勻材料含

11、有聲阻抗急劇變化的界面，不均勻材料含有聲阻抗急劇變化的界面， 在這兩種物質(zhì)的界面上，在這兩種物質(zhì)的界面上， 會產(chǎn)生聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象會產(chǎn)生聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象， 必然導(dǎo)致聲能的降低。必然導(dǎo)致聲能的降低。2.1 超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) (3)吸收衰減：吸收衰減： 超聲波在介質(zhì)中傳播時，超聲波在介質(zhì)中傳播時， 由于介質(zhì)質(zhì)點間的內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)，由于介質(zhì)質(zhì)點間的內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)， 引起的聲波能量減弱的現(xiàn)象，引起的聲波能量減弱的現(xiàn)象， 叫做超聲波的吸收衰減。叫做超聲波的吸收衰減。2.1 超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)（3 3）只能在彈性介質(zhì)中傳播，只能在彈性介質(zhì)中

12、傳播，不能在真不能在真空空（空（空 氣近似看成真空）中傳播；氣近似看成真空）中傳播； 強調(diào)強調(diào)：橫波不能在氣體、液體中傳橫波不能在氣體、液體中傳播播！表面波表面波看作是縱波與橫波的合成，看作是縱波與橫波的合成， 所以，也不能在氣體、液體中傳播！所以，也不能在氣體、液體中傳播！2.1 超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) （4）遇到界面將產(chǎn)生：）遇到界面將產(chǎn)生： 反射反射、折射折射和和波型轉(zhuǎn)換波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象；現(xiàn)象； （5）對人體無害）對人體無害優(yōu)于射線的性質(zhì)。優(yōu)于射線的性質(zhì)。 主聲軸主聲軸 N近場區(qū)長度N=D2 /4超聲場及 近場區(qū) 壓電晶片2.1 超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ)超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 3.24?

13、2.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播超聲波在介質(zhì)中的傳播 2.2.1 超聲波在金屬中的衰減定律超聲波在金屬中的衰減定律 超聲波在超聲波在金屬中金屬中主要的衰減原因是主要的衰減原因是散射散射和擴散和擴散；在；在液體中主要是吸收液體中主要是吸收。 研究表明，超聲波在金屬中的衰減規(guī)律研究表明，超聲波在金屬中的衰減規(guī)律可用下面的關(guān)系式表達：可用下面的關(guān)系式表達： PX = P0 e-x (2-2) 衰減系數(shù)；衰減系數(shù)；dB/m x 聲束傳播的距離，即聲程聲束傳播的距離，即聲程 m。 (2-2)式表明，超聲波的聲壓在其傳播的路式表明，超聲波的聲壓在其傳播的路徑上，呈負指數(shù)規(guī)律衰減。徑上，呈負指數(shù)規(guī)律衰減。 這里

14、強調(diào)指出：這里強調(diào)指出：衰減系數(shù)衰減系數(shù)為頻率為頻率f4和晶粒和晶粒尺寸尺寸d3的函數(shù)。的函數(shù)。 所以，對粗晶檢測時，應(yīng)適當降低超聲波所以，對粗晶檢測時，應(yīng)適當降低超聲波頻率，彌補能量的不足。頻率，彌補能量的不足。 研究表明，聲壓研究表明，聲壓p與超聲波探傷儀示波屏上與超聲波探傷儀示波屏上的波高的波高h成正比關(guān)系：成正比關(guān)系： p1/p2 = h1/h2 (2-3) 實際探測時，超聲波探傷儀示波屏上的波實際探測時，超聲波探傷儀示波屏上的波高高h能夠反映聲波的衰減狀況。能夠反映聲波的衰減狀況。 超聲波探傷儀示波屏上波高h的衰減狀況 這里，這里，B1 B6代表超聲波在工件底面的代表超聲波在工件底面

15、的 6次反射波。波高次反射波。波高h依次遞減。依次遞減。T TB1B2B6 描述：描述： 超聲場的物理量超聲場的物理量 充滿超聲波的空間，或在介質(zhì)中超聲振動波所及充滿超聲波的空間，或在介質(zhì)中超聲振動波所及的的“質(zhì)點占據(jù)的范圍質(zhì)點占據(jù)的范圍”叫超聲場。叫超聲場。 對超聲場我們常用：對超聲場我們常用： 1.聲壓、聲壓、 2.聲強、聲強、 3.聲阻抗、聲阻抗、 4.質(zhì)點振動位移和質(zhì)點振動速度質(zhì)點振動位移和質(zhì)點振動速度 等物理量等物理量,來描述超聲波聲場。來描述超聲波聲場。2.3 超聲波在介質(zhì)中的傳播超聲波在介質(zhì)中的傳播 (一一)聲壓聲壓 超聲場中某一點在某一瞬間所具有的壓強超聲場中某一點在某一瞬間所

16、具有的壓強 ,與沒與沒有超聲場存在時，同一點的靜態(tài)壓強之差為該點有超聲場存在時，同一點的靜態(tài)壓強之差為該點的聲壓的聲壓，用用 表示。表示。 單位為單位為 帕帕,記作記作1Pa=1N/m2 。 若用若用 平面余弦波表達式平面余弦波表達式： (2-1)2.3 超聲波在介質(zhì)中的傳播超聲波在介質(zhì)中的傳播 ip0p2)2(cosxtcAp2.3 超聲波在介質(zhì)中的傳播超聲波在介質(zhì)中的傳播 式中：式中： -介質(zhì)的密度，介質(zhì)的密度， C-介質(zhì)中的波速，介質(zhì)中的波速， A-介質(zhì)質(zhì)點的振幅，介質(zhì)質(zhì)點的振幅， -介質(zhì)中質(zhì)點振動的圓頻率介質(zhì)中質(zhì)點振動的圓頻率()， A -質(zhì)點振動的速度振幅質(zhì)點振動的速度振幅()， T

17、 -時間，時間， x-至波源的距離。至波源的距離。 且有關(guān)系式：且有關(guān)系式： 式中：式中： -聲壓的極大值。聲壓的極大值。cApmmp 可見：可見： 聲壓的絕對值，與波速、質(zhì)點振動的速度聲壓的絕對值，與波速、質(zhì)點振動的速度振幅振幅(或角頻率或角頻率)成正比成正比。 因為超聲波的頻率高，所以超聲波比聲波因為超聲波的頻率高，所以超聲波比聲波的聲壓大。的聲壓大。2.3 超聲波在介質(zhì)中的傳播超聲波在介質(zhì)中的傳播 2.3.1.2 聲強聲強 在超聲波在超聲波傳播的方向上傳播的方向上，單位時間內(nèi)單位時間內(nèi) 介質(zhì)介質(zhì)中單位截面上中單位截面上 的聲能叫聲強。用的聲能叫聲強。用I表示；單表示；單位是位是 對縱波在

18、均勻的各向同性的固體介質(zhì)中的對縱波在均勻的各向同性的固體介質(zhì)中的傳播為例傳播為例，可以證明平面波傳播的聲強計證明平面波傳播的聲強計算式；算式； (1-2) 注意：上式中有三個部分的概念。注意：上式中有三個部分的概念。2.3 超聲波在介質(zhì)中的傳播超聲波在介質(zhì)中的傳播 2/cmw22222112121mmcVcpcAI 超聲波的聲強：超聲波的聲強： 、正比于質(zhì)點振動位移振幅的平方；、正比于質(zhì)點振動位移振幅的平方； 、正比于質(zhì)點振動角頻率的平方；、正比于質(zhì)點振動角頻率的平方； 、正比于質(zhì)點振動速度振幅的平方。、正比于質(zhì)點振動速度振幅的平方。 注意：注意： 由于超聲波的頻率高，其強度由于超聲波的頻率高

19、，其強度(能量能量)是遠遠大于是遠遠大于 可聞聲波可聞聲波 的強度。的強度。 例如：例如： 1MHz聲波的能量等于聲波的能量等于100kHz聲波能量的聲波能量的100倍，等于倍，等于lkHz聲波能量的聲波能量的100萬倍。萬倍。2.3 超聲波在介質(zhì)中的傳播超聲波在介質(zhì)中的傳播 2.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播超聲波在介質(zhì)中的傳播2.2.2 超聲波在異質(zhì)界面處產(chǎn)生的各種現(xiàn)象超聲波在異質(zhì)界面處產(chǎn)生的各種現(xiàn)象 (1)垂直入射異質(zhì)界面時的垂直入射異質(zhì)界面時的透射透射、反射反射及及繞射繞射 透射與反射透射與反射 反射系數(shù)反射系數(shù) K = W反反/ W入入100% W透透W反反w入入 常見材料之間的界面反射系

20、數(shù)常見材料之間的界面反射系數(shù) 界面材料界面材料 反射系數(shù)反射系數(shù)K % 鋼鋼鋼鋼 0 鋼鋼變壓器油變壓器油 81 鋼鋼有機玻璃有機玻璃 77 鋼鋼水水 88有機玻璃有機玻璃變壓器油變壓器油 17 鋼鋼空氣空氣 100 有機玻璃有機玻璃空氣空氣 100 反射現(xiàn)象的辯證分析反射現(xiàn)象的辯證分析 反射現(xiàn)象： 對發(fā)射超聲波不利對發(fā)射超聲波不利 ； 對脈沖反射法接收有利。對脈沖反射法接收有利。 影響反射系數(shù)影響反射系數(shù)K的因素的因素 反射系數(shù)反射系數(shù)K值的大小，決定于相鄰介質(zhì)的值的大小，決定于相鄰介質(zhì)的聲阻抗之差聲阻抗之差： Z =| Z 2Z 1| Z 越大，越大，K 值越大。值越大。 而與何者為而與何

21、者為第一介質(zhì)第一介質(zhì)無關(guān)。無關(guān)。 (一一)、在單一界面上、在單一界面上 當超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時：當超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時： .在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波。射波。 .在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射波。射波。 .反射波與透射波的聲壓反射波與透射波的聲壓(聲強聲強)是按一定比例分是按一定比例分配配。 .分比例由聲壓反射率分比例由聲壓反射率(或聲強反射率或聲強反射率)， 和聲壓透射率和聲壓透射率(或聲強透射率或聲強透射率)來表示。來表示。 1、在單一界面上反射波聲

22、壓與入射波聲壓、在單一界面上反射波聲壓與入射波聲壓之比，稱為界面的之比，稱為界面的 聲壓反射率：聲壓反射率： 用表示用表示。 式中式中： Z1- 介質(zhì)介質(zhì)1的聲阻抗，的聲阻抗， Z2-介質(zhì)介質(zhì)2的聲阻抗的聲阻抗。 12120ZZZZpprr 2、在單一界面上透射波聲壓與入射波聲壓之比、在單一界面上透射波聲壓與入射波聲壓之比，稱為界面的，稱為界面的 聲壓透射率聲壓透射率： 用用t表示：表示： 3、在界面上反射波聲強與入射波聲強之比，稱、在界面上反射波聲強與入射波聲強之比，稱為為 聲強反射率聲強反射率： 用用R表示：表示：12202ZZZpptt212120)(ZZZZIIRr 4、在界面上透射聲

23、強與入射聲強之比，稱、在界面上透射聲強與入射聲強之比，稱為為 聲強透射率：聲強透射率： 用用T表示：表示： 說明：說明： 在聲波垂直入射到平界面上時，聲壓和聲在聲波垂直入射到平界面上時，聲壓和聲強的分配比例，僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻強的分配比例，僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)抗有關(guān).212210)(4ZZZZIITt 注意：注意： 在垂直入射時，在垂直入射時， 介質(zhì)兩側(cè)的聲波必須滿足兩個邊界條件介質(zhì)兩側(cè)的聲波必須滿足兩個邊界條件： (1)、一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總聲壓。、一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總聲壓。 否則界面兩側(cè)受力不等，將會發(fā)生界面運動否則界面兩側(cè)受力不等，將會發(fā)生界面運動。 (2)、兩側(cè)質(zhì)點速度

24、振幅相等，以保持波的連、兩側(cè)質(zhì)點速度振幅相等，以保持波的連續(xù)性。續(xù)性。 上述的是超聲波縱波：上述的是超聲波縱波： 垂直入射到單一平界面上的，聲壓、聲強垂直入射到單一平界面上的，聲壓、聲強與其反射率、透射率的計算公式，同樣適與其反射率、透射率的計算公式，同樣適用于橫波入射的情況。用于橫波入射的情況。 (二二)、薄層界面、薄層界面 在進行超聲檢測時，經(jīng)常遇到很薄的耦合層和缺在進行超聲檢測時，經(jīng)常遇到很薄的耦合層和缺陷薄層，可以歸納為超聲波在薄層界面的反射和陷薄層，可以歸納為超聲波在薄層界面的反射和透射問題。透射問題。 超聲波是由聲阻抗為超聲波是由聲阻抗為Z1的第一介質(zhì)，入射到的第一介質(zhì)，入射到Z1

25、和和Z2的交界面。的交界面。 然后通過聲阻抗為然后通過聲阻抗為Z2的第二介質(zhì)薄層射到的第二介質(zhì)薄層射到Z2和和Z3界面，最后進入聲阻抗為界面，最后進入聲阻抗為Z3的第三介質(zhì)等。的第三介質(zhì)等。 在有三層介質(zhì)時在有三層介質(zhì)時，很多情況是：很多情況是： 第一介質(zhì)和第三介質(zhì)為同一種介質(zhì)第一介質(zhì)和第三介質(zhì)為同一種介質(zhì)。a)鋼鋼-水入射水入射 b)水水-鋼入射鋼入射 注意：注意： 1、超聲波通過一定厚度的異質(zhì)薄層時，反射和、超聲波通過一定厚度的異質(zhì)薄層時，反射和透射情況與單一的平界面不同，透射情況與單一的平界面不同， 2、當異質(zhì)薄層很薄，進入薄層內(nèi)的超聲波會在、當異質(zhì)薄層很薄，進入薄層內(nèi)的超聲波會在薄層兩

26、側(cè)界面，引起多次反射和透射，形成一系薄層兩側(cè)界面，引起多次反射和透射，形成一系列的反射和透射波。列的反射和透射波。 3、當超聲波脈沖寬度相對于薄層較窄時，薄層、當超聲波脈沖寬度相對于薄層較窄時，薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波就會互相干涉。兩側(cè)的各次反射波、透射波就會互相干涉。 4、由于上述原因，聲壓反射率和透射率的計算比由于上述原因，聲壓反射率和透射率的計算比較復(fù)雜。較復(fù)雜。 一般說來一般說來： 超聲波通過異質(zhì)薄層時：超聲波通過異質(zhì)薄層時： 聲壓反射率和透射率，不僅與介質(zhì)聲阻抗聲壓反射率和透射率，不僅與介質(zhì)聲阻抗和薄層聲阻抗有關(guān)，而且與薄層厚度同其和薄層聲阻抗有關(guān)，而且與薄層厚度同其波長之比波長

27、之比( )有關(guān)。有關(guān)。22/d (1)、當一、三介質(zhì)為同一介質(zhì)時，對均勻、當一、三介質(zhì)為同一介質(zhì)時，對均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層有如下規(guī)律性介質(zhì)中的異質(zhì)薄層有如下規(guī)律性： （反射）（反射） 2-21 （透射）（透射） 2-22222222222sin)1(4112sin)1(41dmmdmmr22222sin)1(4111dmmt 式中式中：d2-異質(zhì)薄層的厚度， -異質(zhì)薄層的波長， -兩種介質(zhì)的聲阻抗之比， 由公式由公式(2-21)(2-22)可知：可知： 當當 時時(n為正整數(shù)為正整數(shù))， 。 當當 時時(n為正整數(shù)為正整數(shù))，r最高，最高， 。 當當 時，即時，即 時，則薄層厚度愈小時，則薄層

28、厚度愈小，透射率愈大，反射率愈小。，透射率愈大，反射率愈小。2m222 nd1, 0tr4)12(2nd0t02d42d (2)、 ，即非均勻介質(zhì)中的薄層有如，即非均勻介質(zhì)中的薄層有如下規(guī)律性下規(guī)律性： 例如：晶片例如：晶片保護薄膜保護薄膜工件，或晶片工件，或晶片耦合劑耦合劑工件等情況。工件等情況。 此時此時 聲壓往復(fù)透射率聲壓往復(fù)透射率 為：為： （2-23）321ZZZ2222231222231312sin)(2cos)(4dZZZZdZZZZT 由上式可知由上式可知： 當當 時(n為正整數(shù))，則有：則有： 即：即： 超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層，超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗

29、不同的薄層， 若薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍時，通過薄層的若薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍時，通過薄層的聲壓往復(fù)透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān)。聲壓往復(fù)透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān)。222 nd23131)(4ZZZZT 當 (n為正整數(shù))，且 時時， 則有則有： 上式表明：上式表明： 超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層：薄層： 1、當、當 的奇數(shù)倍，的奇數(shù)倍， Z2為為 時，或時，或 時，時，4) 12(2nd312ZZZ 1)(42231231ZZZZZZT422d231ZZ 312ZZZ 其聲壓往復(fù)透射率等于其聲壓往復(fù)透射率等于1，此即為全透射的，此即為全透射的情況

30、。情況。 2、當、當 時，薄層愈薄，聲壓往復(fù)透射時，薄層愈薄，聲壓往復(fù)透射率愈大。率愈大。422d關(guān)于聲阻抗 聲阻抗聲阻抗Z表示聲場中介質(zhì)對質(zhì)點振動的表示聲場中介質(zhì)對質(zhì)點振動的阻礙作用。阻礙作用。 指超聲波在介質(zhì)中傳播時，任一點的指超聲波在介質(zhì)中傳播時，任一點的聲壓聲壓p與該與該點速度振幅點速度振幅V之比。之比。 定義式定義式: 聲阻抗聲阻抗 Z = p/V (2-4) 數(shù)值表征數(shù)值表征 : Z = CL (2-5) 氣體、液體、金屬之間聲阻抗之比約為：氣體、液體、金屬之間聲阻抗之比約為： 1：3000：8000。 繞射現(xiàn)象繞射現(xiàn)象 當界面尺寸當界面尺寸df/2 時，聲波能繞過缺陷界時，聲波能

31、繞過缺陷界面而繼續(xù)向前傳播的現(xiàn)象，叫作面而繼續(xù)向前傳播的現(xiàn)象，叫作繞射繞射。 因此，要想因此，要想提高探傷靈敏度提高探傷靈敏度，必須，必須提高頻提高頻率率f,以便以便發(fā)現(xiàn)更小的缺陷發(fā)現(xiàn)更小的缺陷。超聲波的超聲波的繞射現(xiàn)象繞射現(xiàn)象(2)傾斜入射異質(zhì)界面的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換傾斜入射異質(zhì)界面的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換 參考圖參考圖 S1 L1S2 L2 L LLoL L入射縱波；入射縱波；縱波入射角；縱波入射角；L1L1反射縱波；反射縱波；L縱波縱波L1L1反射角；反射角；S1反射橫波；反射橫波；橫波橫波S1反射角；反射角；L2 折射折射縱波；縱波；L縱波縱波L2折射角；折射角；S2 折射折射橫波；橫

32、波；橫波橫波S2折射角。折射角。 1超聲波在無限大介質(zhì)中傳播時，將一直向超聲波在無限大介質(zhì)中傳播時，將一直向前傳播，不改變方向。前傳播，不改變方向。 2遇到異質(zhì)界面遇到異質(zhì)界面(聲阻抗差異較大的異質(zhì)界聲阻抗差異較大的異質(zhì)界面面)時，會產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象。時，會產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象。 3一部分超聲波在界面上被反射回第一介質(zhì)一部分超聲波在界面上被反射回第一介質(zhì)，另一部分透過介質(zhì)交界面進入第二介質(zhì)，另一部分透過介質(zhì)交界面進入第二介質(zhì)。2.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播超聲波在介質(zhì)中的傳播 (一一)、在單一界面上、在單一界面上 當超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時：當超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時：

33、在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波。射波。 在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射波。射波。 反射波與透射波的聲壓反射波與透射波的聲壓(聲強聲強)是按一定比例分是按一定比例分配配。 分比例由聲壓反射率分比例由聲壓反射率(或聲強反射率或聲強反射率)， 和聲壓透射率和聲壓透射率(或聲強透射率或聲強透射率)來表示。來表示。2.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播超聲波在介質(zhì)中的傳播 (二二)薄層界面薄層界面 在進行超聲檢測時，經(jīng)常遇到很薄的耦合在進行超聲檢測時，經(jīng)常遇到很薄的耦合層和缺陷薄層，可以歸納為超聲波在薄層層和

34、缺陷薄層，可以歸納為超聲波在薄層界面的反射和透射問題。界面的反射和透射問題。2.2 超聲波在介質(zhì)中的傳播超聲波在介質(zhì)中的傳播斯涅耳定律：斯涅耳定律：2211LLSSSSLLLCSINCSINCSINCSINCSIN（26) S1 L1S2 L2 L LL(2)臨界角的討論及其應(yīng)用意義臨界角的討論及其應(yīng)用意義 因因 CL = CL1 ;=L ;由（由（2-6）式可推知）式可推知: （2-7） （2-8） 臨界角的討論臨界角的討論 ：當取有機玻璃為第一介質(zhì)，：當取有機玻璃為第一介質(zhì)，鋼為第二介質(zhì)時，即有：鋼為第二介質(zhì)時，即有： CL1CL2 , CL1 CS2 CL2 , 必有必有 SL ；且；且

35、 ，S ，L ；)sinarcsin(21lCCLL)sinarcsin(21sCCsL 故當故當L = 90時，第二介質(zhì)中只有橫波。時，第二介質(zhì)中只有橫波。此時對應(yīng)的縱波入射角此時對應(yīng)的縱波入射角； 叫作叫作第一臨界角第一臨界角，記為，記為1m。 這時，這時，1m = 27.6。 當當 ，使，使s = 90時，第二介質(zhì)中只有表時，第二介質(zhì)中只有表面波。此時對應(yīng)的縱波入射角面波。此時對應(yīng)的縱波入射角； 叫作叫作第二臨界角，第二臨界角，記為記為2m = 57.6 。 臨界角的應(yīng)用：臨界角的應(yīng)用： 斜探頭設(shè)計斜探頭設(shè)計時，應(yīng)保證時，應(yīng)保證聲波的入射角聲波的入射角介于介于第一臨界角、第二臨界角第一臨

36、界角、第二臨界角之間。之間。 第三臨界角第三臨界角：（入射角，折射角）（入射角，折射角） 當超聲波橫波傾斜入射到界面時，在第一介質(zhì)中當超聲波橫波傾斜入射到界面時，在第一介質(zhì)中產(chǎn)生反射縱波和反射橫波。產(chǎn)生反射縱波和反射橫波。 由于在同一介質(zhì)中，由于在同一介質(zhì)中， 恒大于恒大于 ，所以，所以 恒大恒大于于 。 隨著隨著 增加，當增加，當 時，介質(zhì)中只存在反射時，介質(zhì)中只存在反射橫波。橫波。 當當 ，則有；，則有； 注意：只有第一介質(zhì)為固體時，才會有第三臨界注意：只有第一介質(zhì)為固體時，才會有第三臨界角。角。1Lc1ScLSS090L090L11arcsinLSIIIScc 2.4.2.3傾斜入射到平

37、界面上時聲壓反射率與透射傾斜入射到平界面上時聲壓反射率與透射率率 注意：斯涅爾反射、折射定律只討論了：注意：斯涅爾反射、折射定律只討論了： 超聲波傾斜入射到界面上時，各種類型反射波和超聲波傾斜入射到界面上時，各種類型反射波和折射波的傳播方向，沒有涉及它們的聲壓反射率折射波的傳播方向，沒有涉及它們的聲壓反射率和透射率。和透射率。 實際上：在斜入射情況下，各種類型的反射波和實際上：在斜入射情況下，各種類型的反射波和折射波的聲壓反射率和透射率，是與：折射波的聲壓反射率和透射率，是與： 與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)， 與入射波的類型以及入射角的大小有關(guān)。與入射波的類型以及入射

38、角的大小有關(guān)。 其理論計算公式復(fù)雜，借助于由公式或?qū)嵠淅碚撚嬎愎綇?fù)雜，借助于由公式或?qū)嶒灒候灒?得到的幾種，常見界面的聲壓反射率和透得到的幾種，常見界面的聲壓反射率和透射率圖來確定檢測方案射率圖來確定檢測方案。 2.4.2.4聲壓往復(fù)透射率聲壓往復(fù)透射率 超聲波傾斜入射時，聲壓往復(fù)透射率等于超聲波傾斜入射時，聲壓往復(fù)透射率等于兩次相反方向，通過同一界面的聲壓透射兩次相反方向，通過同一界面的聲壓透射率的乘積率的乘積。 表達式：表達式： 2-25 -入射波聲壓，入射波聲壓， -透射波聲壓，透射波聲壓， -回波聲壓回波聲壓tatpppp00appt0ptpap2.3 超聲波檢測原理超聲波檢測原理

39、本節(jié)重點講解本節(jié)重點講解: A型脈沖反射法型脈沖反射法超聲波檢測原理。超聲波檢測原理。 在在實際應(yīng)用實際應(yīng)用中以中以該法為主。該法為主。 2.3.1 A型脈沖反射法超聲波檢測原理型脈沖反射法超聲波檢測原理 (1)原理：原理： A型型脈沖反射法脈沖反射法超聲波檢測就是利用超聲超聲波檢測就是利用超聲波在傳播過程中，遇到波在傳播過程中，遇到聲阻抗較大聲阻抗較大的的異質(zhì)異質(zhì)界面界面時，將時，將產(chǎn)生反射產(chǎn)生反射的原理來實現(xiàn)對內(nèi)部的原理來實現(xiàn)對內(nèi)部缺陷檢測的。缺陷檢測的。 (2)實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法： 該法采用該法采用單一探頭單一探頭既作發(fā)射器件，又既作發(fā)射器件，又作接收元件，以脈沖方式間歇地向工件發(fā)作接收元

40、件，以脈沖方式間歇地向工件發(fā)射超聲波；射超聲波；接受到的回波信號經(jīng)功能電路接受到的回波信號經(jīng)功能電路放大、檢波后，放大、檢波后，在探傷儀的示波屏上在探傷儀的示波屏上，以以脈沖信號脈沖信號顯示出來顯示出來。 (3)信號的解讀信號的解讀： 根據(jù)探傷儀示波屏上，根據(jù)探傷儀示波屏上，始波始波T、傷波傷波F、底波底波B的的有無有無、大小大小及其在及其在時基軸時基軸上的上的位位置置可判斷工件可判斷工件內(nèi)部缺陷內(nèi)部缺陷的的有無、大小和位有無、大小和位置置。見下圖：。見下圖：示例直探頭缺陷顯示直探頭缺陷顯示 a.無缺陷無缺陷 b.小缺陷小缺陷 c. 大缺陷大缺陷TBTTBFF示波屏特征小結(jié)示波屏特征小結(jié) （a

41、 a）無缺陷無缺陷 示波屏上示波屏上只有始波只有始波T和底波和底波B， 而且底波較高；而且底波較高； （b b）有小缺陷）有小缺陷示波屏上不僅有始波示波屏上不僅有始波T 和底波和底波B；而其間；而其間還有傷波還有傷波F; 相對（相對（a）無缺陷的情況，）無缺陷的情況， 底波變矮底波變矮； （c）有大缺陷）有大缺陷示波屏上示波屏上只有始波只有始波T和傷波和傷波F, 沒有底波沒有底波B。 相對（相對（b）而言，）而言，傷波變高傷波變高。2.4 脈沖反射法超聲波檢測技術(shù)要點脈沖反射法超聲波檢測技術(shù)要點 內(nèi)容提要：內(nèi)容提要： 從根本上說，超聲波檢測技術(shù)的基本任務(wù)就是：從根本上說，超聲波檢測技術(shù)的基本任

42、務(wù)就是： 通過調(diào)節(jié)探傷系統(tǒng)的靈敏度和調(diào)整操作手法，通過調(diào)節(jié)探傷系統(tǒng)的靈敏度和調(diào)整操作手法， 有效的發(fā)現(xiàn)缺陷有效的發(fā)現(xiàn)缺陷； 發(fā)現(xiàn)缺陷后，能夠發(fā)現(xiàn)缺陷后，能夠準確的給缺陷定性、定量、準確的給缺陷定性、定量、 定位；定位； 根據(jù)工藝要求根據(jù)工藝要求, , 提出返修建議提出返修建議及相關(guān)的及相關(guān)的探傷工藝；探傷工藝； 按規(guī)定格式，按規(guī)定格式，出據(jù)檢測報告出據(jù)檢測報告。 重點介紹兩種探傷方法。重點介紹兩種探傷方法。2.4.1 垂直入射法垂直入射法（直探頭，縱波法探傷技術(shù)）（直探頭，縱波法探傷技術(shù)） 定義：定義：采用直探頭將采用直探頭將聲束垂直入射工件聲束垂直入射工件的的探傷方法；探傷方法； 該法利用的

43、該法利用的聲波類型為縱波聲波類型為縱波，故有，故有縱波法縱波法之之稱。稱。 簡記：垂直入射法簡記：垂直入射法 = 直探頭法直探頭法 = 縱波法縱波法 缺陷顯示方式缺陷顯示方式：以回波在時基線上的位：以回波在時基線上的位 置、脈沖大小反映缺陷的情況。置、脈沖大小反映缺陷的情況。 應(yīng)用特點：應(yīng)用特點：能夠發(fā)現(xiàn)與探測面平行或接近能夠發(fā)現(xiàn)與探測面平行或接近平行的面積型缺陷和體積型缺陷。平行的面積型缺陷和體積型缺陷。 對體積型缺陷的檢出率較高。對體積型缺陷的檢出率較高。 缺陷的定位：缺陷的定位： 缺陷就在探頭的正下方！從三維定位的角缺陷就在探頭的正下方！從三維定位的角度，需給出三個坐標：度，需給出三個坐

44、標：x, y, z； 其中，在探測面上的水平坐標其中，在探測面上的水平坐標x,y可直接用可直接用鋼板尺量??；鋼板尺量??； 而缺陷的埋藏深度坐標而缺陷的埋藏深度坐標z（習慣上用（習慣上用h表示）表示）可根據(jù)傷波可根據(jù)傷波可根據(jù)傷波可根據(jù)傷波F在時基線上的位置，在時基線上的位置，按比例關(guān)系確定按比例關(guān)系確定: h = (tf / tb) = n tf 式中式中: tf 傷波脈沖前沿在示波屏時基線上的傷波脈沖前沿在示波屏時基線上的刻度值；刻度值； tb底波在示波屏時基線上的刻度值；底波在示波屏時基線上的刻度值； 被檢測試件的厚度值；被檢測試件的厚度值； n 比例系數(shù)比例系數(shù); n= / tb 。缺陷

45、的定量缺陷的定量 a.當缺陷尺寸當缺陷尺寸大于聲束直徑大于聲束直徑時，采用時，采用移動測長法移動測長法； 即半波高法即半波高法 。圖示如下：。圖示如下：缺陷長度缺陷長度探頭移動距離探頭移動距離6db波高波高波高包絡(luò)線波高包絡(luò)線 探頭探頭b.缺陷尺寸小于聲束直徑缺陷尺寸小于聲束直徑時，采用時，采用當量法當量法； 當量法的基本思想當量法的基本思想： 在一定的探傷靈敏度條件下，將在一定的探傷靈敏度條件下，將已知形狀、尺寸已知形狀、尺寸的人工反射體的回波的人工反射體的回波與與實際檢測到的缺陷回波實際檢測到的缺陷回波相相對比，若對比，若二者的聲程二者的聲程、回波高度回波高度相等相等，則這個，則這個已已知

46、人工反射體的相關(guān)尺寸知人工反射體的相關(guān)尺寸可視為該實際缺陷的可視為該實際缺陷的“缺陷當量缺陷當量”。 可見當量法應(yīng)該選擇恰當?shù)目梢姰斄糠☉?yīng)該選擇恰當?shù)膶Ρ仍噳K對比試塊。 設(shè)計適當?shù)木嚯x尺寸和人工反射體的尺寸；設(shè)計適當?shù)木嚯x尺寸和人工反射體的尺寸； 得到得到“探測探測距離與波幅曲線距離與波幅曲線” ；當量法的距離波幅曲線示意圖 對比試塊25050孔徑可改變?yōu)椋嚎讖娇筛淖優(yōu)椋?2， 3， 4， 6；探頭探頭平底孔距探測面的距離為：平底孔距探測面的距離為：5，10，15，20，25，30，35，40，45當量法的距離波幅曲線示意圖圖例圖例波波幅幅距離距離mm評定線評定線 定量線定量線報廢線報廢線dB

47、缺陷的定性缺陷的定性 對于對于A型顯示的超聲波檢測來說，給缺陷型顯示的超聲波檢測來說，給缺陷定性是定性是較復(fù)雜和困難的較復(fù)雜和困難的。 需要了解檢測對象的需要了解檢測對象的材質(zhì)材質(zhì)、工藝工藝、缺陷缺陷位置位置、空間位向空間位向、信號大小信號大小、特征特征等多方等多方面的信息。面的信息。 缺陷缺陷性質(zhì)不同性質(zhì)不同，其，其波形特征各異波形特征各異； 在在探頭移動探頭移動時，也會時，也會表現(xiàn)出不同的特點表現(xiàn)出不同的特點。 要做要做動態(tài)分析動態(tài)分析！舉舉 例例 點狀缺陷點狀缺陷的的波幅較低波幅較低，當探頭作，當探頭作環(huán)繞掃查環(huán)繞掃查時，時，信號反映遲鈍信號反映遲鈍； 夾渣群夾渣群則呈則呈連串的波峰連串

48、的波峰，而且波形，而且波形雜亂雜亂； 裂紋和未焊透等平面缺陷的回波高而陡峭，裂紋和未焊透等平面缺陷的回波高而陡峭，對探頭對探頭轉(zhuǎn)角掃轉(zhuǎn)角掃查查反映敏感反映敏感； 特別是回波信號往往隨探頭的掃查方式改特別是回波信號往往隨探頭的掃查方式改變而發(fā)生不同的變化。變而發(fā)生不同的變化。 其變化規(guī)律需操作者其變化規(guī)律需操作者積累豐富的經(jīng)驗積累豐富的經(jīng)驗。 各種現(xiàn)代超聲檢測技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高各種現(xiàn)代超聲檢測技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高了缺陷定性的準確性。了缺陷定性的準確性。基本掃查方式 圖示垂直垂直水平水平環(huán)繞環(huán)繞轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角2.4.2 斜角探傷法（斜探頭，橫波法）斜角探傷法（斜探頭，橫波法） (1)定義定義：采用斜探

49、頭將：采用斜探頭將聲束傾斜入射聲束傾斜入射工件工件探傷面探傷面進行檢測的方法，簡稱斜射法。進行檢測的方法，簡稱斜射法。 在具體檢測中，采用在具體檢測中，采用橫波探傷橫波探傷， 因此，又稱因此，又稱橫波法橫波法。 (2)斜探頭的主要參數(shù)斜探頭的主要參數(shù): 橫波折射角橫波折射角 ；簡稱折射角折射角； 探頭探頭K值值: K = tg.(反射系數(shù)反射系數(shù)K) 超聲波頻率超聲波頻率:f.(3)示波屏上的缺陷顯示情況：示波屏上的缺陷顯示情況： TTTFB a. 無缺陷無缺陷 b.有缺陷有缺陷 c.端角波端角波(4)幾何關(guān)系術(shù)語幾何關(guān)系術(shù)語 入射點入射點o ； 前沿長度前沿長度b聲波入射點至探頭前端距離；聲

50、波入射點至探頭前端距離； 折射角折射角； 探頭探頭K值值，K=tg; 跨距跨距 P1=2tg =2K; 半跨距半跨距 P0.5= K; 直射法直射法聲波聲波未經(jīng)發(fā)射未經(jīng)發(fā)射直接對準直接對準缺陷；缺陷； 一次反射法一次反射法聲波只經(jīng)過一次反射就對準 了缺陷。幾何關(guān)系術(shù)語的圖解幾何關(guān)系術(shù)語的圖解圖例: 直射法直射法一次波法；一次波法；一次反射法一次反射法二次波法二次波法oBP1P0.5bF缺陷水平距離缺陷水平距離 L聲程聲程Sh直射法圖解 K= tg=L / h 缺陷水平距離缺陷水平距離 L=Ssin; 缺陷深度缺陷深度 h=Scos ；工件工件缺陷缺陷Lh一次反射法圖解一次反射法圖解 L=Ssi

51、n =SK/1K2 h=2Scos = 2 L /K；工件工件缺陷缺陷Lhh思考題：思考題： 一次反射法探傷時，怎樣用一次反射法探傷時，怎樣用聲程聲程S和和折射折射角角表示表示缺陷水平距離缺陷水平距離L與與缺陷深度缺陷深度h？ 解：解： 已知已知，S, 或或 K 時，時， 若先求出若先求出 h=2 Scos = 2 L /K； 則則 L= (2h)K = Ssin 。（5）常用的掃查方式）常用的掃查方式 粗探粗探鋸齒型（鋸齒型（W）掃查；）掃查； 又稱又稱垂直垂直水平水平掃查；掃查； 精探精探轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角、環(huán)繞環(huán)繞、垂直垂直、水平水平。 鉛直鉛直水平水平環(huán)繞環(huán)繞轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角（6）缺陷定位缺陷定位 斜探

52、頭定位的復(fù)雜性分析：斜探頭定位的復(fù)雜性分析： 缺陷定位的目的，就是在發(fā)現(xiàn)缺陷后，如何給出它的三缺陷定位的目的，就是在發(fā)現(xiàn)缺陷后，如何給出它的三維坐標，并在圖紙上表示清楚。維坐標，并在圖紙上表示清楚。 習慣上，采用直角坐標來表示。即給出習慣上，采用直角坐標來表示。即給出X,Y,h.參見下圖參見下圖:工件工件XyLY= yLAAFLyhFAA（6）缺陷定位缺陷定位 一種一種水平水平1:1定位法定位法 即斜探頭進行焊縫缺陷定位的方法。即斜探頭進行焊縫缺陷定位的方法。 首先完成首先完成水平水平1:1定位（借助標準試塊）定位（借助標準試塊） 由于已知探頭由于已知探頭K值，故可直接計算值，故可直接計算 L

53、50和和L100： 其中，其中，L5050K/1K2 ; L100 =2 L50 CSK-1A標準試塊標準試塊 圖例圖例R50R10030091L50L100100200CTS-22型超聲波探傷儀面板圖衰減器衰減器增益增益脈沖移位脈沖移位深度微調(diào)深度微調(diào)深度粗調(diào)深度粗調(diào)電源指示電源指示電源開關(guān)電源開關(guān) 然后然后,利用利用CSK-1A標準試塊標準試塊上的同心圓弧上的同心圓弧R50，R100為為人工反射體人工反射體，將斜探頭的入，將斜探頭的入射點射點對準對準同心圓弧同心圓弧R50，R100的的圓心圓心（此（此時回波最高），并利用時回波最高），并利用水平移位旋紐水平移位旋紐和和深深度調(diào)節(jié)旋紐度調(diào)節(jié)旋

54、紐使同心圓弧使同心圓弧R50，R100的回波的回波分別分別對準時基線上的對準時基線上的L50和和L100。 這樣，就完成了水平這樣，就完成了水平1:1定位調(diào)節(jié)。定位調(diào)節(jié)。 此后的探傷過程千萬不要再動水平移位旋此后的探傷過程千萬不要再動水平移位旋紐和深度調(diào)節(jié)旋紐。紐和深度調(diào)節(jié)旋紐。 否則，就會破壞剛剛調(diào)好的定位關(guān)系。否則，就會破壞剛剛調(diào)好的定位關(guān)系。2.5 超聲波探傷系統(tǒng)2.5.1 2.5.1 超聲波檢測系統(tǒng)組成超聲波檢測系統(tǒng)組成 (1) (1) 超聲波超聲波探頭；探頭； (2) (2) 超聲波超聲波探傷儀；探傷儀； （3 3）測試線；測試線； （4 4）試塊試塊/ /工件；工件； （5 5）耦

55、合劑。耦合劑。2.5 超聲波探傷系統(tǒng) (1)(1)探頭探頭: 直探頭直探頭 外殼外殼壓電晶片壓電晶片引線引線阻尼塊阻尼塊 斜探頭斜探頭o有機玻璃楔塊有機玻璃楔塊阻尼材料阻尼材料壓電晶片壓電晶片引線引線握柄握柄外殼外殼入射點入射點 超聲波探頭 當入射角 AL 一定時, 探頭的折射角 BS 是一個隨透聲斜楔材料、檢測對象材質(zhì)變化的, 即 K 值并非一定值斜探頭的參數(shù)選擇 為了保證斜探頭檢測時，盡可能使用為了保證斜探頭檢測時，盡可能使用直直射法射法或或一次反射法一次反射法探傷。應(yīng)注意：探傷。應(yīng)注意： a. 板厚較大板厚較大時時,選擇選擇K值較小值較小的探頭；的探頭； 按按深度深度1:1定位法定位法進

56、行初始定位。進行初始定位。 b.板厚板厚較薄較薄時時,選擇選擇K值較大值較大的探頭；的探頭； 按按水平水平1:1定位法定位法進行初始定位。進行初始定位。（2 2）探傷儀探傷儀衰減器衰減器增益增益脈沖移位脈沖移位深度微調(diào)深度微調(diào)深度粗調(diào)深度粗調(diào)電源指示電源指示電源開關(guān)電源開關(guān)強調(diào)一點 超聲波探傷儀在工作時，其始波T是不依賴探頭而存在的！ 這時因為：始波作為一種標志信號，直接通過內(nèi)部電路饋送而來的，它不是反射信號！ 直探頭探傷時，要求始波前沿對準0刻度！ 斜探頭探傷時，由于探頭內(nèi)部楔塊已經(jīng)有一段聲程S0，因此不再要求始波對準0刻度?。?）試塊 超聲波檢測，離不開試塊。 其作用比象質(zhì)計還要大！ 試塊

57、分為：標準試塊和對比試塊兩類。 它們都是超聲波檢測的輔助工具。 用來模擬各種工藝缺陷，對超聲檢測系統(tǒng)的靈敏度進行調(diào)整！ 試塊中精心設(shè)計了各種人工反射體，并進行了科學(xué)布置。標準試塊與對比試塊的定義 標準試塊標準試塊(standard test block) 指材質(zhì)、形狀和尺寸均指材質(zhì)、形狀和尺寸均經(jīng)主管機關(guān)經(jīng)主管機關(guān)或或權(quán)權(quán)威機構(gòu)威機構(gòu)鑒定的試塊鑒定的試塊。也叫。也叫校準試塊校準試塊。 用于對用于對超聲檢測裝置超聲檢測裝置或或系統(tǒng)系統(tǒng)的的性能測試性能測試及及靈敏度調(diào)整靈敏度調(diào)整。 對比試塊對比試塊（reference block） 用于用于調(diào)整超聲檢測系統(tǒng)靈敏度調(diào)整超聲檢測系統(tǒng)靈敏度或或比較缺比

58、較缺陷大小陷大小的試塊。也叫的試塊。也叫參考試塊參考試塊。一般采用。一般采用與被檢材料特性與被檢材料特性相似相似的材料的材料制成。制成。標準試塊示例 (1)CS(1)CS1 1試塊試塊 尺寸參數(shù)：尺寸參數(shù)：高高H=225mm；直徑直徑70mm；底部平底孔底部平底孔2mm；孔深孔深h=25mm.作用：標定儀器靈敏度！作用：標定儀器靈敏度！試塊示例（2)2)CSK-1ACSK-1A試塊試塊 R50R10030091L50L100100200CSK-1ACSK-1A 試塊的作用試塊的作用 標定標定探頭探頭K值值； 測試測試分辨力分辨力； 測試探傷儀的測試探傷儀的水平線性水平線性； 進行斜探頭的進行斜

59、探頭的垂直垂直或或水平水平1：1定位定位； 測試斜探頭的測試斜探頭的入射點入射點等等。等等。 這些內(nèi)容，將通過這些內(nèi)容，將通過實驗課實驗課來親自體驗。來親自體驗。2.5.2 超聲波超聲波探傷儀基本性能探傷儀基本性能簡介簡介 （1）垂直線性垂直線性回波波高與放大系統(tǒng)的回波電壓回波波高與放大系統(tǒng)的回波電壓 信號信號成正比關(guān)系成正比關(guān)系的程度。因此，又稱為的程度。因此，又稱為 放大線性放大線性或或波幅線性波幅線性。 它涉及對它涉及對缺陷的定量缺陷的定量。 合格儀器一般要求合格儀器一般要求8%8%。 （2）水平線性水平線性探傷儀示波屏探傷儀示波屏時基線時基線上的傷波前上的傷波前 沿沿讀數(shù)讀數(shù)與與實際聲

60、程實際聲程成正比關(guān)系成正比關(guān)系的程度。的程度。 又稱又稱時基線性時基線性、掃描線性掃描線性或或距離線性距離線性。 它涉及對它涉及對缺陷的定位缺陷的定位。 合格儀器一般要求合格儀器一般要求2%2%。 （3）動態(tài)范圍動態(tài)范圍回波波高從回波波高從100至完全消失，衰至完全消失，衰 減器減器db值的改變量。一般大于值的改變量。一般大于26db。2.5.32.5.3 超聲波超聲波檢測系統(tǒng)的組合性能檢測系統(tǒng)的組合性能 相關(guān)標準相關(guān)標準GB/T 12604.1-90規(guī)定規(guī)定: 超聲檢測超聲檢測系統(tǒng)系統(tǒng)由超聲檢測儀器、探頭由超聲檢測儀器、探頭和電纜組成的系統(tǒng)。和電纜組成的系統(tǒng)。 (1)(1)組合靈敏度組合靈敏

61、度用用靈敏度余量靈敏度余量來表示。來表示。 指超聲檢測系統(tǒng)中，以一定電平（或波指超聲檢測系統(tǒng)中，以一定電平（或波高）表示的高）表示的標準缺陷探測靈敏度標準缺陷探測靈敏度與與最大探最大探測靈敏度測靈敏度之間的之間的差值差值。用。用dbdb數(shù)數(shù)表征。表征。 該值越大，表明該系統(tǒng)的組合靈敏度越該值越大，表明該系統(tǒng)的組合靈敏度越好。即好。即靈敏度余量靈敏度余量越大。越大。(2)(2)組合盲區(qū)（組合盲區(qū)（dead zonedead zone） 在在一定探傷靈敏度一定探傷靈敏度下，從被檢件下，從被檢件探測面探測面到到最近可探缺陷最近可探缺陷之間之間距離距離。 換言之，在此區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)無法有效發(fā)換言之，在此

62、區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)無法有效發(fā)現(xiàn)缺陷?，F(xiàn)缺陷。 注釋注釋：發(fā)現(xiàn)不了缺陷：發(fā)現(xiàn)不了缺陷成為成為“盲盲”； 一定范圍內(nèi)都一定范圍內(nèi)都“發(fā)現(xiàn)不了缺陷發(fā)現(xiàn)不了缺陷”， 便構(gòu)成便構(gòu)成“盲區(qū)盲區(qū)”！ （組合盲區(qū)測定是實驗內(nèi)容之一組合盲區(qū)測定是實驗內(nèi)容之一）盲區(qū)的示意圖 超聲波探傷儀示波屏T盲區(qū)盲區(qū)100 80 60 40 20 0F(3)(3)組合分辨力（組合分辨力（resolutionresolution） 指超聲探傷系統(tǒng)能夠指超聲探傷系統(tǒng)能夠區(qū)分區(qū)分深度方向深度方向一定一定大小大小的的兩個相鄰缺陷兩個相鄰缺陷的的能力能力。 這一組合性能，需借助這一組合性能，需借助CSK-1ACSK-1A標準試塊標準試塊來完成

63、。圖示如下：來完成。圖示如下：組合分辨力測試圖示組合分辨力測試圖示用用CSK-1A試塊測探傷系統(tǒng)的組合分辨力試塊測探傷系統(tǒng)的組合分辨力 30091100200兩個人工反射體兩個人工反射體直探頭直探頭85組合分辨力測試圖示組合分辨力測試圖示2030首先找到兩個反射體的回波首先找到兩個反射體的回波A、B ；將二者調(diào)至滿量程的將二者調(diào)至滿量程的2030；記下此時的衰減器讀數(shù)記下此時的衰減器讀數(shù)S1.然后將回波然后將回波A、B 的谷底調(diào)至原來的谷底調(diào)至原來波高，即滿量程的波高，即滿量程的2030；記；記下此時的衰減器讀數(shù)下此時的衰減器讀數(shù)S2.最后計算出衰減器的改變量最后計算出衰減器的改變量 S=S1

64、 S2 即為該探傷系統(tǒng)的即為該探傷系統(tǒng)的組合分辨力組合分辨力！(4)電噪聲電噪聲TE = E1/E2E = E1/E2100%100%E1E22.6 超聲波檢測應(yīng)用相關(guān)術(shù)語2.6.1 對接焊縫的斜探頭檢測(1)位、側(cè)、面左側(cè)左側(cè)右側(cè)右側(cè)探測面：分為上、下面；探測面：分為上、下面；探測區(qū)：分為左、右側(cè)；探測區(qū)：分為左、右側(cè)；探頭所在位向分為：探頭所在位向分為： 1、2、3、4 四種位置。四種位置。1234(2)直射法掃查的死區(qū)12克服死區(qū)的克服死區(qū)的策略策略是：是： 運用一次反射法運用一次反射法! !2（3 3）掃查范圍的確定）掃查范圍的確定 直射法：直射法：L 0.75P1 一次反射法：一次反

65、射法： L 1.25P1L(4)聲學(xué)術(shù)語聲學(xué)術(shù)語 超聲場超聲場充滿超聲波的空間。充滿超聲波的空間。 聲壓聲壓超聲場中介質(zhì)質(zhì)點在交變振動超聲場中介質(zhì)質(zhì)點在交變振動的某一瞬時所受的附加壓強。的某一瞬時所受的附加壓強。 聲強聲強I I即聲波的即聲波的能流密度能流密度。指單位時。指單位時間內(nèi)在垂直于聲束傳播方向的介質(zhì)單位面間內(nèi)在垂直于聲束傳播方向的介質(zhì)單位面積上所通過的平均聲能量積上所通過的平均聲能量 (W/CM2) 。 標準聲強標準聲強I I0 0也叫也叫“聞閾聞閾”。指引起聽。指引起聽覺的最弱聲強?；蚍Q為覺的最弱聲強?；蚍Q為基準聲強基準聲強。 數(shù)值是：數(shù)值是：1016 W/CM2.聲強級聲強級 （

66、sound intensity level） 以以分貝（分貝（dB）為單位的為單位的聲強表示聲強表示方法。方法。 定義式為：定義式為： IL=10IL=10lglg（I/II/I0 0） dB dB 即：即：聲聲強強級級在在數(shù)值數(shù)值上等于某一上等于某一頻頻率的率的聲聲強強I I與標與標準準聲聲強強I I0 0的比值再取常用對數(shù)后乘的比值再取常用對數(shù)后乘以以1010。 不乘以不乘以1010，其單位叫，其單位叫貝爾貝爾（BELBEL) )。這。這個單位顯得太大，不便于應(yīng)用。個單位顯得太大，不便于應(yīng)用。 就像就像米米(m)(m)與與分米分米(dm)(dm)一樣！一樣！ 不同波高的聲強級差不同波高的聲強級差 10lg(I I2 2/I/I1 1) = 10lg(P P2 2/P/P1 1)2 = 20lg(P P2 2/P/P1 1) = 20lg(H H2 2/H/H1 1) 特別地，當特別地，當H H2 2/H/H1 12 2時時， 6 dB. 這就是這就是半波高法半波高法的由來！的由來！2.6.2 實際接頭的超聲波檢測示例實際接頭的超聲波檢測示例 (1)T形接頭的檢測形接頭的檢測示例1: