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第一章超声波探伤的物理基础

艾尔小茜茜 2018-10-18 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报
这个琵琶是不折不扣的神品,琵琶一般都是四弦,而这个是传世唯一一个五弦的琵琶,我听方锦龙弹过一回,完全就是人间乐器中的奇迹,它不光可以当琵琶弹,还能当吉他,三弦琴,甚至冬不拉。

简介:本文档为《第一章超声波探伤的物理基础doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含第一章?超声波探伤的物理基础???Byadan???超声波探伤是目前应用最广泛的无损探伤方法之一。???超声波是一种机械波机械振动与波动是超声波探伤符等。

第一章?超声波探伤的物理基础???Byadan???超声波探伤是目前应用最广泛的无损探伤方法之一。???超声波是一种机械波机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。超声波探伤中主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概念。如几何声学中的反射、折射定律及波型转换物理声学中波的叠加、干涉、绕射及惠更斯原理等。深入理解几何声学和物理声学中的有关概念掌握其中的基本定律对于灵活运用超声波理论去解决实际探伤中的各种问题无疑是十分有益的。?第一节?振动与波???宇宙间的一切物质大至宏观天体小至微观粒子都处于一定的运动状态振动和波动是物质运动的基本形式??一、振动???.振动的一般概念???物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动称为机械振动。???日常生活中到处可以见到振动现象如弹簧振子的运动、钟摆的运动和汽缸中活塞运动等都是可以直接觉察到的振动现象。另外如固体分子的热运动一切发声物体的运动以及超声波波源的运动等则是人们难以觉察到的振动现象。物体(或质点)受到一定力的作用将离开平衡位置产生一个位移该力消失后它将回到其平衡位置并且还要越过平衡位置移到相反方向的最大位移位置然后返回平衡位置。这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振动”。???振动是往复、周期性的运动振动的快慢常用振动周期和振动频率两个物理量来描述。???周期T振动物体完成一次全振动所需要的时间称为振动周期用T表示。常用单位为秒(s)。???频率f振动物体在单位时间内完成全振动的次数称为振动频率用f表示。常用单位为赫兹(Hs)赫兹表示秒钟内完成全振动即Hs=次秒。此外还有千赫(KHz),兆赫(MHz)。kHz=Hz,MHz?由周期和频率的定义可知二者互为倒数??????????????????????????????????????????如某人说话的频率f=Hz表示其声带振动为次秒声带振动周期T=f==秒。???谐振动???最简单最基本的直线强动称为谐振动。任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。???如图所示质点M作匀速圆周运动时其水平投影就是一种水平方向的谐振动。质点M的水平位移y和时间t的关系可用谐振方程来描述:???????????????????y=Acοs(wtφ)?????????????????????????????????????????????????????????名的惠更斯原理:介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源在其后任意时刻这些子波的包迹就决定新的波阵面。???利用惠更斯原理可以确定波前的几何形状和波的传播方向。???如图所示波源作活塞振动以波速C向周围辐射超声波。先以波源表面各点为中心以Ct为半径画出各球形子波作切于各子波的色迹得波阵面S。再以S表面各点为中心以Ct为半径画出各球形子波作切于各子波的包迹得波前S。由波线垂直于波阵面便可确定波的传播方向。??????????????????????????????????????????????????????波的衍射(绕射)???波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象称为波的衍射或波的绕射。如图所示超声波在介质中传播时若遇到缺陷AB据惠更斯原理缺陷边缘A、B可以看作是发射子波的波源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Df及波长λ的相对大小有关。当D<<λ时波的绕射强反射弱缺陷回波很低容易漏检。超声探伤灵敏度约为λ这是一个重要原因。当Df>>λ时.反射强绕射弱声波几乎全反射。???波的绕射对探伤既有利又不利。由于波的绕射使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播这对探伤是有利的。但同时由于波的绕射使一些小缺陷回波显著下降以致造成漏检.这对探伤不利。?第五节?超声场的特征值????充满超声波的空问或超声振动所波及的部分介质叫超声场。超声场具有一定的空间大小和形状只有当缺陷位于超声场内时才有可能被发现。描述超声场的特征值(即物理量)主要有声压、声强和声阻抗。???一、声压P???超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P与没有超声波存在时的静态压强P之差称为该点的声压用P表示。?????????????P=PP???声压单位:帕斯卡(Pa)微帕斯卡(μPa)????????????????????????Pa=Nm??????Pa=μPa???如图所示设超声场申面积元上声压为P则面积元上的总压力为:F=Pds。以dχ表示超声波在dτ间内所传播的距离质点振动速度为υυ体积元质量m=ρds。dχ根据动量原理则有?????????????????????????????????????????????Ft=mu????设初速为零并取微分形式:????????pdsdτ=ρdsdχu????即?P=ρυdχdτ???由波动方程y=Acοsω(tχc)得??????????U=dydτ=Aωsinω(tχc)??????p=ρcAωsinω(tχc)??????????Pm=ρcAω=pcυ??????????Pm声压幅值??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????()式中????ρ介质的密度?????????c波速c=dχdτ??????????u质点的振动速度u=ωA=πfA。???由上式可知超声场中某一点的声压随时间和该点至波源的距离按正弦函数周期性地变化。声压的幅直与介质的密度、波速和频率成正比。因为超声波的频率很高因此超声波的声压远大了声波的声压。???超声波探伤仪示波屏上的波高与声压成正比。???二、声阻抗Z???超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗常用Z表示。????????????????????????????????Z=pu=ρcuu=ρc??????????????????????????????????????????????????????????()???声阻抗的单位为克厘米秒(gcms)或千克米(kgms)。???由上式可知声阻抗的大小等于介质的密度与波速的乘积。由u=Pz不难看出在同一声压下Z增加质点的振动速度下降。因此声阻抗Z可理解为介质对质点振动的阻碍作用。这类似于电学中的欧姆定律I=UR电压一定电阻增加电流减少。???声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量。超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。?材料的声阻抗与温度有关一般材料的声阻抗随温度升高而降低。这是因为声阻抗Z=ρC而大多数材料的密度ρ和声速C随温度增加而减少。???常用材料的声阻抗见表和表。???三、声强I???单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强常用I表示。单位是瓦厘米(Wcm。)或焦耳厘米秒(Jcms)。???当超声波传播到介质中某处时该处原来静止不动的质点开始振动。因而具有动能。同时该处介质产生弹性变形因而也具有弹性位能其总能量为二者之和。??????????????????????????下面以平面余弦纵波在固体细棒中的传播为例来说明声强的推导如图。当超声波传播到体积元V=Sχ时引起振动和形变产生位移y和形变量y。???超声波传播到体积元引起的振动动能Wk为?????????????????????????????式中m=ρV????????u=dydτ=Aωsinω(tχc)???????超声波传播到体积元引起的弹性变形位能Wr为???????????????????????????????????????????????????????由波动方程y=Acosω(tχc)得????由细棒中的波速??????该体积元具有的总能量为????????????????????W=WkWρ=ρVAωsinω(txc)???该体积的平均能量为???????????????????????其平均声强为???????????INCLUDEPICTURE"http:wwwndtrencomUserFilesbmp"*MERGEFORMATINET?????????????????????????????(.)???由以上公式可知:???()超声波传播过程中单位体积元所具有的总能量周期性地变化时而达最大时而为零。这说明体积元在不断地接收和放出能量超声波的能量是一层接一层地传播出去的。体积元的动能和势能同时最大同时为这与单独的振动系统完全不同单独的振动系统符台机械能守恒动能最大时势能为势能最大时动能为动能与势能之和等于常数。这是因为机械能守恒的条件是系统只受到重力或弹性力作用。而这里介质中质点除受到弹性力外还受到质点间摩擦力。因此不符合机械能守恒。???()由于超声波的声强与频率平方成正比而超声波的频率远大于可闻声波。因此超声波的声强也远大于可闻声波的声强。这是超声波能用于探伤的重要原因。???例如大炮的声强为瓦厘米已震耳欲聋而超声波的声强可达瓦厘米等于大炮声强的倍又如一个瓦厘米超声波发生器分钟可烧开一壶水其能量相当于万人集中在一起讲话小时所释放出来的能量总和。()在同一介质中超声波的声强与声压的平方成正比。?第六节???分贝与奈培????一、分贝与奈培的概念???在生产和科学实验中所遇到的声强数量级往往桐差悬殊如引起听觉的声强范围为~瓦厘米最大值与最小值相差个数量级。显然采用绝对量来度量是不方便的,但如果对其比值(相对量)取对数来比较计算则可大大简化运算。分贝与奈培就是两个同量纲的量之比取对数后的单位。???通常规定引起听觉的最弱声强为I=瓦厘米作为声强的标准另一声强I与标准声强I之比的常用对数称为声强级单位为贝尔(BeL)。??????????????=lgII????????(BeL)???实际应用贝尔太大故常取贝尔即分贝(dB)来作单位。????????=lglI=gpp?(dB)????????????????????????????????????????????()???通常说某处的噪声为多少分贝就是以瓦厘米为标准利用上式计算得到的。???各种声音的分贝数大致如下:???引起听觉的声强???瓦厘米????????dB???树叶沙沙声????????瓦厘米??????dB???耳语??????????????????瓦厘米??????dB???谈话???????????????????瓦厘米??????dB???大炮声??????????????瓦厘米???????dB???超声波????????????????+瓦厘米?????dB???在超声波探伤中当超声波探伤仪的垂直线性较好时仪器示波屏上的波高与声压成正比。这时有??????????=gPP=lgHH?(dB)????????????????????????????????????()???这里声压基准P或波高基准H可以任意选取。???当HH=l时=dB说明两波高相等时二者的分贝差为零???当HH=时=dB说明H为H的倍时H比H高dB。???当HH=l时=dB说明H为H的l时H比H低dB。???HH或PP与dB值的换算关系见图。???常用声压(波高比)对应的dB值列于表。??表??????????????常用声压(波高比)对应的分贝值PP或HHdB?????若对PP或HH取自然对数则其单位为奈培(NP)?????????????????????????????????????????????????????????????????()???二、分贝与奈培的应用???分贝与奈培用于表示两个相差很大的量之比显得很方便在声学和电学中都得到广泛的应用特别是在超声波探伤中应用更为广泛。倒如波屏上两波高的比较就常常用dB表示。???例示波屏上一渡高为mm另一波高为mm问前者比后者高多少dB?????解:=lgHH=lg=?(dB)???答:前者比后者高dB。???例示波上有A、B、C三个波其中A波比B波高dB已知B波高为mm求A、C各为多少mm???解:由已知得=lgAB=???A=。B==(mm)???又=lgCB=???C=B==(mm)???答:A、C分别为mm和mm。用分贝值表示回波幅度的相互关系不仅可以简化运算而且在确定基准波高以后可直接用仪器衰减器的读数表示缺陷渡榴对波高。因此分贝概念的引用对超声探伤有很重要的实用价值。???此外在超声波的定量计算中和衰减系数的测定中也常常用到分贝。?第七节?超声波垂直入射到界面时的反射和透射????超声波从一种介质传播到另一种介质时在两种介质的分界面上一部分能量反射回原介质内称反射波另一部分能量透过界面在另一种介质内传播称透射波。在界面上声能(声压、声强)的分配和传播方向的变化都将遵循一定的规律。???本节先讨论超声波垂直入射到平界面上时的反射和透射情况重点是声能的分配比例。???一、单一平界面的反射率与透射率???当超声波垂直入射列光滑平界面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一个与入射波方向相同的透射波如图所示。反射波与透射波的声压(或声强)是按一定规律分配的。这个分配比例由声压反射率(或声强反射率)和透射率(或声强透射率)来表示。???设入射波的声压为P(声强为l),反射波的电压为Pr(声强为Ir透射波的声压为Pr(声强为Ir)??界面上反射波声压P与入射波声压P之比称为界面的声压反射率用r表示即r=prP。???界面上透射波声压Pt与入射波声压P之比称为界面的声压透射率用t表示即t=ptP。???在界面两侧的声波必须符合下列两个条件:???()界面两侧的总声压相等即ρoρr=Pt。???()界面两侧质点振动速度幅值相等即(PoPr)Z=PtZ???由上述两边界条件和声压反射率透射率定义得:????????????????解上述联立方程得声压反射率r和透射率t分别为?????????????????????式中???Z第一种介质的声阻抗?????????Z第二种介质的声阻抗。???界面上反射波声强Ir与入射波声强Io之比称为声强反射率用R表示。???????????????????????????????????????????????????????????????()???界面上透射波声强It与入射波声强Io之比称为强透射率用T表示。?????????????????????????????????????????????????????????????()???以上各式说明超声波垂直入射到平界面上时声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。由以上几式可以导出:??????????????????????????????????????????????TR=??tr=???????????????????????????????????????????????????()???下面讨论几种常见界面上的声压、声强反射和透射情况。???()当Z>Z时反射波声压Pr与入射波声压Po同相位。界面上反射波与入射波叠加类似驻波合成声压振幅增大为PoPr例如超声波平面波垂直入射到水钢界面如图所示。????????Z=克厘米秒Z=克厘米秒则:?????????????????????????????????????????以上计算表明超声波垂直入射到水钢界面时其声压反射率r=声压透射率t=。粗略地看t>似乎违反能量守恒其实不然因为声压是力的概念.而力只会平衡(ρoρr=Pt)不会守恒只有能量才会守恒。事实上从声强方面看这里RT==说明符合能量守恒。???()当Z>Z时即反射波声压Pr与入射波声压Po相位相反反射波与入射波合成声压振幅减小。例如超声波平面波垂直入射到钢水界面。如图所示。???Z=X克/厘米秒Z=克厘米秒则:??????????????????????????????????????????????????????????以上计算表明超声波垂直入射到钢水界面时声压透射率很低声压反射率很高。声强反射率与透射率与超声波垂直入射到水钢界面相同。由此可见超声波垂直入射到某界面时的声强反射率与透射率与从何种介质入射无关。???()当Z>>Z时(如钢空气界面)Z=克厘米秒Z=克厘米秒则:?????????????????????????????????????????计算表明当入射波介质声阻抗远大于透射波介质声阻抗时声压反射率趋于透射率趋于即声压几乎全反射无透射只是反射波声压与入射波声压有。相位变化。???探伤中探头和工件间如不施加耦合剂则形成固(晶片)气界面超声波将无法进入工件。???()当ZZ时即界面两侧介质的声阻抗近似相等时。如钢的淬火部分与非淬火部分及普通碳钢焊缝的母材与填充金属之间的声阻抗相差很小一般为左右。设Z=Z=则:?????????????????????????????????????????????这说明超声波垂直入射到两种声阻抗相差很小的介质组成的界面时,几乎全透射无反射。因此在焊缝探伤中若母材与填充金属结合面没有任何缺陷是不会产生界面回波的。???常用界面的纵波声压反射率列于表???以上讨论的超声波垂直到单一平界面上的声压、声强反射率和透射率公式同样适用于横波入射的情况但必须注意的是在固体液体或固体气体界面界上横波全反射。因为横波不能在液体和气体中传播。???二、薄层截面的反射率与透射率????超声波探伤时经常遇到耦合层和缺陷薄层等问题这些都可归结为超声波在薄层界面的反射和透射问题。此时超声波是由声阻抗为Zl的第一介质入射到Z和Z界面然后通过声阻抗为Z的第二介质薄层射到Z和Z界面最后进入声阻抗为Z的第三介质。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面不同。异质薄层很薄进入薄层内的超声波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射形成一系列的反射波和透射波如图(a)所示。???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、透射波互不干涉如图(b)所示。当脉冲宽度相对于薄层较宽时薄层两侧的各次反射波、透射波互相叠加产生干涉如图(c)。由于上述原因声压反射率和透射率的计算就比较复杂本节不予介绍。一般说来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声阻抗和薄层声阻抗有关而且与薄层厚度同其波长之比dλ有关。???均匀介质中的异质薄层(Z=ZZ)???对于Z=ZZ即均匀介质中的异质薄层其声压反射率与透射率为:?????????????式中?d异质薄层厚度???????λ异质薄层中的波长???????m两种介质声阻抗之比??由以上公式可知:???()当(n为整数)时rt。这说明当薄层两侧介质声阻抗相等薄层厚度为其半波长的整数倍时超声波全透射几乎无反射(r)好象不存在异质薄层一样。这种透声层常称为半波透声层。?()(n为整数)时即异质薄层厚度等于其四分之一波长的奇数倍时声压透射率最低声压反射率最高。???图与图是由式()与()得到的。???图和图分别表示在钢和铝中存在一个充满空气或水的缝隙时的声压反射率和声压透射率。由图可知:????????????????????????图?钢和铝中气隙、水隙声压透射率?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????图??钢和铝中气隙、水隙声压反射率???当f=MHz时钢中厚度为d=毫米的气隙几乎能反射。两块紧贴在一起的十分精密的块规之间隙也有毫米。可见超声波对探测含有气体介质的裂纹等缺陷的灵敏度是很高的。???当材料中的气隙或水隙厚度一定时频率增加声压反射率也随着增加。例如对于钢中的气隙d=毫米时f=MHz,r=f=MHzr=。可见提高超声波探伤频率对于提高探伤灵敏度是有利的。???薄层两侧介质不同的双界面???对于ZZZ即非均匀介质中的薄层例如晶片一保护膜一工件其声强透射率为:????????????????由上式可知:??????????????????????????????????????????????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则通过薄层的声强透射率与薄层的性质无关好象不存在薄层一样。???????????????????????????????????????????????????????????????表明超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层若薄层厚度等于λ的奇数倍薄层声阻抗为其两侧介质声阻几何平均值时即其声强透射率等于超声波全透射。这对于直探头保护膜的设计具有重要的指导意义。?三、声压往复透射率在超声波单探头探伤中探头兼作发射和接收超声波。探头投的超声波透过界面进入工件在固气底面产生全反射后再次通过同一界面被探头接收如图所示。这时探头接收到的回波声压Pa与入射波声压P之比称为声压往复透射率T往。?????????????????????????????????????????????()???比较()和()式可以看才出波垂直入射时在底面全反射的务件下声压往复透射率与声强透射率在数值上相等。???例如用PZT晶片(Z=克厘米秒)对钢制工件(Z=克厘米秒)探伤时若耦合剂中声压全透射钢制工件底面声压全反射则其声压往复透射率为:????????????????????????又如水浸法探伤钢制工件时水中声阻抗Z=克厘米秒钢中声阻抗Z=克厘米秒若底面全反射则超声波在水钢界面的声压往复透射率为:????????????????????????????常用物质界面纵波声压往复透射率列于丧。表??????????????????常用物质界面纵波声压往复透射率T()种???类??变压器油??水()甘油??有机玻璃??钢????????????????????铜????????????????????铝?????????????????????有机玻璃???????????????????????由()式可知声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关与从何种介质入射到界面无关。界面两侧分质的声阻抗相差愈小声压往复透射率就愈高反之就愈低。???往复透射率高低直接影响探伤灵敏度高低往复透射率高探伤灵敏度高。反之探伤灵敏度低。?第八节?超声波倾斜入射到界面????????????????????????????????????????????????????????????????????????????时的反射和折射???一、波型转换与反射、折射定律???如图所示当超声波倾斜入射到界面时除产生同种类型的反射和折射波外还会产生不同类型的反射和折射波这种现象称为波型转换。???.纵波斜入射当纵波L倾斜入射到固固界面时除产生反射纵波L′和折射纵波L″外还会产生反射横波S′和折射横波S″如图l(a)所示。各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律:????????????????????????????????????????????????()式中???CL、Cs第一介质中的纵波、横波波速?????????CL、Cs第二介质中的纵波、横波波速????????αL、a′L纵波入射角、反射角????????βL、βs纵波、横波折射角????????a′s一横波反射角。???由于同一介质中纵波波速不变因此a′L=αL。又由于在同一介质中纵波波速大雨横波波速因此a′L>a′sβL>βS。??()第一临界角a:由()式可以看出当CL>CL时βL>αL随着αL加βL也增加当αL增加到一定程度时βL=这时所对应的纵波入射角称为第一临界角用a表示如图()(a)。?????()第二临界角a:由()式可得当CS>CL时βs>αL随着αL增加βS也增加当αL增加到一定程度时βs=这时所对应的纵波入射角称为第二临界角用a表示如图(b)。???????????????????????????????????????????????????????????????????????()???由a和a的定义可知:???当αL<a时第二介质中即有折射纵波L″又有折射横波S″。???当αL=a~a时第二介质中只有折射横波S″没有折射纵波L″.这就是常用横波探头的制作原理。???当αLa时第二介质中既无折射纵波L”又无折射横波S″。这时在其介顷的表面存在表面波R这就是常用表面波探头的制作原理。???例如纵波倾斜入射到有机玻璃钢界面时。有机玻璃中:CL=ms,钢中:CL=msCs=Oms。则第一、二临界角分别为:?????????????????????????由此可见有机玻璃横波探头αL=~有机玻璃表面波探头αL???.横波入射???当横波倾斜入射到围固界面时同样会产生波型转换如图(b)所示。各反射、折射波的方向符合反射、折射定律:????????????????????????????????????????????????????()??不难看出横波倾斜入射时同样存在第一、二临界角由于在实际探伤中无多大实际意义故这里不再讨论这里只讨论第三临界角a。???由()式得随as增加a′L也增加当as增加到一定程度时a′L=这时所对应的横波入射角称为第三临界角用a表示如图(c)????????????????????????????????????????????????()???当asa时第一介质中只有反射横波没有反射纵波即横波全反射。???对于钢:CLl=mSCs=ms??????当as.时钢中横波全反射。??二、声压反射率??超声波反射、折射定律只讨论了各种反射波、折射波的方向问题未涉及声压反射率和透射率问题。由于倾斜入射时声压反射率、透射率不仅与介质的声阻抗有关而且与入射角有关其理论计算公式十分复杂因此这里只介绍由理论计算结果绘制的曲线图形。???纵波倾斜入射到钢空气界面的反射???如图所示当纵波倾斜入射到钢空气界面时纵波声压反射率与横波声压反射率随入射角αL而变化。当αL=左右时rLL很低rLS较高。原因是纵波倾斜入射当αL=左右时产生一个较强的变型反射横波。???横波倾斜入射到钢空气界面的反射???如图所示横波倾斜入射到钢空气界面横波声压反射率与纵波声压反射率随入射角as而变化。当as=时rss很低rsL较高。当as(a)时rss=,即钢中横波全反射。?????三、声压往复透射率???超声波探伤中常常采用反射法探伤超声波往复透过同一探侧面因此声压往复透射率更具有实际意义。???如图所示超声波倾斜入射折射波全反射探头按收到的回波声压Pa与入射波声压Po之比称为声压往复透射率常用表表示T=PaPo。??????图为纵波倾斜入射至水钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系曲线。当纵波入射角αL<(a)时折射纵波的往复透射率TLL不超过折射横波的往复透射率TLS小于。当αL=~(a)时钢中没有折射纵波只有折射横波其折射横波的往复透射率TLS最高不到。实际探伤中水浸探伤钢材就属于这种情况。???图为纵波倾斜入射至有机玻璃钢界面对往复透射率与入射角之间的关系曲线。当αL<(a)时折射纵波的往复透射率TLL小于折射横波的往复透射率TLS小于。当αL=~(a)时钢中只有折射横波无折射纵波。折射横波的往复透射率最高不超过这时所对应的αLβS。实际探伤中有枧玻璃横渡探头探伤钢材就属于这种情况。???四、端角反射???超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射如图。在端角反射中超声波经历了两次反射当不考虑波型转按时二次反射回波与入射波互相平行即PaPo且aβ=。??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????图?端角反射????回波声压Pa与入射波声压Po之比称为端角反射率用T端表示。????????????图为钢空气界面上钢中的端角反射率。由图l(a)可知纵波入射时端角反射率都很低这是因为纵波在端角的两次反射中分离出较强的横波。??????????????????????????由图(b)可知横波入射时入射角as=或附近时端角反射率最低as=~时端角反射率可达。实际工作中横波探伤焊缝单面焊根部未焊透或袭纹的情况就类似于这种情况当横波入角as(等于横波探头的折射角βs)=~即K=tgβs=~时探伤灵敏度较高。当βs即K时探伤灵敏度较低可能引起漏检。???从图还可以看出αL(as)在或。附近时无论是纵波还是横波端角反射率理论上都很高但实际上由于入射波、反射波在边界互相干涉而抵消因此实际上这时探测灵敏度不高。??第九节?超声波的聚焦与发散????超声波是一种频率很高波长很短的机械波它与可见光一样具有聚焦和发散的特性。由于超声波还可能产生波型转换因此超声波的聚焦与发散更为复杂。为了便于讨论这里不考虑波型转换行为。???一、声压距离公式???对于平面波波束不扩散而是互相平行因此声压不随距离而变化。球面波与柱面波的波束扩散其声压与距离有关。????球面波声压距离公式球面波的波阵面为同心球面球面波声场中的某处质点的振幅与该点至波源的距离成反比而声压又与振幅成正比因此球面波的声压与距离成反比。?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????()式中?P距离为单位处的声压????????χ某点至波源的距离。???柱面波声压距离公式???柱面波的波阵面为同轴柱面柱面波声场中某处质点的振幅与该点至波源的距离的平方根成反比而声压与振幅成正比因此柱面波的声压与距离的平方根成反比。?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????()???二、球面波在平界面上的反射与折射???单一的平界面上的反射???如图所示球面波入射到平界面上其反射波仍为球面波且波源与入射波源对称反射波声压为???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????()???式中??r声压反射率????????????χ为从虚波源′算起的距离。???双界面的反射??????如图所示球面波在互相平行的双界面间的多次反射仍符合球面波变化规律。当入射角较小声压反射率r=时对于脉冲波。双界面距离d较大时不产生子涉.这时前壁各次反射波声压比为???????????后壁各次波的声压比为??????????????实际探伤中当d较大时超声波探头发出的超声波可视为球面波示波屏上各次底面反射波的高度之比近似符合的规律。???单一平界面上的折射???如图所示球面波入射到平界面上时其折射波不再是严格的球面波了。只有当其张角δ较小时可视为近似的球面波且有?????????对于水钢界面:?????????????????????????????????????????????????????????????????????????图?球面波在水钢界面上的折射???这说明球面渡入射到水钢界面时其折射波更加发散。???折射波声压:??????????????????????????????????????????????????????????????()式中??t声压透透率????????χ从折射波源O′算起的距离。???三、平面波在曲界面上的反射与折射???平面波在曲界面上的反射???当平面波入射到曲界面上时其反射波将发生聚焦或发散如图。反射波的聚焦或发散与曲面的凹凸(从入射方向看)有关。凹曲面的反射波聚焦。凸曲面的反射波发散。???()平面波入射到球面时其反射波可视为从焦点发出的球面波。在曲轴线上距曲面顶点χ处的反射波声压为????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????()式中?f焦距f=r(r为曲率半径)??????χ轴线上某点至顶点的距离???Po顶点处入射波声压??“”“”用于发散。“一”用于聚焦。???()平面波入射到柱面时其反射波可视为反焦轴发出的柱面波。在曲面轴线上距曲面顶点χ处的反射波声压为??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????()???实际探伤中球形、柱形气孔的反射就属于以上两种情况。???平面波在陷界面上的折射???平面波入射到曲界面上时其折射波也将发生聚焦或发散如图l。这时折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹有关。而且与界面两侧介质的波速有关对于凹透镜当c<c时聚焦当c>c时发散对于凸透镜当c>c时聚焦当c<c时发散。???()平面波入射至球西透镜时其折射波可视为从焦点发出的球面波曲面轴线上距曲面顶点χ处的折射波声压为????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????()???式中?t声压透射率???????????f焦距f=r(cc)?????????“”“+”用于发散“-”用于聚焦。???()平面波入射到柱面透镜其射射波可视为从焦轴发出的柱面波轴线上χ处的折射波声压为???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????()???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????实际探伤用的水浸聚焦探头就是根据平面波入射到c>c的凸透镜上折射波发生聚焦的特点来设计的如图l(b)这样可以提高探伤灵敏度。??????四、球面波在曲界面上的反射和折射???球面波在曲界面上的反射???球面波入射到曲界面上其反射渡将发生聚焦或发散如图。凹曲面的反射波聚焦曲面的反射渡发散。???()球面波在球面上的反射波可视为从像点发出的球面波。轴线上距顶点为χ处的反射波声压为????????????????????????????????????????????????????????()式中??Pa球面顶点处入射波声压????????f焦距f=r????????a球面顶点至波源的距离?????“”“”用于发散“一”用于聚焦。?????实际探伤中至波源距离较远的球形气孔缺陷就属于球面波在凹球面上的反射由于反射波进一步发散因此其回波较低。这就是超声波探伤气孔灵敏度低的原因所在。?注:图、图、图有误:λ射线与折射线应分别位于法线两侧特此更正。???()球面波在柱面上的反射既不是单纯的球面波也不是单纯的柱面波而是近似为两个不同的柱面波迭加。轴线上距顶点为χ处的反射波声压为??????????????????????????????????????????????()球面波在柱面上的反射在实际探伤中具有现实意义。例如超声波径向探伤大型圆柱形锻件属于这种情况。凹柱面反射波聚集于像点使像点处的压趋于很大。如果像点处存在一较小的缺陷那么经底面反射至缺陷再从缺陷反射至底面最后由底商反射回到探头形成路径似“w”的反射称为W反射。如图。???W反射时示波屏上同时出现两个缺陷波一前一后一高一低前者位于底波B之前高度较低为缺陷直接反射。后者位于B之后高度较高为w反射。探伤时应根据前者来对缺陷进行定位和定量。???图是超声波径向探伤空心圆柱体的情况类似于球面波在凸柱面上的反射反射波发散。圆柱面上入射点处的反射回波声压以x=af=r代入()式取“十”得到???这说明入射点处空心圆柱体的反射声压总是低于同距离的平面的反射声压。这是由于凸曲面反射波发静的结果。另外还可看出.当圆柱体外径(R)一定内孔径直径(r)增加时其反射回波升高。???球面波在曲界面上的折射??????球面波入射到曲界面上其折射波同样会发生聚焦和发散如图l。轴线上距顶点χ处的折射波声压为???球形界面:????????????????????????????????????????????????????????????????????????????()???柱形截面:?????????????????????????????????????????????????????()???式中cc透射介质与入射介质波速之比。???实际探伤中水浸探伤柱形或球形工件就属于图(a).由于折射波发散因此探伤灵敏敏度很低为了提高探伤灵敏度常常采用聚焦探伤。?第十节?超声波的衰减?????超声波在介质中传播时随着距离增加超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减。???一、衰减的原因???引起超声波衰减的主要原因是波束扩散、晶粒散射和介质吸收。???扩散衰减???超声波在传播过程中由于波束的散使超声波的能量随距离增加而逐渐减弱的现象称为扩散衰减。超声波的扩散衰减仅取决于波面的形状与介质的性质无关。平面渡波阵面为平面波束不扩散不存在扩散衰减。柱面波阵面为同轴圆柱面。波束向四周扩散存在扩散衰减声压与距离的平方根成反比。球面波阵面为同心球面波束向四面八方扩散存在扩散衰减声压与距离成反比。???散射衰减???超声波在介质中传播时遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起衰减的现象称为散射衰减。散射衰减与材质的晶粒密切相关当材质晶粒粗大时散射衰减严重被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头在示波屏上引起林状回波(又叫草波)使信噪比下降严重时噪声会湮没缺陷波如图。???吸收衰减???超声波在分质中传播时由于介质中质点间内摩擦(即粘滞性)和热传导引起超声波的衰减称为吸收衰减或粘滞衰减。???除了以上三种衰减外还有位错引起的衰减磁畴壁引起的衰减和残余应力引起的衰减等。???通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减不包括扩散衰减。???二、衰减方程与衰减系数???衰减方程???平面波不存在扩散衰减只存在介质衰减其声压衰减方程为???????????????????????????????????????????????????????????????????????()式中?Po波源的起始声压??????Pχ至波源距离为χ处的声压??????χ至波源的距离?????a介质衰减系数单位为NPmm?????e自然对数的底(e=……)。???球面波与柱面波既存在扩散衰减又存在介质衰减它们的声压衰减方程分别为???球面波:???????????????????????????????????????????????????()???柱面波:?????????????????????????????????????????????()式中?P至波源的距离为单位处的声压。???衰减系数???衰减系数a只考虑了介质的散射和吸收衰减未涉及扩散衰减。对于金属材料等固体介质而言介质衰减系数a等于散射衰减系数as和吸收衰减系数αα之和。??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????()????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????()式中??f声波频率????????d介质的晶粒直径????????λ波长??????F各向异性系数???????c、c、c、c常数。???由以上公式可知:???()介质的吸收衰减与频率成正比。??????()介质的散射衰减与f、d、F有关当d<λ时散射衰减系数与f、d成正比。在实际探伤中当介质晶粒较粗大时若采用较高的频率将会引起严重衰减示波屏出现大量草状波使信嗓比明显下降超声波穿透能力显著降低。这就是晶粒较大的奥氏体钢和一些铸件探伤的困难所在。???对于液体介质而言主要是介质的吸收衰减。?????????????????????????????????????????????????????????()式中?η介质的粘滞系数??????p介质的密度??????c波速。???由上式可知液体介质的衰减系数a与介质的粘滞系数和频率平方成正比与介质中的密度和波速立方成反比。???由于η、p、c与温度有关所以a也与温度有关。一般是a随温度的升高而降低。这是因为温度升高分子热运动加剧有利于超声波的传播。???以上讨论说明介质的衰减与介质的性质密切相关因此在实际工作中有时根据底波的次数来衡量材料衰减情况从而判定材料晶粒度大小缺陷密集程度、石墨含量以及水中泥沙含量等。???三、衰减系数的测定???薄板工件衰减系数的测定对于厚度较小上下底面互相平行表面光洁的薄板工件或试块。可用直探头波在薄板表面使声波在上下表面往复反射在示波屏上出现多次底波。由于介质衰减和反射损失使底波高度依次减少如图。其介质衰减系数按下式计算???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????()???式中??m、n底波的反射次数????????Bm、Bn第m、n次底波高度????????δ反射损失每次反射损失约为(~)dB???????χ薄板的厚度???()式没有考虑扩散衰减因此现场应用时应根据薄板厚度来确定波的次数使声波的传播距离在波束未扩散区内。?????厚板或粗圆柱体衰减系数的测定对于厚度大于mm的板材或轴类零件可根据第一、二次底波B、B高度来测试衰减系数如图所示。图中B、B高度差由扩散衰减、介质衰减、反射损失引起。这时介质衰减系数a按下式计算:??????????????????????????????????????????????????????????????????????????()式中?B、B第一、二次底波高度????????散衰减引起的分贝差?????δ反射损失??????χ工件厚度。???例如某工件厚度χ=mm测得B=B=反射损失δ=dB则工件的衰减系数为?????????????????复???习???题???什么是机械振动和机械波二者有何关系???什么是振动周期和振动频率二者有何关系???*什么是谐振动动、阻尼振动和受迫振动三者有何不同超声波探头中的压电晶片在发射或接收超声波时产生何种振动???写出谐振动方程并说明式中各参数的物理意义???什么是弹性介质简述超声波在弹性介质中的传播过程。??????什么是波动频率、波速和波长三者有何关系???什么是超声波产生超声波的条件是什么在超声波探伤中应用了超声波的哪些主要性质???何谓纵波、横波、表面波和板波在固体和液体介质中各可以传播何种类型的波为什么???什么是波线、波阵面和波前它们有何关系???什么是平面波、柱面波和球面波各有何特点实际应用的超声波探头发出的波属于什么波???超声波在介质中的传播速度与哪些因素有关钢中纵波、横波和表面波的波速有何关系???*板波的相速度与群速度有何不同它们与哪些因素有关???*测量声速的方法育哪几种各有何优缺点简要说明每种方法的原理。???什么是波的迭加原理什么是坡的干涉现象两列波相遇时在什么情况下互相加强在什么情况下互相减弱???*什么是驻波试说明驻波在超声波探伤中的应用。???什么是波的绕射(衍射)波的绕射对超声波探伤影响如何???什么是超声场描述超声场的物理量有哪些???什么是声压声压的常用单位是什么???什么是声强声强的常用单位是什么声强与哪些因素有关???什么是声阻抗声阻抗的常用单位是什么声阻抗与哪些因素有关???什么是分贝和奈培二者有何关系平常说某人讲话的声音为dB是相对于什么而言的???什么是声压反射率和透射率超声波垂直入射到ZZ界面时其声压反射率和透射率与哪些因素有关在什么情况下声压反射率最高???超声波垂直入射到Z<Zz的ZZ界面时,其声压透射率t>l是否违反能量守恒原理为什么???什么是声压往复透射率声压往复透射率与哪些因素有关???超声波垂直入射到均匀介质中的异质薄层(如水中钢板钢中裂纹)时在什么情况下声压反射率最高(或最低)???超声波垂直入射到薄层两侧介质不同的界面(如晶片Z保护膜Z工件Z)时在什么情况下声压往复透射率最高???何谓波型转换产生波型转换的条件是什么???说明超声波反射、折射定律和式中各参数的物理意义。???什么是第一、第二临界角产生第一、二临界角的条件是什么并说明常用横波和表面波探头的制作原理。???什么是第三临界角第三临界角与哪些因素有关???超声波倾斜入射到界面的声压反射率和透射率(折射率)与哪些因素有关???什么是端角反射端角反射有何特点超声波检测单面焊根部未焊透等缺陷时探头的K值(K=tgβs)应在什么范围内???平面波入射到曲面上时其反射波和折射波在什么情况下聚焦在什么情况下发散试说明常用水浸聚焦探头中声透镜的设计原理。???*试说明公式中各参数的物理意义及该公式的应用条件。并由此导出径向探伤实心圆柱体、空心圆柱体的回波声压公式以及长横孔的回波声压公式。???什么是超声波的衰减引起超声波衰减的主要原因是什么平常所说的介质衰减是指什么衰减???超声波介质衰减系数与哪些因素有关试分析说明超声波检测奥氏体不锈钢的困难所在。???试说明测定较厚工件(χN)材质衰减系数的方法。???画图说明纵波、横波垂直入射到固液、固固界面上时的反射波和透射波。???画图说明纵波倾斜入射到固固、固液、液固、液液界面上时的反射波和折射波。???画图说明横波倾斜入射到固固、固液界面上时的反射波和折射波。???画出第一、第二、第三临界角对应的入射波、反射波和折射波。???某碳钢的声阻抗比不锈钢高求超声波垂直入射到该碳钢不锈钢界面时的声压反射率和透射率。(一)。????已知有机玻璃中纵波波速CL=ms钢中纵波波速CL=ms横波波速CS=ms。???求纵波倾斜入射到有机玻璃钢界面时的a和a。()???试指出探测钢材用有机玻璃横波和表面波探头入射角αL的范围。(S:a=~R:αL)。???已知钢中Cs=ms某硬质合金中Cs=ms铝中Cs=ms求探测钢的K横波探头探测该硬质合金和铝时的实际K值为多少()???已知钢中CL=ms,cs=ms,水中CL=ms,超声波倾斜入射到水钢界面。???求αL=时对应的βL和βs(,)???求βs=时对应的αL和βL(,不存在)???求al和a()。???已知钢中CL=ms,cs=ms,有机玻璃中CL=ms,求以有机玻璃为斜楔的K横波探头的入射角αL()???已知超声波探伤仪示波屏上有A、B、C三个波其中A波高为满刻度的B波为C波为。???设A波为基准(dB)那么B、C波高各为多少dB(dBdB)???设B波为基准(dB)那么A、C波高各为多少dB(dBdB)???设C波为基准(一dB)那么A、B波高各为多少dB(dBdB)???示波屏上有一波高为满刻度的但不饱和。问衰减多少dB后该波正好为(dB)???示波屏上有一波高为mm另一波高比它低dB问另一波高为多少mm(mm)???示波屏上有一波高为若衰减dB以后该波高为多少若增益dB以后波高又为多少()???用MHz、φmm的探头测定mm厚的饼形锻件的衰减系数现测得完好区域的B=B=求此锻件的介质衰减系数a为多少(不计反射损失)(dBmm)???用MHz、φmm探头测定厚为mm的钢板的介质衰减系数。已知B=B=每次反射损失为dB不计扩散衰减损失求此钢板的介质衰减系数a为多
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