1、无损检测基础知识无损检测基础知识超声波探伤基础声波是机械波的一种。按频率的不同可以分声波是机械波的一种。按频率的不同可以分为：为： 1. 1.可闻声波可闻声波 20Hzf20000Hz(20Hzf20000Hz(频率、音频率、音量关系量关系) ) 2. 2.次声波次声波 f20Hzf20000Hzf20000Hz，工业探伤最常用的，工业探伤最常用的频段为频段为0.5MHz0.5MHz10MHz10MHz 从乐器到人与人说话的声音讲解频率即音从乐器到人与人说话的声音讲解频率即音调的概念调的概念超声波探伤基础频率用字母频率用字母“f f”表示表示频率的单位为频率的单位为“赫兹赫兹”用字母用字母“H
2、z”Hz”表示表示赫兹（赫兹（HzHz）换算关系为：）换算关系为：1MHz=101MHz=106 6Hz Hz 或或1Hz=101Hz=10-6-6 MHz MHz超声波探伤基础一、超声波探伤的特点一、超声波探伤的特点（一）超声波探伤优点：（一）超声波探伤优点： 1. 1.指向性好指向性好 超声波波长很短，像光波一超声波波长很短，像光波一样，可以定向发射，因而能方便、准确地对缺样，可以定向发射，因而能方便、准确地对缺陷定位。陷定位。 2. 2.穿透力强穿透力强 超声波能量高，在大多数介超声波能量高，在大多数介质中传播时能量损失小，在一些金属材料中传质中传播时能量损失小，在一些金属材料中传播时，
3、其穿透能力可达数米。播时，其穿透能力可达数米。 超声波探伤基础（一）超声波探伤优点（一）超声波探伤优点 3. 3.灵敏度高灵敏度高 一个存在于钢中的空气分层厚一个存在于钢中的空气分层厚度为度为10106 6mmmm，反射率可超过，反射率可超过21%21%，当分层厚度在，当分层厚度在10105 5mmmm以上时，反射率可超过以上时，反射率可超过94%94%。 4. 4.适用面广适用面广 可检测金属、非金属、复合材可检测金属、非金属、复合材料等多种材料制件的检测；采用多种波型以及各料等多种材料制件的检测；采用多种波型以及各种探头作不同方向的探测，能探出工件内部和表种探头作不同方向的探测，能探出工件
4、内部和表面各种取向的缺陷。面各种取向的缺陷。超声波探伤基础（一）超声波探伤的优点（一）超声波探伤的优点 5. 5.高效低价高效低价 检测速度快，在较短的时间检测速度快，在较短的时间内就可完成对工件的检测，仅耗损少量电能和内就可完成对工件的检测，仅耗损少量电能和耦合剂。耦合剂。 超声波探伤基础（二）超声波探伤缺点：（二）超声波探伤缺点： 1. 1.检测结果受人为影响检测结果受人为影响 对试件中缺陷的发现对试件中缺陷的发现与评价，主要取决于探伤人员对仪器的调节和与评价，主要取决于探伤人员对仪器的调节和判断。判断。 2. 2.探测面状态影响检测探测面状态影响检测 探测表面要求制备，探测表面要求制备，
5、不良的探测面影响伤损检测灵敏度不良的探测面影响伤损检测灵敏度。超声波探伤基础（二）超声波探伤缺点（二）超声波探伤缺点 3. 3.工件状态影响检测结果工件状态影响检测结果 工件形状过于工件形状过于复杂，材料晶粒和组织不均匀对探伤结果均有复杂，材料晶粒和组织不均匀对探伤结果均有一定的影响。一定的影响。 4. 4.定量精度差定量精度差 探测出缺陷的当量或延伸探测出缺陷的当量或延伸度与实际缺陷大小均有一定的误差。度与实际缺陷大小均有一定的误差。超声波探伤基础二、超声波的产生二、超声波的产生 人们把声源振动在介质（如空气等）中的人们把声源振动在介质（如空气等）中的传播过程，称为波动，简称波传播过程，称为
6、波动，简称波 。 波是物质的一种运动形式，可分为电磁波波是物质的一种运动形式，可分为电磁波和机械波两类。和机械波两类。 产生机械波需要两个必要条件：一是要有产生机械波需要两个必要条件：一是要有作机械振动的振源；二是要有能传递机械振动作机械振动的振源；二是要有能传递机械振动的弹性介质。的弹性介质。 超声波探伤基础二、超声波的产生二、超声波的产生 在超声波探伤中应用最广的是利用某些压在超声波探伤中应用最广的是利用某些压电材料（石英、锆钛酸铅等）的压电效应，来电材料（石英、锆钛酸铅等）的压电效应，来实现超声波的发生和接收。实现超声波的发生和接收。 超声波在传播过程中，实际上只是振动能超声波在传播过程
7、中，实际上只是振动能量的传播，并没有产生物质的迁移，介质质点量的传播，并没有产生物质的迁移，介质质点本身仅限于平衡位置附近振动。本身仅限于平衡位置附近振动。超声波探伤基础（一）超声波常见的三种分类方式（一）超声波常见的三种分类方式: : 1. 1.按质点的振动方向分类按质点的振动方向分类 根据波动传播时介质质点的振动方向与波根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向不同，可将超声波分为纵波（压缩的传播方向不同，可将超声波分为纵波（压缩波）、横波（剪切波）、表面波（瑞利波）、波）、横波（剪切波）、表面波（瑞利波）、兰姆波等。兰姆波等。超声波探伤基础纵波、横波、表面波、兰姆波定义波的类型波的类
8、型质点振动特点（定义）质点振动特点（定义）传播介质传播介质应用应用纵波纵波L介质质点振动方向平行于波的传介质质点振动方向平行于波的传播方向播方向固体、液体和气体固体、液体和气体 钢板、锻件探伤等钢板、锻件探伤等横波横波S介质质点振动方向垂直于波的传介质质点振动方向垂直于波的传播方向播方向固体固体焊缝、钢管探伤等焊缝、钢管探伤等表面波表面波R在介质表面传播时介质表面质点在介质表面传播时介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传的传播方向，短轴平行于波的传播方向播方向固体固体钢板、锻件、钢板、锻件、 钢钢管探伤等管探伤等兰兰姆姆波波对称型对称型
9、（S型）型）薄板中心质点作纵向运动，上下薄板中心质点作纵向运动，上下表面质点作相位相反并对称于中表面质点作相位相反并对称于中心的椭圆运动心的椭圆运动固体（厚度与波固体（厚度与波长相当的薄板）长相当的薄板）厚度厚度6mm非对称型非对称型（A型）型）薄板中心质点作横向运动，上下薄板中心质点作横向运动，上下表面作相位相同的椭圆运动表面作相位相同的椭圆运动固体（厚度与波固体（厚度与波长相当的薄板）长相当的薄板）厚度厚度6mm超声波探伤基础纵波的传播图谱纵波的传播图谱在钢轨探伤中在钢轨探伤中0 0探头就是使用的纵波。探头就是使用的纵波。超声波探伤基础横波的传播图谱横波的传播图谱问题问题: :横波不能在液
10、体中传播，横波探伤时为什么可使横波不能在液体中传播，横波探伤时为什么可使用耦合剂；使用不同的耦合剂对最后的折射角是否会产用耦合剂；使用不同的耦合剂对最后的折射角是否会产生影响？生影响？在钢轨探伤中在钢轨探伤中7070、3737探头就是使用的横波。探头就是使用的横波。超声波探伤基础（一）超声波常见的三种分类方式（一）超声波常见的三种分类方式: : 2.2.按振动持续时间分类按振动持续时间分类 根据波源振动持续时间的长短，超声波可分根据波源振动持续时间的长短，超声波可分为连续波和脉冲波两种。其中为连续波和脉冲波两种。其中连续波连续波是指波源是指波源持续不断地振动所辐射的波，常用于穿透法探持续不断地
11、振动所辐射的波，常用于穿透法探伤和共振法测厚。而伤和共振法测厚。而脉冲波脉冲波则指波源振动持续则指波源振动持续时间很短（微秒级时间很短（微秒级1110106 6）、间歇辐射）、间歇辐射的波，超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。的波，超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。超声波探伤基础连续波与脉冲波图谱连续波与脉冲波图谱 超声波探伤基础（一）超声波常见的三种分类方式：（一）超声波常见的三种分类方式： 3. 3.按波的形状分类按波的形状分类 波形是根据波阵面的形状来区分的，所谓波波形是根据波阵面的形状来区分的，所谓波阵面，是指同一时刻介质中振动相位相同的所阵面，是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点联
12、成的面。有质点联成的面。根据波阵面形状的不同，波又可以分为三种：根据波阵面形状的不同，波又可以分为三种：平面波、柱面波和球面波平面波、柱面波和球面波 超声波探伤基础平面波、柱面波和球面波图谱平面波、柱面波和球面波图谱 超声波探伤基础不同波形分类及特性不同波形分类及特性 波 形特 性平面波1无限大平面（即波长与声源尺寸相比可忽略不计）作简谐振动时，在各向同性的弹性介质中传播的波2如不考虑介质吸收波的能量，声压不随声源的距离而变化球面波1声源为点状球体，波阵面是以声源为中心的球面2声强与距声源距离的平方成反比柱面波1声源为一无限长的线状直柱，波阵面是同轴圆柱面2声强与距声源的距离成反比超声波探伤基
13、础（二）超声波超声波的基本参数（二）超声波超声波的基本参数 1. 1.振幅（振幅（A A）从平衡位置到振动最大位移之）从平衡位置到振动最大位移之间的距离。间的距离。 2. 2.周期（周期（T T）质点完成一次全振动所需要的）质点完成一次全振动所需要的时间。时间。 3. 3.频率（频率（f f）质点在单位时间内完成全振动）质点在单位时间内完成全振动的次数。的次数。超声波探伤基础（二）超声波超声波的基本参数（二）超声波超声波的基本参数 按照以上的定义，容易看出：频率与周期按照以上的定义，容易看出：频率与周期是互为倒数的，即：是互为倒数的，即：从定义中可以看出：周期是时间量，通常单位从定义中可以看出
14、：周期是时间量，通常单位为秒为秒(s)(s)，在超声波探伤中，则通常使用微秒，在超声波探伤中，则通常使用微秒为单位（为单位（s s）。）。 周期单位换算关系：周期单位换算关系： 1s=10 1s=106 6ss或或1s=101s=10-6-6s sfT1超声波探伤基础超声波超声波的基本参数超声波超声波的基本参数 4.4.波长（波长（） 同一波线上相邻两振动相位相同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长。同的质点间的距离称为波长。 5. 5.声速（声速（C C） 声波在弹性介质中，单位时间声波在弹性介质中，单位时间内所传播的距离，也可称为波速。内所传播的距离，也可称为波速。 单位为米单
15、位为米/ /秒（秒（m/sm/s）或千米）或千米/ /秒（秒（km/skm/s）。）。波长、声速和频率之间的关系式：波长、声速和频率之间的关系式： fC超声波探伤基础（三）超声场及其特征值（三）超声场及其特征值 1.1.超声场概述超声场概述 超声场超声场 充满超声波的空间。充满超声波的空间。 N N表示直探头的近场区长度；表示直探头的近场区长度；D D表示为圆形压表示为圆形压电晶片的直径；电晶片的直径；表示超声波波长；表示超声波波长；A A表示方晶表示方晶片（或矩形晶片）面积。片（或矩形晶片）面积。 ADDN44222超声波探伤基础（三）超声场及其特征值（三）超声场及其特征值 2.2.波束指向
16、性与指向角（波束指向性与指向角（0 0） 超声波能量集中在一定区域并向一个方向辐超声波能量集中在一定区域并向一个方向辐射的现象称为波束指向性。射的现象称为波束指向性。 非扩散的区域为近场长度（非扩散的区域为近场长度（N N）的）的1.671.67倍，倍，大于大于1.67 N1.67 N为扩散区。为扩散区。 超声波探伤基础（三）超声场及其特征值（三）超声场及其特征值 2.2.波束指向性与指向角（波束指向性与指向角（0 0） 对圆盘声源辐射的纵波声场，其声束声束对圆盘声源辐射的纵波声场，其声束声束指向角（指向角（0 0）计算式如下：）计算式如下： 式中：式中：D-D-为晶片的直径；为晶片的直径；-
17、为超声波波长为超声波波长 DD7022. 1sin10超声波探伤基础（三）超声场及其特征值（三）超声场及其特征值 3.3.超声场的特征值超声场的特征值 描述超声场的特征值主要有声压、声强和声描述超声场的特征值主要有声压、声强和声阻抗。阻抗。 （1 1）声压）声压 超声场中某一点某一瞬时所具超声场中某一点某一瞬时所具有的压强（有的压强（P P1 1）与该点没有超声波存在时的静）与该点没有超声波存在时的静态压强（态压强（P P0 0）之差称为该点的声压（）之差称为该点的声压（P P）。）。 超声波探伤基础（三）超声场及其特征值（三）超声场及其特征值 （2 2）声阻抗）声阻抗 介质中某一点的声压与该点介质中某一点的声压与该点的振动速度之比称为声阻抗（的振动速度之比称为声阻抗（Z Z）。）。 （3 3）声强）声强 单位时间内，垂直通过单位面单位时间内，垂直通过单位面积的声能量称为声强（）。积的声能量称为声强（）。 任意两波高之比任意两波高之比H H1 1/H/H2 2等于相应的声压之比等于相应的声压之比P P1 1/P/P2 2，两者的分贝差为：，两者的分贝差为： 2121lg20lg20HHPP
