1、整 体 概 述THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW,P L E A S E S U M M A R I Z E T H E C O N T E N T第一部分 指使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。在特种设备行业，通常指宏观缺陷检测和材料厚度测量。作用：质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率 物体（或物体的一部分）在某一中心位置两侧所做的往复运动，就叫做机械振动钟摆的摆动，水上浮标的浮动，担物行走时扁担的颤动，在微风中
2、树梢的摇摆，振动的音叉、锣、鼓、琴弦等都是机械振动。振动产生的必要条件：物体一离开平衡位置就会受到回复力的作用；阻力要足够小。振动的过程 物体（或质点）在受到一定力的作用下，将离开平衡位置，产生一个位移；该力消失后，在回复力作用下，它将向平衡位置运动，并且还要越过平衡位置移动到相反方向的最大位移位置，然后再向平衡位置运动。这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振动”。振动的分类 周期性振动：每经过一定时间后，振动体总是回复到原来的状态（或位置）的振动 非周期性振动：不具有上述周期性规律的振动周期、频率（振动的快慢），振幅（振动的强弱）振幅A振动物体离开平衡位置的最大距离，叫做振动的振
3、幅，用A表示。周期T当物体作往复运动时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）。对于非周期性振动，往复运动已不再是周期性的，但周期这个物理量仍然可以反映这种运动的往复情况。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（Hz）,1赫兹表示1秒钟内完成1次全振动，即1Hz=1次/秒。此外还有千赫（kHz），兆赫（MHz）。周期和频率的关系：二者互为倒数，T=1/f定义：物体在受到跟位移大小成正比，而方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动，叫做 谐振动。特点：1、回复力与位移成正比而方向相反，总是指向平衡位置。2、是一种理想化的运
4、动，振动过程中无阻力，所以振动系统机械能守恒。3、谐振动的振幅、频率和周期保持不变，其频率为振动系统的固有频率，是最简单、最基本的一种振动，任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成 谐振动是理想条件下的振动，即不考虑摩擦和其它阻力的影响。任何实际物体的振动，总要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振动物体的能量不断减少。同时，由于在振动传播过程中，伴随着能量的传播，也使振动物体的能量不断地减少。不符合机械能守恒定律 振幅或能量随时间不断减少的振动称为阻尼振动。超声探头 晶片后粘贴阻尼块 受迫振动：物体受到周期性变化的外力作用时产生的振动。如缝纫机上缝针的振动，汽缸中活塞的振动和扬声器中纸膜的振动等
5、。受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间后达到稳定状态，变为周期性的谐振动。其振动频率与策动力频率相同，振幅保持不变。受迫振动的振幅与策动力的频率有关。共振：当策动力频率P与受迫振动物体固有频率相同时，振幅最大。应用：探头：使高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率，从而产生共振，这时压电晶片的电声能量转换效率最高。受迫振动物体受到策动力作用，不符合机械能守恒。超声探头中的压电晶片在发射超声波时：在高频电脉冲激励下产生受迫振动；在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用，因此又是阻尼振动图2.3振动的传播过程，称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。机械波的产生与传播过程 如图2.3所示的固体弹性模
6、型。质点间以弹性力联系在一起的介质称为弹性介质。（固体、液体、气体）当外力F作用于质点A时，A就会离开平衡位置，这时A周围的质点将对A产生弹性力使A回到平衡位置。当A回到平衡位置时，具有一定的速度，由于惯性A不会停在平衡位置，而会继续向前运动，并沿相反方向离开平衡位置，这时A又会受到反向弹性力，使A又回到平衡位置，这样质点A在平衡位置来回往复运动，产生振动。与此同时，A周围的质点也会受到大小相等方向相反的弹性力的作用，使它们离开平衡位置，并在各自的平衡位置附近振动。这样弹性介质中一个质点的振动就会引起邻近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动，于是振动就以一定的速度由近及远地传播开来
7、，从而就形成了机械波。液体和气体不能用上述弹性力的模型来描述，其弹性波是在受到压力时体积的收缩和膨胀产生的。产生机械波的两个基本条件 （1）要有作机械振动的波源。（2）要有能传播机械振动的弹性介质 机械振动与机械波的关系 互相关联，振动是产生机械波的根源，机械波是振动状态的传播。波动中介质各质点并不随波前进，而是按照与波源相同的振动频率在各自的平衡位置上振动，并将能量传递给周围的质点。因此，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。（1）周期T和频率f：为波动经过的介质质点产生机械振动的周期和频率，机械波的周期和频率只与振源有关，与传播介质无关。波动频率也可定义为波动过程中，任一给
8、定点在1秒钟内所通过的完整波的个数，与该点振动频率数值相同，单位为赫兹（Hz）。（2）波长：波经历一个完整周期所传播的距离，称为波长，用表示。同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离即为波长。波源或介质中任意一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离。波长的常用单位为米（m）或毫米（mm）。（3）波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，用C表示。常用单位为米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。波速、波长和频率的关系式：C=f或=C/f 波长与波速成正比，与频率成反比。当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。次声波、声波和超声波 次声波：频率2
9、0Hz 声波：频率在2020000Hz之间,超声波：频率20000Hz,对钢等金属材料的检测，常用的频率为0.510MHz 超声波特点：方向性好能量高能在界面上产生反射、折射、衍射和波型转换穿透能力强 主要是基于超声波在试件中的传播特性 声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。脉冲反射法：声源产生的脉冲波进入到试件中超声波在试件中以一定方向和速度向前传播遇到两侧声阻抗有差异的界面时
10、部分声波被反射检测设备接收和显示分析声波幅度和位置等信息，评估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。通常用来发现和对缺陷进行评估的基本信息为：1、是否存在来自缺陷的超声波信号及其幅度；2、入射声波与接收声波之间的传播时间；3、超声波通过材料以后能量的衰减。根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，可将波动分为多种波型，在超声检测中主要应用的波型有纵波、横波、表面波和板波等.据波阵面形状不同，可以把不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波。波源振动的持续时间长短，分为连续波和脉冲波1、纵波L定义：介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的波，称为纵波，用L表示。纵波中介质质点
11、受到交变拉压应力作用并产生伸缩形变，故纵波亦称为压缩波。而且，由于纵波中的质点疏密相间，故又称为疏密波。凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。固体介质能承受拉伸或压缩应力，因此固体介质可以传播纵波。液体和气体虽然不能承受拉伸应力，但能承受压应力产生容积变化，因此液体和气体介质也可以传播纵波。质点振动方向波动传播方向横波S（T）定义介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波，称为横波，用S或T表示。横波中介质质点受到交变的剪切应力作用并产生切变形变，故横波又称为切变波。只有固体介质才能承受剪切应力，液体和气体介质不能承受剪切应力，故横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。质
12、点振动方向波动传播方向定义：当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，常用R表示，表面波是瑞利1887年首先提出来的，因此表面波又称瑞利波。也可以认为表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成。因此表面波同横波一样只能在固体介质中传播，不能在液体或气体介质中传播。表面波只能在固体表面传播。表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了。因此，一般认为，表面波检测只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。波传播方向空气固
13、体介质 定义：在板厚与波长相当的簿板中传播的波，称为板波。根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。（1）SH波：SH波是水平偏振的横波在簿板中传播的波。簿板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向，相当于固体介质表面中的横波。（2）兰姆波：兰姆波又分为对称型（S型）和非对称型（A型），如图1.9所示。对称型（S型）：簿板中心质点作纵向振动，上下表面质点作椭圆运动、振动相位相反并对称于中心。非对称型（A型）：簿板中心质点作横向振动，上下表面质点作椭圆运动、相位相同，不对称。波的类型质点振动特点传播介质应用纵波质点振动方向平行于波传播方向固、液、气体钢板、锻件检测等横波质点振动方
14、向垂直于波传播方向固体、特别粘的薄液层焊缝、钢管检测等表面波质点作椭圆运动,椭圆长轴垂直波传播方向,短轴平行于波传播方向固体表面，且固体的厚度远大于波长钢管检测等板波对称型（S S型）上下表面：椭圆运动，中心：纵向振动固体介质（厚度为几个波长的的薄板）6mmCSCR 在同一种固体材料中，纵波声速大于横波声速，横波声速又大于表面波声速。对于钢材1.8：1：0.9 总结：细长棒中的纵波声速在细长棒中（棒径d）轴向传播的纵波声速与无限大介质中纵波声速不同，细长棒中的纵波声速为：LbEC固体介质中声速与温度、应力、均匀性的关系 固体介质中的声速与介质温度、应力、均匀性有关。一般固体中的声速随介质温度升
15、高而降低。固体介质的应力状况对声速有一定的影响，一般应力增加，声速增加，但增加缓慢。固体材料组织均匀性对声速的影响在铸铁中表现较为突出。铸铁表面与中心，由于冷却速度不同而具有不同的组织，表面冷却快，晶粒细，声速大；中心冷却慢，晶粒粗，声速小。此外，铸铁中石墨含量和尺寸对声速也有影响，石墨含量和尺寸增加，声速减少。1.液体、气体中声速公式 由于液体和气体只能承受压应力，不能承受剪切应力，因此液体和气体介质中只能传播纵波，不能传播横波和表面波。液体和气体中的纵波波速为：2.液体、气体介质中的纵波声速与其容变弹性模量和密度有关，介质的容变弹性模量愈大、密度愈小，声速就愈大3.在液体和气体中的纵波声速
16、是容变弹性模量和密度的函数。弹性模量越大、密度越小，声速就越大。多数介质密度随温度升高而降低，容变弹性模量减小，因而声速随温度升高而降低。但是水例外，温度在74C左右时声速最大，当温度低于74C时，声速随温度升高而增大；当温度高于74C时，声速随温度升高而降低。1.超声检测仪器测量法 对检测人员来说，用检测仪器测量声速是最简便的。用这种方法测量，可用单探头反射法，也可用双探头穿透法。可用于测量纵波声速，也可用于测量横波声速。（1）检测仪按时间刻度：反射法 直射法（2）检测仪按深度刻度：对于按深度刻度的检测仪，不能直接从示波屏上读出时间，这时需要采用对比法来测声速；方法如下图 方法：1，测试时，
17、先把探头对准 待测工件的 底面，调节仪器使 底面回波对准某一刻t,这时超 声波通过工作的时间为：2，然后将探头放在水中，调节 探头位置使水层底面回波对准同 一平刻度t，这时超声波通过水层的时间为：由于二者所对刻度相同，即时间相同。2.测厚仪测量法3.示波器测量法；示波器的水平坐标是按时间刻度的，因此按图所示将检测仪与示波器连接以后就可以从示波器荧光屏上直接读取始脉冲与底波之间的时间差，从而计算出声速。1，设入射波的声压为P0（声强为I0）、反射波的声压为Pr（声强为Ir）、透射波的声压为Pt（声强为It）。2，界面上反射波声压P与入射波声压P0之比称为界面的声压反射率，用r表示，即r=Pr/P
18、0。3，界面上透射波声压Pt与入射波声压P0之比称为界面的声压透射率，用t表示，即t=Pt/P0在界面两侧的声波，必须符合下列两个条件：（1）界面两侧的总声压相等，即p0+pr=pt。（相位关系，力平衡）（2）界面两侧质点振动速度幅值相等，即（p0-pr）/Z1=pt/Z2（能量平衡）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：1，界面上反射波声强Ir与入射波声强I0之比称为声强反射率，用R表示。2，界面上透射波声强It与入射波声强I0之比称为声强透射率，用T表示。3，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
19、以上几式可以导出：讨论几种常见界面上的声压、声强反射和透射情况二：讨论几种常见界面上的声压、声强反射和透射情况三：讨论几种常见界面上的声压、声强反射和透射情况四：超声检测时，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Z1的第一介质入射到Z1和Z2界面，然后通过声阻抗为Z2的第二介质薄层射到Z2和Z3界面，最后进入声阻抗为Z3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 薄层界面反射透射示意图超声波通过异质薄
20、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d2/2有关 1.均匀介质中的异质薄层（Z1=Z3Z2）（1）当 （n为整数）时，。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，好象不存在异质薄层一样。这种透声层常称为半波透声层。（2）（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。2薄层两侧介质不同的双界面（1）当 （n为整数）时，。这说明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
21、（2）（n为整数）时，且 时，此时T1，即声强透射率等于1，超声波全透射，这对直探头保护膜的设计具有重要指导意义。在超声波单探头检测中，探头兼作发射和接收超声波。探头发出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这时探头接收到的回波声压与入射波声压之比，称为声压往复透射率T往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。界面两侧介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检测灵敏度高低，往复透射率高，检测灵敏度高。反之，检测灵敏度低1,波型转换与反射、折射定律 当超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类 型
22、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2,当超声波垂直入射到光滑平界面时，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(见图）1纵波斜入射 当纵波L倾斜入射到界面时，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。各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律：由于在同一介质中纵波波速不变，因此 。又由于在同一介质中纵波波速大于横波波速，因此（1）第一临界角，由反射折射定律（2）第二临界角由 和 的定义可知：L 时，第二介质中既有折射纵波L又有折射横波S。L=时，第二介质中只有折射横波S，没有折射纵波L
23、，这就是常用横波探头制作和横波检测的原理。L 时，第二介质中既无折射纵波L，又无折射横波S。这时在其介质的表面存在表面波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cL1=2730m/s，水中cL水=1480m/s，钢中：cL2=5900m/s，cS2=3230m/s。则第一、二临界角分别为：2横波斜入射1.纵波倾斜入射到钢/空气界面的反射 纵波倾斜入射，当 aL=60左右时产生一个较强的变型反射横波。2.横波倾斜入射到钢/空气界面的反射 当 as=30 左右时，rss 很低，rsL 较高。当 as33.2时，rss=100%即钢中横波全反射 超声检测
24、中，常常采用反射法，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。超声波倾斜入射，折射波全反射，探头接收到的回波声压Pa 与入射波声压P0之比称为声压往复透射率，常用T表示，T=Pa/P0。见 图 超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射。在端角反射中，超声波经历了两次反射，当不考虑波型转换时，二次反射回波与入射波互相平行，即 回波声压Pa与入射波声压P0之比称为端角反射率，用T端表示。（1）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。（2）横波入射时，入射角 as=30 或 60 附近时，端角反射率最低。时，端角反射率达100%。为了便于
25、讨论，不考虑波型转换行为。1.平面波 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。2.球面波 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。3.柱面波 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。1.单一的平界面上的反射2.双界面的反射 前壁各次反射波声压比为 后壁各次波的声压比 实际检测中，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 3.单一平
26、界面上的折射 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。只有当其张角较小时，可视为近似的球面波，图251 折射波声压1.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。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。（1）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。在曲面轴线上的距曲面顶点x处的反射波声压为（2）平面波入射到柱面时，其反射波可视为从焦轴发出的柱面波。在曲面轴线上的距曲面顶点x处的反射波声压为 实际检测中球形、柱形气孔的反射就属于以上两种情况2.平面波在曲界面上的折射 平面波入射到曲界面
27、上时，其折射波也将发生聚焦或发散，如图1.46。折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面两侧介质的波速有关。对于凹透镜，当 c1c2时发散；对于凸透镜，当c1c2时聚焦，当c1c2时发散。根据折射定理作图即可（1）平面波入射至球面透镜时，其折射波可视为从焦点发出的球面波，曲面轴线上的距曲面顶点x处的反射波声压为（2）平面波入射到柱面透镜 时，其折射波可视为从聚焦轴线发出的柱面波，曲面轴线上x处的反射波声压为1球面波在曲界面上的反射 球面波入射到曲界面上，其反射波将发生聚焦或发散，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。（1）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
28、点为X处的反射波声压为（2）球面波在柱面上的反射波，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叠加，轴线上距顶点为X处的射波声压为：超声波径向检测空心圆柱体的情况，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总是低于同距离的平底面的反射声压 2.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 球形界面：柱形界面：水浸检测柱形或球形工件 聚焦检测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。衰减的原因 波束扩散、晶粒散射和介质吸收 1.扩散衰减 2.散射衰减 3.吸收衰减 通常所说的介质
29、衰减是指吸收衰减与散射衰减，不包括扩散衰减。2.散射衰减3.吸收衰减1.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：球面波与柱面波既存在扩散衰减，又存在介质衰减，声压衰减方程分别为：球面波柱面波2.衰减系数 衰减系数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，介质衰减系数等于散射衰减系数和吸收衰减系数之和。（1）介质的吸收衰减与频率成正比。（2）介质的散射衰减与f、d、F有关在实际检测中，当介质晶粒较粗大时，若采用较高的频率，将会引起严重衰减这就是晶粒较大的奥氏体钢和一些铸件检测的困难所在。（3）对于液体介质而言，主要是介质的吸收衰减。薄板工
30、件衰减系数的测定 厚板或粗圆柱体衰减系数的测定 实例：超声波波源辐射的超声波是以特定的角度向外扩散的，但并不是从波源开始扩散的，而是在波源附近存在一个未扩散b,其理想化的形状如下图所示。如图3-10所示，矩形波源作活塞振动时，在液体介质中辐射的纵波声场同样存在近场区和未扩散角，近场区内声压分布复杂，理论计算困难，远场区声源轴线上任一点Q处的声压用液体介质中的声场理论可以导出其计算公式为：例：2，由图314可知，实际声场与理想声场在远场 区轴线上声压分布基本一致。这是因为，当至波源的距离足够远时，波源各点至轴线上某点的波程差明显减小，从而使波的干涉大大减弱，甚至不产生干涉 3，但在近场区内，实际
31、声场与理想声场存在明显区别。理想声场轴线上声压存在一系列极大极小值，且极大值为2P0,极小值为零。实际声场轴线声压虽然也存在极大极小值，但波动幅度小，极大值远小于2P0,极小值也远大于零，目前常用的横波探头，是使纵波顷斜入射到界面上，经过波形转换来实现横波检测的。当入射波入射角大于第一临界角而小于第二临界角时，纵波全反射，第二介质中只有折射横波。横波探头辐射的声场由第一介质中的纵波声场与第二介质中的横波声场两部分组成，两 部分声场是折断的，如图 3 15所示，为了便于理解计算，可将第一介质中的纵波波源转换为轴线与第二介质中横波波朿轴线重合的假想横波波源，这时整个声场可视为由假想横波波源辐射出来
32、的连续的横波声场。当实际波源为圆形时.其假想横波波源为椭圆形.椭圆的长轴等于实际波源的直径DS，短轴DS 为：横波声场同纵波声场一样，由于波的干涉存在近场区和远场区。当X3N时，横波声场波束轴线上的声压为：横波声场中，当 X3N时，声束轴线上的声压与波源面积成正比，与至假想波源的距离成反比，类似纵波声场。横波声场中，第二介质中近场区长度为:我国横波探头常采用K值（k=tan，）来表示横波折射角的大小，常用K值为1.0,1.5,2.0和2.5等。为了便于计箅近场区长度，特将K值与cos/cos，tan/tan的关系列表如下 从假想横波声源辐射的横波声束同纵波声场一样，具有良好的指向性，可以在被检
33、材料中定向辐射，只是声束的对称性与纵波声场有所不同，如图3-163-16所示。纵波斜入射在第二介质中产生横波声场，其声束不再对称于声束轴线，而是存在上下两个半扩散角，其中上半扩散角上大于声束下半扩散角 下 横波垂直入射时，其声束对称于轴线，这时半扩散角。可按下式计算 前面讨论的是超声波发射声场中声压分布情况，实际检测中常用反射法。反射法是根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小。然而工件中的缺陷形状、性质各不相同，目前的检测技术还难以确定缺陷的真实大小和形状。回波声压相同的缺陷的实际大小可能相差很大，为此特引用当量法。当量法是指在同样的检测条件下，当自然缺陷回波与某人工规则反射体回波等高时，
34、则该人工规则反射体的尺寸就是此自然缺陷的当量尺寸。自然缺陷的实际尺寸往往大于当量尺寸。如图321所示，在X3N的圆盘波源轴线上存在一平底孔（圆片形）缺陷，设波束轴线于垂直平底孔，超声波在平底孔上全反射，平底孔直径较小，表面各点声压近似相等。根据惠更斯原理可以把平底孔当做一个新的圆盘源，其起始声压就是人射波在平底孔处的声压 探头接收到的平底孔冋波声压 由平底孔冋波声压公式可知，当检测条件（Fs,）一定时，平底孔缺陷的回波声压或波高与平底孔面积成正比，与距离平方成反比。任意两个距离直径不同的平底孔冋波声压之比为：二者回波分贝差为：如图3-22所示，在X3N的圆盘波源轴线上有一长横孔，长横孔直径较小
35、，长度大于波束截面尺寸，超声波垂直入射到长横孔上全反射，类似于球面波在柱面上的反射。长横孔回波声压：由上式可知，检测条件（Fs,）定时，长横孔回波声压与长横孔的直径平方根成正比，与距离的二分之三次方成反比。任意两个距离、直径不同的长横孔回波分贝差为 这说明长横孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降9dB 这说明长横孔距离一定，直径增加一倍，其回波上升3dB 短横孔是长度明显小于波束截面尺寸的横孔，设短横孔直径为Df，长度为Lf，当x3N时，超声波在短横孔上的反射回波声压为 由上式可知，当检测条件（Fs,）一定时，短横孔回波声 压与短横孔的长度成正比，与直径的平方根成正比，与距离的平方成反比。任意
36、两个距离、长度和直径不同短横孔的回波分贝差为：这说明短横孔直径和长度一定，距离增加一倍，其回波下降12dB，与平底孔变化规律相同 这说明短横孔直径和距离一定，长度增加一倍，其回波上升 6dB。这说明短横孔长度和距离一定，直径增加一倍，其回波升高3dB 如图323所示，设球孔直径为Df，超声波垂直入射，全反射，Df足够小。当x3N时，超声波在球孔上的反射就类似于球面波在球面上的反射，球孔回波声压为：由上式可知，当检测条件（Fs,）一定时，球孔回波声压与球孔的直径成正比，与距离的平方成反比。任意两个直径、距离不同的球孔的回波分贝差为 这说明球孔直径一定，距离增加一倍，其回波下降12 dB，与平底孔
37、变化规律相同 这说明球孔距离不变，直径增加一倍，其回波上升6 dB 如图3-24所示，当x3N时，超声波在与波束轴线垂直、表面光洁的大平底面上的反射就是球面波在平面上的反射，其回波声压PB为:由上式可知，当检测条件（Fs,）一定时，大平底面的回波声压与距离成反比。两个不同距离的大平底面回波分贝差为 这说明大平底面距离增加一倍，其回波下降6dB 1.实心圆柱体 超声波径向检测x3N的实心圆柱体，类似于球面波在凹柱曲底面上的反射。实心圆柱凹曲底面的回波声压为 2.空心圆柱体 探头置于外圆周径向检测空心圆柱体，x3N，类似于球面波在凸柱面上的反射，如图3-25所示探头4位置外圆检测空心圓柱体凸拄曲底
38、面的回波声压为：上式说明外圆检测空心圆柱体，其回波声压低于同距离大平底面回波声压。因为凸柱面反射波发散。探头置于圆柱体内侧，从内孔检测圆柱体，类似于球面波在凹柱面上的反射，如图3-25所示探头5位置回波声压为 上式说明内孔检测圆柱体，其回波声压大于同距离大平底面回波声压，因为凹柱面反射波聚焦 AVG曲线是描述规则反射体的距离(A),回波高度(V)及当量尺寸（G）之间的关系，AVG是德语字头的缩写，英文中缩写是DGS。AVG曲线用于可对缺陷定量和灵敏度调整。AVG曲线有多种类型，根据通用性分为通用AVG和实用AVG;根据波型不同分为纵波AVG和横波AVG；根据反射体不同分为平底孔AVG和横孔AV
39、G等。1.通用AVG 当x3N，不考虑介质衰减时，大平底面,平底孔回波声压分别为大平底声压：平底孔声压：当仪器的垂直线性良好时，示波屏上波髙与声压成正比大平底平底孔 超声检测设备与器材包括超声检测仪、探头、试块、耦合剂和机械扫査装置等，其中仪器和探头对超声检测系统的能力起关键性作用。了解其原理、构造和作用及其主要性能，是正确选择检测设备与器材并进行有效检测的保证。超声检测仪 超声检测仪是超声检测的主体设备，它的作用是产生电振荡并施加于换能器（探头）上：激励探头发射超声波，同时接收来自于探头的电信号，将其放大后以一定方式显示出来，从而得到被检工件中有关缺陷的信息 A型显示是一种波形显示，是将超声
40、信号的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形式显示出来，如图4-1 所示。横坐标代表声波的传播时间，纵坐标代表信号幅度。如果超声波在均质材料中传播，声速是恒定的，则传播时间可转变为传播距离。从声波的传播时间可以确定缺陷位置，由回波幅度可以估算缺陷当量尺寸。B型显示是工件的一个二维截面图，将探头在工件表面沿一条线扫查时的距离作为一个轴的坐标，另一个轴的坐标是声传播的时间（或距离。图4-3所示为B型显示原理 C型显示是工件的一个平面投影图，探头在工件表面作二维扫査，显示屏的二维坐标对应探头的扫査位置。在每一探头移动位置，将某一深度范围的信号幅度用电子门逸出，用亮度或颜色代表信号的幅度大小，显示在对应的
41、探头位置上，则可得到某一深度范围缺陷的二维形状与分布（见图4-5。若以各点的亮度代表回波传播时间，则又可得到缺陷深度分布，称为TOF(Time Of Flight)图。图46所示为典型的C型显示图。仪器电路方框图和工作原理 TBF 。显示电路：主要由示波管及外围电路组成 电子枪发射的聚束电子以很髙的速度轰击荧光屏时，使荧光物质发光，在荧光屏上形成亮点。扫描电路的扫描电压和接收电路的信号电压分别加至水平偏转板和垂直偏转板，使电子束发生偏转，因而亮点就在荧光屏上移动，扫描出图形 测厚的方法很多，除了常规的机械方法（卡尺，千分尺等）外，还有其他一些方法，如超声波测量、射线测厚、磁性测厚、电流法测厚等
42、。这些方法中，目前应用最广的是超声波测厚。因为超声波测厚仪体积小，质量轻，速度快，精度髙，携带使用方便。超声波测厚仪分为共振式、脉冲反射式和乂姆波式3种 从超声波理论可知，超声波（连续波）垂直入射到平板工件底面，全反射。当工件厚度为/2的整数倍时，反射波与入射波互相叠加，形成驻波，产生共振。这时工件厚度与波速、频率的关系为 当n=1时，所得f为工件的基频。测得两个相邻的共振频率后，可由下式得到工件的厚度 脉冲反射式测厚仪是通过测量超声波在工件上下底面之间往返一次传播的时间来求得工件的厚度，其计算公式如下 兰姆波是超声波在薄板中传播的一种波。当超声波频率、入射角与工件厚度成一定关系时，便在薄板工
43、件中产生兰姆波。改变探头入射角或频率，使得出现兰姆波，然后根据探头的入射角或频率来测定工件的厚度。兰姆波测厚仪适用于薄板测厚，特别适用于小口径薄壁管测厚，如13mmx0.2mm 的管子等。但由于兰姆波有些技术问题尚未完全解决，因此兰姆波测厚仪应用较少。凡能将任何其他形式能量转换成超音频振动形式能量的器件均可用来发射超声波，具有可逆效应时又可用来接收超声波，这类元件称为超声换能器。以换能器为主要元件组装成具有一定特性的超声波发射、接收器件，常称为探头。超声波探头是组成超声检测系统的最重要的组件之一。探头的性能直接影响超声检测能力和效果。当前超声检测中采用的超声换能器主要有压电换能器、磁致伸缩换能
44、器、电磁声换能器和激光超声换能器。其中最常用的是压电换能器探头，其关键部件是压电晶片，是一个具有压屯特性的单晶或多晶体薄片，其作用是将电能转换为声能，并将声能转换为电能 某些晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。反之，当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。超声波探头中的压电晶片具有压电效应，当髙频电脉冲激励压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能（机械能），探头发射超声波。当探头接收超声波时，发生正压电效将声能转换为电能 压电换能器探头一般由压电晶片、阻尼块、接头、电缆线、保护膜和外壳组成,斜探头中通常还有一个
45、使晶片与入射向成-定角度的斜楔块。阁4 4一1818所示为探头的基本结构。1，压电晶片的作用是发射和接收超声波，实现电声换能。晶片的性能决定着探头的性能。晶片的尺寸和谐振频率，决定发射声场的强度、距离波幅特性与指向性。晶片制作质量的好坏，也关系着探头的声场对称型、分辨力、信噪比等特性 2，阻尼块是由环氧树脂和钨粉等按一定比例配成的阻尼材料，其声阻抗应尽可能接近压电晶片的声阻抗，紧贴在压电晶片或楔块后面。阻尼块对压电晶片的振动起阻尼作用，一是可使晶片起振后尽快停下来，从而使脉冲宽度减小，分辨力提高；二是阻尼块还可以吸收晶片向其背面发射的超声波；二是对晶片起支承作用。斜探头中，晶片前面已粘贴在斜楔
46、上，背面可不加阻尼块。伹斜楔内的多次反射波会形成一系列杂乱信号，故需在斜楔周围加上吸声材料，以减小噪声。3，保护膜的作用是保护压电晶片不致磨损或损坏。保护膜分为硬、软保护膜。硬保护膜适用于表面粗糙度较高的工件检测。软保护膜可用于表面粗糙度较低的工作检测。当保护膜的厚度为4的奇数倍，且保护膜的声阻抗 为晶片声阻抗和工件声阻抗的几何平均值时，超声波全透射。保护膜会使始波宽度增大，分辨力变差，灵敏度降低。在这方面，硬保护膜比软保护膜更严严重，石英晶片不易磨损，可不加保护膜 4，斜楔是斜探头中为了使超声波倾斜入射而装在晶片前面的楔块，斜楔使探头的晶片与工件表面形成一个严格的夹角：以保证晶片发射的超声波
47、按设定的倾斜角斜入射到斜楔与工件的界面，从而能在界面处产生所需要的波型转换，以便在工件内形成特定波型和角度的声束。同时，有了斜楔在晶片前面，就不再需要保护膜了 1，探头型号的组成项目基本频率：用阿拉伯数字表示，单位为MHz晶片材料：用化学元素缩写符号表示，见表4 3。晶片尺寸：用阿拉伯数字表示，单位为mm 探头种类：用汉语拼音缩写字母表示，见表4一4。直探头也可不标出 探头特征：斜探头钢中折射角正切角（K值)用阿拉伯数字表示钢中折射角用阿拉伯数字表示，单位为“”水浸聚焦探头水中焦距用阿拉伯数字表示，单位为mm。DJ表示点聚焦，XJ表示线聚焦 超声耦合是指超声波在检测面上的声强透射率。声强透射率
48、高，超声耦合好。为了改善探头与工件间声能的传递，而加在探头和检测面之间的液体薄层称为耦合剂。在液浸法检测中，通过液体实现耦合，此时液体也是耦合剂。当探头和工件之间有一层空气时，超声波的反射率几乎为100%，即使很薄的一层空气也可以阻止超声波传入工件。因此，排除探头和工件之间的空气非常重要。耦合剂可以填允探头与工件间的空气间隙，使超声波能够传入工件，这是使用耦合剂的主要目的。除此之外，耦合剂有润滑作用，可以减小探头和工件之间的摩擦，防止工件表面磨损探头，并使探头便于移动。常用耦合剂有水、甘油、机油、变压器油、化学糨糊等 水的优点是来源方便，缺点是容易流失，容易使工件生锈，有时不易润湿工件。液浸检
49、测中最常使用水作耦合剂，使用时可加入润湿剂和防腐剂等 甘油的优点是声阻抗大，耦合效果好，缺点是要用水稀释，容易使工件形成腐蚀坑，价格较贵。机油和变压器油的附着力、黏度、润湿性都较适当，也无腐蚀性，价格又不贵，因此是最常用的耦合剂 化学糨糊的耦合效果比较好，也是一种常用的耦合剂。与一般的测量方式一样，为了保证检测测结果的准确性、可重复性和可比性，必须用一个具有已知固定特性的试样对检测系统进行校准。这种按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体或模拟缺陷的试样，通常称为试块。试块和仪器、探头一样，是超声检测中的重要器材。一，超声检测用试块通常分为标准试块、对比试块和模拟试块三大类。1，标准试块
50、通常是由权威机构制定的试块，其特性与制作要求有专门的标准规定。标准试块通常具有规定的材质、形状、尺寸及表面状态。标准试块用于仪器探头系统性能测试校准和检测校准，如W试块。JB/T 4730.32005标准中釆用的标准试块有：钢板用标准试块CB、CB；锻件用标准试块CS、CS、CS，焊接接头用标准试块CSK-A、CSK-A、CSK-A。2，对比试块是以特定方法检测特定工件时采用的试块，含有意义明确的人工反射体（平底孔、槽等），它与被检工件材料声学特性相似，其外形尺寸应能代表被检工件的特征，试块厚度应与被检工件的厚度相对应。对比试块主要用下检测校准以及评估缺陷的当量尺寸，以及将所检出的不连续信号与
