1、11钢结构无损检测钢结构无损检测 廖绍怀廖绍怀 华中科技大学土木工程与力学学院华中科技大学土木工程与力学学院 2013年年04月月2第一篇 无损检测概论 一、无损检测的定义 无损检测技术(Non-Destructive Testing,简称NDT)是第 二次世界大战后迅速发展起来的一门新兴的、多学科综合应用的工程科学。此项技术是在不改变及损伤被检对象的 各种性能(其中包括物理性能、化学性能、几何形状、表面状态等)的前提下，采用多种适用的方法对被检对象进行检测，以确定其质量，即确定该被检对象的实际使用 性能是否能满足事先设计的需要，以及确定其某些特性，如几何尺寸、所使用的材料、表面状况、均匀性、
2、密度等。3二二 金属探伤五种无损检测方法金属探伤五种无损检测方法 无损检测技术 基本原理能检测出的缺陷磁粉检测(MT)(MT)*Magnetic Testing 磁场作用 表面及近表面缺陷渗透检测(PT)(PT)Penetrant Testing毛细管作用表面开口缺陷涡流检测(ET)(ET)Eddy Testing电磁感应作用表面及近表面缺陷，压力容器超声波检测(UT)(UT)*Ultrasonic Testing超声波反射原理 内部缺陷，对面积型缺陷(如裂纹、未熔合)较敏感射线照测(RT)(RT)Radiography Testing射线衰减原理 内部缺陷，对体积型缺陷(如气孔、夹渣)较敏感
3、4三、无损检测五大常规手段的应用范围及性能对比三、无损检测五大常规手段的应用范围及性能对比 5金属探伤五种无损检测方法性能对比（续）金属探伤五种无损检测方法性能对比（续）6四、常用无损检测方法的识别界限7五、射线检测、超声检测对不同类型清晰的检出能力8 无损检测人员的级别分为：无损检测人员的级别分为：级级(初级初级)-培训培训4 4周，通过理论考试、实际操作考试，取得证书后周，通过理论考试、实际操作考试，取得证书后能能进行检测，但不能编写检测报告进行检测，但不能编写检测报告(不负责检测结果的评定不负责检测结果的评定)。级级(中级中级)-培训培训4 4周，通过理论考试、实际操作考试，取得证书后既
4、周，通过理论考试、实际操作考试，取得证书后既能进行检测，又能编写检测报告能进行检测，又能编写检测报告。级级(高级高级)-培训培训2 2周，通过理论周，通过理论(含专门技术、通用技术含专门技术、通用技术)考试、编制考试、编制工艺考试，工艺考试，能检测、编写检测报告还能解释标准、规范。能检测、编写检测报告还能解释标准、规范。证书有效期证书有效期:4年年 (5年年)六、无损检测人员的资质六、无损检测人员的资质9国家质监总局国家质监总局级证书级证书机械部机械部级证书、级证书、级级证书证书1010第二篇第二篇 超声波检测超声波检测第一章第一章 超声波检测的物理基础超声波检测的物理基础 11一、振动 1、
5、振动的一般概念 1）定义：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。2）例子：直接觉察弹簧振子、钟摆和汽缸中活塞运动。难以觉察固体分子的热运动，一切发声物体的运动以及超声波波源的运动。3）描述：（1）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)。（2）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)。第一节 振动与波动12.质点M在t时刻的相位t0时质点M的相位即t初相位,T22f的弧度数；化圆频率，即1秒钟内变；振幅，即最大水平位移式中：A)tAcos(y2、谐振动 1）定义：最简单
6、最基本的直线振动称为谐振动。2）特点：（1）回复力大小与位移成正比，方向总指向平衡位置。（2）振幅不变，为自由振动，其频率为固有频率。（3）物体做谐振动时，只有弹性力或重力做功，其它力不做功，符合机械能守恒的条件，因此谐振物体的能量遵守机械能守恒。在平衡位置时动能最大势能为零，在位移最大位置时势能最大动能为零，其总能量保持不变。3 3）谐振动方程）谐振动方程 133、阻尼振动 1）定义：振幅或能量随时间不断减少的振动。2）特点：振幅不断减少，而周期却不变。阻尼振动受到阻力作用，不符合机械能守恒。tAeyt)(:)cos(0220物体的固有频率阻尼系数式中144、受迫振动 1）定义：物体受周期性
7、变化的外力作用时产生的振动。2）特点：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。受迫振动物体受到策动力作用，不符合机械能守恒。3）共振：受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动力频率P与受迫振动物体固有频率w。相同时，受迫振动的振幅达最大值。这种现象称为共振。4）共振在超声的应用：设计探头中的压电晶片时，应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。15二、波动二、波动 1 1、机械波和电磁波、机械波和电磁波 机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程。机械波：机械振动在弹性
8、介质中的传播过程。超声波是机械波超声波是机械波。电磁波：电磁振荡在空间的传播过程。电磁波：电磁振荡在空间的传播过程。X X射线射线属于电磁波属于电磁波.产生机械波必须具备两个条件：产生机械波必须具备两个条件：a.a.要有作机械振动的波源；要有作机械振动的波源；b.b.要有能传播机械要有能传播机械 波的弹性介质。波的弹性介质。波动的机理可以用物波动的机理可以用物 质的弹性模型来说明。质的弹性模型来说明。16 弹性介质是由弹性力相联系的质点组成的。弹性介质是由弹性力相联系的质点组成的。当一个质点受到外力作用时，该质点便围绕其平当一个质点受到外力作用时，该质点便围绕其平衡位置往复振动。由于质点间以弹
9、性力相联系，衡位置往复振动。由于质点间以弹性力相联系，该质点的振动会引起相邻质点的振动，而相邻质该质点的振动会引起相邻质点的振动，而相邻质点的振动又会引起较远质点的振动，于是振动就点的振动又会引起较远质点的振动，于是振动就由近及远地传播开去。由近及远地传播开去。波动与振动是相互关联的，振动是波动的根波动与振动是相互关联的，振动是波动的根源，波动是源，波动是振动形式振动形式和和振动能量振动能量的传播。的传播。这种传这种传播是通过质点的连续位移变化来实现的，播是通过质点的连续位移变化来实现的，质点并质点并不发生迁移不发生迁移。17 2、波长、频率和波速 1）波长：同一波线上相邻两振动相位相同的质点
10、间的距离，用表示。常用单位为毫米(mm)或米(m)。2）频率f：波动中，任一点在1秒内所通过的完整波个数。波动频率在数值上同振动频率，单位为赫兹(HZ)。3）波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离，用C表示。常用单位为米/秒(m/s)或千米/秒(km/s)。4）三者关系：C=f或=C/f 由上式可知，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。18 例题例题1:1:已知钢中的纵波声速为已知钢中的纵波声速为5900m/s5900m/s，横波声速为横波声速为3230 m/s3230 m/s。试求。试求2.5MHz2.5MHz的声波在钢
11、的声波在钢中的纵波和横波波长。中的纵波和横波波长。解解:mmfCmmfCSSLL55.110210310015.3102106300636319 3 3、波动方程、波动方程 波动方程描述波线各质点在任一时刻的位移波动方程描述波线各质点在任一时刻的位移情况。情况。距波源的距离x(波数)2).cos()(coscKKxtAcxtAy20三、声波、超声波和次声波三、声波、超声波和次声波1、次声波、声波和超声波的划分 相同点：次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。不同点：频率 声波声波f=20Hzf=20Hz20000Hz,20000Hz,能引起听觉。次声波次声
12、波f f20Hz20Hz的机械波。的机械波。超声波超声波f f20000 Hz20000 Hz的机械波。的机械波。212、超声波的应用 超声探伤所用的频率一般在0.5-10MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为15 MHz。(1)超声波方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米数量级。超声波像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射。(2)越声波能量高：超声波探伤频率远高于声波，而能量(声强)与频率平方成正比。(3)能在界面上产生反射、折射和波型转换；在超声波探伤中。(4)超声波穿透能力强：超声波传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强。223、次声波的应用
13、 次声波的频率很低，波长很长，绕射能力强，传播衰减小、距离远。在大自然的许多活动中伴随着次声波的发生，例如地震、火箭起飞等。次声波近似平面波，沿着与地球表面平行的方向传播。23(一一)、根据质点的振动方向分类、根据质点的振动方向分类 1 1、纵波纵波L L（压缩波、疏密波）（压缩波、疏密波）质点振动方向与波的传播方向相互平行的波。质点振动方向与波的传播方向相互平行的波。纵波传播时，质点受交变拉伸应力作用，质点之间发纵波传播时，质点受交变拉伸应力作用，质点之间发生相应伸缩形变，质点疏密相间。生相应伸缩形变，质点疏密相间。纵波可在固体、气体和液体中传播。纵波可在固体、气体和液体中传播。固体介质能承
14、受拉伸或压缩应力固体介质能承受拉伸或压缩应力,因此固体介质可以传因此固体介质可以传播纵波播纵波;液体和气体虽不能承受拉伸和压缩应力液体和气体虽不能承受拉伸和压缩应力,但能承受但能承受压应力产生的容积变化压应力产生的容积变化,因此液体和气体也能传播纵波因此液体和气体也能传播纵波.第二节第二节 波的类型波的类型242、横波横波S（T）（切变波）（切变波）1）介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波。）介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波。2）特点：当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变形变，从而形成横波。）特点：当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变形变，从而形成横波。
15、3）传播介质：）传播介质：固体介质固体介质 液体和气体不能承受剪切应力液体和气体不能承受剪切应力,所以不能传播横波所以不能传播横波.253、表面波R（瑞利）1）定义：当介质表面受到拉伸和交变应力作用时，产生沿固体表面传播的波。2）特点：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。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，表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。3）传播介质：固体表面传播。2627 4 4、板波
16、板波 在板厚与波长相当的薄板中传播的波称为板波。在板厚与波长相当的薄板中传播的波称为板波。（1 1）SHSH波：水平偏振的横波在薄板中的传播。质点波：水平偏振的横波在薄板中的传播。质点振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向。振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向。28 （2 2）、兰姆波）、兰姆波 、对称型兰姆波（、对称型兰姆波（S S型）：型）：薄板中心层质点作纵向振动，上下表薄板中心层质点作纵向振动，上下表 面质点作椭圆振动，相位相反并对称于中心。面质点作椭圆振动，相位相反并对称于中心。、非对称型兰姆波（、非对称型兰姆波（A A型）：型）：薄板中心质点作薄板中心质点作 垂直振动，上下垂直振
17、动，上下 表面质点作椭圆表面质点作椭圆 振动，相位相同振动，相位相同 不对称。不对称。29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、气体介质钢板、锻件探伤等横 波质点振动方向垂直于波传播方向固体介质焊缝、钢管探伤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介质钢管探伤等板 波对称型(S型)上下表面：椭圆运动,中心：纵向振动固体介质(厚度与波长相当的薄板)薄板、薄壁钢管等(6mm)非对称型(A型)上下表面；椭圆运动，中心：横向振动30二、按波的形状分类1、有关概念：1）波的形状(波形)是指波阵面的形状。2）波阵面：同一时刻，介质中振动
18、相位相同的所有质点 所联成的面称为波阵面。3）波前：某一时刻，波动所到达 的空间各点所联成的面称为波前。4）波线：波的传播方向称为波线。31 1)1)、平面波：波阵面为平面的波。、平面波：波阵面为平面的波。波源为一平面。各质点振幅为常数，不随距离而变化。波动方程为：波源为一平面。各质点振幅为常数，不随距离而变化。波动方程为：)(coscxtAy2、分类：平面波、柱面波和球面波。2 2）柱面波：柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波称为柱波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。面波。柱面波的波源为一直线，其波束向四周扩散，柱面波的波源为一直线，其波束向四周扩散，各质点的振幅与离波源距离的平方根成反比。波动各质
19、点的振幅与离波源距离的平方根成反比。波动方程：方程：)(coscxtxAy32 3 3）球面波：球面波：波阵面为同心球面的波称为球面波。波阵面为同心球面的波称为球面波。球面波的波源为一点，其波束向四面八方扩散。各质点的振幅与离波源球面波的波源为一点，其波束向四面八方扩散。各质点的振幅与离波源的距离成反比。的距离成反比。波动方程：波动方程：)(coscxtxAy33三、按振动的持续时间分类三、按振动的持续时间分类 1 1、连续波、连续波 波源持续不断地振动所辐射的波。超声波穿透法探伤常采用连续波。2 2、脉冲波、脉冲波:波源振动持续时间很短(通常是微秒数量级，1微秒=10-6秒)，间歇辐射的波。
20、目前超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。34一、固体介质中的纵波、横波与表面波声速 1、固体介质不仅能传播纵波，而且可以传播横波和表面波等，但它们的声速是不相同的。此外介质尺寸的大小对声速也有一定的影响，无限大介质与细长棒中的声速也不一样。2、无限大固体介质中的声速1）在无限大的固体介质中（无限大固体介质是相对于波长而言的，当介质的尺寸远大于波长时，就可以视为无限大介质。）第三节 超声波的传播速度GCGCECRSL112.187.0)1(21.)21)(1(1.表面波波横波纵35 由上三式可知：由上三式可知：（1 1）固体介质的声速与介质的密度和弹性）固体介质的声速与介质的密度和弹性模量等有关，
21、不同介质声速不同；介质的弹性模量等有关，不同介质声速不同；介质的弹性模量愈大，密度愈小，声速愈大。模量愈大，密度愈小，声速愈大。（2 2）声速还与波型有关，在同一介质中，）声速还与波型有关，在同一介质中，纵波、横波、表面波的声速各不相同。它们之纵波、横波、表面波的声速各不相同。它们之间的关系是：间的关系是：C CL LC CS SC CR R 在钢中：在钢中：C CL L：C CS S：C CR R1.81.8：1 1：0.90.9 2 2、细长棒（、细长棒（棒径d）中的声速中的声速 在细长棒中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：ECLb363、声速与温度、应力
22、、均匀性的关系 1）一般固体中的声速随介质温度升高而降低。2）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。3）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。37 3 3、声速与温度、应力和组织均匀性关系、声速与温度、应力和组织均匀性关系 （1 1）一般固体介质中的声速随温度升高而降低；）一般固体介质中的声速随温度升高而降低；（2 2）介质中应力增加，声速增加，但增加缓慢；）介质中应力
23、增加，声速增加，但增加缓慢；（3 3）晶粒细，声速大，晶粒粗，声速小。（）晶粒细，声速大，晶粒粗，声速小。（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。）二、板波的声速二、板波的声速 板波传播时板波传播时受上下板面的影响，所以受上下板面的影响，所以其声速不仅与介质有其声速不仅与介质有关，而且与板厚和频率有关关，而且与板厚和频率有关。板波的相速度：指单一频率的声波在介质中的传播速度。板波的相速度：指单一频率的声波在介质中的传播速度。板波的群速度：指多个频率相近的波
24、在同一介质中传播时板波的群速度：指多个频率相近的波在同一介质中传播时互相合成后的包络线传播速度。互相合成后的包络线传播速度。38二、板波声速1、由于板波传播时受到上下板面的影响，因此板波声速与纵波、横波、表面波不同，它不仅与介质性质有关，而且与板厚、频率等有关。只有当板厚、频率、声速之间满足一定关系时，板波才能顺利传播。2、板波声速分为相速度和群速度。1）相速度是指单一频率的声波在介质中的传播速度。2）群速度是指多个相差不多的频率的波在同一介质中传播时互相合成后的包络线的传播速度。3、板波声速Cp与fd、CS、CL有关。4、实际探伤中，若是频率单一的连续波，那么板波声速就是相速度；若是脉冲波，
25、那么板波声速就是群速度。3940三、液体、气体介质中的声速1、液体、气体中声速公式1）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）由公式可知，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。2、液体介质中的声速与温度的关系1）几乎除水以外的所有液体，当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低。2）水温度在74左右时声速达最大值，当温度低于74时，声速随温度升高而增加；当温度高于74时，声速随温度升高而降低。BC 41三、声速测量三、声速测量 1 1、超声波
26、探伤仪、超声波探伤仪 a.a.比较法测量：（已知水中声速）比较法测量：（已知水中声速）将探头置于待测试件上，使底波对准某一刻度，试件中传播时间为：将探头置于待测试件上，使底波对准某一刻度，试件中传播时间为：t=2d/Ct=2d/C1 1 将探头置于水中，调节探头位置使水层底面回波对准同一位置。则水中将探头置于水中，调节探头位置使水层底面回波对准同一位置。则水中传播时间为：传播时间为：t=2b/Ct=2b/C2 2 则试件声速为：则试件声速为：C C1 1=C=C2 2b/db/d42 b.b.示波器测量示波器测量 用示波器测出声波在试件中的传播时间用示波器测出声波在试件中的传播时间t t，则声
27、速为，则声速为:C=2d/t C=2d/t43一、波的迭加与干涉1、波的迭加原理（波的独立性原理）：1）定义：当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。相遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进，好象在各自的途中没有遇到其他波一样。2）现象举例：石子落水，乐队合奏或几个人谈话。第四节波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理442、波的干涉：1）定义：两列频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的
28、现象。产生干涉现象的波叫相干波，其波源称为相干波源。2）如图所示，点波源S1、S2在M点引起的振动为：)(111cxtCOSAy)(222cxtCOSAy45质点M的合振动为：由上可知：(1)当n（n为整数)时，A=A1+A2。这说明当两相干波的波程差等于波长的整数倍时，二者互相加强，合振幅达最大值。(2)当=(2n+1)/2(n为整数)时，A=A1-A2。这说明当两相干波的波程差等于半波长的奇数倍时，二者互相抵消，合振幅达最小值。若A1=A2，则A=0，即二者完全抵消。)cos(1tAy2cos2112221AAAAA46二、驻波1、定义：两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相
29、迭加而成的波，称为驻波。2、波腹、波节驻波迭加时，有的点振幅恒为0，即这些点始终静止不动，称为波节。而有些点振动得到最大幅度的增大。振幅最大，称为波腹。波线上其余各点的振幅在0和2A之间。可见，驻波波线上各点似乎在作分段振动。47三、惠更斯原理和波的衍射三、惠更斯原理和波的衍射 1 1、惠更斯原理、惠更斯原理 介质中波动传播到的各点都可看作是发射子波的波源，在其后的介质中波动传播到的各点都可看作是发射子波的波源，在其后的 任意时刻这些子波的包任意时刻这些子波的包 迹就决定新的波阵面。迹就决定新的波阵面。利用惠更斯原理利用惠更斯原理 可以确定波前的几何可以确定波前的几何 形状和波的传播方向。形状
30、和波的传播方向。48 2、波的衍射(绕射)1）定义：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。2）特点：波的衍射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及波长的相对大小有关，当时反射强，绕射弱，声波几乎全反射。3）对探伤的利和弊：有利：使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播。不利：使一些小缺陷回波显著下降，以致造成漏检。49一、声压P1、定义：超声场中某一点在某一时刻所具有的压强与没有超声波存在时的静态压强之差，称为该点的声压，用表示。2、单位：帕斯卡(Pa)，微帕斯卡(Pa)1Pa=1N/m2 1Pa=106Pa3、
31、表达式：4、特点：声压的幅值与介质密度、波速和频率成正比。5、超声波探伤仪示波屏上的波高与声压成正比。第五节超声场的特征值)/(sincxtwcwP50二、声阻抗二、声阻抗Z Z 1、定义：超声场中任意一点的声压与该处质点振动速度之超声场中任意一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗。比称为声阻抗。常用Z表示。Z=Z=P/u=cu/u=P/u=cu/u=cc 声阻抗的大小等于介质密度和声速的乘积。声阻抗的大小等于介质密度和声速的乘积。2、单位：克/厘米2秒(g/cm2s)或千克/米2(kg/m2s)。3、特点：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
32、与两种介质的声阻抗密切相关。4、相关量：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=C，而大多数材料的密度和声速C随温度增加而减少。51二、声阻抗二、声阻抗Z Z 超声场中任意一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗。超声场中任意一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗。Z=Z=P/u=cu/u=P/u=cu/u=cc 声阻抗的大小等于介质密度和声速的乘积。声阻抗的大小等于介质密度和声速的乘积。三、声强三、声强I I 单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强。单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强。在同一介质中，在同一介质中，超声波的声强与声压的平方成正比
33、。超声波的声强与声压的平方成正比。52三、声强I1、定义：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。2、单位：瓦/厘米2(W/cm2)或 焦耳/厘米2秒(J/cm2s)。3、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。534、经推导可知平均声强为：由以上公式可知：1)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。2)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。(3)在同一介质中，超声波的声强与声压
34、的平方成正比。ZPZucAdtdxAtWI2222222121212154第六节第六节 分贝与奈培分贝与奈培一、分贝与奈培概念一、分贝与奈培概念 1 1、分贝：声强级单位。、分贝：声强级单位。标准声强标准声强I I1 1=10=10-16-16 W/cm W/cm2 2 以声强与标准声强之比的常用对数作为声强级单位。以声强与标准声强之比的常用对数作为声强级单位。）IIII分贝贝尔分贝贝尔(lg1010/11)(lg1212553、实际应用贝尔太大，故常取1/10贝尔即分贝(dB)来作单位。(dB)4、通常说某处的噪声为多少分贝，就是以10-16瓦/厘米2为标准利用上式计算得到的。各种声音的分贝
35、数大致如下：引起听觉的声强 10-16瓦/厘米2 0 dB树叶沙沙声 10-15瓦/厘米2 10 dB耳语 10-14瓦/厘米220 dB谈话 10-11瓦/厘米2 50 dB 大炮声 10-6瓦/厘米2 100 dB 超声波 10+4瓦/厘米2 200 dB1212lg20lg10PPII56、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 (dB)注：这里声压基准P1或波高基准H1可以任意选取。1）当时，0dB，说明两波高相等时，二者的分贝差为零 2）当时，6dB，说明H2为H1的2倍时，H2比H1，高6dB。3）当时，-6dB，说明H2为H1的l/
36、2时，H2比H1低6dB。1212lg20lg20HHPP57P2/P1或H2/H1104211/21/41/10dB201260-6-12-204）常用声压（波高比）对应的dB值列于下表。6 6、奈培（、奈培（NPNP）声压比的自然对数：声压比的自然对数：1NP=8.86 dB 1dB=0.115NP 1NP=8.86 dB 1dB=0.115NP)(1212NPHHLnPPLn58二、分贝与奈培的应用 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。例1，示波屏上一波高为
37、80mm，另一波高为20mm，问前者比后者高多少dB？解：=20lgH2/H1=20lg80/20=12 (dB)答：前者比后者高12dB。59例2，示波上有A、B、C三个波，其中A波比B波高3dB，C波比B波低3dB，已知B波高为50mm，求A、C各为多少mm?解：由已知得=20lgA/B=3 A=100.15B=70.6(mm)又=20lgC/B=-3 C=10-0.15B=35.4(mm)答：A、C分别为70.6mm和35.4mm。60第七节第七节 超声波垂直入射到界面时的超声波垂直入射到界面时的反射和透射反射和透射一、单一平界面的反射和透射一、单一平界面的反射和透射1 1、反射波和透射
38、波、反射波和透射波 反射波：在界面反射回原介质内的波。反射波：在界面反射回原介质内的波。透射波：透过界面在另一介质中传播的波。透射波：透过界面在另一介质中传播的波。2 2、反射波与透射波声压(声强)是按一定规律分配的。由声压反射率(声强反射率)和透射率(声强透射率)来表示。613、设入射波的声压为P0(声强为I0),反射波的电压为Pr(声强为Ir,透射波的声压为Pt(声强为It).4、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。2)界面两侧质点振动速度幅值相等，即5、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
39、别为21/)1(1ZtZrtr1220121202ZZZPPtZZZZPPrtr210/)(ZPZPPtr62 6 6、声强反射率和声强透射率声强反射率和声强透射率 声强反射率：反射波声强与入射波声强之比：声强反射率：反射波声强与入射波声强之比：声强透射率：透射波声强与入射波声强之比：声强透射率：透射波声强与入射波声强之比：7 7、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。可以看出：可以看出：T+R=1 T+R=1；t-r=1 t-r=12121212)(ZZZZIIR212210)(4ZZZZIITt63 8 8、讨论：、讨论：、当、当Z Z2
40、 2Z Z1 1时，时，r r0 0，反射波与入射波同相位，两波叠加，在界，反射波与入射波同相位，两波叠加，在界面上声压振幅增大为面上声压振幅增大为P P0 0+Pr+Pr。如平面波在水。如平面波在水/钢界面的反射和透射：钢界面的反射和透射：64 、当当Z Z1 1Z Z2 2时，时，r r0 0，反射波与入射波相，反射波与入射波相位相反，两波叠加，在界面上声压振幅减小为位相反，两波叠加，在界面上声压振幅减小为P P0 0-PrPr 。如平面波在钢。如平面波在钢/水界面的反射和透水界面的反射和透射：射：65 、当、当Z Z1 1Z Z2 2时，时，r=-1,t0.r=-1,t0.如钢如钢/空气
41、界面。声波几乎全反射，无空气界面。声波几乎全反射，无透射。透射。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、当Z Z1 1ZZ2 2时，时，r0,t=1.r0,t=1.钢钢/钢界面。声波几乎全透射，无反射。钢界面。声波几乎全透射，无反射。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1%左右,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。结论：超声波垂直入射到平界面时，声压或声强的分配比例仅与界面结论：超声波垂直入射到平界面时，声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关两侧介
42、质的声阻抗有关,与从何种介质入射无关。声阻抗相差越大，声压。声阻抗相差越大，声压反射率越大，声压透射率越低；声阻抗越接近，声压反射率越低，声压反射率越大，声压透射率越低；声阻抗越接近，声压反射率越低，声压透射率越大。透射率越大。66 例题例题4 4、不锈钢与碳钢的声阻抗差约为、不锈钢与碳钢的声阻抗差约为1%1%，试计算复合界面上的声压反射率？，试计算复合界面上的声压反射率？解：设碳钢的声阻抗解：设碳钢的声阻抗Z Z钢钢=1=1，则不锈钢的声，则不锈钢的声阻抗阻抗Z Z不不=1-1%=0.99=1-1%=0.99%5.0005.099.101.099.0199.01不钢不钢ZZZZr67二、薄层
43、介面的反射与透射情况1、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1.29(a)所示。1）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。2）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。682、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有关。3、均匀介质中的异质薄层(Z1Z3Z2)1）对于Z1=Z3Z2，即均匀介质中的异质薄层，其声压反射率与透射率为：式中：式中
44、：d d2 2-薄层厚度；薄层厚度；2 2-薄层中的波长薄层中的波长 m=Zm=Z1 1/Z/Z2 22222222222222sin)1(41112sin)1(4112sin)1(41dmmtdmmdmmr692）由以上公式可知：（1）当 (n为整数)时，r0，t1。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(r0)，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）当 (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。222 nd4)12(22nd704、薄层两侧介质不同的双界面 1）对于 ，即
45、非均匀介质中的薄层，例如晶片-保护膜-工件，其声强透射率为：2）由上式可知：（1）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。（2）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 的奇数倍，薄层声阻抗为其两侧介质声阻抗几何平均值时，即 ，其声强透射率等于1，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。231ZZZ22222312222231312sin)(2cos)(4dZZZZdZZZZT42312ZZZ71二、声压往复透射率1、在超声波单探头探伤中，探头兼作发射和接收超声波
46、。2、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1.32所示。这时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T。23131t00)(4PPPPPPZZZZTt往72 在底面全反射的情况下，声压往复透射在底面全反射的情况下，声压往复透射率：率：与声强透射率数值相等。与声强透射率数值相等。若底面反射率为若底面反射率为 则声压往复透射率为：则声压往复透射率为：2221211)(4rZZZZT往2323ZZZZr)1(2rrT往733、分析公式可知超声波垂直入射时，在底面全反射的条件下声压往复透射率与声强透射率在数值上相等。例如用PZ
47、T-5晶片()对钢制工件()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：4、由公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。5、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。秒厘米克261/1037.3Z秒厘米克262/10.504Z%8.97)50.437.3(50.437.34)(4223131ZZZZT74 例题例题5 5、已知钛和钢的声阻抗差约为、已知钛和钢的声阻抗差约为40%40%。若从钢一侧探测钛。若从钢一侧探测钛/
48、钢复合板，求复合层回钢复合板，求复合层回波与底面回波的分贝差。波与底面回波的分贝差。解：解：)(82.11975.025.0lg20lg209375.0)25.0(1125.016.016.06.0%60%401122dBTrrTZZZZrZ，Z钢钛钢钛钛钢则设75第八节第八节 超声波斜入射到界面的反射和折射超声波斜入射到界面的反射和折射一、反射、折射和波型转换一、反射、折射和波型转换 76 1 1、反射和反射波：、反射和反射波：超声波斜入射至界面时，一部分声波返回原介质中，改变方向传播，超声波斜入射至界面时，一部分声波返回原介质中，改变方向传播，称为反射，该声波称反射波。称为反射，该声波称反
49、射波。2 2、折射和折射波：、折射和折射波：超声波斜入射至界面时，一部分声波进入第二种介质，改变方向继续超声波斜入射至界面时，一部分声波进入第二种介质，改变方向继续传播，称为折射，该声波称为折射波。传播，称为折射，该声波称为折射波。3 3、波型转换：、波型转换：超声波斜入射至界面时，除产生同种波型的反射和折射波外，不产生超声波斜入射至界面时，除产生同种波型的反射和折射波外，不产生不同类型的反射和折射波，这种现象称为波型转换。不同类型的反射和折射波，这种现象称为波型转换。77 4 4、反射、折射定律（斯奈尔定律）反射、折射定律（斯奈尔定律）超声波斜入射到界面时，其产生的反射波、折射波和入射波的角
50、度之间超声波斜入射到界面时，其产生的反射波、折射波和入射波的角度之间存在下列关系存在下列关系（反射折射定律）：（反射折射定律）：（1 1）纵波斜入射）纵波斜入射 （2 2）横波斜入射）横波斜入射 22111sinsinsinsinsinSsLLSsLLLLCCCCC22111sinsinsinsinsinSSLLLLSSSsCCCCC78 斯奈尔定律可简化为下式表示：斯奈尔定律可简化为下式表示：由公式得知：超声波斜入射至平界面时，其反射角、折射角的大小只由公式得知：超声波斜入射至平界面时，其反射角、折射角的大小只与界面两侧介质的声速有关。声速大则角大，声速小则度小，声速相等与界面两侧介质的声速
