超声波探伤物理基础知识讲解

第一章超声波探伤的物理基础By adan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1．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(H s)，1赫兹表示1秒钟内完成全振动，即1H s=1次/秒。

此外还有千赫(KH z),兆赫(MH z)。

1kH z=103H z,1MH z由周期和频率的定义可知，二者互为倒数(1.1)如某人说话的频率f=1000H z，表示其声带振动为1000次/秒，声带振动周期T=1/f=1/1000=0.001秒。

2.谐振动最简单最基本的直线强动称为谐振动。

培训教材之理论基础第一章无损检测概述无损检测包括射线检测（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）和涡流检测（ET）等五种检测方法。

主要应用于金属材料制造的机械、器件等的原材料、零部件和焊缝，也可用于玻璃等其它制品。

射线检测适用于碳素钢、低合金钢、铝及铝合金、钛及钛合金材料制机械、器件等的焊缝及钢管对接环缝。

射线对人体不利，应尽量避免射线的直接照射和散射线的影响。

超声检测系指用A型脉冲反射超声波探伤仪检测缺陷，适用于金属制品原材料、零部件和焊缝的超声检测以及超声测厚。

磁粉检测适用于铁磁性材料制品及其零部件表面、近表面缺陷的检测，包括干磁粉、湿磁粉、荧光和非荧光磁粉检测方法。

渗透检测适用于金属制品及其零部件表面开口缺陷的检测，包括荧光和着色渗透检测。

涡流检测适用于管材检测，如圆形无缝钢管及焊接钢管、铝及铝合金拉薄壁管等。

磁粉、渗透和涡流统称为表面检测。

第二章超声波探伤的物理基础第一节基本知识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。

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。

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。

机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。

超声波就是一种机械波。

机械波主要参数有波长、频率和波速。

波长λ：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，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，常用单位为米(m)；频率f：波动过程中，任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数称为频率，常用单位为赫兹(Hz)；波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，常用单位为米/秒（m/s）。

由上述定义可得：C=λ f ，即波长与波速成正比，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。

超声波探伤理论基础知识培训教材之理论基础第一章无损检测概述无损检测包括射线检测（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）和涡流检测（ET）等五种检测方法。

主要应用于金属材料制造的机械、器件等的原材料、零部件和焊缝，也可用于玻璃等其它制品。

射线检测适用于碳素钢、低合金钢、铝及铝合金、钛及钛合金材料制机械、器件等的焊缝及钢管对接环缝。

射线对人体不利，应尽量避免射线的直接照射和散射线的影响。

超声检测系指用A型脉冲反射超声波探伤仪检测缺陷，适用于金属制品原材料、零部件和焊缝的超声检测以及超声测厚。

磁粉检测适用于铁磁性材料制品及其零部件表面、近表面缺陷的检测，包括干磁粉、湿磁粉、荧光和非荧光磁粉检测方法。

渗透检测适用于金属制品及其零部件表面开口缺陷的检测，包括荧光和着色渗透检测。

涡流检测适用于管材检测，如圆形无缝钢管及焊接钢管、铝及铝合金拉薄壁管等。

磁粉、渗透和涡流统称为表面检测。

第二章超声波探伤的物理基础第一节基本知识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。

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。

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。

机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。

超声波就是一种机械波。

机械波主要参数有波长、频率和波速。

波长λ：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，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，常用单位为米(m)；频率f：波动过程中，任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数称为频率，常用单位为赫兹(Hz)；波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，常用单位为米/秒（m/s）。

由上述定义可得：C=λ f ，即波长与波速成正比，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。

超声波探伤是利用超声波在物质中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种探伤方法。

与射线探伤相比，超声波探伤具有灵敏度高、探测速度快、成本低、操作方便、探测厚度大、对人体和环境无害，特别对裂纹、未熔合等危险性缺陷探伤灵敏度高等优点。

但也存在缺陷评定不直观、定性定量与操作者的水平和经验有关、存档困难等缺点。

在探伤中，常与射线探伤配合使用，提高探伤结果的可靠性。

超声波检测主要用于探测试件的内部缺陷。

1、超声波：频率大于20KHZ的声波。

它是一种机械波。

探伤中常用的超声波频率为0.5~10MHz，其中2~2.5MHz被推荐为焊缝探伤的公称频率。

机械振动：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。

振幅A、周期T、频率f。

波动：振动的传播过程称为波动。

C=λ*f2、波的类型：（1）纵波L：振动方向与传播方向一致。

气、液、固体均可传播纵波。

（2）横波S：振动方向与传播方向垂直的波。

只能在固体介质中传播。

（3）表面波R：沿介质表面传播的波。

只能在固体表面传播。

（4）板波：在板厚与波长相当的薄板中传播的波。

只能在固体介质中传播。

3、超声波的传播速度（固体介质中）（1） E：弹性横量，ρ：密度，σ：泊松比，不同介质E、ρ不一样，波速也不一样。

（2）在同一介质中，纵波、横波和表面波的声速各不相同 CL ＞CS＞C R钢：CL =5900m/s， CS=3230m/s，CR=3007m/s4、波的迭加、干涉、衍射⑴ 波的迭加原理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。

几列波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它波一样，这就是波的迭加原理，又称波的独立性原理。

⑵ 波的干涉两列频率相同，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现象叫做波的干涉现象。

超声波探伤培训资料超声波探伤是利用超声波在物质中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种探伤方法。

与射线探伤相比，超声波探伤具有灵敏度高、探测速度快、成本低、操作方便、探测厚度大、对人体和环境无害，特别对裂纹、未熔合等危险性缺陷探伤灵敏度高等优点。

但也存在缺陷评定不直观、定性定量与操作者的水平和经验有关、存档困难等缺点。

在探伤中，常与射线探伤配合使用，提高探伤结果的可靠性。

超声波检测主要用于探测试件的内部缺陷。

1、超声波：频率大于20KHZ的声波。

它是一种机械波。

探伤中常用的超声波频率为0.5~10MHz，其中2~2.5MHz被推荐为焊缝探伤的公称频率。

机械振动：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。

振幅A、周期T、频率f。

波动：振动的传播过程称为波动。

C=λ*f超声波具有以下几个特性：（1）束射特性。

超声波波长短，声束指向性好，可以使超声能量向一定方向集中辐射。

（2）反射特性。

反射特性正是脉冲反射法的探伤基础。

（3）传播特性。

超声波传播距离远，可检测范围大。

（4）波型转换特性。

超声波在两个声速不同的异质界面上容易实现波型转换。

2、波的类型：（1）纵波L：振动方向与传播方向一致。

气、液、固体均可传播纵波。

（2）横波S：振动方向与传播方向垂直的波。

只能在固体介质中传播。

（3）表面波R：沿介质表面传播的波。

只能在固体表面传播。

（4）板波：在板厚与波长相当的薄板中传播的波。

只能在固体介质中传播。

3、超声波的传播速度（固体介质中）（1） E：弹性横量，ρ：密度，σ：泊松比，不同介质E、ρ不一样，波速也不一样。

（2）在同一介质中，纵波、横波和表面波的声速各不相同 CL＞CS＞CR钢：CL=5900m/s，CS=3230m/s，CR=3007m/s4、波的迭加、干涉、衍射⑴波的迭加原理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。

超声波探伤检测物理基础1.1超声波检测原理利用超声波在缺陷界面的反射来进行对缺陷的定位、定量和定性。

1.2超声波的产生和接受产生：逆压电效应：使用高频电压作用于压电晶片，使之产生高频的机械振动。

接收：压电效应：将机械振动作用于压电晶片产生电荷，以电能的形式进入仪器。

1.3超声波的特征1.3.1 频率高f＞20KHz,检测使用范围为0.3MHz～10MHz,常用1～5MHz，可作为直线传播，可使用几何光学的理论，讨论反射、透射等实际问题。

1.3.2 波长短如c=5900m/s，2.5MHz，λ=2.36mm。

属于毫米波，超声波传播距离长，探测厚度大，大大超过X-ray，穿透能力强1.3.3 具有波形转换的能力可以使用纵波检测还可以使用于横波检测, 讨论波形的传播路径。

1.3.4 检测灵敏度高可检测的最小缺陷为波长的一半。

1.4超声波检测方法1.4.1 穿透法一收一发探头，两平行面检测，会漏检（缺陷距底面距离大于声影长度）。

1.4.2 共振法连续波，用于测厚。

δ=nλ/2,n共振次数。

c=fλ, δ=c(f n-f n-1)/2。

探头晶片厚度的计算压电晶片的晶片厚度T为其传播波长一半时即产生共振，此时，在晶片厚度方向的两个面得到最大振幅，晶片中心为共振的驻点。

通常把晶片材料的频率f和厚度T的乘积称为频率常数Nt，若:T= λ/ 2 ,则：Nt＝f·T ＝C/2式中：C为晶片材料中的纵波声速。

由式可知，频率越高, 晶片越薄，制作越困难，且Nt小的晶片材料不宜用于制作高频探头。

1.4.3 脉冲反射法（A型为主）向工件中发射脉冲，脉冲遇到界面产生反射，根据反射信号来确定缺陷的存在，完成定位、定量和定性。

2超声波的一般概念2.1机械振动与机械波2.1.1 机械振动定义：物体在一定位置附近作来回重复的运动，称为振动。

简谐振动表达式物体在弹性力作用下发生的谐振动规律可用下是式表示：x＝Acos（ωt＋φ)谐振动的运动方程式表示位移x与时间t的关系式。