超声波探伤的物理基础——(第二节超声波的传播)

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。

第三章超声波探伤的通用方法和基础技术第二节超声波探伤的基本方法一、超声波探伤的缺陷定位原理脉冲反射法超声波探伤中对缺陷位置的确定，通常以探头所在的探测面作为测量基准。

由于示波管水平刻度线经时间轴比例适当调整后，它就能指示相应的距离，所以时间轴比例的调整(即探测范围调整)是缺陷定位中的重要环节。

1. 直探头纵波探伤直探头纵波探伤时，探测范围的调整可借助标准试块或对比试块进行，也可直接利用工件大平底面。

调节时应同时校正零位，使声程原点与水平刻度零位相互一致，按照需要调整的探测范围选择适当厚度的试块，以便得到两个以上的底面回波。

这是因为发射脉冲前沿位置与声程原点不一定一致，用一次底面反射(一个基准回波)不能正确调整探测范围和校正零位的缘故。

例如，调整钢中200mm的探测范围时，可用IIW试块厚度100mm作探测基准，调节深度粗调与细调，以及水平旋钮，使测距为100mm的一次底波B1和二次底波B2分别位于水平刻度的5格和10格处(见图3–16所示)，此时，时间轴水平刻度每格代表钢中声程20mm。

图3–16 直探头纵波探伤时探测范围调整2. 斜探头横波探伤斜探头横波探伤的定位方法不像直探头纵波探伤那样只用单一的声程定位，而有声程定位、水平定位和深度定位之分。

同时，为使定位计算方便，通常将斜探头入射点作为声程原点，并经零位校正后，声程原点与时间轴零位相一致。

这样，有机玻璃中一段纵波声程移在零位左边，零位右边的时间轴刻度直接表示了工件中反射体的声程、水平距或深度距离，读数方便。

图3–17为用斜探头横波进行焊缝探伤的示例。

图3–17 焊缝中缺陷的定位方法由图可知，所谓声程定位，即示波屏上显示的缺陷波前沿所对应的时间轴刻度，表示了缺陷距入射点的斜声程W ；水平定位则表示缺陷距入射点的水平距离x ；深度定位则表示缺陷距探测面的深度y 。

虽然它们确定缺陷位置的方法有所区别，但实际上经过简单的三角关系计算，可以很方便地进行相互换算。

超声波探伤基础知识超声波探伤是一种利用超声波的传播特性来检测材料内部缺陷和结构状况的无损检测方法。

本文将介绍超声波探伤的基础知识，包括超声波的产生与传播、超声波探测原理、超声波探测设备和应用领域。

一、超声波的产生与传播超声波是一种频率高于20kHz的机械波，通常通过压电晶体或磁性材料的震动来产生。

超声波在固体、液体和气体中的传播速度不同，固体中的传播速度最快，液体次之，气体最慢。

超声波在材料中的传播路径会受到材料的性质和形状的影响。

二、超声波探测原理超声波探测原理基于超声波在材料中传播时的特性变化。

当超声波遇到材料内部的缺陷或界面时，会发生反射、散射和透射等现象。

通过测量反射和透射的超声波信号，可以判断材料内部的缺陷类型、位置和尺寸。

三、超声波探测设备超声波探测设备主要由发射器、接收器、超声探头和信号处理系统组成。

发射器产生超声波信号，并将其发送到被测材料中；接收器接收反射和透射的超声波信号，并将其转换成电信号；超声探头是传输超声波信号和接收回波信号的装置；信号处理系统对接收到的信号进行放大、滤波、增益调节等处理，以便进行分析和判断。

四、超声波探测的应用领域超声波探测广泛应用于工业领域中的材料检测和结构健康监测。

在金属材料中，超声波探测可以检测焊缝、裂纹、气孔等缺陷；在混凝土中，超声波探测可以评估混凝土的质量和强度；在医学领域，超声波探测可以用于人体组织的检测和诊断。

总结：超声波探测是一种重要的无损检测方法，具有非破坏性、高灵敏度和快速检测的特点。

通过超声波的产生与传播、探测原理、探测设备和应用领域的介绍，我们对超声波探测的基础知识有了更深入的了解。

在实际应用中，我们需要根据具体的检测要求选择合适的超声波探测方法和设备，以确保检测结果的准确性和可靠性。

超声波探伤基础知识
超声波探伤是利用超声波在材料中传播和反射的特性来检测材料内部缺陷的一种无损检测技术。

以下是一些超声波探伤的基础知识：
1. 超声波：超声波是频率超过20kHz的机械波，它在材料中
的传播速度跟材料的密度、刚度等物理性质有关。

2. 超声波的传播：超声波在均匀材料中沿直线传播，当遇到界面或缺陷时会发生折射、反射和散射等现象。

3. 超声波的传感器：超声波传感器通常由压电材料制成，其中压电片会产生机械振动，将电能转换为超声波能量。

4. 超声波探头：超声波探头由超声波传感器和库仑耦合剂组成，用于将超声波能量传递到被检测材料中，并接收反射的超声信号。

5. 超声波的传播方式：超声波的常见传播方式包括纵波（沿着传播方向的振动方向与传播方向一致）和横波（沿着传播方向的振动方向与传播方向垂直）。

6. 超声波的缺陷检测：当超声波遇到材料中的缺陷（如裂纹、夹杂、气泡等），它会反射一部分能量回到探头。

通过分析反射信号的幅度、时间和形状等参数，可以判断缺陷的类型、大小和位置。

7. 超声波的图像生成：通过多次探测，将分析得到的超声信号以图像形式展示，可以获得材料内部缺陷的位置和形状信息。

超声波探伤在工业领域广泛应用，可用于检测金属、塑料、陶瓷等材料的缺陷，如焊接质量、母线接头、管道内部等。

它具有无损、快速、准确、可重复性好等优点，成为重要的材料检测技术。

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l：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=l 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。

它们的区别在主要在于频率不同。

频率在20~20000Hz之间的能引起人们听觉的机械波称为声波，频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20000Hz的机械波称为超声波。

次声波、超声波不可闻。

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1~5MHz。

超声波波长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛用于无损探伤。

1. 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级；超声波象光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，易于在被检材料中发现缺陷。

2. 能量高：由于能量（声强）与频率平方成正比，因此超声波的能量远大于一般声波的能量。

3. 能在界面上产生反射、折射和波型转换：超声波具有几何声学的上一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射、折射和波型转换等。

4. 穿透能力强：超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。

第一章 超声波探伤的物理基础第二节 超声波的传播一、波阵面和波形波形即波的形式，它由波动传播过程中某一瞬时振动相位相同的所有质点联成的面——波阵面的形状来加以区分，如球面波、平面波和柱面波。

(1) 球面波点状球体源在各向同性弹性介质中以相同的速度向四面传播声波时形成的波形为球面波，它的波阵面为一球面，见图1–4所示。

设球半径为R(X)，声源处于球心，这离声源不同距离上所得到的波阵面为一个个同心球面，而当R →∞(即离声源很远处的球面波)时可视为平面波。

由于球面积为2R 4π，因此，离声源距离(声程)X 越远，点声源的辐射面积也越大，而单位面积上的声能(即声强)就越小，也就是2122222121X XX4W X 4W I I =ππ=平均平均(1–2)图1–4 球面波的波形(2) 平面波和活塞波一个无限大的平面声源，在各向同性的弹性介质中作简谐振动所传播的波动称为平面波，其波阵面与声源平面平行，且沿直线传播时具有良好方向性。

理想的平面波是不存在的，但如果声源截面尺寸比它所产生的波长大得多时，该声源发射的声波可近似地看作是指向一个方向的平面波。

若不考虑材质衰减，平面波声压不随声源距离的变化而变化。

当平面声源尺寸与其在介质中产生的声波波长和传播距离可比时，若该平面片状声源在一个大的刚性壁上沿轴向作简谐振动，且声源表面质点具有相同相位和振幅，则在无限大各向同性的弹性介质中所激发的波动，称为活塞波，见图1–5所示，当因传播距离远远大于声源尺寸，则可将一定几何尺寸的片状声源视为点声源，传至相当远处的波形可认为是球面波。

(3) 柱面波如果声源具有类似无限长细长柱体的形状，它在各向同性无限大介质中发出同轴圆柱状波阵面的波动，称为柱面波。

理想的柱面波是不存在的，当声源长度远远大于波长、而其径向尺寸又比波长小得多时，此柱形声源产生的波动就可看成柱面波。

柱面波的特征介于球面波和平面波之间。

从图1–6可以看出，在Z方向与平面波相同，而在距声源不同声程上，为一个个以2πX周界扩展的同心圆柱面，其单位面积上声能(即声强)以1/2πX减少。

超声波探伤基础知识超声波探伤是一种非破坏性检测技术，广泛应用于各个领域，如工业制造、医学诊断等。

本文将介绍超声波探伤的基础知识，包括原理、设备和应用。

一、原理超声波探伤是利用超声波在材料中传播的特性来检测材料内部的缺陷或异物。

超声波是一种机械波，具有高频率和短波长的特点，能够穿透材料并在材料内部的缺陷处发生反射、散射或透射。

通过检测超声波的传播时间、幅度和频谱等参数，可以判断材料内部的缺陷类型、位置和大小。

二、设备超声波探伤设备主要由发射器、接收器、传感器和显示器组成。

发射器负责产生超声波信号，接收器负责接收反射、散射或透射的超声波信号，传感器将超声波信号转化为电信号，显示器用于显示检测结果。

根据具体应用需求，超声波探伤设备可以选择不同的传感器和工作模式。

三、应用超声波探伤广泛应用于工业制造领域。

在金属材料的生产过程中，超声波探伤可以检测材料的内部缺陷，如裂纹、夹杂等，以保证产品的质量。

在焊接、铸造等工艺中，超声波探伤可以检测焊缝的质量，排除潜在的缺陷。

超声波探伤也广泛应用于航空航天、汽车制造、电力设备等领域。

在航空航天领域，超声波探伤可以检测飞机零部件的缺陷，如发动机叶片的裂纹，以确保飞机的安全飞行。

在汽车制造领域，超声波探伤可以检测汽车零部件的缺陷，如车轮的裂纹，以提高汽车的安全性。

在电力设备领域，超声波探伤可以检测电力设备的绝缘状况，以保证电力设备的正常运行。

总结：超声波探伤是一种非破坏性检测技术，通过利用超声波在材料中传播的特性来检测材料内部的缺陷或异物。

超声波探伤设备主要由发射器、接收器、传感器和显示器组成，可以根据具体应用需求选择不同的传感器和工作模式。

超声波探伤广泛应用于工业制造、航空航天、汽车制造和电力设备等领域，用于检测材料的内部缺陷，保证产品的质量和安全性。