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1、声学探测第声学探测第6次课次课222212111sinsinsinsinsinssllssllliccccc纵波入射角称为第一临界角纵波入射角称为第一临界角 902l21arcsinllcc902s21arcsinslcc如果纵波的入射角大于第二临界角,声波沿固体表面传播，称之为表面波表面波 i横波探伤横波探伤 123TBF1.探头，探头，2.缺陷，缺陷，3.底面底面脉冲反射法探伤原理图脉冲反射法探伤原理图 （脉冲源激励发射换能器产生声脉冲（脉冲源激励发射换能器产生声脉冲进入介质内部进入介质内部遇到阻抗不连续处反射声波遇到阻抗不连续处反射声波接收换能器接收声波接收换能器接收声波转转化为电信号显
2、示化为电信号显示判断）判断）a)无缺陷 b)有小缺陷 c)有大缺陷图脉冲反射法 TBBTF（a） （b）底面反射脉冲高度法底面反射脉冲高度法 （a）无缺陷 （b）有缺陷脉冲多次反射探伤 采用斜探头探测取向比较刁钻的缺陷采用斜探头探测取向比较刁钻的缺陷 切向波探头的一种设计方案a)无缺陷b)有小缺陷c)有大缺陷穿透法原理213反射式穿透法探伤示意图反射式穿透法探伤示意图 2LTRtSHS缺陷后形成的声影缺陷后形成的声影 2LTRtSHS缺陷后形成的声影缺陷后形成的声影 声影的形状基本上有一段是截面不变的，之后是按一声影的形状基本上有一段是截面不变的，之后是按一定角度绕射，缺陷距离接收探头越远，对
3、能量遮挡的定角度绕射，缺陷距离接收探头越远，对能量遮挡的影响越小。当缺陷距离接收探头的距离大于影响越小。当缺陷距离接收探头的距离大于 时，所时，所接收到的声能基本上不受缺陷的影响。接收到的声能基本上不受缺陷的影响。 HS共振法纵波探伤法的基本原理纵波探伤法的基本原理 当工件中无缺陷时，显示器上出现指数曲线递减的多次反射底波。当工件中无缺陷时，显示器上出现指数曲线递减的多次反射底波。当工件内有吸收性缺陷时（如疏松等）时，声波在缺陷处衰减很大，当工件内有吸收性缺陷时（如疏松等）时，声波在缺陷处衰减很大，反射底波的次数减少甚至消失，以此判断有无缺陷及其严重程度反射底波的次数减少甚至消失，以此判断有无
4、缺陷及其严重程度 . .横波探伤法基本原理横波探伤法基本原理 表面波对表面裂缝的探伤 注意：表面波探伤是不适合应用于液浸表面的探伤。表面粗糙度对表面波有明显的影响，粗糙的表面由于容易发声散射而使表面波的衰减增大 .1arcsinlpicc1lcpc表示第一种介质中的纵波声速，表示第一种介质中的纵波声速， 表示在板中所激励的兰姆波的表示在板中所激励的兰姆波的传播速度（相速度）。传播速度（相速度）。 应用场合：层状缺陷；应用场合：层状缺陷； 薄板材的探伤。薄板材的探伤。 fc2112nll1212nfllc当调节螺旋计时，反射板也随之当调节螺旋计时，反射板也随之移动，使声程发生改变，这时在移动，使
5、声程发生改变，这时在一系列特定的距离上，介质中将一系列特定的距离上，介质中将会出现驻波共振现象。有反射板会出现驻波共振现象。有反射板时，换能器采用收发兼用的形式。时，换能器采用收发兼用的形式。该方法要求反射板和换能器之间该方法要求反射板和换能器之间严格平行，测得的电流和距离之严格平行，测得的电流和距离之间的关系。间的关系。不断改变信号发生器的频率，电压表极大值对应试样不断改变信号发生器的频率，电压表极大值对应试样共振，由频率计测出共振频率共振，由频率计测出共振频率 f ,试样长为试样长为 利用利用 即可求出声速。即可求出声速。 2l fc纵液cc/arcsin横液cc/arcsinsin液纵c
6、csin液横cc在测试中用脉冲信号而不同连续波，这样可以减小干涉的影响。另外，待测样品一定要作得两面光滑平行。tlc/发射探头接收探头收发两用探头ll发收收收收收收收收收收收(a)透射法波形 （b）反射法波形计数器发生器接收器整形鉴别发射探头接收探头l发射换能器被激发后向被测介质中辐射声波，声波在介质中传播一段距离发射换能器被激发后向被测介质中辐射声波，声波在介质中传播一段距离l后被接收换能器接收，被接收的声信号转换成电信号后经放大、整形和鉴后被接收换能器接收，被接收的声信号转换成电信号后经放大、整形和鉴别后又去触发发射电路，使发射换能器发射下一个声脉冲，如此循环往复，别后又去触发发射电路，使
7、发射换能器发射下一个声脉冲，如此循环往复，便得到一个声脉冲系列。便得到一个声脉冲系列。 flTlc /关键在于测量系列脉冲的重复频率关键在于测量系列脉冲的重复频率f f或周期或周期T Tfc sinc液纵csinc液横ctL纵c， 利用上面的公式求出声速利用上面的公式求出声速 2 ndnfcnd212 fcd dcf2nmffcnmd2nmffcnmd22tcd 脉冲反射式的厚度测量可分为两种测量方法：一是接触式测量厚度，二脉冲反射式的厚度测量可分为两种测量方法：一是接触式测量厚度，二是非接触式测量，接触式测量一般用于普通工件的厚度测量。非接触式是非接触式测量，接触式测量一般用于普通工件的厚度
8、测量。非接触式厚度测量用于复杂恶劣环境中，探头不易和工件表面接触，如高温、高厚度测量用于复杂恶劣环境中，探头不易和工件表面接触，如高温、高压、或具有强烈腐蚀性的环境。压、或具有强烈腐蚀性的环境。 多普勒法声束偏转法相差法脉冲间隔法声环法时差法超声测量流量先测出流体流动的速度，进而获得流体流量先测出流体流动的速度，进而获得流体流量 AVQA是管道中流体的横截面积是管道中流体的横截面积, V是管道中流体平均的流动速度。是管道中流体平均的流动速度。 DV1T2R2T1Rcc声环法测量流量原理图基本原理基本原理: :是当探头是当探头T T1 1受电受电信号激励后发射声波，在信号激励后发射声波，在流体介
9、质流体介质( (以下简称流介以下简称流介) )中传播后被探头中传播后被探头R R1 1接收，接收，然后再经放大后的电脉冲然后再经放大后的电脉冲去激励探头去激励探头T T1 1，形成一次，形成一次循环过程，即循环过程，即1T11TR 流介 相反从探头R1，发出的声脉冲经流介传播之后被T1接收。转换成电信号经放大后再返回激励R1，形成一次循环即：1R11RT 流介cos2VcLtcos1VcLtLVcfcos1LVcfcos2sinDLLVLLVcLVcfffcos2coscos21cossin2cos2fDfLVcossin8232fDDVQcos1VcLtcos2VcLt212222 cosc
10、osvtttcV 222cosVc 2cos2cVLt sinDL ctgcDVt22 DctgtcV22 tgtcDDVQ2282DLABVT由于流体在流动时，把探头发射的声波向前扰动了一个位置，由于流体在流动时，把探头发射的声波向前扰动了一个位置，使得声束向前偏移了使得声束向前偏移了L距离距离 ，原声束和被扰动后的声束之间原声束和被扰动后的声束之间的夹角为的夹角为 DLcVtgcDLV442LcDVDQDLABVT在相对发射探头在相对发射探头T的对侧，在流体静止而不流动时的声轴线对称两侧安装两的对侧，在流体静止而不流动时的声轴线对称两侧安装两个接收探头个接收探头R1和和R2.,当流体不流动
11、探头当流体不流动探头T发射声波时，两个接收探头发射声波时，两个接收探头R1和和R2由于对称安装，所以接收到的声信号强度相同，如果流体流动，促使声速偏由于对称安装，所以接收到的声信号强度相同，如果流体流动，促使声速偏移，则探头移，则探头R1和和R2接收到的信号强度不相同。偏移量越大，这个差值就越接收到的信号强度不相同。偏移量越大，这个差值就越大，但流体流动引起对声束的偏移量大，但流体流动引起对声束的偏移量L毕竟是很小的，大约只有管道直径的毕竟是很小的，大约只有管道直径的1/1000。所以，在实际采用这种方法测量流量时，为了增大偏移量，采用折。所以，在实际采用这种方法测量流量时，为了增大偏移量，采
12、用折射变换器的方法使声线在管内产生多次反射，以扩大偏移量来提高流量检测射变换器的方法使声线在管内产生多次反射，以扩大偏移量来提高流量检测的灵敏度的灵敏度 TRfVcVcfcoscosTTRfVcVfffcoscos2cosVc TfcVfcos2cos2TffcVcos8422TffcDVDQ 超声测量物位是超声测量中最常见的一种技术，其中包括液位测超声测量物位是超声测量中最常见的一种技术，其中包括液位测量和料位测量两个方面的内容。量和料位测量两个方面的内容。 超声液位测量大多采用脉冲回波法。根据传声介质的不同分为液介式，超声液位测量大多采用脉冲回波法。根据传声介质的不同分为液介式，气介式和固
13、介式的三种形式。气介式和固介式的三种形式。精确测量出发射和接收声脉冲之间的时间间隔，若知精确测量出发射和接收声脉冲之间的时间间隔，若知(或测或测出出)声波在介质中的传播速度声波在介质中的传播速度c ，则探头距液面的距离，则探头距液面的距离 如果测量是液介式的，换能器必须安装在液体中最低液位之下，如图所示，如果测量是液介式的，换能器必须安装在液体中最低液位之下，如图所示，这时这时L 可认为是液位高度。若用气介式的测量法，换能器是安装在最高液位之可认为是液位高度。若用气介式的测量法，换能器是安装在最高液位之上的空气介质里，如图所示，这时液位的高度就不是上的空气介质里，如图所示，这时液位的高度就不是
14、L而是探头距底面的高度而是探头距底面的高度H 减去探头距液面的高度减去探头距液面的高度L 即即12Lc t12hHLHc t 对于固介式的测量方式是把传声固体棒或管插入液体中，棒的上对于固介式的测量方式是把传声固体棒或管插入液体中，棒的上端要高出液面，发射或接收探头安装在棒的顶端上。发射和接收声波端要高出液面，发射或接收探头安装在棒的顶端上。发射和接收声波是沿着固体传播的，计算液位时式仍可适用，但这时式中的是沿着固体传播的，计算液位时式仍可适用，但这时式中的c是固体中是固体中传播的声速，传播的声速，L是换能器到液面棒的长短。是换能器到液面棒的长短。 料位测量和液位测量一样，也可分为定点测量和连
15、续测量两种形料位测量和液位测量一样，也可分为定点测量和连续测量两种形式，因为测量对象都是大型容器或窑炉中的粉未状，颗粒状或块状的式，因为测量对象都是大型容器或窑炉中的粉未状，颗粒状或块状的物质，所以，一般采用气介式的测量方法。物质，所以，一般采用气介式的测量方法。 料位的定点超声测量比较现实的方料位的定点超声测量比较现实的方法是空气中的穿透方式，如图所示法是空气中的穿透方式，如图所示.若收发探头间有料物阻挡，声波会若收发探头间有料物阻挡，声波会在料物上被反射和散射以及吸收，在料物上被反射和散射以及吸收，使得到达接收探头上的声信号大为使得到达接收探头上的声信号大为减少，所以，和无阻挡时的换能器减
16、少，所以，和无阻挡时的换能器信号相差甚远，这样就可进行信号相差甚远，这样就可进行料位的定点检测。料位的定点检测。 连续测量料位不能用穿透式气介方式，而只能采用脉冲回波气连续测量料位不能用穿透式气介方式，而只能采用脉冲回波气介方式进行检测，如图所示：介方式进行检测，如图所示： 可用单发单收探头也可用收发可用单发单收探头也可用收发共用一个探头，探头要装在容器共用一个探头，探头要装在容器顶部，使其和所加料位有一定的顶部，使其和所加料位有一定的距离，接收探头接收到从料物反距离，接收探头接收到从料物反射回来的声波即可计算出料位的射回来的声波即可计算出料位的高度。料位测量不像液位那样容高度。料位测量不像液
17、位那样容易检测，而有一定的难度易检测，而有一定的难度. .进料口收发两用探头侧壁反射回波 图中安装了两只相向的导管式超图中安装了两只相向的导管式超声换能器声换能器1 1和和2 2。这两只换能器都是。这两只换能器都是收发两用的，它们分别发射一定周收发两用的，它们分别发射一定周期的脉冲信号，期的脉冲信号，1 1发射声波时，发射声波时，2 2接接收声波；收声波；2 2发射声波时，发射声波时，1 1接收声波。接收声波。两只换能器之间的距离为两只换能器之间的距离为L L。在空。在空气中超声的传播是通过空气的振动气中超声的传播是通过空气的振动进行的，在顺风时，传播速度快一进行的，在顺风时，传播速度快一些，
18、逆风时，超声传播时间慢一些。些，逆风时，超声传播时间慢一些。L换能器12t1t换能器2V声波由声波由1传到传到2（顺风时）所用时间为（顺风时）所用时间为t1，声波由，声波由2传到传到1（逆风时）所用时间为（逆风时）所用时间为t2，设所要测量风速为设所要测量风速为V，t1和和t2可以用下面的方程式表示可以用下面的方程式表示1LtcV2LtcV2t211 22ttLVt t 可测量微风速，由于没有向排风管内插入任何物体，可测量微风速，由于没有向排风管内插入任何物体，也没有可动的机械部分，因此维修保养检查方便。也没有可动的机械部分，因此维修保养检查方便。 气体种类变化、环境温度不受影响。因此输出信号
19、呈气体种类变化、环境温度不受影响。因此输出信号呈线性，有利于数据处理及控制。线性，有利于数据处理及控制。 气体温度过高时，超声波的衰减将增加气体温度过高时，超声波的衰减将增加, ,有时导致不有时导致不能测量。能测量。 当气体中混入灰尘时，超声向灰尘辐射时，产生散射，当气体中混入灰尘时，超声向灰尘辐射时，产生散射，使系统噪声增加，从而引起测量精度下降。使系统噪声增加，从而引起测量精度下降。30017dB 一般的温度计一般的温度计 (如水银温度计等如水银温度计等)都是接触测温，使温度计和被都是接触测温，使温度计和被测介质相接触，使被测介质的温度和温度计敏感部分温度达以平衡后，测介质相接触，使被测介
20、质的温度和温度计敏感部分温度达以平衡后，以敏感部分的体积或高度来衡量温度的高低，因为二者温度平衡有一以敏感部分的体积或高度来衡量温度的高低，因为二者温度平衡有一定的时间过程，所以，用这种温度计测量温度比较慢。定的时间过程，所以，用这种温度计测量温度比较慢。 另外，这些温度计在测温时是由于体积或高度变化来衡量温度的另外，这些温度计在测温时是由于体积或高度变化来衡量温度的高低，测量范围受到一定限制，如以超高温（温度达高低，测量范围受到一定限制，如以超高温（温度达1万度以上）或万度以上）或超低温测量超低温测量 (如如2K20K温度温度)都比较困难。超声测温有着测温范围宽，都比较困难。超声测温有着测温
21、范围宽，非接触以及反应速度快，可遥测遥控等特点而被广泛关注。非接触以及反应速度快，可遥测遥控等特点而被广泛关注。 超声测温分为两大类。一是直接测量空气中的温度，称为气介超声测温分为两大类。一是直接测量空气中的温度，称为气介温度计。二是利用对温度敏感的固体作为中间介质来测温，称为固介温度计。二是利用对温度敏感的固体作为中间介质来测温，称为固介式的温度计。式的温度计。 气介式温度计不用中间介质作为测温体，而是直接测量声波在空气气介式温度计不用中间介质作为测温体，而是直接测量声波在空气中的传播速度，以求得空气中的真实温度。中的传播速度，以求得空气中的真实温度。空气中的声速空气中的声速c 与绝热温度与
22、绝热温度T，水蒸气张力，水蒸气张力e ，气压，气压P之间的关系是之间的关系是20.0671 0.3192ecTP通常环境条件下，空气中声速与温度的关系可表示为通常环境条件下，空气中声速与温度的关系可表示为20.067cT22220.067402.684ccT 只要测知介质中的声速只要测知介质中的声速c c便可求出温度便可求出温度 若表示成摄氏温度若表示成摄氏温度 2273273402.684ctT 温度温度的测量与风速的测量一样，只要测的测量与风速的测量一样，只要测出超声波的传播时间就可求出，因此，国外出超声波的传播时间就可求出，因此，国外一些速度测量仪同时兼有温度测量。一些速度测量仪同时兼有
23、温度测量。 固介式的温度计有两种类型，一种是以石英为敏感元件的石英温度固介式的温度计有两种类型，一种是以石英为敏感元件的石英温度计；另一种是以细丝为敏感元件做成的温度计。计；另一种是以细丝为敏感元件做成的温度计。 石英晶体产生振荡时，周围环境温度有微小的变化都能改变石英晶石英晶体产生振荡时，周围环境温度有微小的变化都能改变石英晶体的振荡频率，因此，可利用石英晶体振荡频率的变化测量温度。在一体的振荡频率，因此，可利用石英晶体振荡频率的变化测量温度。在一般情况下，石英晶体的振荡频率和温度之间的关系为般情况下，石英晶体的振荡频率和温度之间的关系为 230 1f tfttt利用这种原理制成了石英温度计
24、。石英温度计已被广泛应用于科利用这种原理制成了石英温度计。石英温度计已被广泛应用于科学研究领域。例如，在热量测定方面，对比热、溶解热、反应热学研究领域。例如，在热量测定方面，对比热、溶解热、反应热以及燃烧热等的精确测定。另外还可以在海洋研究中测定海水的以及燃烧热等的精确测定。另外还可以在海洋研究中测定海水的温度。温度。 超声测量硬度原理：一端固定的杆件另一端与机械负载相接触，随超声测量硬度原理：一端固定的杆件另一端与机械负载相接触，随着负载物理状态及性能的变化，杆件自身的振动频率将发生变化，亦即着负载物理状态及性能的变化，杆件自身的振动频率将发生变化，亦即波长发生变化，当杆件自由端不与负载接触
25、时，如左图所示，杆的固定波长发生变化，当杆件自由端不与负载接触时，如左图所示，杆的固定端受到一定的约束力，振动受到阻碍，振幅最小而形成节点，自由端振端受到一定的约束力，振动受到阻碍，振幅最小而形成节点，自由端振幅最大形成腹点，这时杆的振动变成杆长的幅最大形成腹点，这时杆的振动变成杆长的 的振动。的振动。 当杆的自由端与被测工件接触时，由于工件的硬度不同，杆件的振当杆的自由端与被测工件接触时，由于工件的硬度不同，杆件的振动频率也不相同，所以杆振动波长也将从动频率也不相同，所以杆振动波长也将从 变化到变化到 。如右图所示。如右图所示。通过测量杆振动的频率，即可得到工件或材料的硬度，这就是超声测量通
26、过测量杆振动的频率，即可得到工件或材料的硬度，这就是超声测量硬度的依据。硬度的依据。1/41/41/2 振动杆是由一个磁致伸缩材料构成振动杆是由一个磁致伸缩材料构成的换能器，杆上绕制线圈，杆的上端焊的换能器，杆上绕制线圈，杆的上端焊一块质量比较大的钢圆柱体，下端接一一块质量比较大的钢圆柱体，下端接一个小质量的金刚石压头，当激励线圈中个小质量的金刚石压头，当激励线圈中有感应电流时，振动杆就作纵向振动，有感应电流时，振动杆就作纵向振动，由于杆的上下振动，挤压着压电晶体，由于杆的上下振动，挤压着压电晶体， 使其产生电信号，经放大器放大后又送回激励线圈中，从而构成一个使其产生电信号，经放大器放大后又送
27、回激励线圈中，从而构成一个自激振荡器，振荡频率就是杆的振动频率。杆的振动频率将随压头和自激振荡器，振荡频率就是杆的振动频率。杆的振动频率将随压头和工件接触时的负荷而变。从激励放大器取出一个信号，去触发脉冲形工件接触时的负荷而变。从激励放大器取出一个信号，去触发脉冲形成电路，使其形成一个脉冲重复频率是杆振动频率的一半的方脉冲，成电路，使其形成一个脉冲重复频率是杆振动频率的一半的方脉冲，然后再送入鉴频器，把频率转化成直流电流的变化，令其指示硬度。然后再送入鉴频器，把频率转化成直流电流的变化，令其指示硬度。 以上介绍了超声测量硬度的原理，硬度计主要用于测量金属的洛以上介绍了超声测量硬度的原理，硬度计主要用于测量金属的洛氏硬度。氏硬度。 超声测量的其他应用超声测量的其他应用：粘度、密度、浓度测定；超声粘度、密度、浓度测定；超声积雪计；移动物体检测；超声计数器；火灾和入侵报警器；交通积雪计；移动物体检测；超声计数器；火灾和入侵报警器；交通流量的超声波检测；超声雨量计。流量的超声波检测；超声雨量计。72 结束语结束语