超声讲义原始稿.doc

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1、绪论无损检测是指在不损坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助于先进的技术和设备器材，对内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试的方法。在无损检测技术发展过程中，出现过三个名称，即：无损探伤（Non-distructive Inspection）无损检测（Non-distructive Testing），无损评价（Non-distructive Eralvation）。这三个名称体现了无损检测从探伤到评价的演变。无损探伤最早期阶段的名称，其涵义是探测和发现缺陷；无损检测是当前阶段的名称，其内涵是不仅探测缺陷，还包括探测试件的一些其他信息，例如结构、性质、状态等，并试图通过测试，掌握更多的

2、信息；而无损评价不仅包括前述两个名称的内涵，更重要的对缺陷的形状、尺寸、位置、取向、内含物，缺陷部位的组织做出较明确的描述，尤为重要的是缺陷部位的组织，残余应力等。结合成像技术，自动化技术，计算机数据分析和处理等技术，与材料力学，断裂力学等学科知识应用，对试件或产品的质量和性能给出全面，准确评价进而对设备寿命进行评估。对无损评价来说，设计、结构分析人员、材料、工艺人员与无损检测人员的相互协作至关重要。从事无损检测评价工作的技术人员除必须掌握方法的理论基础，正确运用检测技术，也需要对设计要求有很好的理解，对制造过程有丰富的知识以了解不同工艺可能引起的缺陷特征，及其对材料性能的影响。射线检测（Ra

3、diography Testing，简称RT）；超声波检测（Ultrasonic Testing,简称UT）；磁粉检测（Magnetic Testing，简称MT），渗透检测（Penetrant Testing，简称PT），涡流检测（Penetrant Testing，简称ET），声发射检测（Acoustic Emission，简称AE）等。另定义：是指在不损坏及其将来使用和使用可靠性的方式，对材料或制件或此二者进行宏观缺陷检测，几何特性测量，化学成分。组织结构和力学性能变化的评价，并进而就材料或制件对应用的适用性进行评价的一门学科。这种定义方法把无损检测认定为一门学科。立意高，而左边定义为一

4、种方法。从设计思想上：静力强度 无损探伤 安全寿命 无损检测 破损安全 无损评价超声波探伤的历史和现状很早以前，人们利用声响检验材料质量，例如敲打物体，听其声音来判断是否有损伤，这是一种古老而方便的实用探伤方法，然而，应用超声波探伤仅仅始于上个世纪上半叶。1928年，苏联C、R CoK丌OB首先提出应用超声波进行无损探伤可能的观点以来，发展十分迅速，到1936年法国R PohLman就根据超声波来传播通道上被缺陷阻挡而形成“声阴”的原理，制造了穿透法探伤仪器，不久便有相应的商品问世。1940年美国首先研制出脉冲反射式仪器，接着英国制成了应用单探头工作的脉冲反射式仪器，首先装备于英国的有关冶金实

5、验室。此后，横波、表面波、板波等波型相继被应用于探伤，扩大了超声波的应用范围；另一方面，继续对超声波在介质中传播规律等进行深入研究。在国内，1950年铁道部引进若干台瑞士制造的以声响穿透式超声波探伤仪，并用于路轨检验，这是国内应用这一技术的开端。此后，中国科学院院长春机电研究所开始致力于脉冲反射法探伤仪的研究，于1936年制成了国内第一台仪器，面上海江南造船厂1957、1958年分别研制成功57A型，58A型超声波探伤仪，接着其它厂家亦有小批量同类型产品问世。上个世纪60年代，汕头超声电子仪器厂开始大规模生产超声波探伤仪并且品种很多。随着计算机技术的发展和应用，到了上个世纪80年代，由模拟信号

6、超声波探伤技术开始向数字化技术发展，国内又相继出现了一些厂家，如：仪器厂，生产的“US-22”型，汕头超声仪器研究所生产的笔记本式CTS-2000、便携式CTS-2200，CTS-3600，武汉中科生产的HS600掌上型、HS1030便携式。产品的发展越来越向智能化、轻型化、多通道方向发展，同时国外一些产品也纷纷打入国内，如泛美2300型，泛美2400型数字超探仪。第一章超声波探伤的物理基础超声波探伤是目前五大无损检测方法之一，而且应用最广泛，最成熟的一种方法。它是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、几何特征测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征

7、，并进而对其特定应用性进行评价的技术。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。第一节振动和波动一、 振动1、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。2、描述振动现象的几个概念a：全振动：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，由于惯性作用，还要越过平衡位置移动反方向的最大位移处，然后再回到平衡位置，这样一个完整运动过程为一个“循环”或叫一次“全振动”。b：周期（T）：振动物体完成一次全振动所需的时间，称为振动周期，简称周期，常用单位为秒（S）。c：频率f：振动物体在单位时间内完成全振动的次数

8、，称为振动频率。常用单位为赫兹（HZ）。1赫兹表示一秒钟内完成一次全振动即1HZ=1次/秒。此外还有千赫（KHZ）、兆赫（MHZ）它们之间的关系是：1 KHZ=1000HZ（103 HZ）1 MHZ=103 KHZ=106 HZ周期和频率互为倒数T=1/f周期和频率都是表征物体往复周期性运动即振动快慢的物理量。3、谐振动（简谐振动） A t谐振动：最简单，最基本的直线振动称为谐振动。振动是产生波的根源。简谐振动是振动最基本、最简单的形式。任何复杂的振动都可以分解成若干谐振动迭加合成的结果。（谐振动的特点是振动物体在弹性力或准弹力作用下，在其平衡位置作往复周期运动，物体受到回复力的大小与位移成正

9、比，其方向总是指向平衡位置。F=-KX。最简单的规范的谐振动是弹簧振子。）质点M作匀速圆周运动时，其水平投影就是一种水平方向的谐振动。质点M的水平位移y和时间t的关系可用谐振动方程来描述。y=A cos(t+)式中A-振幅，即最大水平位移。 -圆频率，即1秒钟变化的弧度数=2/T。 -初相位（初相角），即t=0时质点M的相位。 t+-质点M在t时刻的相位。谐振动方程描述了谐振动物体在任一时刻的位移情况。谐振动的特点：见上页谐振动物体的振幅不变，为自由振动，其频率为固用频率。由于物体做谐振动时，只有弹力或重力做功，其它力不做功，符合机械能守恒条件，因此谐振动的能量遵守机械能守恒，在平衡位置时动能

10、最大，势能为零，在最大位移处，势能最大，动能为零。其总能量保持不变。4、阻尼振动级谐振动是理想条件下的振动，即不考虑磨擦力和其它阻力（只有弹力和准弹力）的影响。但实际物体的振动总要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振动总能量不断地减少，同时，由于在振动传播过程中，伴随着能量的传播，振动物体的能量不断地减少。阻尼振动特点：振动的振幅不断减小，而周期却不断增长。阻尼振动受到阻力作用不符合机械能守恒定律。5、受迫振动（级）（绿色）受迫振动：是物体受到周期性变化的外力作用时产生的振动。如扬声器纸盒的振动。受迫振动刚开始情况复杂，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

11、。振幅保持不变。 阻尼振动：振动幅和能量随时间不断减少的振动称“阻尼振动”。y t振动方程：g=Acos(pt+)受迫振动的特点：受迫振动的振幅与策动力频率有关，当策动力频率P与受迫振动物体固有频率相同时，受迫振动的振幅达最大值，这种现象将共振。受迫振动物体受到策动力作用，不符合机械能守恒。二、 波动1、波动的分类：波动是物质的一种形式。波动是振动的传播过程。波动可分为两大类，一类是电磁波，另一类是机械波。电磁波是电磁振动产生的交变电磁场在物体或介质的传播过程。无线电波，红外线，可见光，紫外线，X射线等统属电磁波范畴。机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。例如，水波、声波、超声波等。机械波和

12、电磁波在本质上有很大的差异。（一）机械波的传播必须依赖于传播介质，而不能在真空中传播。电磁波的传播可以不依赖于传播介质。（二）机械波的传播仅是振动状态和振动能量的传播。（三）质点只在平衡位置附近来回振动，即质点本身并不随波前进。而电磁波的传播不仅有振动能量的传播，而且有质量的传播也就是质点的移动（注意区别振动）由于我们这里研究的超声波是机械波，因此，下面只讨论机械波。相互间由弹性力连系着的质点组成的物质，称为弹性介质，一般固体、液体、气体都可能成为弹性介质。需要进行超声检测的大量金属和非金属固体构件都是弹性介质，自然界的液体和气体大多数也属于弹性介质。通常，可以认为弹性介质是相互间用弹簧（弹性

13、力）连系着的质点所组成。右图所示，这种介质中任何一个质点离开了平衡位置，则弹性力总要使该质点恢复到平衡位置。与此同时，它又引起了相邻质点的位移。以此类推，只要初始的振动能量足够大，A-受迫振动的振幅P-策动力频率-受迫振动的初相位机械波和电磁波的区别： 介质上 状态和能量上 质点的运动状态上弹力 质点 外力F（例如超声波探头向介质中发射超声波时）那么质点通过相互间的弹性关系，就可将振动传播到足够远。这就是机械波的传播过程。声波和超声波属于机械波范畴，因此，这也是声波和超声波的传播过程。由此可见，产生机械波必须具备以下两个条件：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。振动

14、是产生波动的根源，波动是振动状态的传播。波动中介质各质点并不随波前进，只是以交变的振动速度在各自的平衡位置附近作往复运动。波动是振动状态的传播过程，也就是振动能量的传播过程。这种能量的传播，不是靠物质的迁移来实现，也不是靠相邻质点的弹性碰撞来完成。而由各质点的位移连续变化来逐渐传递出去的。犹如人们手拉手晃动一样。二波动的基本物理量1.周期和频率：周期：波在介质中传播时，质点在平衡位置来回振动一次所需时间称为振动周期。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，称为波动频率。波动频率在数值上等同于振动频率，单位赫兹（HZ）。2.波长：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，

15、称为波长，用表示。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。波长的常用单位为毫米（mm）或米（m）。3.波速C：波动过程中，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）。由上述三个定义可知：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。特别注意：根据波动理论，声速决定于介质的弹性模量和密度。在固体介质中，声速还随其波型而异。而且也和物体的尺寸有关。三、次声波、声波和超声波 1.次声波、声波、超声波划分：次声波、声波、超声波都是在弹性介质

16、中传播的机械波，在同一介质中传播速度相同，只是频率不同。根据频率不同来划分：频率f低于20HZ为次声波；频率介于20HZ-2万HZ之间的为声波（可闻声波）；频率高于2万HZ的为超声波。f 20000HZ 超声波次声波、超声波不可闻。2.超声波的应用及特点：超声波的频率很高，波长很短，由此决定它一些重要性质。1）超声波方向性好（指向性好）频率高、波长短。运用于无损探伤中的波长仅为毫米级。超声波与光波一样具有良好的方向性，可以定向发射。2）超声波能量高超声波的能量（声强）与频率平方成正比，而超声波频率较高。3）能在界面上产生反射，折射和波型转换。4）超声波穿透能力强。超声波能量高，而且在大多数介质

17、中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中可穿透厚度达数米。这是其他探伤方法无法比拟的。第二节 波的类型超声波在介质中传播可以有不同的形式，它取决于介质可以承受何种作用力，以及如何对介质激发超声波。波的分类方法很多。按质点振动方向分，按波的形状分，按振动的持续时间分。一、 据质点振动方向分类：根据波传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，可将波分为纵波、横波、表面波和扳波。1.纵波弹性介质受到交替变化的拉伸、压缩应力作用时，受力质点间的距离会相应产生交替的疏密变形。此时，质点振动方向与波动的传播方向相同，这种波型称为纵波。简言之：介质中质点振动方向与波的传播方

18、向互相平行的波称为纵波用“L”表示。纵波又可称“压缩波”或“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。液体和气体虽不能承受担伸应力，但能承受压力产生容积变化，因此，液体和气体介质也可以传播纵波。振动源（声源）在介质中施力的方向与波在介质中传播的方向可以相同也可以不同，这就会产生不同类型的波。波传播方向质点 压缩 稀疏 压缩振动方向 波长纵波任何弹性介质在体积变化时都能产生纵波。2.横波S（T）质点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。当介质中质点受到交变的剪刀应力、产生切变形变，从而形成横波。横波又称为切变波

19、或剪刀波。只有固体介质才能承受剪刀应力，液体和气体介质不能承受剪刀应力，因此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。3.表面波R当介质表面受到交替变化的表面张力作用时，产生沿介质表面传播的波称为表面波用“R”表示。表面波是瑞利1887年首先提出的。因此又称瑞利波。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。椭圆运动可称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（

20、T2），质点的振幅已经很小了。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。各种类型波的比较：类型质点振动特点传播方法应用纵波质点振动方向平行于波传播方向固、液气体方法钢板、锻件探伤横波质点振动方向重直于波传播方向固体方法焊缝、钢管探伤表面波固体方法钢管探伤等质点振动方向 波传播方向 横波二、 按波的形状分类：（级）波的形状（波形）是指波阵面的形状。按波形分类分为：平面波、柱面波、球面波。3.球面波三、 按振动的持续时间分类，根据波源振动持续时间长短，将波分为连续波和脉冲波。 1.连续波：波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波。超声波穿透法探伤常采用连续波。2.脉冲波：波源

21、振动持续时间很短（通常是微秒数量级，1微秒=10-6秒），间歇辐射的波称为脉冲波。目前，超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。第三节 超声波的传播速度超声波、次声波和声波的实质一样，都是机械波。它们在同一介质中传播速度相同。超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关。对特定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质有不同的声速。波形不同，介质弹性形变形式不同，声速就不一样。超声波在介质中传播速度是表征声学特性的重要参数一、 固体介质中的纵波，横波与表面波声速：固体介质中的形变比较复杂，既有伸缩形变，又有剪刀形变，因此，固体介质既能传播纵波，又能传播横波和表面波。但声速是不同的

22、。此外，介质的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。1.无限大固体介质中的声速：无限大固体介质是相对于波而言，当介质的尺寸远大于波长时，就可以视为无限大介质。纵波声速表达式：CL=(E/) 1/2 (1-)/(1+)(1-2)1/2横波声速为：CS=(G/) 1/2=(E/) 1/21/2(1+) 1/2式中：E介质的杨氏弹性模量，等于介质承受的拉应力F/S与相对伸长L/L之比，即：E=(F/S)/(L/L)G介质的剪刀模量，等于介质承受的切应力Q/S与切应变之比。即G= (Q/S)/ (牛顿/米2)。-介质密度（静态）等于介质的质量M与其体积V之比，即=M/V。

23、介质的泊松比，等于介质横向相对缩短。1=d/d与纵向相对伸长=L/L之比，即=1/。它是无量纲的量。表面波声速表达式：CR=（0.87+1.12）/(1+)(G/)1/2=（0.879.5）CS泊松比的物理意义：在纵向拉伸力作用下，介质的横向应变（相对收缩率d/d）与纵向应变（相对伸长率L/L）之比。结论：固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量等有关，不同的介质，声速不同；介质的弹性模量愈大，密度愈小，则声速愈大。解释：杨氏弹性模量愈大，就意味着，在相对伸长量一定的时候，介质承受的拉应力也愈大，也就是外加力（或弹力）愈大，波源的振动能量大，波的各结点能量也大，能量的传播速度愈大，即引起的声速愈

24、大。密度越小说明单位体积内质点越少，相互间引起的阻力小，声速也大。声速还与波的类型有关，同一固体介质中，纵波、横波和表面波的声速各不相同，并且相互间存在着以下关系：CL/CS=2(1+)/( 1-2)1（因固体中的取值范围为00.5）即CLCS。CS / CR=(1+)/(0.87+1.12) 1(CR 所以有：CLCS CR。这表明，在同一介质中，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0.28，CL1.8CS，CR0.9CS。即CL：CS ：CR1.8：1：0.92.均匀细长棒中的纵波声速CLb，前面说过，声速与介质的形状及尺寸有关。我们上面所给出的是无限介质中的声速。那么

25、在均匀细长棒（直径d）中，轴向传播的纵波声速与无限大介质中纵波声速不同，均匀细长棒中的纵波为：CLb=(E/) 1/2；在均匀薄板中（板厚远远小于波长）的纵波声速为：CLb=E/(1-2) 1/2。可见，有限介质中的纵波声速不同于例：已知，钢的为7.8103Kg/米3，杨氏模量E=21.61010牛顿/米2，剪刀模量G=8.401010牛顿/米2，泊松比=0.28。求钢的纵波声速。（指无限大介质中的声速。）解：由公式：CL=(E/) 1/2 (1-)/(1+)(1-2)1/2得：CL=(21.61010/7.8103)1/2(1-0.28)/(1+0.28)(1-2)0.28 1/2=6100

26、（米/秒）由CS=(G/) 1/2=(E/) 1/21/2(1+) 1/2得：CS=(8.401010/7.8103)1/21/2(1+0.28)1/2= 3300（米/秒）问题：同一固体介质中，纵波声速大于横波声速，不同固体介质中，纵波大的横波也一样大。无限介质中的纵波声速。究其原因，是因为声波是一种弹性波，其传播速度只与介质的密度及弹性系数有关。介质的形状或尺寸不同，其弹性系数与杨氏模量的对应关系也不同。关于介质中的声速计算，须注意单位制的统一，一般情况下，采用国际单位制，（米、千克、秒）即M、K、S等。 3.声速与温度、应力。均匀性的关系。（级内容）。a.温度影响：固体介质中的声速随介质

27、温度升高而降低。这包括有机玻璃、厚乙稀塑料。b.应力状况影响（晶粒影响）一般应力增加，声速会随之增加，但增加缓慢。晶粒细，声速大；晶粒粗，声速小。二、 液体、气体介质中的声速1.液体、气体介质中声速公式由于液体和气体只能承受压应力，不能承受剪刀应力，因此，液体和气体介质只能传播纵波，不能传播横波和表面波。液体和气体中的纵波波速为：C=(B/)1/2式中“B”表示液体、气体介质的容变弹性模量，表示产生单位容积相对变化量所需压强。“”表示液体、气体无声波传播时，静态密度。Kg/m3由上式可知，液体、气体介质中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

28、介质中的声速与温度的关系（级教材）1） 水：当t=74时，声速最大； 当t74时，温度升高，声速降低；2） 其它液体温度升高，声速降低。关于声速概念，还应注意以下几点：1）声速只与介质的参数有关，与声波的频率无关，这个参数就包括了温度、压力等。按前面“液体、气体介质中的声速”质点振动速度V与声压P有关，且其值远小于声速。例，我们大声讲话时，声压幅值为0.1帕，此时，空气中质点振速幅值为2.5*10-4米/秒，而声速仅为330米/秒，它与声速大小无关。3） 液体、气体介质中，只能传播纵波，这一点必须注意。4） 同一介质的横波声速恒小于纵波声速。5） 同一介质中，同一频率CRCS时，波的反射强，绕

29、射弱声波几乎全反射。第五节 超声场的特征值超声场就是充满超声的空间，这个空间是由弹性介质组成的。从物理声学的观点来看，超声场是没有边界的。如果不考虑介质的吸收，则一个声源所产生的超声波在无穷大的弹性介质中将传播到无穷远处。但超声波探伤所要探测的工件都是有一定范围尺寸和形状的有限介质。因此，我们学习离辐射声源一定距离或范围的超声场。描述超声场的特征值（物理量）主要有声压、声强和声阻抗。一、声压：设介质中没有超声波传播时静态压强为P0，声波传来后，同一点的压强变为P1，因此介质中的压强变化量P为P= P1-P0。（由于超声波在介质中传播引起的额外声压 ）P称为声压，这就是压强变化量。声压单位：帕斯

30、卡（Pascal）简称（Pa）。微帕（Pa）1帕=1牛顿/米21Pa=10-6Pa1公斤力/Kg2=0.968个大气压 =0.981105帕声压表示单位面积上所受的力，具有力的概念。推导过程是级人员要求，在这里直接给出结果。P=-CASin（t-x/C）Pm=CA=Cu式中：Pm -声压幅值 介质密度 C波速=dx/dt u质点振动速度=a=2fA由书上P19页可知，超声场中某一点的声压随时间和该点至波源的距离按正弦函数周期性变化P=-CASin（t-x/C）声压幅值与介质的密度，波速和频率成正比。因为超声波的频率很高，因此超声波的声压远大于声波声压。在超声实际检测中，比较和计算介质中的声压时

31、，经常用到的是声压幅值Pm，并把Pm简称为“声压”。使它与A型脉冲反射式探伤仪示波屏上回波高度建立一定的线性关系，从而为缺陷定量方法打下了基础。二、声阻抗Z超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗，用“Z”表示。Z=P/u=Cu/u=C单位：克/厘米2秒（g/cm2s）；或千克/米2秒（Kg/m2s）。由上式可知，声阻抗大小等于介质的密度与波速的乘积。由u=P/Z看出，在同一声压下，Z增加，质点的振动速度下降。因此，声阻抗可理解为对质点振动阻碍作用。材料声阻抗与温度有关，一般材料的声阻抗随温度升高而降低，这是因为Z=C，而大多材料的密度和声速随温度增加而减小。三、声强I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。也就是声波的强度。单位:瓦/厘米2(W/cm2)或焦耳/厘米2秒(J/cm2S)当波在介质中传播时，波源的振动通过弹性介质传播出去，使介质质点产生振动，因而具有动能，同时介质因形变而具有位移。因此，在波动传播过程中伴随着能量的转移。其总能量为二者之和。因导出过程为级内容，这里直接给出结果：I=1/2CA22=1/2Zu2=1/2Z(P/Z)2=P2/2Z由上式可知：1）超声波传播过程中，单位体积元所具有的总能量周期性变化，时而达最大，时而为零。这说明体积元在不断地接收和放出能量