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1、YCF（中职）焊接检测技术第6章教学课件6.1 6.1 超声波的产生、性质及衰减超声波的产生、性质及衰减6.2 6.2 超声波检测设备简介超声波检测设备简介6.3 6.3 超声波检测方法及其应用超声波检测方法及其应用6.4 6.4 直接接触法超声波检测直接接触法超声波检测第第6 6章章 超声波检测超声波检测 超声波是频率大于超声波是频率大于超声波是频率大于超声波是频率大于20 000Hz20 000Hz20 000Hz20 000Hz的机械振动在弹性介质中的一种传播过的机械振动在弹性介质中的一种传播过的机械振动在弹性介质中的一种传播过的机械振动在弹性介质中的一种传播过程。因此，是超声频率的机械
2、波。检测中常用的超声波频率为程。因此，是超声频率的机械波。检测中常用的超声波频率为程。因此，是超声频率的机械波。检测中常用的超声波频率为程。因此，是超声频率的机械波。检测中常用的超声波频率为0.50.50.50.510MHz10MHz10MHz10MHz。6.1.16.1.16.1.16.1.1超声波的产生与接收超声波的产生与接收超声波的产生与接收超声波的产生与接收 超声波是由超声波检测仪产生电振荡并施加于探头，利用其晶片的超声波是由超声波检测仪产生电振荡并施加于探头，利用其晶片的超声波是由超声波检测仪产生电振荡并施加于探头，利用其晶片的超声波是由超声波检测仪产生电振荡并施加于探头，利用其晶片
3、的压电效应而获得。探头主要由保护膜、压电晶片和吸收块等组成，如压电效应而获得。探头主要由保护膜、压电晶片和吸收块等组成，如压电效应而获得。探头主要由保护膜、压电晶片和吸收块等组成，如压电效应而获得。探头主要由保护膜、压电晶片和吸收块等组成，如图图图图6-16-16-16-1所示。所示。所示。所示。（1 1 1 1）压电晶片。由压电材料切割成薄片，材料分单晶（石英、硫酸）压电晶片。由压电材料切割成薄片，材料分单晶（石英、硫酸）压电晶片。由压电材料切割成薄片，材料分单晶（石英、硫酸）压电晶片。由压电材料切割成薄片，材料分单晶（石英、硫酸铅和碘酸铅等）和多晶（钛酸钡、钛酸铅和错钛酸铅等压电陶瓷）两大
4、铅和碘酸铅等）和多晶（钛酸钡、钛酸铅和错钛酸铅等压电陶瓷）两大铅和碘酸铅等）和多晶（钛酸钡、钛酸铅和错钛酸铅等压电陶瓷）两大铅和碘酸铅等）和多晶（钛酸钡、钛酸铅和错钛酸铅等压电陶瓷）两大类。晶片两表面敷有银层作电极，类。晶片两表面敷有银层作电极，类。晶片两表面敷有银层作电极，类。晶片两表面敷有银层作电极，“一一一一”极引出的导线接发射端，极引出的导线接发射端，极引出的导线接发射端，极引出的导线接发射端，“+”“+”“+”“+”极接地。极接地。极接地。极接地。（2 2 2 2）吸收块。由环氧树脂、硬化剂（二乙烯三胺或乙二胺）、增塑）吸收块。由环氧树脂、硬化剂（二乙烯三胺或乙二胺）、增塑）吸收块。
5、由环氧树脂、硬化剂（二乙烯三胺或乙二胺）、增塑）吸收块。由环氧树脂、硬化剂（二乙烯三胺或乙二胺）、增塑剂（邻苯二甲酸二丁酯）、橡胶液和钨粉等浇铸在剂（邻苯二甲酸二丁酯）、橡胶液和钨粉等浇铸在剂（邻苯二甲酸二丁酯）、橡胶液和钨粉等浇铸在剂（邻苯二甲酸二丁酯）、橡胶液和钨粉等浇铸在“一一一一”极上。其作用极上。其作用极上。其作用极上。其作用是吸收杂波，并使晶片在激励电脉冲结束后将声能很快损耗掉而停止振是吸收杂波，并使晶片在激励电脉冲结束后将声能很快损耗掉而停止振是吸收杂波，并使晶片在激励电脉冲结束后将声能很快损耗掉而停止振是吸收杂波，并使晶片在激励电脉冲结束后将声能很快损耗掉而停止振动，以便接收反
6、射声波。吸收块又称阻尼块。动，以便接收反射声波。吸收块又称阻尼块。动，以便接收反射声波。吸收块又称阻尼块。动，以便接收反射声波。吸收块又称阻尼块。6.1 6.1 超声波的产生、性质及衰减超声波的产生、性质及衰减返回下一页上一页（3 3 3 3）保护膜。可使压电晶片免于和工件直接接触受磨损，其中软膜）保护膜。可使压电晶片免于和工件直接接触受磨损，其中软膜）保护膜。可使压电晶片免于和工件直接接触受磨损，其中软膜）保护膜。可使压电晶片免于和工件直接接触受磨损，其中软膜（耐磨橡胶、塑料等）用于粗糙表面的工件，硬膜（不锈钢片、刚玉片、（耐磨橡胶、塑料等）用于粗糙表面的工件，硬膜（不锈钢片、刚玉片、（耐磨
7、橡胶、塑料等）用于粗糙表面的工件，硬膜（不锈钢片、刚玉片、（耐磨橡胶、塑料等）用于粗糙表面的工件，硬膜（不锈钢片、刚玉片、环氧树脂等）声能量损失小，比软膜应用广。环氧树脂等）声能量损失小，比软膜应用广。环氧树脂等）声能量损失小，比软膜应用广。环氧树脂等）声能量损失小，比软膜应用广。（4 4 4 4）匹配电感。对于压电陶瓷晶片制成的探头，其电气阻抗匹配是）匹配电感。对于压电陶瓷晶片制成的探头，其电气阻抗匹配是）匹配电感。对于压电陶瓷晶片制成的探头，其电气阻抗匹配是）匹配电感。对于压电陶瓷晶片制成的探头，其电气阻抗匹配是很重要的。加入与晶片并联的匹配电感（或电阻）可使探头与仪器的发很重要的。加入与
8、晶片并联的匹配电感（或电阻）可使探头与仪器的发很重要的。加入与晶片并联的匹配电感（或电阻）可使探头与仪器的发很重要的。加入与晶片并联的匹配电感（或电阻）可使探头与仪器的发射电路匹配，以提高发射效率。匹配电感（或电阻）有时也可装在仪器射电路匹配，以提高发射效率。匹配电感（或电阻）有时也可装在仪器射电路匹配，以提高发射效率。匹配电感（或电阻）有时也可装在仪器射电路匹配，以提高发射效率。匹配电感（或电阻）有时也可装在仪器内部。内部。内部。内部。图图图图6-16-16-16-1中，当高频电压加于晶片两面电极上时，由于逆压电效应，晶中，当高频电压加于晶片两面电极上时，由于逆压电效应，晶中，当高频电压加于
9、晶片两面电极上时，由于逆压电效应，晶中，当高频电压加于晶片两面电极上时，由于逆压电效应，晶片会在厚度方向产生伸缩变形的机械振动。若晶片与工件表面有良好藕片会在厚度方向产生伸缩变形的机械振动。若晶片与工件表面有良好藕片会在厚度方向产生伸缩变形的机械振动。若晶片与工件表面有良好藕片会在厚度方向产生伸缩变形的机械振动。若晶片与工件表面有良好藕合时，机械振动就以超声波形式传播进去，这就是发射。反之，当晶片合时，机械振动就以超声波形式传播进去，这就是发射。反之，当晶片合时，机械振动就以超声波形式传播进去，这就是发射。反之，当晶片合时，机械振动就以超声波形式传播进去，这就是发射。反之，当晶片受到超声波作用
10、（遇到异质界面反射回来）而发生伸缩变形时，正压电受到超声波作用（遇到异质界面反射回来）而发生伸缩变形时，正压电受到超声波作用（遇到异质界面反射回来）而发生伸缩变形时，正压电受到超声波作用（遇到异质界面反射回来）而发生伸缩变形时，正压电效应又会使晶片两表面产生不同极性电荷，形成超声频率的高频电压，效应又会使晶片两表面产生不同极性电荷，形成超声频率的高频电压，效应又会使晶片两表面产生不同极性电荷，形成超声频率的高频电压，效应又会使晶片两表面产生不同极性电荷，形成超声频率的高频电压，这就是接收。这就是接收。这就是接收。这就是接收。利用压电效应使探头（压电晶片）发射或接收超声波，就使发现缺利用压电效应
11、使探头（压电晶片）发射或接收超声波，就使发现缺利用压电效应使探头（压电晶片）发射或接收超声波，就使发现缺利用压电效应使探头（压电晶片）发射或接收超声波，就使发现缺陷成为可能。因此，探头（压电晶片）是一较为理想的电声换能器。陷成为可能。因此，探头（压电晶片）是一较为理想的电声换能器。陷成为可能。因此，探头（压电晶片）是一较为理想的电声换能器。陷成为可能。因此，探头（压电晶片）是一较为理想的电声换能器。6.1 6.1 超声波的产生、性质及衰减超声波的产生、性质及衰减返回下一页上一页 6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 超声波的性质超声波的性质超声波的性质超声波的性质 检测中所用超声波具
12、有以下性质。检测中所用超声波具有以下性质。检测中所用超声波具有以下性质。检测中所用超声波具有以下性质。1.1.1.1.有良好的指向性有良好的指向性有良好的指向性有良好的指向性 所谓超声波有良好的指向性，有以下两个含义。所谓超声波有良好的指向性，有以下两个含义。所谓超声波有良好的指向性，有以下两个含义。所谓超声波有良好的指向性，有以下两个含义。（1 1 1 1）直线性。超声波的波长很短（毫米数量级），因此它在弹性介）直线性。超声波的波长很短（毫米数量级），因此它在弹性介）直线性。超声波的波长很短（毫米数量级），因此它在弹性介）直线性。超声波的波长很短（毫米数量级），因此它在弹性介质中能像光波一样
13、沿直线传播，并符合几何光学规律。由于声速对固定质中能像光波一样沿直线传播，并符合几何光学规律。由于声速对固定质中能像光波一样沿直线传播，并符合几何光学规律。由于声速对固定质中能像光波一样沿直线传播，并符合几何光学规律。由于声速对固定介质来讲是个常数，因此根据传播时间就能求得其传播距离，从而为检介质来讲是个常数，因此根据传播时间就能求得其传播距离，从而为检介质来讲是个常数，因此根据传播时间就能求得其传播距离，从而为检介质来讲是个常数，因此根据传播时间就能求得其传播距离，从而为检测中缺陷定位提供了依据。测中缺陷定位提供了依据。测中缺陷定位提供了依据。测中缺陷定位提供了依据。（2 2 2 2）束射性
14、。声源发出的超声波能集中在一定区域（称为超声场）束射性。声源发出的超声波能集中在一定区域（称为超声场）束射性。声源发出的超声波能集中在一定区域（称为超声场）束射性。声源发出的超声波能集中在一定区域（称为超声场）定向辐射。定向辐射。定向辐射。定向辐射。2.2.2.2.能在弹性介质中传播，不能在真空中传播能在弹性介质中传播，不能在真空中传播能在弹性介质中传播，不能在真空中传播能在弹性介质中传播，不能在真空中传播 超声波通过介质时，以介质质点的振动方向与波的传播方向间的相超声波通过介质时，以介质质点的振动方向与波的传播方向间的相超声波通过介质时，以介质质点的振动方向与波的传播方向间的相超声波通过介质
15、时，以介质质点的振动方向与波的传播方向间的相互关系不同，可分为纵波、横波、表面波和兰姆波等。互关系不同，可分为纵波、横波、表面波和兰姆波等。互关系不同，可分为纵波、横波、表面波和兰姆波等。互关系不同，可分为纵波、横波、表面波和兰姆波等。6.1 6.1 超声波的产生、性质及衰减超声波的产生、性质及衰减返回下一页上一页（1 1 1 1）纵波。质点振动方向和传播方向一致的波称为纵波，如）纵波。质点振动方向和传播方向一致的波称为纵波，如）纵波。质点振动方向和传播方向一致的波称为纵波，如）纵波。质点振动方向和传播方向一致的波称为纵波，如图图图图6-26-26-26-2所示。它能在固体、液体和气体中传播，
16、在检测中用于纵波检测法。所示。它能在固体、液体和气体中传播，在检测中用于纵波检测法。所示。它能在固体、液体和气体中传播，在检测中用于纵波检测法。所示。它能在固体、液体和气体中传播，在检测中用于纵波检测法。（2 2 2 2）横波。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，如）横波。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，如）横波。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，如）横波。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，如图图图图6-36-36-36-3所示。它只能在固体中传播，用于横波检测法。所示。它只能在固体中传播，用于横波检测法。所示。它只能在固体中传播，用于横波检测法。所示。它只能在固体中传
17、播，用于横波检测法。（3 3 3 3）表面波。质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，）表面波。质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，）表面波。质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，）表面波。质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波，又称瑞利波，如振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波，又称瑞利波，如振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波，又称瑞利波，如振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波，又称瑞利波，如图图图图6-46-46-46-4所示。所示。所示。所示。表面波质点振动的轨迹是椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，短
18、轴表面波质点振动的轨迹是椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，短轴表面波质点振动的轨迹是椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，短轴表面波质点振动的轨迹是椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。它用于表面波检测法。平行于传播方向。它用于表面波检测法。平行于传播方向。它用于表面波检测法。平行于传播方向。它用于表面波检测法。（4 4 4 4）兰姆波。兰姆波只产生在有一定厚度的薄板内，在板的两表面）兰姆波。兰姆波只产生在有一定厚度的薄板内，在板的两表面）兰姆波。兰姆波只产生在有一定厚度的薄板内，在板的两表面）兰姆波。兰姆波只产生在有一定厚度的薄板内，在板的两表面和中部都有质点的振动，声场遍
19、及整个板的厚度，沿着板的两表面及中和中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度，沿着板的两表面及中和中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度，沿着板的两表面及中和中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度，沿着板的两表面及中部传播，所以又称为板波。若两表面质点振动的相位相反，中部质点以部传播，所以又称为板波。若两表面质点振动的相位相反，中部质点以部传播，所以又称为板波。若两表面质点振动的相位相反，中部质点以部传播，所以又称为板波。若两表面质点振动的相位相反，中部质点以纵波的形式振动则称为对称型兰姆波；若两表面质点振动的相位相同，纵波的形式振动则称为对称型兰姆波；若两表面质点振动的相位相同，纵波的形
20、式振动则称为对称型兰姆波；若两表面质点振动的相位相同，纵波的形式振动则称为对称型兰姆波；若两表面质点振动的相位相同，中部质点以横波的形式振动则称为非对称型兰姆波，如中部质点以横波的形式振动则称为非对称型兰姆波，如中部质点以横波的形式振动则称为非对称型兰姆波，如中部质点以横波的形式振动则称为非对称型兰姆波，如图图图图6-56-56-56-5所示。兰姆所示。兰姆所示。兰姆所示。兰姆波可检测板厚及分层、裂纹等缺陷，还可检测材料的晶粒度和复合材料波可检测板厚及分层、裂纹等缺陷，还可检测材料的晶粒度和复合材料波可检测板厚及分层、裂纹等缺陷，还可检测材料的晶粒度和复合材料波可检测板厚及分层、裂纹等缺陷，还
21、可检测材料的晶粒度和复合材料的黏合质量等。的黏合质量等。的黏合质量等。的黏合质量等。6.1 6.1 超声波的产生、性质及衰减超声波的产生、性质及衰减返回下一页上一页 应该注意，由于金属介质中能够通过不同传播速度的不同波形，因应该注意，由于金属介质中能够通过不同传播速度的不同波形，因应该注意，由于金属介质中能够通过不同传播速度的不同波形，因应该注意，由于金属介质中能够通过不同传播速度的不同波形，因此，对金属（焊缝）进行检测时必须选定所需超声波类型（通常选择横此，对金属（焊缝）进行检测时必须选定所需超声波类型（通常选择横此，对金属（焊缝）进行检测时必须选定所需超声波类型（通常选择横此，对金属（焊缝
22、）进行检测时必须选定所需超声波类型（通常选择横波），否则，会使回波信号发生混乱而得不到正确的检测结果。同时，波），否则，会使回波信号发生混乱而得不到正确的检测结果。同时，波），否则，会使回波信号发生混乱而得不到正确的检测结果。同时，波），否则，会使回波信号发生混乱而得不到正确的检测结果。同时，检测中通常把空气介质亦作为真空处理，即认为超声波不能通过空气进检测中通常把空气介质亦作为真空处理，即认为超声波不能通过空气进检测中通常把空气介质亦作为真空处理，即认为超声波不能通过空气进检测中通常把空气介质亦作为真空处理，即认为超声波不能通过空气进行传播。行传播。行传播。行传播。3.3.3.3.界面的透射
23、、反射、折射和波形转换界面的透射、反射、折射和波形转换界面的透射、反射、折射和波形转换界面的透射、反射、折射和波形转换 超声波从一种介质入射到另一种介质时，经过异质界面将产生以下超声波从一种介质入射到另一种介质时，经过异质界面将产生以下超声波从一种介质入射到另一种介质时，经过异质界面将产生以下超声波从一种介质入射到另一种介质时，经过异质界面将产生以下几种情况。几种情况。几种情况。几种情况。（1 1 1 1）垂直入射异质界面时的透射、反射和绕射。当超声波从一种介）垂直入射异质界面时的透射、反射和绕射。当超声波从一种介）垂直入射异质界面时的透射、反射和绕射。当超声波从一种介）垂直入射异质界面时的透
24、射、反射和绕射。当超声波从一种介质垂直入射到第二种介质上时，其能量一部分反射而形成与入射波方向质垂直入射到第二种介质上时，其能量一部分反射而形成与入射波方向质垂直入射到第二种介质上时，其能量一部分反射而形成与入射波方向质垂直入射到第二种介质上时，其能量一部分反射而形成与入射波方向相反的反射波，其余能量则透过界面产生一与入射波方向相同的透射波相反的反射波，其余能量则透过界面产生一与入射波方向相同的透射波相反的反射波，其余能量则透过界面产生一与入射波方向相同的透射波相反的反射波，其余能量则透过界面产生一与入射波方向相同的透射波（图图图图6-66-66-66-6）。超声波反射能量）。超声波反射能量）
25、。超声波反射能量）。超声波反射能量W W W W反反反反与超声波入射能量与超声波入射能量与超声波入射能量与超声波入射能量W W W W入入入入之比为超声波能量之比为超声波能量之比为超声波能量之比为超声波能量反射系数，即反射系数，即反射系数，即反射系数，即K=WK=WK=WK=W反反反反/W/W/W/W入入入入。K K K K值见值见值见值见表表表表6-16-16-16-1。6.1 6.1 超声波的产生、性质及衰减超声波的产生、性质及衰减返回下一页上一页 显然，异质界面上的反射是很严重的，尤其固显然，异质界面上的反射是很严重的，尤其固显然，异质界面上的反射是很严重的，尤其固显然，异质界面上的反射
26、是很严重的，尤其固-气界面气界面气界面气界面K100%K100%K100%K100%，因，因，因，因此，检测中良好的藕合是一必要条件。当然，焊缝与其中缺陷构成的异此，检测中良好的藕合是一必要条件。当然，焊缝与其中缺陷构成的异此，检测中良好的藕合是一必要条件。当然，焊缝与其中缺陷构成的异此，检测中良好的藕合是一必要条件。当然，焊缝与其中缺陷构成的异质界面也正因为有极大的反射才使检测成为可能。同时，反射系数质界面也正因为有极大的反射才使检测成为可能。同时，反射系数质界面也正因为有极大的反射才使检测成为可能。同时，反射系数质界面也正因为有极大的反射才使检测成为可能。同时，反射系数K K K K值仅值
27、仅值仅值仅决定于两介质声阻抗决定于两介质声阻抗决定于两介质声阻抗决定于两介质声阻抗Z Z Z Z之差，且差值越大，则之差，且差值越大，则之差，且差值越大，则之差，且差值越大，则K K K K值越大，而与何者为第一值越大，而与何者为第一值越大，而与何者为第一值越大，而与何者为第一介质无关。介质无关。介质无关。介质无关。当界面尺寸当界面尺寸当界面尺寸当界面尺寸d d d df f f f很小时，声波将能绕过其边缘继续前进，即产生波的很小时，声波将能绕过其边缘继续前进，即产生波的很小时，声波将能绕过其边缘继续前进，即产生波的很小时，声波将能绕过其边缘继续前进，即产生波的绕射（绕射（绕射（绕射（图图图
28、图6-76-76-76-7）。由于绕射使反射回波减弱，一般认为超声波检测中能探）。由于绕射使反射回波减弱，一般认为超声波检测中能探）。由于绕射使反射回波减弱，一般认为超声波检测中能探）。由于绕射使反射回波减弱，一般认为超声波检测中能探测到的最小缺陷尺寸为测到的最小缺陷尺寸为测到的最小缺陷尺寸为测到的最小缺陷尺寸为d d d df f f f=/2=/2=/2=/2，这是一个重要原因。显然，要想探测到，这是一个重要原因。显然，要想探测到，这是一个重要原因。显然，要想探测到，这是一个重要原因。显然，要想探测到更小的缺陷，就必须提高超声波的频率。更小的缺陷，就必须提高超声波的频率。更小的缺陷，就必须
29、提高超声波的频率。更小的缺陷，就必须提高超声波的频率。（2 2 2 2）倾斜入射异质界面时的反射、折射、波形转换和聚焦。若超声）倾斜入射异质界面时的反射、折射、波形转换和聚焦。若超声）倾斜入射异质界面时的反射、折射、波形转换和聚焦。若超声）倾斜入射异质界面时的反射、折射、波形转换和聚焦。若超声波由一种介质倾斜入射到另一种介质时，在异质界面上将会产生波的反波由一种介质倾斜入射到另一种介质时，在异质界面上将会产生波的反波由一种介质倾斜入射到另一种介质时，在异质界面上将会产生波的反波由一种介质倾斜入射到另一种介质时，在异质界面上将会产生波的反射和折射，并产生波形转换，如射和折射，并产生波形转换，如射
30、和折射，并产生波形转换，如射和折射，并产生波形转换，如图图图图6-86-86-86-8所示。所示。所示。所示。按几何光学原理，不同波形的声波入射角、反射角、折射角的关系按几何光学原理，不同波形的声波入射角、反射角、折射角的关系按几何光学原理，不同波形的声波入射角、反射角、折射角的关系按几何光学原理，不同波形的声波入射角、反射角、折射角的关系为：为：为：为：（6-16-16-16-1）6.1 6.1 超声波的产生、性质及衰减超声波的产生、性质及衰减返回下一页上一页式中式中式中式中c c c cL L L L、c c c cL1L1L1L1介质介质介质介质I I I I的纵波声速，的纵波声速，的纵
31、波声速，的纵波声速，m/sm/sm/sm/s；c c c cS1S1S1S1介质介质介质介质的横波声速，的横波声速，的横波声速，的横波声速，m/sm/sm/sm/s；c c c cL2L2L2L2介质介质介质介质的纵波声速，的纵波声速，的纵波声速，的纵波声速，m/sm/sm/sm/s；c c c cS2S2S2S2介质介质介质介质的横波声速，的横波声速，的横波声速，的横波声速，m/sm/sm/sm/s；声波入射角，（声波入射角，（声波入射角，（声波入射角，（）；）；）；）；L L L L纵波反射角，（纵波反射角，（纵波反射角，（纵波反射角，（）；）；）；）；S S S S-横波反射角，（横波反
32、射角，（横波反射角，（横波反射角，（）；）；）；）；L L L L纵波折射角，（纵波折射角，（纵波折射角，（纵波折射角，（）；）；）；）；S S S S-横波折射角，（横波折射角，（横波折射角，（横波折射角，（）。）。）。）。从式（从式（从式（从式（6-16-16-16-1）知，当入射角增大时，折射角和反射角随之增大。从）知，当入射角增大时，折射角和反射角随之增大。从）知，当入射角增大时，折射角和反射角随之增大。从）知，当入射角增大时，折射角和反射角随之增大。从图图图图6-86-86-86-8知，当纵波折射角为知，当纵波折射角为知，当纵波折射角为知，当纵波折射角为90909090时，在第且介质
33、内只传播横波，这时的声波时，在第且介质内只传播横波，这时的声波时，在第且介质内只传播横波，这时的声波时，在第且介质内只传播横波，这时的声波入射角称第一临界角，当横波折射角为入射角称第一临界角，当横波折射角为入射角称第一临界角，当横波折射角为入射角称第一临界角，当横波折射角为90909090时，在第时，在第时，在第时，在第介质和第介质和第介质和第介质和第介质介质介质介质的界面上产生表面波的传播，这时的声波入射角称第二临界角。的界面上产生表面波的传播，这时的声波入射角称第二临界角。的界面上产生表面波的传播，这时的声波入射角称第二临界角。的界面上产生表面波的传播，这时的声波入射角称第二临界角。6.1
34、 6.1 超声波的产生、性质及衰减超声波的产生、性质及衰减返回下一页上一页 在进行焊缝超声波检测时，第在进行焊缝超声波检测时，第在进行焊缝超声波检测时，第在进行焊缝超声波检测时，第介质为探头的有机玻璃或环氧树脂，介质为探头的有机玻璃或环氧树脂，介质为探头的有机玻璃或环氧树脂，介质为探头的有机玻璃或环氧树脂，第第第第介质为钢材，则按式（介质为钢材，则按式（介质为钢材，则按式（介质为钢材，则按式（6-16-16-16-1）计算可得：）计算可得：）计算可得：）计算可得：第一临界角第一临界角第一临界角第一临界角 第二临界角第二临界角第二临界角第二临界角 由第一、二临界角的物理意义可知：由第一、二临界角
35、的物理意义可知：由第一、二临界角的物理意义可知：由第一、二临界角的物理意义可知：当当当当1m1m1m1m时，第时，第时，第时，第介质中既存在折射纵波又存在折射横波，这介质中既存在折射纵波又存在折射横波，这介质中既存在折射纵波又存在折射横波，这介质中既存在折射纵波又存在折射横波，这种情况在检测中不采用。种情况在检测中不采用。种情况在检测中不采用。种情况在检测中不采用。当当当当=1m1m1m1m2m2m2m2m时，第时，第时，第时，第介质中只存在折射横波。这是常用的斜介质中只存在折射横波。这是常用的斜介质中只存在折射横波。这是常用的斜介质中只存在折射横波。这是常用的斜探头的设计原理和依据，也是横波
36、检测的基本条件。探头的设计原理和依据，也是横波检测的基本条件。探头的设计原理和依据，也是横波检测的基本条件。探头的设计原理和依据，也是横波检测的基本条件。6.1 6.1 超声波的产生、性质及衰减超声波的产生、性质及衰减返回下一页上一页 当当当当2m2m2m2m时，第时，第时，第时，第介质中既无折射纵波又无折射横波，但这时介质中既无折射纵波又无折射横波，但这时介质中既无折射纵波又无折射横波，但这时介质中既无折射纵波又无折射横波，但这时在第在第在第在第介质表面形成表面波，这是常用表面波探头的设计原理和依据。介质表面形成表面波，这是常用表面波探头的设计原理和依据。介质表面形成表面波，这是常用表面波探
37、头的设计原理和依据。介质表面形成表面波，这是常用表面波探头的设计原理和依据。因为超声波进入介质后有产生折射的性质，所以如同光线一样，可因为超声波进入介质后有产生折射的性质，所以如同光线一样，可因为超声波进入介质后有产生折射的性质，所以如同光线一样，可因为超声波进入介质后有产生折射的性质，所以如同光线一样，可利用透镜产生聚焦性能。聚焦所用声透镜可用液体、金属、有机玻璃和利用透镜产生聚焦性能。聚焦所用声透镜可用液体、金属、有机玻璃和利用透镜产生聚焦性能。聚焦所用声透镜可用液体、金属、有机玻璃和利用透镜产生聚焦性能。聚焦所用声透镜可用液体、金属、有机玻璃和环氧树脂等材料制作。通常做成点聚焦（球凹面）
38、和线聚焦（柱凹面）环氧树脂等材料制作。通常做成点聚焦（球凹面）和线聚焦（柱凹面）环氧树脂等材料制作。通常做成点聚焦（球凹面）和线聚焦（柱凹面）环氧树脂等材料制作。通常做成点聚焦（球凹面）和线聚焦（柱凹面）声透镜。同理，对于曲面工件的检测由于曲面的凹向亦将产生聚焦和发声透镜。同理，对于曲面工件的检测由于曲面的凹向亦将产生聚焦和发声透镜。同理，对于曲面工件的检测由于曲面的凹向亦将产生聚焦和发声透镜。同理，对于曲面工件的检测由于曲面的凹向亦将产生聚焦和发散的问题，对检测产生影响。散的问题，对检测产生影响。散的问题，对检测产生影响。散的问题，对检测产生影响。4.4.4.4.具有可穿透物质和在物质中有衰
39、减的特性具有可穿透物质和在物质中有衰减的特性具有可穿透物质和在物质中有衰减的特性具有可穿透物质和在物质中有衰减的特性 超声波这一性质与射线相似，但超声波具有更强的穿透能力。这是超声波这一性质与射线相似，但超声波具有更强的穿透能力。这是超声波这一性质与射线相似，但超声波具有更强的穿透能力。这是超声波这一性质与射线相似，但超声波具有更强的穿透能力。这是因为超声波在介质中的传播就是声能的传播，由于声能（声强）与频率因为超声波在介质中的传播就是声能的传播，由于声能（声强）与频率因为超声波在介质中的传播就是声能的传播，由于声能（声强）与频率因为超声波在介质中的传播就是声能的传播，由于声能（声强）与频率的
40、平方成正比，而检测用超声波频率远高于声波（如的平方成正比，而检测用超声波频率远高于声波（如的平方成正比，而检测用超声波频率远高于声波（如的平方成正比，而检测用超声波频率远高于声波（如1MHz1MHz1MHz1MHz超声波能量大超声波能量大超声波能量大超声波能量大约是约是约是约是1kHz1kHz1kHz1kHz声波的声波的声波的声波的100100100100万倍），因而超声波的能量很大。同时，超声波在大万倍），因而超声波的能量很大。同时，超声波在大万倍），因而超声波的能量很大。同时，超声波在大万倍），因而超声波的能量很大。同时，超声波在大多数介质中，尤其是在钢等金属材料中传播时，传输损失少，传播
41、距离多数介质中，尤其是在钢等金属材料中传播时，传输损失少，传播距离多数介质中，尤其是在钢等金属材料中传播时，传输损失少，传播距离多数介质中，尤其是在钢等金属材料中传播时，传输损失少，传播距离大，一般可达数米远，因此穿透能力强。所以超声检测能有较大的探测大，一般可达数米远，因此穿透能力强。所以超声检测能有较大的探测大，一般可达数米远，因此穿透能力强。所以超声检测能有较大的探测大，一般可达数米远，因此穿透能力强。所以超声检测能有较大的探测深度，这是其他检测方法不能比拟的。深度，这是其他检测方法不能比拟的。深度，这是其他检测方法不能比拟的。深度，这是其他检测方法不能比拟的。6.1 6.1 超声波的产
42、生、性质及衰减超声波的产生、性质及衰减返回下一页上一页 6.1.36.1.36.1.36.1.3超声波的衰减超声波的衰减超声波的衰减超声波的衰减 超声波的衰减主要有以下三个原因。超声波的衰减主要有以下三个原因。超声波的衰减主要有以下三个原因。超声波的衰减主要有以下三个原因。（1 1 1 1）散射引起的衰减。这是由于声波在不均匀的和各向异性的金属）散射引起的衰减。这是由于声波在不均匀的和各向异性的金属）散射引起的衰减。这是由于声波在不均匀的和各向异性的金属）散射引起的衰减。这是由于声波在不均匀的和各向异性的金属晶粒的界面上产生折射、反射和波形转换所致。一般来说，频率越高，晶粒的界面上产生折射、反
43、射和波形转换所致。一般来说，频率越高，晶粒的界面上产生折射、反射和波形转换所致。一般来说，频率越高，晶粒的界面上产生折射、反射和波形转换所致。一般来说，频率越高，晶粒尺寸越大，散射引起的衰减越厉害。当波长与晶粒平均尺寸的比值晶粒尺寸越大，散射引起的衰减越厉害。当波长与晶粒平均尺寸的比值晶粒尺寸越大，散射引起的衰减越厉害。当波长与晶粒平均尺寸的比值晶粒尺寸越大，散射引起的衰减越厉害。当波长与晶粒平均尺寸的比值约为约为约为约为3 3 3 3时，其衰减量最大。实际检测中，由于奥氏体钢焊缝晶粒粗大（晶时，其衰减量最大。实际检测中，由于奥氏体钢焊缝晶粒粗大（晶时，其衰减量最大。实际检测中，由于奥氏体钢焊
44、缝晶粒粗大（晶时，其衰减量最大。实际检测中，由于奥氏体钢焊缝晶粒粗大（晶粒平均尺寸常可达数毫米），衰减很严重，同时在示波屏上形成粒平均尺寸常可达数毫米），衰减很严重，同时在示波屏上形成粒平均尺寸常可达数毫米），衰减很严重，同时在示波屏上形成粒平均尺寸常可达数毫米），衰减很严重，同时在示波屏上形成“草状草状草状草状回波回波回波回波”，显著降低了检测时的信噪比，如，显著降低了检测时的信噪比，如，显著降低了检测时的信噪比，如，显著降低了检测时的信噪比，如图图图图6-96-96-96-9所示。所示。所示。所示。（2 2 2 2）吸收引起的衰减。超声波传播时，介质质点间产生相对运动，）吸收引起的衰减。超
45、声波传播时，介质质点间产生相对运动，）吸收引起的衰减。超声波传播时，介质质点间产生相对运动，）吸收引起的衰减。超声波传播时，介质质点间产生相对运动，互相摩擦使部分声能转换为热能，通过热传导引起衰减。对于金属介质互相摩擦使部分声能转换为热能，通过热传导引起衰减。对于金属介质互相摩擦使部分声能转换为热能，通过热传导引起衰减。对于金属介质互相摩擦使部分声能转换为热能，通过热传导引起衰减。对于金属介质的吸收衰减与散射衰减相比，几乎可略去不计，但对于液体介质吸收衰的吸收衰减与散射衰减相比，几乎可略去不计，但对于液体介质吸收衰的吸收衰减与散射衰减相比，几乎可略去不计，但对于液体介质吸收衰的吸收衰减与散射衰
46、减相比，几乎可略去不计，但对于液体介质吸收衰减则是主要的。减则是主要的。减则是主要的。减则是主要的。（3 3 3 3）声束扩散引起的衰减。这是因为随着传播距离的增大，波束截）声束扩散引起的衰减。这是因为随着传播距离的增大，波束截）声束扩散引起的衰减。这是因为随着传播距离的增大，波束截）声束扩散引起的衰减。这是因为随着传播距离的增大，波束截面增大使单位面积上声能逐渐减少所致。面增大使单位面积上声能逐渐减少所致。面增大使单位面积上声能逐渐减少所致。面增大使单位面积上声能逐渐减少所致。6.1 6.1 超声波的产生、性质及衰减超声波的产生、性质及衰减返回下一页上一页 总之，在金属材料的超声波检测中，主
47、要考虑散射引起的衰减，其总之，在金属材料的超声波检测中，主要考虑散射引起的衰减，其总之，在金属材料的超声波检测中，主要考虑散射引起的衰减，其总之，在金属材料的超声波检测中，主要考虑散射引起的衰减，其规律为：规律为：规律为：规律为：（6-46-46-46-4）式中式中式中式中p p p pX X X X离压电晶片表面为离压电晶片表面为离压电晶片表面为离压电晶片表面为X X X X处的声压，处的声压，处的声压，处的声压，PaPaPaPa；p p p p0 0 0 0超声波原始声压，超声波原始声压，超声波原始声压，超声波原始声压，PaPaPaPa；eeee自然对数的底；自然对数的底；自然对数的底；自
48、然对数的底；金属材料的（散射）衰减系数，金属材料的（散射）衰减系数，金属材料的（散射）衰减系数，金属材料的（散射）衰减系数，dB/mdB/mdB/mdB/m；xxxx超声波在材料中传播的距离，超声波在材料中传播的距离，超声波在材料中传播的距离，超声波在材料中传播的距离，m m m m。式（式（式（式（6-46-46-46-4）表明，声压按负指数规律衰减。同时研究指出，散射衰减）表明，声压按负指数规律衰减。同时研究指出，散射衰减）表明，声压按负指数规律衰减。同时研究指出，散射衰减）表明，声压按负指数规律衰减。同时研究指出，散射衰减系数系数系数系数与频率与频率与频率与频率f f f f，晶粒平均直
49、径，晶粒平均直径，晶粒平均直径，晶粒平均直径d d d d及各向异性系数及各向异性系数及各向异性系数及各向异性系数F F F F有关，且当有关，且当有关，且当有关，且当dddd时，时，时，时，与与与与f f f f4 4 4 4、d d d d3 3 3 3成正比。因此，检测晶粒较粗大工件时，为减少散射衰减而常成正比。因此，检测晶粒较粗大工件时，为减少散射衰减而常成正比。因此，检测晶粒较粗大工件时，为减少散射衰减而常成正比。因此，检测晶粒较粗大工件时，为减少散射衰减而常选用较低的工作频率。而可淬硬钢的焊缝亦建议在其调质热处理晶粒得选用较低的工作频率。而可淬硬钢的焊缝亦建议在其调质热处理晶粒得选
50、用较低的工作频率。而可淬硬钢的焊缝亦建议在其调质热处理晶粒得选用较低的工作频率。而可淬硬钢的焊缝亦建议在其调质热处理晶粒得到细化后再进行超声波检测。到细化后再进行超声波检测。到细化后再进行超声波检测。到细化后再进行超声波检测。6.1 6.1 超声波的产生、性质及衰减超声波的产生、性质及衰减返回下一页上一页 在检测晶粒较粗大和大型工件时，应测定衰减系数，并在定量计算在检测晶粒较粗大和大型工件时，应测定衰减系数，并在定量计算在检测晶粒较粗大和大型工件时，应测定衰减系数，并在定量计算在检测晶粒较粗大和大型工件时，应测定衰减系数，并在定量计算时考虑材质衰减的影响，以便减小定量误差。时考虑材质衰减的影响