超聲波故障診斷技術(shù)

1、超聲波故障診斷技術(shù),姓名： 學(xué)號(hào)： 20119360,,,超聲波故障診斷技術(shù),一、超聲波檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí) 二、 超聲場(chǎng)及其特征參量 三、 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性 四、 超聲波檢測(cè)方法 五、超聲波的衰減 六、超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,一、超聲波檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí),超聲波的產(chǎn)生依賴于做

2、高頻機(jī)械振動(dòng)的“聲源”和傳播機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)，所以機(jī)械振動(dòng)和波動(dòng)是超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)。 超聲波是超聲振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，超聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。與聲波和次聲波在彈性介質(zhì)中的傳播類同，區(qū)別在于超聲波的頻率高于20kHz。 工業(yè)超聲波檢測(cè)常用的工作頻率為：0.5~10MHz。,1、超聲波的特點(diǎn),方向性好,,在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時(shí)傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)。在一些

3、金屬材料中其穿透能力可達(dá)數(shù)米。,穿透能力強(qiáng),,超聲波探傷預(yù)率遠(yuǎn)高于聲波，而能量與頻率平方成正比。超聲檢測(cè)的工作頻率遠(yuǎn)高于聲波的頻率。,在超聲波探傷中，特別是超聲波脈沖反射法探傷中。利用了超聲波具有幾何聲學(xué)的一些特點(diǎn)，如在介質(zhì)中直線傳播，遇界面產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等,能 量 高,反射、折射和波型的轉(zhuǎn)換,,,,具有像光波 一樣定向束射的特性。超聲波是頻率很高、波長(zhǎng)很短的機(jī)械波，在無(wú)損探傷中，使用的波長(zhǎng)為

4、毫米數(shù)量級(jí)。,2、超聲波的分類,1） 按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類 根據(jù)波動(dòng)傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向的關(guān)系?？蓪⒊暡ǚ譃榭v波、橫波、表面波和板波等。 ,（1）縱波 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相同的，用L表示。,（2）橫波 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向的波叫橫波，用S或T表示,（3） 表面波（瑞利波）。當(dāng)超聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)， 對(duì)于有限介質(zhì)而言，有一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟幢砻娌?見(jiàn)圖

5、1-4)，受表面張力的作用。瑞利首先對(duì)這種波給予了理論上的說(shuō)明，因此表面波又稱為瑞利波， 常用R表示。,圖1-4 表面波,（4） 板波（蘭姆波）。在板厚和波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)膹椥员“逯袀鞑サ某暡ń邪宀?或蘭姆波)。板波按其傳播方式又可分為對(duì)稱型（S型）和非對(duì)稱型（A型）兩種，這是由質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于板的中間層作對(duì)稱型還是非對(duì)稱型運(yùn)動(dòng)來(lái)決定的。,圖1-5 板波(a) 對(duì)稱型； (b) 非對(duì)稱型,2024/2/5,10,2)按振動(dòng)持續(xù)時(shí)

6、間的長(zhǎng)短分 根據(jù)波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，將超聲波分為連續(xù) 波和脈沖波兩種。 ①連續(xù)波 波源持續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波稱為連續(xù)波。連續(xù)波常用于穿透法檢測(cè)和共振法測(cè)厚，其振動(dòng)形態(tài)如圖7-1 (a)所示。 ②脈沖波。波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短(微秒級(jí))、間歇輻射的波稱為脈沖波。目前，超聲無(wú)損檢測(cè)中廣泛采用的就是脈沖波，其振動(dòng)形態(tài)如圖7-1 (b)所示。,3） 按超聲波的波形分類　　超聲波由聲源向周圍傳播的過(guò)程可

7、用波陣面 進(jìn)行描述。根據(jù)波陣面的形狀(波形)，可將超聲波分為平面波、柱面波和球面波等。平面波即波陣面為平面的波，而柱面波的波陣面為同軸圓柱面，球面波的波陣面為同心球面，如圖1-6所示。在無(wú)限大且各向同性的介質(zhì)中，振動(dòng)向各方向傳播， 用波線表示,圖1-6 波線、 波前與波陣面(a) 平面波； (b) 柱面波； (c) 球面波,當(dāng)聲源是一個(gè)點(diǎn)時(shí)，在各向同性介質(zhì)中的波陣面為以聲源為中心的球面。 可以證明，球面波中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)幅度與距

8、聲源的距離成反比。 當(dāng)聲源的尺寸遠(yuǎn)小于測(cè)量點(diǎn)距聲源的距離時(shí)，可以把超聲波看成是球面波。 球面波的波動(dòng)方程為 ：,（1-1）,二、 超聲場(chǎng)及其特征參量　　充滿超聲波的空間或介質(zhì)中超聲振動(dòng)所波及的質(zhì)點(diǎn)占據(jù)的范圍叫超生場(chǎng)。一、描述超聲場(chǎng)的物理量　1.聲壓 p　　當(dāng)介質(zhì)中有超聲波傳播時(shí)，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，使介質(zhì)中壓強(qiáng)交替變化。超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬時(shí)所具有的壓強(qiáng)P1與沒(méi)有超聲波存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差稱為該點(diǎn)的聲壓，用P表示,即,

9、（1-2）,對(duì)于平面余弦波， 有：,（1-3）,式中：　為介質(zhì)的密度;c為介質(zhì)中的聲速；　為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振幅；ω為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的角頻率； 為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的幅值；t為時(shí)間；x為質(zhì)點(diǎn)距聲源的距離； 為聲壓幅值。　　由上式可知：超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓幅值Pm與角頻率成正比，也就與頻率成正比。由于超聲波的頻率很高，遠(yuǎn)大于聲波的頻率，故超聲波的聲壓一般也遠(yuǎn)大于聲波的聲壓。,2.聲阻抗 　介質(zhì)中某一

10、點(diǎn)的聲壓幅值Pm與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值Vm之比，稱為聲阻抗，常用Z表示,單位為g/(cm2·s)； kg/(cm2·s) 。在同一聲壓下，聲阻抗Z愈大，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度就愈小。聲阻抗表示超聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。 由式(1-3)得,（1-4）,氣體、液體和固體的聲阻抗相差較大：Z氣：Z液：Z金屬=1：3000：8000,3. 聲強(qiáng)　　單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的聲能，稱為聲強(qiáng)，用I表示，單位為W/cm2。

11、 對(duì)于平面縱波，其聲強(qiáng)I為,（1-5）,由式(1-5)可知，超聲場(chǎng)中，聲強(qiáng)與角頻率平方成正比。由于超聲波的頻率很高，故超聲波的聲強(qiáng)很大，這是超聲波能用于探傷的重要依據(jù)。,4. 分貝的概念　實(shí)際探傷中，將聲強(qiáng)I1與I2之比取對(duì)數(shù)的10倍得到二者相差的數(shù)量級(jí)，這時(shí)單位為分貝，用dB表示，即,（1-6）,根據(jù)式（1-5），有,（1-7）,式中： Pm1、 Pm2分別為聲強(qiáng)I1、 I2對(duì)應(yīng)的聲壓幅值。,對(duì)于線性良好的超聲波探傷儀，示波屏上

12、波高與聲壓成正比，即任意兩波高H1、H2之比等于相應(yīng)的聲壓Pm1、Pm2之比， 即,（1-8）,取自然對(duì)數(shù)ln， 單位則為奈培。有：,三、 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性　　一、 超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射　　(一)單一界面 如圖1-7所示，當(dāng)超聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)， 一部分能量透過(guò)界面進(jìn)入第二種介質(zhì)，成為透射

13、波(聲強(qiáng)為It)， 波的傳播方向不變；另一部分能量則被界面反射回來(lái)，沿與入射波相反的方向傳播，成為反射波(聲強(qiáng)為Ir)。聲波的這一性質(zhì)是超聲波檢測(cè)缺陷的物理基礎(chǔ)。,圖1-7 超聲波垂直入射于平界面的反射與透射,通常將反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0的比值稱為聲壓反射率r，將透射波聲壓Pt和P0的比值稱為聲壓透射率t。可以證明， r和t的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,（1-11）,（1-12）,式中： Z1為第一種介質(zhì)的聲阻抗； Z2為第二種介質(zhì)的聲阻抗

14、。,為了研究反射波和透射波的能量關(guān)系，引入聲強(qiáng)反射率R和聲強(qiáng)透射率T兩個(gè)量。R為反射波聲強(qiáng)(Ir)和入射波聲強(qiáng)(I0)之比；T為透射波聲強(qiáng)(It)和入射波聲強(qiáng)(I0)之比。,（1-13）,（1-14）,聲波垂直入射到平界面上時(shí)，聲壓和聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。 在垂直入射時(shí)，界面兩側(cè)的聲波必須滿足兩個(gè)邊界條件：1、一側(cè)聲壓等于另一側(cè)聲壓；2、兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度振幅相等，以保持波的連續(xù)性。,(二)薄層界面　　在超聲檢測(cè)中

15、經(jīng)常遇到超聲波進(jìn)入第二種介質(zhì)后，穿過(guò)第二種介質(zhì)再進(jìn)入第三種介質(zhì)的情況。如圖1-9所示，當(dāng)超聲波從介質(zhì)1（聲阻抗為Z1）中垂直入射到介質(zhì)1和介質(zhì)2（聲阻抗為Z2）的界面上時(shí)， 一部分聲能被反射，另一部分透射到介質(zhì)2中；當(dāng)透射的聲波到達(dá)介質(zhì)2和介質(zhì)3（聲阻抗為Z3）的界面時(shí)，再次發(fā)生反射與透射，其反射波部分在介質(zhì)2中傳播至介質(zhì)2與介質(zhì)1的界面，則又會(huì)發(fā)生同樣的過(guò)程。如此不斷地繼續(xù)下去，則在兩個(gè)界面的兩側(cè)，產(chǎn)生一系列的反射波與透射波。見(jiàn)P20

16、,圖1-9 在兩個(gè)界面上的反射和透射,二、 超聲波傾斜入射到平界面上的反射、 折射和波型變換　　當(dāng)超聲波相對(duì)于界面入射點(diǎn)法線以一定的角度傾斜入射到兩種不同介質(zhì)的界面上時(shí)，在界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，見(jiàn)圖1-10。入射聲波與入射點(diǎn)法線之間的夾角稱為入射角。,圖1-10 超聲波傾斜入射到平界面上的反射、折射和波型變換(a) 縱波入射； (b) 橫波入射,1) 反射 　　如圖1-10（a）所示，當(dāng)縱波以入射角αL傾斜入射

17、到異質(zhì)界面上時(shí)，將會(huì)在介質(zhì)1中于入射點(diǎn)法線的另一側(cè)產(chǎn)生與法線成一定夾角rL的反射縱波。 反射波與入射點(diǎn)法線之間的夾角稱為反射角。入射縱波與反射縱波之間的關(guān)系符合幾何光學(xué)的反射定律，即αL=rL?！　∨c光的反射不同的是，當(dāng)介質(zhì)1為固體時(shí)，界面上既產(chǎn)生反射縱波，同時(shí)又發(fā)生波型轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生反射橫波，即反射后同時(shí)產(chǎn)生縱波與橫波兩種波型。這時(shí)，橫波反射角rS與縱波入射角之間的關(guān)系與光學(xué)中的斯奈爾定律相同，為,（1-16）,若入射聲波為橫波，也會(huì)產(chǎn)

18、生同樣的現(xiàn)象，見(jiàn)圖1-10（b)， 這時(shí)橫波入射角αS與橫波反射角rS相等。介質(zhì)1為固體時(shí)縱波反射角與橫波入射角之間的關(guān)系為,（1-17）,由于固體中縱波聲速總是大于橫波聲速，因此，無(wú)論是縱波入射還是橫波入射，均有　　　　。當(dāng)介質(zhì)1為液體或氣體時(shí)，則入射波和反射波只能為縱波。,2） 折射　　當(dāng)兩種介質(zhì)聲速不同時(shí)，透射部分的聲波會(huì)發(fā)生傳播方向的改變，稱為折射。不論是縱波入射還是橫波入射，只要介質(zhì)2為固體， 則介質(zhì)2中除有與入射波相同波

19、型的折射波外，均可因在界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生與入射波不同波型的折射波。 這時(shí)，介質(zhì)2中可能同時(shí)存在縱波與橫波(見(jiàn)圖1-10)。折射角與入射角之間的關(guān)系符合斯奈爾定律。 　　折射角相對(duì)于入射角的大小和折射波聲速與入射波聲速的比率有關(guān)。同時(shí)，由于縱波聲速總是大于橫波聲速，因此縱波折射角βL要大于橫波折射角βS。,3） 臨界角　　當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)中的折射波型的聲速比第一種介質(zhì)中入射波型的聲速大時(shí)，折射角大于入射角。此時(shí)，存在一個(gè)臨界入射角

20、，在這個(gè)角度下，折射角等于90°。大于這一角度時(shí)， 第二種介質(zhì)中不再有相應(yīng)波型的折射波。 　　(1) 第一臨界角。當(dāng)入射波為縱波，且cL2>cL1時(shí)，使縱波折射角達(dá)到90°的縱波入射角稱為第一臨界角，用符號(hào)αⅠ表示。當(dāng)縱波入射角大于第一臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中不再有折射縱波。,(2) 第二臨界角。當(dāng)入射波為縱波，第二介質(zhì)為固體， 且cS2>cL1時(shí)，使橫波折射角達(dá)到90°的縱波入射角為第二臨界角

21、，用符號(hào)αⅡ表示。 　　通常在超聲檢測(cè)中，臨界角主要應(yīng)用于第二介質(zhì)為固體， 而第一介質(zhì)為固體或液體的情況。這種情況下，可利用入射角在第一臨界角和第二臨界角之間的范圍，在固體中產(chǎn)生一定角度范圍內(nèi)的純橫波， 對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)。,(3) 第三臨界角。第三臨界角是在固體介質(zhì)與另一種介質(zhì)的界面上，用橫波作為入射波時(shí)產(chǎn)生的。使縱波反射角達(dá)到90°時(shí)的橫波入射角稱為第三臨界角，用表示αⅢ。 ,四、 超聲波檢測(cè)設(shè)備 ,1、超聲波檢測(cè)

22、儀,(1)按超聲波的連續(xù)性分 ①脈沖波檢測(cè)儀：這種儀器通過(guò)向工件周期性地發(fā)射不連續(xù)且頻率固定的超聲波，根據(jù)超聲波的傳播時(shí)間及幅度來(lái)判斷工件中缺陷的有無(wú)、位置、大小及性質(zhì)等信息，這是目前使用最為廣泛的一類超聲波檢測(cè)儀。②連續(xù)波檢測(cè)儀 這種儀器通過(guò)探頭向工件中周期性地發(fā)射連續(xù)且頻率不變(或在小范圍內(nèi)周期性變化)的超聲波，根據(jù)透過(guò)工件的超聲波的強(qiáng)度變化來(lái)判斷工件中缺陷的有無(wú)及大小、性質(zhì)等。,③調(diào)頻波檢測(cè)儀 這種儀器通過(guò)探

23、頭向工件中發(fā)射連續(xù)的、頻率周期性變化的超聲波，根據(jù)發(fā)射波與反射波的差頻變化情祝來(lái)判斷工件中有無(wú)缺陷。,(2)按缺陷顯示的方式分 按其顯示缺陷的方式不同，可將超聲波檢測(cè)儀分為A型、B型和C型等三種類型。,超聲波檢測(cè)儀的性能指標(biāo)是多方面的，主要的有水平線性、 垂直線性和動(dòng)態(tài)范圍等。 ①水平線性 水平線性也稱比基線性或掃描線性，是表征檢測(cè)儀水平掃描線掃描速度的均勻程度。,②垂直線性 也稱放大線性，它是描

24、述檢測(cè)儀示波屏上反射波高度與接收信號(hào)電壓成正比關(guān)系的程度。垂直線性影響對(duì)缺陷的定量分析。 ③動(dòng)態(tài)范圍 是檢測(cè)儀示波屏上反射波高度從滿幅降至消失時(shí)儀器衰減器的變化范圍。動(dòng)態(tài)范圍大，對(duì)小缺陷得檢出能力強(qiáng)。,2)主要性能指標(biāo),,,,,2、超聲波探頭,超聲波探頭實(shí)際上是一種機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的換能器，大多數(shù)是利用壓電效應(yīng)制作的，其功能在于發(fā)生和接收超聲波。探傷用超聲波是一種頻率高達(dá)幾百千赫茲到幾兆赫茲的高頻脈沖彈性波。,超

25、聲波探頭,,,,,壓電效應(yīng),超聲波探頭,正壓電效和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱壓電效應(yīng)。,,,,,超聲波探頭功用電信號(hào)→探頭→超聲波→零件－－超聲波發(fā)射； 零件內(nèi)超聲波→探頭→電信號(hào)－－超聲波接收；,超聲波探頭,探頭功用：是一種可逆的聲電轉(zhuǎn)換元件。在探傷中起發(fā)射和接收高頻脈沖彈性波作用。,,,,,2、探頭結(jié)構(gòu)組成,超聲波探頭,探頭組成：壓電晶片、阻尼塊、外殼、電極、保護(hù)膜（斜鍥）、調(diào)諧線圈,壓電晶片：實(shí)現(xiàn)聲電相互轉(zhuǎn)換；阻尼塊：吸收聲能加大

26、阻尼；外殼：保護(hù)固定內(nèi)部原件；電極：實(shí)現(xiàn)晶片和電纜連接；保護(hù)膜、斜鍥：保護(hù)晶片、波形轉(zhuǎn)換；調(diào)諧線圈：實(shí)現(xiàn)探頭與儀器最佳匹配。,,,,,3、探頭種類,超聲波探頭,,,,,（1）直探頭,超聲波探頭,直探頭特點(diǎn):?適用于探測(cè)晶片正下方與聲束方向垂直的缺陷；?探測(cè)深度較大,適用范圍廣；?檢測(cè)靈敏度高。 直探頭只能發(fā)射和接收縱波.波速軸線垂直于探測(cè)面，主要用于探測(cè)與探測(cè)面平行的缺陷，如鍛件、鋼板中的夾層、折疊等缺陷。,,,,

27、,（2）斜探頭,超聲波探頭,?適合探測(cè)探頭斜下方不同角度方向的缺陷；?探測(cè)深度較小,適用直探頭難以探測(cè)的部位；?檢測(cè)靈敏度較高。 斜探頭是通過(guò)波形轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)橫波探傷的。主要用于探測(cè)與探測(cè)面垂直或成一角度的缺陷。如焊縫中的未焊透、夾渣、未溶合等缺陷。,,,,,（3）雙晶探頭,超聲波探頭,雙晶探頭特點(diǎn):?雙晶片聲場(chǎng)重疊區(qū)域靈敏度最高,一般用于定向定位檢測(cè)；?探測(cè)深度較?。?檢測(cè)靈敏度高較。,,,,,（4）可變角探頭,超聲波探頭,可

28、變角探頭特點(diǎn):晶片產(chǎn)生超聲波的入射方向可以改變。一個(gè)探頭可進(jìn)行多個(gè)方向上探測(cè)，是一種多功能探頭。,圖1-21 各種探頭 (a) 縱波直探頭； (b) 橫波斜探頭； (c) 雙晶探頭,,,,,4、探頭表示方法,超聲波探頭,,,,,探頭表示方法,超聲波探頭,(3)耦合劑 在超聲波檢測(cè)中，耦合劑的作用主要是排除探頭與工件表面之間的空氣，使超生波能有效地傳入工件，以便檢側(cè)。當(dāng)然，藕合劑也有利一獷減小探頭與工件表面間的摩擦

29、。延長(zhǎng)探頭的使用壽命。 對(duì)耦合劑的一般要求是:①能潤(rùn)濕工件和探頭表面，流動(dòng)性、粘度和附著力適當(dāng)，易于清洗 。②聲阻杭高，透聲性能好。③對(duì)工件無(wú)腐蝕，對(duì)人體無(wú)害，不污染環(huán)境;④性能穩(wěn)定，能長(zhǎng)期保存;⑤來(lái)源廣，價(jià)格便宜,超聲波檢測(cè)中常用的藕合劑的聲阻抗如表所示。,2、超聲波探傷方法　　超聲檢測(cè)的方法很多，可按原理、波型和使用探頭的數(shù)目及探頭接觸方式來(lái)分類。按原理分類，有脈沖反射法、穿透法和共振法；按顯示方式分類，有A型顯

30、示、B型顯示和C型顯示；按波型分類，有縱波法、橫波法、表面波法和板波法；按探頭數(shù)目分類，有單探頭法、雙探頭法和多探頭法；按耦合方式分類，有接觸法和液浸法；按入射角度分類，有直射聲束法和斜射聲束法。,1）脈沖反射法 超聲波以持續(xù)極短的時(shí)間發(fā)射脈沖到被檢試件內(nèi)，根據(jù)反射波來(lái)檢測(cè)試件缺陷的方法，稱為脈沖反射法。 按照判斷缺陷情況的回波性質(zhì)，脈沖反射法還可分為缺陷回波法、底面回波高度法、底面多次回波法三種。 （1）缺陷回波法

31、 根據(jù)儀器示波屏上顯示的缺陷探傷圖形進(jìn)行判斷的探傷，稱為缺陷回波法。該方法是反射法的基本方法。,（2）底面回波高度法 當(dāng)試件的材質(zhì)和厚度不變時(shí)，底面回波高度應(yīng)是基本不變的。如果試件內(nèi)存在缺陷，底面回波高度會(huì)下降甚至消失，如圖9-10所示。,這種依據(jù)底面回波的高度變化判斷試件缺陷情況的探傷方法，稱為底面回波高度法.,3）底面多次回波法 當(dāng)透入試件的超聲波能量較大，而試件厚度較小時(shí)，在試件完好無(wú)缺陷的情況下，超

32、聲波可在探測(cè)面與底面之間往復(fù)傳播多次，示波屏上出現(xiàn)多次底波B1、B2、B3……。如果試件存在缺陷，則由于缺陷的反射以及散射而增加了聲能的損耗，底面回波次數(shù)減少,.同時(shí)也打亂了各次底面回波高度依次按指數(shù)衰減的規(guī)律，并顯示出缺陷回波，,主要用于厚度不大、形狀簡(jiǎn)單、探側(cè)面與地面平行的試件檢測(cè),2）穿透法 穿透法是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件之后的能量變化來(lái)判斷缺陷情況的一種方法，如圖9-12所示。,圖1-23 接觸法單探頭直射聲束脈沖

33、反射法(a) 無(wú)缺陷； (b) 有缺陷,穿透法常采用兩個(gè)探頭，一個(gè)作發(fā)射用，一個(gè)作接收用，分別放置在試件的兩側(cè)進(jìn)行探測(cè)。圖9-12a為無(wú)缺陷時(shí)的波形. 圖9一12b為有缺陷時(shí)的波形。,3）共振法 依據(jù)試件的共振特性，來(lái)判斷缺陷情說(shuō)的方法稱為共振法。 若聲波(頻率可調(diào)的連續(xù)波)在被檢工件內(nèi)傳播，當(dāng)試件的厚度為超聲波的半波長(zhǎng)或半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，由于入射波和反射波的相位相同，則引起共振，因而儀器

34、可顯示出共振頻率點(diǎn)，用相鄰的兩個(gè)共振頻率之差，由以下公式算出試件厚度:當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷時(shí)，將改變?cè)嚰墓舱耦l率。,3、超聲波探測(cè)條件的選擇1）檢測(cè)儀的選擇 選擇檢測(cè)儀時(shí)應(yīng)根據(jù)探側(cè)要求和現(xiàn)場(chǎng)條件，并綜合考慮以下幾方面 1）定位要求高時(shí)，應(yīng)選擇水平線性好的儀器; 2）定量要求高時(shí)，應(yīng)選擇垂直線性好、衰減器精度高的儀器; 3）大型零件的檢測(cè)應(yīng)選擇靈敏度余量高、信噪比高和功率大的儀器;

35、 4）為了有效地發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和區(qū)分相鄰缺陷，應(yīng)選擇盲區(qū)小、分辨力高的儀器; 5）室外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，應(yīng)選擇質(zhì)量輕、示波屏亮度好、抗干擾能力強(qiáng)的便攜式儀器;,2）探頭的選擇 探頭的選擇包括探頭型式、頻率、晶片尺寸等內(nèi)容。 ①探頭型式的選擇 一般應(yīng)根據(jù)工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、方向等來(lái)選擇探頭的型式。使聲束軸線盡量與缺陷垂直。,②探頭頻率的選擇 由于波的繞射而使超聲波檢側(cè)的最小缺陷尺寸約為 因

36、此，提高頻率有利于發(fā)現(xiàn)小缺陷；頒率高，脈沖寬度小，分辨力高，有利于區(qū)分相鄰缺陷;頻率高，波長(zhǎng)短，半擴(kuò)散角小，聲束指向性好，能量集中，有利于發(fā)現(xiàn)并定位缺陷。頻率高，波長(zhǎng)短.近場(chǎng)長(zhǎng)度大，對(duì)檢測(cè)不利;頻率提高，衰減急劇增加，對(duì)檢測(cè)不利。,③探頭晶片尺寸的選擇 晶片大小對(duì)聲束指向性、近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度、近距離掃查范圍和遠(yuǎn)距離缺陷檢出能力有較大影響。實(shí)際檢測(cè)中，檢測(cè)面積范圍大的工件時(shí)，為了提高檢測(cè)效率，宜選用大晶片探頭。檢測(cè)厚度大的工件時(shí).為了有

37、效地發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷，宜選用大晶片探頭。檢測(cè)小型工件時(shí)，為r提高缺陷定位、定量精度，宜選用小晶片探頭。檢測(cè)表面不太平整、曲率較大的工件時(shí)，為了減少禍合損失，宜選用小晶片探頭。,圖1-20 超聲波檢測(cè)儀(a)、 (b)、 (c) 數(shù)字式超聲檢測(cè)儀； (d) 探傷小車,五、超聲波的衰減,一、衰減的原因1、擴(kuò)散衰減1）超聲波在傳播過(guò)程中，由于波束的散，使超聲波的能量隨距離增加而逐漸減弱的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散衰減。 超聲波的擴(kuò)散

38、衰減僅取決于波面的形狀，與介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。（1）平面波波陣面為平面，波束不擴(kuò)散，不存在擴(kuò)散衰減。（2）柱面波陣面為同軸圓柱面。波束向四周擴(kuò)散，存在擴(kuò)散衰減，聲壓與距離的平方根成反比。（3）球面波陣面為同心球面，波束向四面八方擴(kuò)散，存在擴(kuò)散衰減，聲壓與距離成反比。,,,,,,,2、散射衰減1）超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射引起衰減的現(xiàn)象，稱為散射衰減。2）散射衰減與材質(zhì)的晶粒密切相關(guān)

39、，當(dāng)材質(zhì)晶粒粗大時(shí)，散射衰減嚴(yán)重，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播到探頭，在示波屏上引起林狀回波(又叫草波)，使信噪比下降，嚴(yán)重時(shí)噪聲會(huì)湮沒(méi)缺陷波。 3、吸收衰減 超聲波在分質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間內(nèi)摩擦(即粘滯性)和熱傳導(dǎo)引起超聲波的衰減，稱為吸收衰減或粘滯衰減。,,,2、散射衰減1）超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射引起衰減的現(xiàn)象，稱為散射衰減。2）散射衰減與材質(zhì)的晶粒密切相關(guān)，當(dāng)

40、材質(zhì)晶粒粗大時(shí)，散射衰減嚴(yán)重，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播到探頭，在示波屏上引起林狀回波(又叫草波)，使信噪比下降，嚴(yán)重時(shí)噪聲會(huì)湮沒(méi)缺陷波。 3、吸收衰減 超聲波在分質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間內(nèi)摩擦(即粘滯性)和熱傳導(dǎo)引起超聲波的衰減，稱為吸收衰減或粘滯衰減。,,,六、超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用　　1. 典型構(gòu)件的超聲探傷技術(shù)　　1） 鍛件檢測(cè)　　鍛件的種類和規(guī)格很多，常見(jiàn)的類型有：餅盤件、環(huán)形件、軸類件和筒形件

41、等。鍛件中的缺陷多呈現(xiàn)面積形或長(zhǎng)條形的特征。由于超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)面積型缺陷檢測(cè)最為有利，因此鍛件是超聲檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用的主要對(duì)象。,（1） 鍛件中的常見(jiàn)缺陷。鍛件中的缺陷主要來(lái)源于兩個(gè)方面：材料鍛造過(guò)程中形成的縮孔、縮松、夾雜及偏析等； 熱處理中產(chǎn)生的白點(diǎn)、裂紋和晶粒粗大等。 　?。?） 鍛件超聲檢測(cè)的特點(diǎn)。鍛件可采用接觸法或液浸法進(jìn)行檢測(cè)。鍛件的組織很細(xì)，由此引起的聲波衰減和散射影響相對(duì)較小。因此，鍛件上有時(shí)可以應(yīng)用較高的檢測(cè)頻率(如1

42、0 MHz以上)， 以滿足高分辨力檢測(cè)的要求， 以及實(shí)現(xiàn)較小尺寸缺陷檢測(cè)的目的。,圖1-24 軸類件徑向和軸向檢測(cè)示意圖,2) 鑄件檢測(cè)　　鑄件具有組織不均勻、組織不致密、表面粗糙和形狀復(fù)雜等特點(diǎn)，因此常見(jiàn)缺陷有孔洞類（包括縮孔、縮松、疏松、 氣孔等）、裂紋冷隔類（冷裂、熱裂、白帶、冷隔和熱處理裂紋）、夾雜類以及成分類（如偏析）等。 　　鑄件的上述特點(diǎn)，形成了鑄件超聲檢測(cè)的特殊性和局限性。檢測(cè)時(shí)一般選用較低的超聲頻率，如0.5～

43、2 MHz，因此檢測(cè)靈敏度也低，雜波干擾嚴(yán)重，缺陷檢測(cè)要求較低。 　　鑄件檢測(cè)常采用的超聲檢測(cè)方法有直接接觸法、 液浸法、 反射法和底波衰減法。,3) 焊接接頭檢測(cè)　　許多金屬結(jié)構(gòu)件都采用焊接的方法制造。超聲檢測(cè)是對(duì)焊接接頭質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要檢測(cè)手段之一。焊縫形式有對(duì)接、搭接、T型接、角接等，如圖1-25所示。焊縫超聲檢測(cè)的常見(jiàn)缺陷有氣孔、夾渣、未熔合、未焊透和焊接裂紋等。　　焊縫探傷一般采用斜射橫波接觸法，在焊縫兩側(cè)進(jìn)行掃查

44、。探頭頻率通常為2.5～5.0 MHz。發(fā)現(xiàn)缺陷后，即可采用三角法對(duì)其進(jìn)行定位計(jì)算。儀器靈敏度的調(diào)整和探頭性能測(cè)試應(yīng)在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試塊或自制試塊上進(jìn)行。,圖1-25 焊接接頭形式(a) 對(duì)接接頭； (b) 搭接接頭； (c) T型接頭； (d) 角接接頭,4） 復(fù)合材料檢測(cè)　　復(fù)合材料是由兩種或多種性質(zhì)不同的材料軋制或粘合在一起制成的。其粘合質(zhì)量的檢測(cè)主要有接觸式脈沖反射法、 脈沖穿透法和共振法。  　　脈沖反射法適

45、用于復(fù)合材料是由兩層材料復(fù)合而成，粘合層中的分層多數(shù)與板材表面平行的情況。用縱波檢測(cè)時(shí)， 粘合質(zhì)量好的，產(chǎn)生的界面波會(huì)很低，而底波幅度會(huì)較高； 當(dāng)粘合不良時(shí)，則相反。,圖1-26 復(fù)合材料的C掃描圖,5） 非金屬材料的檢測(cè)圖　　超聲波在非金屬材料（木材、混凝土、有機(jī)玻璃、陶瓷、橡膠、塑料、砂輪、炸藥藥餅等）中的衰減一般比在金屬中的大，多采用低頻率檢測(cè)。 一般為20～200 kHz，也有用2～5 MHz 的。為了獲得較窄的聲束，需采用晶