材料超聲波檢測ppt課件(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 1 = n2sinθ2 其中， n1和 n2分別是兩個介質的折射率， θ1和 θ2分別是入射光（或折射光）與界面法線的夾角，叫做入射角和折射角。 第 6章 常用無損檢測方法 若入射聲波為橫波，也會產生同樣的現象，這時橫波入射角 α S與橫波反射角 相等。介質 1為固體時縱波反射角與橫波入射角之間的關系為 L1LS1S s i ns i ncc?? ?由于固體中縱波聲速總是大于橫波聲速，因此，無論是縱波入射還是橫波入射，均有 。 當介質 1為液體或氣體時，則入射波和反射波只能為縱波 。 SL ?? ?S? 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 當兩種介質聲速不同時 ， 透射部分的聲波會發生傳播方向的改變 ， 稱為折射 。 不論是縱波入射還是橫波入射 ， 只要介質 2為固體 ， 則介質 2中除有與入射波相同波型的折射波外 ， 均可因在界面發生波型轉換而產生與入射波不同波型的折射波 。 這時 ， 介質 2中可能同時存在縱波與橫波 。 折射角與入射角之間的關系符合斯涅耳定律 。 第一章 超聲波檢測 斯涅耳定律 S2SL2LS1sL1LL1L s i ns i ns i ns i ns i nccccc????? ????折射角相對于入射角的大小和折射波聲速與入射波聲速的比率有關。同時， 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。 第 6章 常用無損檢測方法 (1) 第一臨界角 α Ⅰ 。 當入射波為縱波 ， 且 cL2cL1時 ， 折射角大于入射角 ， 使縱波折射角達到 90176。 的縱波入射角稱為第一臨界角 ， 用符號 α Ⅰ 表示 。 當縱波入射角大于第一臨界角時 ，第二介質中不再有折射縱波 ， 只有折射橫波 。 第一章 超聲波檢測 L2LL1L s i ns i ncc?? ?L2L1a rc s i nccI ??第 6章 常用無損檢測方法 (2) 第二臨界角 α Ⅱ 。 當入射波為縱波 ， 第二介質為固體 ， 且 cS2cL1時 ， 使橫波折射角達到 90176。 的縱波入射角為第二臨界角 ，用符號 α Ⅱ 表示 。 通常在超聲檢測中 ， 臨界角主要應用于第二介質為固體 ， 而第一介質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 ， 在固體中產生一定角度范圍內的純橫波 ， 對試件進行檢測 。 或：第二介質中既無折射縱波 ， 又無折射橫波 ， 介質的表面將產生表面波 。 第一章 超聲波檢測 S2SL1L s i ns i ncc?? ?S2L1a rc s i nccII ??第 6章 常用無損檢測方法 (3) 第三臨界角 αⅢ 。 第三臨界角是在 固體介質 與另一種介質的界面上 ， 用橫波作為入射波時產生的 。 使縱波反射角達到 90176。時的橫波入射角稱為第三臨界角 ， 用表示 αⅢ 。 此時 ， 介質中只存在反射橫波 。 第一章 超聲波檢測 L1LS1S s i ns i ncc?? ?L1S1a rc s i nccI I I ??第 6章 常用無損檢測方法 4 斜入射時的聲壓反射率和透射率 斯 涅耳反射、折射定律只討論了超聲波傾斜入射到界面上時，各種類型反射波和折射波的傳播方向，沒有涉及它們的聲壓反射率和透射率。 斜入射時反射波和透射波的聲壓關系較為復雜。但在超聲檢測中，關心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的變化。 對脈沖反射法， 更關心的是聲壓往返透過率隨入射角度的變化。 在斜入射情況下，各種類型反射波和折射波的聲壓反射率和透射率不僅與界面兩側介質的聲阻抗有關，還與入射波的類型及入射角的大小有關。 由于理論計算公式復雜，因此借助于公式或實驗得到幾種常見界面的聲壓反射率和透射率圖，見圖 17~19。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 聲壓往復透射率 超聲波傾斜入射時，聲壓往復透射率等于兩次相反方向通過同一界面的聲壓透射率的乘積，即 toatoappppppT ?? 第一章 超聲波檢測 見圖 110。 第 6章 常用無損檢測方法 端角反射 當工件的兩個相鄰表面構成直角，超聲波束傾斜射向任一表面，且其反射波束指向另一表面時，即構成端角反射的情況。在這種情況下， 同類型的反射波和入射波總是相互平行，方向相反 ；不同類型的反射波和入射波互不平行，且難以被發射探頭接收。 第一章 超聲波檢測 ??第 6章 常用無損檢測方法 三 、 平面波束與曲面上各入射點的法線成不同的夾角：入射角為 0176。的聲線沿原方向返回 ， 稱為 聲軸 ；其余聲線的反射角則隨著距聲軸距離的增大而增大 。 當曲面是球面時 ， 反射線或其延長線匯聚于一個 焦點 上；反射面為圓柱面時 ， 反射線或其延長線匯聚于一條 焦線上 。 此時 ， 焦距 f 與曲面曲率半徑 r的關系為 2rf ? 第一章 超聲波檢測 平面波入射至曲面時的反射 （ a）凹面鏡（ b）凸面鏡 第 6章 常用無損檢測方法 超聲波入射時，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發散。 當曲面是球面時，反射線或其延長線匯聚于一個焦點上。反射波波陣面為球面，凹球面的反射波好像從實焦點出發的球面波，凸球面的反射波好像從虛焦點出發的球面波。 反射面為圓柱面時，反射線或其延長線匯聚于一條焦線上，稱為 焦軸 。反射波波陣面為柱面，凹柱面的反射波好像從實焦點出發的柱面波，凸柱面的反射波好像從虛焦點出發的柱面波。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 平面波在曲面上的透射 平面波入射到曲面上時 ， 其折射波也將發生聚焦或發散 。折射波的聚焦或發散不僅與曲面的凹凸有關 ， 而且與界面兩側介質的聲速有關 。 由斯涅耳定律 ， 對于凹面 ， c1c2時聚焦 ， c1c2時發散；對于凸面 ， c1c2時聚焦 ， c1c2時發散 。 折射后的焦距 f為 121ccrf?? 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 第一章 超聲波檢測 由斯涅耳定律 ， 對于凹面 ， c1c2時聚焦 ， c1c2時發散；對于凸面 ， c1c2時聚焦 ， c1c2時發散 。 平面波在曲面上的透射 c1＜ c2 c1＞ c2 c1＞ c2 c1＜ c2 聚焦 ? ? 發散 凹面 凹面 凸面 凸面 第 6章 常用無損檢測方法 透射波陣面的形狀取決于曲界面的形狀。如曲面為球面，則透射波陣面為球面，透射波好像是從焦點出發的球面波；曲面為柱面時，則透射波好像是從焦軸出發的柱面波。 聲束發散，將使按原擴散角擴散的聲束更加發散，指向性變差，聲能損失增加，中心軸線上聲壓降低。 聲束聚焦，使得聲能更為集中，中心軸線上聲壓增強，聲束指向性更加改善，對提高檢測靈敏度和分辨率均有利。 因此在實際檢測過程中，有時在探頭晶片前加裝聲透鏡，使透過的聲束聚焦，水浸聚焦探頭就是一例。 3 水浸聚焦探頭是根據平面波入射到 c1c2的凸曲面上時透射波將產生聚焦的原理設計制作的。 聚焦探頭中的聲透鏡，如果為球面，將獲得點聚焦；如果為柱面，將獲得線聚集。目前在實際檢測中，線聚焦多用于機械化自動檢測，點聚焦多用于人工檢測。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 一 、 超聲檢測中使用的超聲波探頭 ， 主要部件是用壓電材料做的壓電晶片 ， 壓電晶片的兩表面涂有導電銀層作為電極 ， 使晶片表面上各點都具有相同的電位 。 將晶片接于高頻電源時 ， 晶片兩面便以相同的相位產生拉伸或壓縮效應 ， 發射超聲波的晶片恰如活塞做往復運動一樣輻射出聲能 。 因此它相當于一個活塞聲源 ， 通常將直探頭所產生的超聲場作為圓形活塞聲源來處理 。 理想的圓盤聲源是指圓形平面的聲振動源 ， 當它沿平面法線方向振動時 ， 其面上各點的振動速度幅值和相位都相同 ， 發射的波稱為 活塞波 。 第四節 第一章 超聲波檢測 壓電效應的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓，則產生機械應力（稱為逆壓電效應）。如果壓力是一種高頻震動，則產生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產生高頻聲信號（機械振動），這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能 。 第 6章 常用無損檢測方法 圓盤聲源發出的聲場 ， 由于聲源尺寸有限 ， 必然在其邊緣發生衍射效應使聲束向周圍空間擴散 ， 形成一個隨距離增大而波陣面面積不斷擴大的擴散聲束 。 另一方面 ， 聲源上各點發出的聲波相互干涉又使得聲壓的空間分布不是隨距離單調變化的 。 因此 ， 對圓盤聲源聲場中聲壓分布的描述非常復雜 。 從圓盤聲源的對稱性來分析 ， 通過圓盤中心且垂直于盤面的直線應是聲場的 對稱軸 ， 稱為 圓盤聲源軸線 。 討論圓盤聲源的聲場將從聲壓沿軸線的分布以及聲束擴散的特性著手 。 圓盤聲源遠場中任一點的聲壓推導 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 根據疊加原理 ， 圓盤聲源軸線上任何一點處的聲壓等于聲源上各點輻射的聲壓在該點的疊加 。 如果聲源發出的波為連續簡諧波 ， 并假定介質為無衰減的液體介質 ， 則可推出聲源軸上聲壓幅值 P的分布符合下式： ??????????????????? xxDPP 220 4πs i n2?式中： P0為聲源的起始聲壓； D為圓盤聲源的直徑； λ為傳聲介質中聲波的波長； x為圓盤聲源軸線上某一點距聲源的距離 。 這是描述直探頭中心軸線上聲壓分布的公式。在采用當量法超聲波缺陷測定時，它是最基本的公式。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 二、近場區、遠場區和超聲波的指向性 由軸線上聲壓公式，經數學推導，可以得到最后一個聲壓極大值點距聲源距離的表達式： 當 Dλ時， λ/4可以忽略，從而得到近場長度的簡化計算公式如下，可用于實際工作中近場長度的估算： ?42DN ?442 ?? ??DN 第一章 超聲波檢測 圓盤聲源軸線上的聲壓分布 近場區 遠場區 圖中標有 “ P球 ” 的虛線為球面波聲壓隨距離的變化曲線 ， 可以看出 ， 距離大于 3N 以后 ， 圓盤聲源聲軸上的聲壓幅值變化與球面波的曲線非常接近 。 第 6章 常用無損檢測方法 在聲場中，稱 xN的區域為聲源的 近場區 ，最后一個聲壓最大值至聲源的距離 N稱為 近場長度 。在近場區內，由于聲源表面上各點輻射至被考察點的波程差大，所引起的聲源振幅差和相位差也大，且它們彼此相互干涉，結果是近場區的聲源分布十分復雜，出現很多極大值與極小值。因此在近場區內如果有缺陷存在，其反射波極不規則，對缺陷的判斷十分困難。 在聲場中， xN的區域為聲源的 遠場區 。在遠場區，聲壓隨距離增加而減小，聲源軸線上距離為 x處聲壓 p的最大值為 xFPxDPP D?? 020m a x 4π ?? 第一章 超聲波檢測 近場區 遠場區 第 6章 常用無損檢測方法 指向性與擴散角研究的是聲束在空間擴散的規律 。 根據疊加原理 ， 可將在空間中距聲源有一定距離的任一點的聲壓 ，看做是聲源上各點的輻射聲壓的疊加 ， 從而得到聲場內聲壓幅值的分布情況 。 指向性與擴散角 第一章 超聲波檢測 圓盤聲源遠場中任一點的聲壓推導 第 6章 常用無損檢測方法 )(K a s i n)(K a s i n2J 1???Dc 聲場中的 指向性 是指聲場中 θ 方向的聲壓振幅 pmax(θ )與 θ =0176。時的聲壓振幅 pmax(0)之比，它表達了聲場中聲壓 p的振幅與方向角 θ之間的變化關系，以 Dc表示： 第一章 超聲波檢測 J1—