《超声检测原理》PPT课件

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1、第二章超声检测2-1超声检测原理超声检测是一种利用超声波在介质中传播的性质来判断工件和材料的缺陷和异常。人耳能听到的声音频率为16Hz～20kHz，超声是一种看不见、听不到的弹性波。超声检测一般为0.5～25MHz，常用频率范围为0.5～10MHz。超声波特性(1)在液体和固体介质中长距离传输(虽然在气体中衰减很快)；(2)超声波能量在传输时有明确的方向性；(3)超声波在一定介质中传输时速度不变；(4)超声波传输通过不同材料界面时，可能会改变其振动模式。超声检测就是利用超声波来对材料和工件进行检验和测量。典型的应用，是超声探伤以及

2、材料和工件的物理性能与力学性能检验。在测量方面，许多非声学特性和某些状态参量，例如液位、流量等都可用超声方法测定。超声波应用非常广泛。如超声加工和处理，利用超声能量来改变物质特性和状态，如超声钻孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。超声检验与测量之间的关系非常密切，如超声探伤和超声液位测量，技术原理相仿。超声检测和超声加工处理之间的区别明显，超声加工往往着重大功率的连续波超声，而超声检测则太多使用灵敏度高、功率不大的脉冲波。超声加工处理时非常重视一些描述声场强弱的物理量(如声压、声强、声功率等)的测定。而超声检测则着重描述介质中超声

3、传播特性的物理量(如声速、声衰减、声阻抗等)的测定。超声波是一种机械振动所产生的波。质点的往复运动称为振动，振动是波动的产生根源，波动是振动的传播过程。超声波的产生，依赖于作高频机械振动的声源和弹性介质的传播超声波的传播，包括振动过程和能量传播。研究超声波传播时，可以将弹性介质看成是相互间由弹性力联系着的无数质点所组成。当在弹性介质的表面层上施加一个正弦变化的外力时，由于各质点间有弹性力联系，相邻层上的质点也将产生振动，一层推动一层，振动也由近及远地传播。2-1-1波动的种类与波型波的种类是根据质点振动方向和波动传播方向的关系来区

4、分，可分为纵波、横波、表面波和板波，如图所示。(1)纵波当介质受到交替变化的正弦拉--压应力作用时，质点产生疏密相间的纵向振动，质点振动方向与波的传播方向一致纵波常用L表示，它在介质中传播时，仅使介质各部分改变体积而不产生转动。任何弹性介质(固体、液体和气体)中都能传播纵波。(2)横波当介质受到交替变化的正弦剪切应力时，质点产生具有波峰与波谷的横向振动，并在介质中传播，其振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波，也称切变波。横波用符号T或S表示。在介质中传播时，仅使介质各部分产生形变而介质体积不变。由于液体和气体介质没有剪切弹性

5、，因此不能传播横波。(3)表面波半无限大弹性介质与气体的交界面，受到交替变化的表面张力作用时，介质表面质点发生纵向和横向振动，质点绕其平衡位置作椭圆运动，并作用于相邻质点而在表面传播，这种波称为表面波，也称瑞利波。表面波常用符号R表示，图中表示的是瞬时的质点位移状态。表面波传播深度约l～2个波长，振幅随深度的增加而迅速减小，当深度达到两个波长时，振幅降至最大振幅的0.37倍(4)板波板状介质受到交替变化的表面张力作用，而且板厚与波长相当，质点的纵向和横向振动轨迹也是椭圆，声场遍布整个板厚。这种波称为板波，也称兰姆波。板波常用符号P

6、表示板波与表面波不同，其传播要受到两个界面的束缚，从而形成对称型(S型，图2-1d)和非对称型(A型，图2-1e)两种情况。对称型板波在传播中，质点的振动以板厚为中心面对称，上下表面上质点振动的相位相反，中心面上质点的振动方式类似于纵波。非对称型板波在传播中，上下表面质点振动的相位相同，质点的振动方式类似于横波。2-1-2声波的波动特性声波的波动特性，主要是指几个波相遇时出现的干涉、叠加以及衍射现象。(1)波的干涉叠加当几个波在同一介质中传播至某处相遇，则相遇处质点的振动是各个波所引起的振动的合成，相遇点上质点的位移是各个波在该点

7、所引起的位移的矢量和，这就是波的叠加原理。脉冲波由若干正弦波叠加而成，1MHz的脉冲波是由0.85MHz、1MHz和1.21MHz正弦波叠加而成的。所以虽然看来脉冲波每个质点的振动没有表示出同样高度，但它的确是由若干正弦波所组成。为合成某一脉冲，脉冲宽度愈窄，需要数量愈多的正弦子波，子波具有与中心频率不同的频率。根据傅利叶分析，脉冲是由某一频谱范围内的波构成，脉冲愈窄时频谱愈宽。叠加波，若符合相干条件(频率相同，传播方向一致和有一定的相位关系)，则在空间某些地方振动始终加强，而在另一些地方则始终减弱或完全消失，这种现象称为波的干涉

8、。当两个振幅与频率都相同的相干波，在同一直线上沿相反方向彼此相向传播时，叠加而成的波称为驻波，驻波是波的干涉现象的特例。当在声波传播方向上的介质厚度恰为半波长的整数倍时就会产生驻波现象。这种驻波在介质的厚度方向引起共振，这就是所谓共振法超声检测的基