1、超声波故障诊断技术,姓名：学号： 20119360,超声波故障诊断技术,一、超声波检测的基础知识二、 超声场及其特征参量三、 超声波在介质中的传播特性四、 超声波检测方法五、超声波的衰减六、超声检测技术的应用,一、超声波检测的基础知识,超声波的产生依赖于做高频机械振动的“声源”和传播机械振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测的物理基础。超声波是超声振动在介质中的传播，超声波是在弹性介质中传播的机械波。与声波和次声波在弹性介质中的传播类同，区别在于超声波的频率高于20kHz。工业超声波检测常用的工作频率为：0.510MHz。,1、超声波的特点,方向性好,在大多数介质中传播时 传播能量损失小
2、，传播 距离大，穿透能力强。 在一些金属材料中 其穿透能力可达数米。,穿透能力 强,超声波探伤预率远高于 声波，而能量与频率平 方成正比。超声检测的 工作频率远高于声波的 频率。,在超声波探伤中，特别 是超声波脉冲反射法探 伤中。利用了超声波具 有几何声学的一些特点 ，如在介质中直线传播 ，遇界面产生反射、折 射和波型转换等,能 量 高,反射、折 射和波型 的转换,具有像光波 一样定向束射的特性。超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中，使用的波长为毫米数量级。,2、超声波的分类,1） 按质点的振动方向分类根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向的关系。可将超声波分为纵波、横波、
3、表面波和板波等。 ,（1）纵波 介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的，用L表示。,（2）横波 介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波叫横波，用S或T表示,（3） 表面波（瑞利波）。当超声波在固体介质中传播时， 对于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波即表面波(见图1-4)，受表面张力的作用。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，因此表面波又称为瑞利波， 常用R表示。,图1-4 表面波,（4） 板波（兰姆波）。在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波叫板波(或兰姆波)。板波按其传播方式又可分为对称型（S型）和非对称型（A型）两种，这是由质点相对于板的中间层作对称型还是非对称型运动来决定的
4、。,图1-5 板波 (a) 对称型； (b) 非对称型,2018/9/22,10,2)按振动持续时间的长短分 根据波源振动持续时间的长短，将超声波分为连续 波和脉冲波两种。连续波 波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波。连续波常用于穿透法检测和共振法测厚，其振动形态如图7-1 (a)所示。脉冲波。波源振动持续时间很短(微秒级)、间歇辐射的波称为脉冲波。目前，超声无损检测中广泛采用的就是脉冲波，其振动形态如图7-1 (b)所示。,3） 按超声波的波形分类超声波由声源向周围传播的过程可用波阵面 进行描述。根据波阵面的形状(波形)，可将超声波分为平面波、柱面波和球面波等。平面波即波阵面为平面的波，而
5、柱面波的波阵面为同轴圆柱面，球面波的波阵面为同心球面，如图1-6所示。在无限大且各向同性的介质中，振动向各方向传播， 用波线表示,图1-6 波线、 波前与波阵面 (a) 平面波； (b) 柱面波； (c) 球面波,当声源是一个点时，在各向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。 可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。 当声源的尺寸远小于测量点距声源的距离时，可以把超声波看成是球面波。 球面波的波动方程为 ：,（1-1）,二、 超声场及其特征参量充满超声波的空间或介质中超声振动所波及的质点占据的范围叫超生场。 一、描述超声场的物理量1.声压 p当介质中有超声波传播时，由于介质质点
6、振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声压，用P表示,即,（1-2）,对于平面余弦波， 有：,（1-3）,式中： 为介质的密度;c为介质中的声速； 为介质质点的振幅；为介质质点振动的角频率； 为质点振动速度的幅值；t为时间；x为质点距声源的距离； 为声压幅值。由上式可知：超声场中某一点的声压幅值Pm与角频率成正比，也就与频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于声波的频率，故超声波的声压一般也远大于声波的声压。,2.声阻抗介质中某一点的声压幅值Pm与该处质点振动速度幅值Vm之比，称为声阻抗，常用Z表示,单位为g/(
7、cm2s)； kg/(cm2s) 。在同一声压下，声阻抗Z愈大，质点的振动速度就愈小。声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。 由式(1-3)得,（1-4）,气体、液体和固体的声阻抗相差较大： Z气：Z液：Z金属=1：3000：8000,3. 声强单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用I表示，单位为W/cm2。 对于平面纵波，其声强I为,（1-5）,由式(1-5)可知，超声场中，声强与角频率平方成正比。由于超声波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于探伤的重要依据。,4. 分贝的概念实际探伤中，将声强I1与I2之比取对数的10倍得到二者相差的数量级，这时单位为分贝，用dB
8、表示，即,（1-6）,根据式（1-5），有,（1-7）,式中： Pm1、 Pm2分别为声强I1、 I2对应的声压幅值。,对于线性良好的超声波探伤仪，示波屏上波高与声压成正比，即任意两波高H1、H2之比等于相应的声压Pm1、Pm2之比， 即,（1-8）,取自然对数ln， 单位则为奈培。有：,三、 超声波在介质中的传播特性一、 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射(一)单一界面如图1-7所示，当超声波垂直入射到两种介质的界面时， 一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波(声强为It)， 波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为反射波(声强为Ir)。声波的这
9、一性质是超声波检测缺陷的物理基础。,图1-7 超声波垂直入射于平界面的反射与透射,通常将反射波声压Pr与入射波声压P0的比值称为声压反射率r，将透射波声压Pt和P0的比值称为声压透射率t。可以证明， r和t的数学表达式为：,（1-11）,（1-12）,式中： Z1为第一种介质的声阻抗； Z2为第二种介质的声阻抗。,为了研究反射波和透射波的能量关系，引入声强反射率R和声强透射率T两个量。R为反射波声强(Ir)和入射波声强(I0)之比；T为透射波声强(It)和入射波声强(I0)之比。,（1-13）,（1-14）,声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。 在垂直入
10、射时，界面两侧的声波必须满足两个边界条件： 1、一侧声压等于另一侧声压； 2、两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。,(二)薄层界面在超声检测中经常遇到超声波进入第二种介质后，穿过第二种介质再进入第三种介质的情况。如图1-9所示，当超声波从介质1（声阻抗为Z1）中垂直入射到介质1和介质2（声阻抗为Z2）的界面上时， 一部分声能被反射，另一部分透射到介质2中；当透射的声波到达介质2和介质3（声阻抗为Z3）的界面时，再次发生反射与透射，其反射波部分在介质2中传播至介质2与介质1的界面，则又会发生同样的过程。如此不断地继续下去，则在两个界面的两侧，产生一系列的反射波与透射波。见P20,图1-9 在
11、两个界面上的反射和透射,二、 超声波倾斜入射到平界面上的反射、 折射和波型变换当超声波相对于界面入射点法线以一定的角度倾斜入射到两种不同介质的界面上时，在界面上会产生反射、折射和波型转换现象，见图1-10。入射声波与入射点法线之间的夹角称为入射角。,图1-10 超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换 (a) 纵波入射； (b) 横波入射,1) 反射 如图1-10（a）所示，当纵波以入射角L倾斜入射到异质界面上时，将会在介质1中于入射点法线的另一侧产生与法线成一定夹角rL的反射纵波。 反射波与入射点法线之间的夹角称为反射角。入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何光学的反射定律，即L=rL。
12、与光的反射不同的是，当介质1为固体时，界面上既产生反射纵波，同时又发生波型转换并产生反射横波，即反射后同时产生纵波与横波两种波型。这时，横波反射角rS与纵波入射角之间的关系与光学中的斯奈尔定律相同，为,（1-16）,若入射声波为横波，也会产生同样的现象，见图1-10（b)， 这时横波入射角S与横波反射角rS相等。介质1为固体时纵波反射角与横波入射角之间的关系为,（1-17）,由于固体中纵波声速总是大于横波声速，因此，无论是纵波入射还是横波入射，均有 。当介质1为液体或气体时，则入射波和反射波只能为纵波。,2） 折射当两种介质声速不同时，透射部分的声波会发生传播方向的改变，称为折射。不论是纵波入
13、射还是横波入射，只要介质2为固体， 则介质2中除有与入射波相同波型的折射波外，均可因在界面发生波型转换而产生与入射波不同波型的折射波。 这时，介质2中可能同时存在纵波与横波(见图1-10)。折射角与入射角之间的关系符合斯奈尔定律。 折射角相对于入射角的大小和折射波声速与入射波声速的比率有关。同时，由于纵波声速总是大于横波声速，因此纵波折射角L要大于横波折射角S。,3） 临界角当第二种介质中的折射波型的声速比第一种介质中入射波型的声速大时，折射角大于入射角。此时，存在一个临界入射角，在这个角度下，折射角等于90。大于这一角度时， 第二种介质中不再有相应波型的折射波。 (1) 第一临界角。当入射波
14、为纵波，且cL2cL1时，使纵波折射角达到90的纵波入射角称为第一临界角，用符号表示。当纵波入射角大于第一临界角时，第二介质中不再有折射纵波。,(2) 第二临界角。当入射波为纵波，第二介质为固体， 且cS2cL1时，使横波折射角达到90的纵波入射角为第二临界角，用符号表示。 通常在超声检测中，临界角主要应用于第二介质为固体， 而第一介质为固体或液体的情况。这种情况下，可利用入射角在第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中产生一定角度范围内的纯横波， 对试件进行检测。,(3) 第三临界角。第三临界角是在固体介质与另一种介质的界面上，用横波作为入射波时产生的。使纵波反射角达到90时的横波入射角称
15、为第三临界角，用表示。 ,四、 超声波检测设备 ,1、超声波检测仪,(1)按超声波的连续性分脉冲波检测仪：这种仪器通过向工件周期性地发射不连续且频率固定的超声波，根据超声波的传播时间及幅度来判断工件中缺陷的有无、位置、大小及性质等信息，这是目前使用最为广泛的一类超声波检测仪。 连续波检测仪 这种仪器通过探头向工件中周期性地发射连续且频率不变(或在小范围内周期性变化)的超声波，根据透过工件的超声波的强度变化来判断工件中缺陷的有无及大小、性质等。,调频波检测仪 这种仪器通过探头向工件中发射连续的、频率周期性变化的超声波，根据发射波与反射波的差频变化情祝来判断工件中有无缺陷。,(2)按缺陷显示的方式
16、分 按其显示缺陷的方式不同，可将超声波检测仪分为A型、B型和C型等三种类型。,超声波检测仪的性能指标是多方面的，主要的有水平线性、 垂直线性和动态范围等。水平线性 水平线性也称比基线性或扫描线性，是表征检测仪水平扫描线扫描速度的均匀程度。,垂直线性 也称放大线性，它是描述检测仪示波屏上反射波高度与接收信号电压成正比关系的程度。垂直线性影响对缺陷的定量分析。动态范围 是检测仪示波屏上反射波高度从满幅降至消失时仪器衰减器的变化范围。动态范围大，对小缺陷得检出能力强。,2)主要性能指标,2、超声波探头,超声波探头实际上是一种机械能和电能互相转换的换能器，大多数是利用压电效应制作的，其功能在于发生和接
17、收超声波。探伤用超声波是一种频率高达几百千赫兹到几兆赫兹的高频脉冲弹性波。,超声波探头,压电效应,超声波探头,正压电效和逆压电效应统称压电效应。,超声波探头功用 电信号探头超声波零件超声波发射； 零件内超声波探头电信号超声波接收；,超声波探头,探头功用：是一种可逆的声电转换元件。在探伤中起发射和接收高频脉冲弹性波作用。,2、探头结构组成,超声波探头,探头组成： 压电晶片、阻尼块、外壳、电极、保护膜（斜锲）、调谐线圈,压电晶片：实现声电相互转换； 阻尼块：吸收声能加大阻尼； 外壳：保护固定内部原件； 电极：实现晶片和电缆连接； 保护膜、斜锲：保护晶片、波形转换； 调谐线圈：实现探头与仪器最佳匹配
18、。,3、探头种类,超声波探头,（1）直探头,超声波探头,直探头特点: 适用于探测晶片正下方与声束方向垂直的缺陷； 探测深度较大,适用范围广； 检测灵敏度高。 直探头只能发射和接收纵波.波速轴线垂直于探测面，主要用于探测与探测面平行的缺陷，如锻件、钢板中的夹层、折叠等缺陷。,（2）斜探头,超声波探头,适合探测探头斜下方不同角度方向的缺陷； 探测深度较小,适用直探头难以探测的部位； 检测灵敏度较高。 斜探头是通过波形转换来实现横波探伤的。主要用于探测与探测面垂直或成一角度的 缺陷。如焊缝中的未焊透、夹渣、未溶合等缺陷。,（3）双晶探头,超声波探头,双晶探头特点: 双晶片声场重叠区域灵敏度最高,一般
19、用于定向定位检测； 探测深度较小；检测灵敏度高较。,（4）可变角探头,超声波探头,可变角探头特点: 晶片产生超声波的入射方向可以改变。一个探头可进行多个方向上探测，是一种多功能探头。,图1-21 各种探头 (a) 纵波直探头； (b) 横波斜探头； (c) 双晶探头,4、探头表示方法,超声波探头,探头表示方法,超声波探头,(3)耦合剂在超声波检测中，耦合剂的作用主要是排除探头与 工件表面之间的空气，使超生波能有效地传入工件，以 便检侧。当然，藕合剂也有利一犷减小探头与工件表面间的摩擦。延长探头的使用寿命。对耦合剂的一般要求是: 能润湿工件和探头表面，流动性、粘度和附着力适当，易于清洗 。 声阻
20、杭高，透声性能好。 对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境; 性能稳定，能长期保存; 来源广，价格便宜,超声波检测中常用的藕合剂的声阻抗如表所示。,2、超声波探伤方法超声检测的方法很多，可按原理、波型和使用探头的数目及探头接触方式来分类。按原理分类，有脉冲反射法、穿透法和共振法；按显示方式分类，有A型显示、B型显示和C型显示；按波型分类，有纵波法、横波法、表面波法和板波法；按探头数目分类，有单探头法、双探头法和多探头法；按耦合方式分类，有接触法和液浸法；按入射角度分类，有直射声束法和斜射声束法。,1）脉冲反射法超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检试件内，根据反射波来检测试件缺陷的方法，称为脉冲反
21、射法。按照判断缺陷情况的回波性质，脉冲反射法还可分为缺陷回波法、底面回波高度法、底面多次回波法三种。（1）缺陷回波法根据仪器示波屏上显示的缺陷探伤图形进行判断的探伤，称为缺陷回波法。该方法是反射法的基本方法。,（2）底面回波高度法当试件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的。如果试件内存在缺陷，底面回波高度会下降甚至消失，如图9-10所示。,这种依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况的 探伤方法，称为底面回波高度法.,3）底面多次回波法当透入试件的超声波能量较大，而试件厚度较小时，在试件完好无缺陷的情况下，超声波可在探测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波B1、B2、B3。如
22、果试件存在缺陷，则由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底面回波次数减少,.同时也打乱了各次底面回波高度依次按指数衰减的规律，并显示出缺陷回波，,主要用于厚度不大、形状简单、探侧面与地面平行的试件检测,2）穿透法穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法， 如图9-12所示。,图1-23 接触法单探头直射声束脉冲反射法 (a) 无缺陷； (b) 有缺陷,穿透法常采用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，分别放置在试件的两侧进行探测。 图9-12a为无缺陷时的波形. 图9一12b为有缺陷时的波形。,3）共振法依据试件的共振特性，来判断缺陷情说的方法称为共振法。
23、若声波(频率可调的连续波)在被检工件内传播，当试件的厚度为超声波的半波长或半波长的整数倍时，由于入射波和反射波的相位相同，则引起共振，因而仪器可显示出共振频率点，用相邻的两个共振频率之差，由以下公式算 出试件厚度:当试件内存在缺陷时，将改变试件的共振频率。,3、超声波探测条件的选择1）检测仪的选择 选择检测仪时应根据探侧要求和现场条件，并综合考虑以下几方面1）定位要求高时，应选择水平线性好的仪器;2）定量要求高时，应选择垂直线性好、衰减器精度高的仪器;3）大型零件的检测应选择灵敏度余量高、信噪比高和功率大的仪器;4）为了有效地发现近表面缺陷和区分相邻缺陷，应选择盲区小、分辨力高的仪器;5）室外
24、现场检测，应选择质量轻、示波屏亮度好、抗干扰能力强的便携式仪器;,2）探头的选择探头的选择包括探头型式、频率、晶片尺寸等内容。探头型式的选择 一般应根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等来选择探头的型式。使声束轴线尽量与缺陷垂直。,探头频率的选择由于波的绕射而使超声波检侧的最小缺陷尺寸约为 因此，提高频率有利于发现小缺陷；颁率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷;频率高，波长短，半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有利于发现并定位缺陷。频率高，波长短.近场长度大，对检测不利;频率提高，衰减急剧增加，对检测不利。,探头晶片尺寸的选择晶片大小对声束指向性、近场区长度、近距离扫查范围和远
25、距离缺陷检出能力有较大影响。实际检测中，检测面积范围大的工件时，为了提高检测效率，宜选用大晶片探头。检测厚度大的工件时.为了有效地发现远距离缺陷，宜选用大晶片探头。检测小型工件时，为r提高缺陷定位、定量精度，宜选用小晶片探头。检测表面不太平整、曲 率较大的工件时，为了减少祸合损失，宜选用小晶片探头。,图1-20 超声波检测仪 (a)、 (b)、 (c) 数字式超声检测仪； (d) 探伤小车,五、超声波的衰减,一、衰减的原因 1、扩散衰减 1）超声波在传播过程中，由于波束的散，使超声波的能量随距离增加而逐渐减弱的现象称为扩散衰减。 超声波的扩散衰减仅取决于波面的形状，与介质的性质无关。 （1）平
26、面波波阵面为平面，波束不扩散，不存在扩散衰减。 （2）柱面波阵面为同轴圆柱面。波束向四周扩散，存在扩散衰减，声压与距离的平方根成反比。 （3）球面波阵面为同心球面，波束向四面八方扩散，存在扩散衰减，声压与距离成反比。,2、散射衰减 1）超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起衰减的现象，称为散射衰减。2）散射衰减与材质的晶粒密切相关，当材质晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头，在示波屏上引起林状回波(又叫草波)，使信噪比下降，严重时噪声会湮没缺陷波。3、吸收衰减 超声波在分质中传播时，由于介质中质点间内摩擦(即粘滞性)和热传导引起超声波的衰减，称为
27、吸收衰减或粘滞衰减。,2、散射衰减 1）超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起衰减的现象，称为散射衰减。2）散射衰减与材质的晶粒密切相关，当材质晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头，在示波屏上引起林状回波(又叫草波)，使信噪比下降，严重时噪声会湮没缺陷波。3、吸收衰减 超声波在分质中传播时，由于介质中质点间内摩擦(即粘滞性)和热传导引起超声波的衰减，称为吸收衰减或粘滞衰减。,六、超声检测技术的应用1. 典型构件的超声探伤技术1） 锻件检测锻件的种类和规格很多，常见的类型有：饼盘件、环形件、轴类件和筒形件等。锻件中的缺陷多呈现面积形或长条形的特征。
28、由于超声检测技术对面积型缺陷检测最为有利，因此锻件是超声检测实际应用的主要对象。,（1） 锻件中的常见缺陷。锻件中的缺陷主要来源于两个方面：材料锻造过程中形成的缩孔、缩松、夹杂及偏析等； 热处理中产生的白点、裂纹和晶粒粗大等。 （2） 锻件超声检测的特点。锻件可采用接触法或液浸法进行检测。锻件的组织很细，由此引起的声波衰减和散射影响相对较小。因此，锻件上有时可以应用较高的检测频率(如10 MHz以上)， 以满足高分辨力检测的要求， 以及实现较小尺寸缺陷检测的目的。,图1-24 轴类件径向和轴向检测示意图,2) 铸件检测铸件具有组织不均匀、组织不致密、表面粗糙和形状复杂等特点，因此常见缺陷有孔洞
29、类（包括缩孔、缩松、疏松、 气孔等）、裂纹冷隔类（冷裂、热裂、白带、冷隔和热处理裂纹）、夹杂类以及成分类（如偏析）等。 铸件的上述特点，形成了铸件超声检测的特殊性和局限性。检测时一般选用较低的超声频率，如0.52 MHz，因此检测灵敏度也低，杂波干扰严重，缺陷检测要求较低。 铸件检测常采用的超声检测方法有直接接触法、 液浸法、 反射法和底波衰减法。,3) 焊接接头检测许多金属结构件都采用焊接的方法制造。超声检测是对焊接接头质量进行评价的重要检测手段之一。焊缝形式有对接、搭接、T型接、角接等，如图1-25所示。焊缝超声检测的常见缺陷有气孔、夹渣、未熔合、未焊透和焊接裂纹等。焊缝探伤一般采用斜射横
30、波接触法，在焊缝两侧进行扫查。探头频率通常为2.55.0 MHz。发现缺陷后，即可采用三角法对其进行定位计算。仪器灵敏度的调整和探头性能测试应在相应的标准试块或自制试块上进行。,图1-25 焊接接头形式 (a) 对接接头； (b) 搭接接头； (c) T型接头； (d) 角接接头,4） 复合材料检测复合材料是由两种或多种性质不同的材料轧制或粘合在一起制成的。其粘合质量的检测主要有接触式脉冲反射法、 脉冲穿透法和共振法。 脉冲反射法适用于复合材料是由两层材料复合而成，粘合层中的分层多数与板材表面平行的情况。用纵波检测时， 粘合质量好的，产生的界面波会很低，而底波幅度会较高； 当粘合不良时，则相反。,图1-26 复合材料的C扫描图,5） 非金属材料的检测图超声波在非金属材料（木材、混凝土、有机玻璃、陶瓷、橡胶、塑料、砂轮、炸药药饼等）中的衰减一般比在金属中的大，多采用低频率检测。 一般为20200 kHz，也有用25 MHz 的。为了获得较窄的声束，需采用晶片尺寸较大的探头。 塑料零件的探测一般采用纵波脉冲反射法；陶瓷材料可用纵波和横波探测； 橡胶检测频率较低，可用穿透法检测。,
