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超声波讲稿（相关知识部分） 前言： 1．什么是超声波： 人耳听不见（人耳可听见16-20000Hz），即频率大于2万赫兹(2×104 Hz)的机械波（超声波） 2．工业超声波探伤频率：1-5M Hz a．粗晶材料（奥氏体不锈钢，大的锻件，铸件）用1-2 M Hz b．细晶材料（厚度不大的钢板、锻件，薄的焊缝）用4-5 M Hz，常用5 M Hz c．其它材料：2-3 M Hz 常用2.5 M Hz 3．金属材料用高频超声波原因： a．指向性好（只有几度－十几度）： －声能集中，可以传播很远，检测深度大。 －声束窄，便于缺陷定位；且距离分辨力好，相邻缺陷分辨率高。 b．f大即λ小，检测灵敏度高（可达到） 9.1超声波的发生及其性质： 1、超声波的发生和接收 (1）（机械）振动和波动： a.振动——是物质在平衡位置附近的往复（周期性）运动。(阻尼振动,受迫振动,共振.) b.波动——是振动状态或振动能量的传播，不是物质的迁移。 （2）超声波产生的条件： a.振动源（波源）——晶片振动 b.能传播波的介质——弹性介质 （3）压电效应： a. 正压电效应: 交变（拉、压）应力——交变电场（晶片接受超声波） b.逆压电效应: 交变电场——振动（晶片发射超声波） （4）压电晶片： a.常用的压电晶片： 石英——单晶体、稳定性好、耐高温（550℃） 硫酸锂——单晶体、接收性能好 锆钛酸铅——多晶体、灵敏度高、发射性能好 铌酸锂——单晶体、耐高温（1200℃） b.单晶直探头常用锆钛酸铅制作（PZT） 双晶探头常用PZT+硫酸锂，高温探头用铌酸锂和石英。 c.晶片参数：频率常数 2、超声波的种类 （1）按波型分类：(指波型－按质点的振动方向分类) a.纵波–––振动方向与波传播方向平行 b.横波–––振动方向与波传播方向垂直（只能在固体中传播） c.表面波–––长轴是横波,短轴是纵波的合成，在表面下2 λ内传播的椭圆振动（只能在固体中传播） 在表面下?处，振幅减为1/5，能量减为1/25 在表面下2?处，振幅减为1/100，能量减为1/10000 d.板波：充满板内，各种模式的纵、横波，频散。 e.爬波：表面下纵波 －当纵波λ射角在第一临界角（有机斜楔/钢为27°36）附近时产生 －检测深度与（晶片×频率）的乘积大小有关 ·还可以按波的形状分类――平面波（波束不扩散）、柱面波（P∝1/）、球面波(P∝1/r)、活塞波(介于平面波和球面波之间) ·也可以按波的持续时间分类――连续波（穿透法探伤）、脉冲波（通常采用的探伤方法） （2）探头： a．直探头：产生纵波 ①阻尼块： 缩短晶片振动时间，脉冲宽度变窄，提高分辨力 吸收晶片背面的杂波，提高信噪比 ②保护膜（按声阻抗Z大力分为硬、软保护膜） 硬保护膜—适用于表面光洁度高的工件 软保护膜—适用于表面粗糙工件 b．斜探头：产生（纵波）、横波、表面波、板波、爬波（直探头+斜楔） ①斜楔（作用有二方面） 波型转换(CL有机玻璃 CL2件) 表面开槽：减少探头杂波 ②K值（折射角的正切函数）：t↗→k↗；斜楔磨损时，磨前k↘，磨后k↗。 C．双晶探头（双直纵波，双斜横波）：发射与接收分开 ①是一个粗糙的聚焦探头， ②杂波少、盲区小，可检测近表面缺陷。（延迟块） ③检测深度取决于晶片的倾角 d. 聚焦探头(线聚焦、点聚焦)（ 纵波、横波） ①灵敏度高（聚焦区声能集中－主要参数有:焦点位置、焦拄长度和焦拄宽度） ②声束窄（焦拄宽度小），横向分辨率高 ③定位精度高 Δ聚焦探头的焦距总是小于近场长度 3．声速（波速） （1）常用的声速参数： CL钢=5900米/秒 CS钢=3230米/秒 CL有机=2730米/秒 C水=1500米/秒 （2）与声速有关的参数： a．与材料种类有关：ρ（密度）↗→C↗， E（弹性）↗→C↗ b．与波型有关：CL：CS：Ct =1.8 : 1 : 0.9（对于钢材） c．与温度（t↗→c↘,只有水例外）有关， 还与应力(F↗(压应力)→c↗)有关。 还与介质尺寸有关。 4．频率、波长、声速相互关系： C=f?λ （1）λ——质点完成一次全振动波传播的距离。 或者波线上相邻两振动相位相同质点间的距离。 （2）f——波动过程中，每秒内通过某点波的个数。 （3）C——波在1秒内传播的距离。 5．超声波的特征量： （1）声压——超声场中某点瞬间压强与无超声波存在时同一点静压强之差。 ＝Z Vm 即声压 p与频率f成正比 （2）声强——垂直于超声波传播方向上，单位时间，单位面积通过的声能。 即声强正比于频率 （3）声阻抗——声压的幅值与质点振动速度的幅值的比值 （介质的声学性质）声阻抗