探伤的基本原理.doc

2．1探伤的基本原理 2．1．1超声波探伤的物理基础 ①超声波波形 根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，可将波分 为纵波、横波、表面波和板波等。 纵波：介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的波，称为纵波。 当弹性介质质点受到交变拉、压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变， 质点产生疏密相间的纵向振动，从而形成纵波。如图2．1(a)所示。凡能承受拉伸或 压缩应力的介质都能传播纵波。固体介质能承受位伸或压缩应力；液体和气体虽 不能承受拉伸应力，但能承受压应力产生容积变化。因此固体、液体和气体都能 传播纵波。钢中纵波声速一般为5960m／s。纵波一般应用于钢板、锻件探伤。 横波：介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波，称为横波。 当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生剪切形变，从而形成横波。如 图2．Kb)所示。只有固体介质才能承受剪切应力，液体和气体介质不能承受剪切应 力，因此横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。钢中横波 声速一般为3230rn／s。横波一般应用于焊缝、钢管探伤。 表面波：当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为 表面波，又称瑞利波。 表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的 传播方向，短轴平行于波的传播方向；椭圆运动可视为级向振动与横向振动的合 成，．即纵波与横波的合成，因此表面波只能在固体介质中传播，不能在液体和气 体介质中传播。如图2．1(c)所示。 表面波的能量随深度增加而迅速减弱，当传播深度超过两倍波长时，质点的 振幅就已经很小了，因此，一般认为表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深 度内的缺陷。表面波一般应用于钢管探伤。 板波：在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板波。根据质点的振动方 向不同可将板波分为SH波和兰姆波。如图2．1(d)所示。板波一般应用于薄板、薄 壁钢管探伤。 6 重庆大学硕士学位论文2系统总体设计方案 ·—-—●h—-■--,at--．- ● ● ●●●● ● ●●●●● ● ● ● ● ● ●●●● ● ●●●●● ● ● ● ● ● ●●●● ● ●●●●● ● ■ ● ● ● ●●●● ● ●●●●● ● ● ● ● ● ●●●● ● ●●●●● ● ● ● ● ● ●●●■ ● ●●●●● ● ● ● ● ● ●●●● ● ●●●●● J ● ● —-----● 波传播方向 (a)纵波的振动方向 (c)表面波的振动方向 ----------- 波传播方向 (b)横波的振动方向 (d)板波的振动方向 图2．1超声波的常见波形 Fig 2．1 Common ultrasonic wave form ②超声波的性质 1)特征值：声场特征常用声压、声强和特性阻抗等特征值来描述。 声压：声压(P)是指在有声传播时，介质中某一点的压强超过没有声波存在时 的静态压强的量值。声波在介质中传播时，介质中每一点的声压将随时间和距离 的变化而改变．声压的绝对值与介质密度、波速和质点振动速度成正比， P=pct, (2．1) 式中p——介质密度 o_—_波速 v—一质点振动速度 当声压P不变时，pc越大，质点振动速度就越小。 声阻抗(特性阻抗)：超声场中任一点的声压P与该处质点振动速度v之比称为 声阻抗，常用Z表示。声阻抗是介质中某一点的有效声压P与该点质量的有效振 7 ● ■ ● ● ● ● ● ●■t●I ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 重庆大学硕士学位论文2系统总体设计方案 动速度v的比值。 Z=P／v=pcv／v=pc (2．2) 由上式可知，声阻抗的大小等于介质的密度与波速的乘积。由v=P／Z可知， 在同一声压下，z增加，质点的振动速度下降。因此声阻抗z可理解为介质对质 点振动的阻碍作用。超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介 质的声阻抗密切相关。 液体的声阻抗约为气体的3000倍，固体的特性阻抗约为液体的30倍。 声强：在声场的某一点上，一个与指定方向垂直的单位面积上，在单位时间 内通过的平均声能，称为声强度，以I表示。 I=Z，／2=P／(2z) (2．3) 当超声波传播到介质中某处时，该处原来静止不动的质点开始振动，因而具 有动能；同时该处介质产生弹性变形，因而也具有弹性位能；声熊为两者之和。 声波的声强与频率平方成正比，而超声波的频率远大于可闻声波。因此超声 波的声强也远大于可闻声波的声强。这是超声波能用于探伤的重要原因。 在同一介质中，超声波的声强与声压的平方成正比． 声波如由一源点发出时是球面波，在实际超声检测中，超声波是由一定尺寸 的探头发出的，辐射的是活塞波。因此离探头很近的地方可以认为是平面波，而 远离探头的地方应视为球面波。这种声源发射