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第四章 超声波探伤 一、超声波探伤基本原理二、超声波探伤设备三、直接接触法超声波探伤四、液浸法超声波探伤五、计算机及数字信号处理技术在超声波探伤中的应用主要内容 什么是超声波？ 声波是物体/view/15257.htm机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其/view/533000.htm平衡位置附近进行的往返运动形式。 例如：鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20kHz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20kHz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。 超声和/view/1053882.htm可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以/view/274476.htm纵波的方式在/view/778.htm弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，/view/45341.htm波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超/view/572341.htm声成象所用的频率范围在 2~5MHz之间，常用为3~3.5MHz（每秒振动1次为1Hz，1MHz=106Hz，即每秒振动100万次；可闻波的频率在16－20kHZ 之间）。超声波是声波大家族中的一员。 超声波探伤是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的探伤方法。又称超声波检验。 超声波探伤分类：按工作原理：脉冲反射法、穿透法和共振法等；按显示缺陷方式：A型、B型、C型和3D型显示等；按超声波波型：纵波法、横波法、表面波法和板波法等；按声耦合方式：直接接触法和液浸法等。超声波探伤的分类 超声波:频率f＞20000Hz的机械振动在弹性介质中的一种传播过程。它是超声频率机械波。 超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。 探伤中常用的超声波频率：0.5～10MHz。 一、超声波的产生和接收 超声波是由超声波探伤仪产生电振荡并施加于探头，利用其晶片的压电效应获得。探头主要由保护膜、压电晶片和吸收块等组成(图4-1)。 (1) 压电晶片 由压电材料切割成薄片制成，材料分单晶(石英、硫酸锂和碘酸锂等)和多晶(钛酸钡、钛酸铅等压电陶瓷)两大类。晶片两表面敷有银层作电极，“－”极引出的导线接发射端，“+”极接地。第1节 超声波探伤基本原理(2) 吸收块 由环氧树脂、硬化剂、增塑剂、橡胶液和钨粉等浇铸在“－”极上。作用是吸收杂波，并使晶片在激励电脉冲结束后将声能很快损耗掉而停止振动，以便接收反射声波。它又称阻尼块。(3) 保护膜 可使压电晶片免于和工件直接接触受磨损,其中软膜(耐磨橡胶、塑料等)用于粗糙表面的工件；硬膜(不锈钢片、刚玉片、环氧树脂等)声能量损失小,比软膜应用广。(4) 匹配电感 对于压电陶瓷晶片制成的探头，其电气阻抗匹配很重要。加入与晶片并联的匹配电感(或电阻)可使探头与仪器的发射电路匹配，以提高发射效率。它也可装在仪器内部。 当高频电压加在晶片两面电极时，由于逆压电效应，晶片会在厚度方向产生伸缩变形的机械振动。晶片与工件表面有良好耦合时,机械振动就以超声波形式传播进去,这就是发射。反之，当晶片受到超声波作用(遇到异质界面反射回来)而发生伸缩变形时，正压电效应又会使晶片两表面产生不同极性电荷，形成超声频率的高频电压，这就是接收。利用压电效应使探头(压电晶片)发射或接收超声波，就使发现缺陷成为可能。因此，探头(压电晶片)是理想的电声换能器。超声波的产生和接收机理 探伤中所用超声波的性质： 有良好的指向性； 能在弹性介质中传播，不能在真空中传播； 界面的透射、反射、折射和波型转换; 具有可穿透物质和在物质中有衰减特性。 1. 有良好的指向性 (1)直线性 超声波波长很短(mm级)，它在弹性介质中能象光波一样沿直线传播，符合几何光学规律。 声速对固定介质是常数，根据传播时间就能求得其传播距离，这为探伤中缺陷定位提供依据。 (2)束射性 声源发出超声波能集中在一定区域(超声场)定向辐射。二、超声波的性质以圆形压电晶片在液体介质以脉冲波形式发射的纵波超声场(图4-2)为例讨论，这时的超声场可视为理想声场。分析表明：1) 超声波的能量主要集中在2θ的锥形区域内(图a)。θ越小,波束指向性越好,超声波能量集中,探伤灵敏度高,分辨力高和定位精确。上式表明，波长越短（超声频率越高），压电晶片直径（声源尺寸）越大，则声束指向性越好。 (2)束射性 2)近场区中由于波的干涉声压起伏很大(图4-2b）。这会使处于声压极大值处的较小缺陷回波较高，而处于声压极小值处的较大缺陷却回波较低，这将引起误判。因此，探伤中尽量避免在近场区定量。 3)超声场中不同纵截面上的声压分布不同(图c)。而当x≥N(x-