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超声波无损检测基础原理
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更新于2023-03-16
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声源产生的脉冲波进入到试件中——超声波在试件中以一定方向和速度向前传播——遇到两侧声阻抗有差异的界面时部分声波被反射——检测设备接收和显示——分析声波幅度和位置等信息,评估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。
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第 1 章 绪论
1.1 超声检测的定义和作用
指使超声波与试件相互作用,就反射、透射和散射的波进行研究,对试件进行宏观缺陷检测、几何特
性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征,并进而对其特定应用性进行评价的技术。
作用:质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率
1.2 超声检测的发展简史和现状
利用声响来检测物体的好坏
利用超声波来探查水中物体 1910‘
利用超声波来对固体内部进行无损检测
1929 年,前苏联 Sokolov 穿透法
1940 年,美国的 Firestone 脉冲反射法
20 世纪 60 年代 电子技术大发展
20 世纪 70 年代, TOFD
20 世纪 80 年代以来,数字、自动超声、超声成像
我国 始于 20 世纪 50 年代初 范围
专业队伍 理论及基础研究 标准 超声仪器
差距
1.3 超声检测的基础知识
次声波、声波和超声波
声波:频率在 20~20000Hz 之间 次声波、超声波
对钢等金属材料的检测,常用的频率为 0.5~10MHz
超声波特点:
方向性好
能量高
能在界面上产生反射、折射、衍射和波型转换
穿透能力强
超声检测工作原理
主要是基于超声波在试件中的传播特性
声源产生超声波,采用一定的方式使超声波进入试件;
超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用,使其传播方向或特征被改变;
改变后的超声波通过检测设备被接收,并可对其进行处理和分析;
根据接收的超声波的特征,评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。
超声检测工作原理
脉冲反射法:
声源产生的脉冲波进入到试件中——超声波在试件中以一定方向和速度向前传播——遇到两侧声阻
抗有差异的界面时部分声波被反射——检测设备接收和显示——分析声波幅度和位置等信息,评估缺
陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。
通常用来发现和对缺陷进行评估的基本信息为:
1、是否存在来自缺陷的超声波信号及其幅度;
2、入射声波与接收声波之间的传播时间;
3、超声波通过材料以后能量的衰减。
超声检测的分类
原理:脉冲反射、衍射时差法、穿透、共振法
显示方式:A 、超声成像(B C D P)
波型:纵波、横波、表面波、板波
耦合方式:直接接触法、液浸法、EMA
按探头个数:单、双、多
按人工干预的程度分类:手工检测、自动检测
超声检测的优点
适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测;
穿透能力强,可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料,可检测厚度为 1~2mm
的薄壁管材和板材,也可检测几米长的钢锻件;
缺陷定位较准确;
对面积型缺陷的检出率较高;
灵敏度高,可检测试件内部尺寸很小的缺陷;
检测成本低、速度快,设备轻便,对人体及环境无害,现场使用较方便。
超声检测的局限性
对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深入研究;
对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难;
缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响;
材质、晶粒度等对检测有较大影响;
以常用的手工 A 型脉冲反射法检测时结果显示不直观,且检测结果无直接见证记录。
超声检测的适用范围
非常广
从检测对象的材料来说,可用于金属、非金属和复合材料;
从检测对象的制造工艺来说,可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等;
从检测对象的形状来说,可用于板材、棒材、管材等;
从检测对象的尺寸来说,厚度可小至 1mm,也可大至几米;
从缺陷部位来说,既可以是表面缺陷,也可以是内部缺陷。
2.1 机械振动与机械波
机械振动
物体(或物体的一部分)在某一中心位置两侧所做的往复运动,就叫做机械振动。
振动的基本概念
振动产生的必要条件:
物体一离开平衡位置就会受到回复力的作用;阻力要足够小。
振动的过程
物体(或质点)在受到一定力的作用下,将离开平衡位置,产生一个位移;该力消失后,在回复力
作用下,它将向平衡位置运动,并且还要越过平衡位置移动到相反方向的最大位移位置,然后再向平
衡位置运动。这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振动”。
振动的分类
周期性振动:每经过一定时间后,振动体总是回复到原来的状态(或位置)的振动
非周期性振动:不具有上述周期性规律的振动
振动的表征参数
周期、频率(振动的快慢),振幅(振动的强弱)
振幅 A——振动物体离开平衡位置的最大距离,叫做振动的振幅,用 A 表示。
周期 T——当物体作往复运动时完成一次全振动所需要的时间,称为振动周期,用 T 表示。常用单位
为秒(s)。对于非周期性振动,往复运动已不再是周期性的,但周期这个物理量仍然可以反映这种运
动的往复情况。
频率 f——振动物体在单位时间内完成全振动的次数,称为振动频率,用 f 表示。常用单位为赫兹
(Hz ),1 赫兹表示 1 秒钟内完成 1 次全振动,即 1Hz=1 次 /秒 。此外还有千 赫( kHz),兆赫
(MHz)。
1、谐振动
回复力
振子在振动过程中,所受重力与支持力平衡,振子在离开平衡位置 O 点后,只受到弹簧的弹力作用,
这个力的方向跟振子离开平衡位置的位移方向相反,总是指向平衡位置,所以称为回复力。
胡克定律
在弹簧发生弹性形变时,弹簧振子的回复力 F 与振子偏离平衡位置的位移 x 大小成正比,且方向总
是相反,即:
谐振动举例:
谐振动的运动方程:
质点 M 的水平位移 y 和时间 t 的关系式:式 2-3
谐振动:位移随时间的变化符合余弦(或正弦)规律的振动。
谐振动的特点:
1、回复力与位移成正比而方向相反,总是指向平衡位置。
2、是一种理想化的运动,振动过程中无阻力,所以振动系统机械能守恒。
3、谐振动的振幅、频率和周期保持不变,其频率为振动系统的固有频率,是最简单、最基本的一种振
动,任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成
2、阻尼振动
谐振动是理想条件下的振动,即不考虑摩擦和其它阻力的影响。
任何实际物体的振动,总要受到阻力的作用。由于克服阻力做功,振动物体的能量不断减少。同时,
由于在振动传播过程中,伴随着能量的传播,也使振动物体的能量不断地减少。 不符合机械能守恒
定律
振幅或能量随时间不断减少的振动称为阻尼振动。
超声探头 晶片后粘贴阻尼块
3、受迫振动
受迫振动:物体受到周期性变化的外力作用时产生的振动。如缝纫机上缝针的振动,汽缸中活塞的振
动和扬声器中纸膜的振动等。
受迫振动刚开始时情况很复杂,经过一段时间后达到稳定状态,变为周期性的谐振动。其振动频率与
策动力频率相同,振幅保持不变。
受迫振动的振幅与策动力的频率有关。
共振:当策动力频率 P 与受迫振动物体固有频率相同时,振幅最大。
探头:使高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率,从而产生共振,这时压电晶片的电声能量转
换效率最高。
受迫振动物体受到策动力作用,不符合机械能守恒。
超声探头中的压电晶片在发射超声波时:
在高频电脉冲激励下产生受迫振动;
在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用,因此又是阻尼振动
2.1.2 机械波
机械波的产生
振动的传播过程,称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。
机械波的产生与传播过程
如图 1.3 所示的固体弹性模型。质点间以弹性力联系在一起的介质称为弹性介质。(固体、液体 、
气体)
当外力 F 作用于质点 A 时,A 就会离开平衡位置,这时 A 周围的质点将对 A 产生弹性力使 A
回到平衡位置。当 A 回到平衡位置时,具有一定的速度,由于惯性 A 不会停在平衡位置,而会继续向
前运动,并沿相反方向离开平衡位置,这时 A 又会受到反向弹性力,使 A 又回到平衡位置,这样质点
A 在平衡位置来回往复运动,产生振动。与此同时,A 周围的质点也会受到大小相等方向相反的弹性
力的作用,使它们离开平衡位置,并在各自的平衡位置附近振动。这样弹性介质中一个质点的振动就
会引起邻近质点的振动,邻近质点的振动又会引起较远质点的振动,于是振动就以一定的速度由近及
远地传播开来,从而就形成了机械波。
液体和气体不能用上述弹性力的模型来描述,其弹性波是在受到压力时体积的收缩和膨胀产生的。
产生机械波的两个基本条件
(1)要有作机械振动的波源。
(2)要有能传播机械振动的弹性介质
机械振动与机械波的关系
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