本文格式為Word版，下載可任意編輯——超聲波的檢測(cè)原理反射折射2超聲波及超聲檢測(cè)原理2.1超聲波的基本性質(zhì)

尋常人耳能聽(tīng)到聲音的頻率范圍在20}20KHz之間，把超過(guò)20KHz的聲波稱為超聲波。超聲波在本質(zhì)上是一種機(jī)械波，所以它的產(chǎn)生必需依靠?jī)蓚€(gè)條件，一是有機(jī)械振動(dòng)的聲源，二是有能夠傳播振動(dòng)的彈性介質(zhì)。

波的種類(lèi)是根據(jù)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)方向和波動(dòng)傳播方向的關(guān)系來(lái)區(qū)分的。超聲波在介質(zhì)中傳播的波形有大量種，有縱波、橫波、表面波等。

2.1.1超聲場(chǎng)的特征量

充滿超聲波的空間叫做超聲場(chǎng)。聲壓、聲強(qiáng)度、聲阻抗是描述超聲場(chǎng)特征的幾個(gè)重要物理量。

a.聲壓

超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)與沒(méi)有超聲場(chǎng)存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)之差被稱為聲壓，常用P表示，單位為帕。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)中每一點(diǎn)的聲壓隨著時(shí)間t、距離x而變化，其公式為:

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式中P為介質(zhì)的密度、必為介質(zhì)的角頻率C為超聲波在介質(zhì)中的波速，

v為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度?？梢?jiàn)聲壓的絕對(duì)值與波速以及角頻率成正比。

b.聲強(qiáng)度

在垂直于超聲波方向上的單位面積內(nèi)通過(guò)的聲能量被稱為聲強(qiáng)度，也稱聲強(qiáng)。

式中A為超聲波的振幅。從公式可見(jiàn)聲強(qiáng)與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的位移振幅的平方成正比，與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的角頻率的平方成正比。

C.聲阻抗

從聲壓的公式可見(jiàn)，在同一聲壓下輝越大，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度就越小，反之亦然，它反映了聲學(xué)特性，故將聲的乘積作為介質(zhì)的聲阻抗，以符號(hào)Z表示。

2.1.2超聲波的速度及波長(zhǎng)

超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量及介質(zhì)的密度有關(guān)，對(duì)一定的介質(zhì)其彈性模量和密度為常數(shù)，故聲速也是常數(shù)。不同的介質(zhì)有不同的聲速。超聲波的頻率、波長(zhǎng)和聲諫之間的關(guān)系如下:

其中入超聲波的波長(zhǎng)、c為超聲波的速度、f為超聲波的頻率。

2.1.3超聲波的衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能量會(huì)逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲的衰減。

從理論上講，超聲波能量衰減的起因有以下幾個(gè)方面:

a.由聲束擴(kuò)展引起的衰減

在聲波的傳播過(guò)程中，隨著傳播距離的增大，非平面波的聲束在不斷擴(kuò)展增大，因此單位面積上的聲能(或聲壓)隨距離的增大而減弱，這種衰減稱為擴(kuò)散衰減，擴(kuò)散衰減僅取決與波的幾何形狀而與傳播介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。

b.由散射引起的衰減

由于實(shí)際材料不可能是絕對(duì)均勻的，例如材料中有外來(lái)雜質(zhì)、金屬的其次相析出、晶粒的任意取向等均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)材料聲特性阻抗的不均，從而引起聲的散射。被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著繁雜的路徑傳播下去，最終將變成熱能，這種衰減稱為散射衰減。

C.由介質(zhì)吸收引起的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換成熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，以及分子弛豫造成的吸收，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象，這種衰減稱為吸收衰減。

超聲波的衰減特性在探傷中有很實(shí)際的用途，假使能把握經(jīng)過(guò)介質(zhì)后的超聲波的性質(zhì)，就可以對(duì)介質(zhì)的特性進(jìn)行某些判斷。

2.1.4超聲波在平面異質(zhì)界面上的效應(yīng)所謂異質(zhì)界面，是只有兩種聲阻抗不同的介質(zhì)所構(gòu)成的界面，如氣體液體界面、氣體/固體界面、液體/固體界面以及不同固體界面等。由于兩種介質(zhì)的聲阻抗不一樣，會(huì)產(chǎn)生反射、折射和衍射等現(xiàn)象。例如:在電纜芯線上擠壓絕緣材料時(shí)，鋼模到絕緣材料為一個(gè)界面，絕緣材料到銅芯為另一個(gè)界面。當(dāng)超聲波入射到一個(gè)光滑界面上時(shí)，產(chǎn)生反射;若發(fā)生在粗糙界面上時(shí)，產(chǎn)生波的散射。超聲波通過(guò)兩種介質(zhì)的界面時(shí)，一部分將被界透射波。

當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，其入射方向相對(duì)于異質(zhì)界面而言，可以是垂直入射，也可以是傾斜入射。當(dāng)垂直入射時(shí)，只有反射和透射;當(dāng)傾斜入射，除反射外，透射波要發(fā)生折射現(xiàn)象，同時(shí)伴隨著有波型轉(zhuǎn)換。

(1)單界面垂直入射時(shí)的狀況:當(dāng)聲波垂直入射到兩種不同介質(zhì)的界面上時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)與入射方向相反的反射波和一個(gè)與入射方向一致的透射波，如下圖。

聲波由單界面垂直入射示意圖

在兩種介質(zhì)界面上，用反射聲壓(振幅)Pr和入射聲壓Po的比值表示聲壓反射率R，即:

在兩種介質(zhì)的界面上，用透射聲壓(振幅)P},和入射聲壓Po的比值表示聲壓透射率D，即:

經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)可知

若Z1=Z2，因R≈0而D≈1，說(shuō)明當(dāng)界面兩邊聲阻抗一致時(shí)，聲波幾乎沒(méi)有反射，而全部從第一介質(zhì)透射到其次介質(zhì)。

當(dāng)Z10，反射聲壓只和入射聲壓Po同相位，在界面上入射聲壓Po與反射聲壓只疊加類(lèi)似于駐波。合成聲壓振幅P=Pr+Po，對(duì)于水Z1=0.5x106g/cm2.s,鋼

以上計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，超聲波垂直入射到水/鋼界面時(shí)，其聲壓反射率R=0.935>0，聲壓透射率D=1.935>1似乎違反了能量守恒定律。其實(shí)不然，界面兩邊應(yīng)當(dāng)平衡。

當(dāng)Z1>Z2時(shí)，例如，聲波從鋼入水，聲壓反射系數(shù)

說(shuō)明反射波聲壓和入射波聲壓相位相反，其合成振幅減小。應(yīng)以鋼和水為例:

計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)聲波傳播到兩種介質(zhì)聲阻抗相差很大的界面上時(shí)，聲波幾乎全部被反射，無(wú)透射波。

(2)聲波斜入射到平面上的反射和折射:

當(dāng)超聲波與界面成一定角度入射時(shí)，在固體介質(zhì)中將發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，原來(lái)入射的縱波在第一和其次介質(zhì)中除有縱波外，還將被轉(zhuǎn)換成橫波，兩種波形傳播方向不同，如圖2-2所示，并可按反射定律和折射定律計(jì)算:

式中Cl1，是第一介質(zhì)的縱波聲速;Cl2是其次介質(zhì)的縱波聲速;Cs1是第一介質(zhì)的橫波聲速;Cs2是其次介質(zhì)的橫波聲速。根據(jù)反射定律和折射定律，可以改變?nèi)肷浣呛偷谝唤橘|(zhì)的材料來(lái)獲得橫波、表面波、板波等各種不同的波形。從公式可以得出縱艱苦射角

可見(jiàn)，當(dāng)Cl2大于Cl1時(shí)βl大于a1，若Cs2大于Cl1時(shí)βs大于a1，而在同種介質(zhì)材料的條件βL大于βS。假使增大入射角，折射角也隨之增大，發(fā)生β

00

L=90的現(xiàn)象，折射在界面上產(chǎn)生表面波;若繼續(xù)增大入射角使βL大于90時(shí)，縱波反射第一介質(zhì)，而其次介質(zhì)內(nèi)就只有橫波存在了。

2.2超聲換能器

(1)超聲換能器的定義、分類(lèi)及工作原理

顧名思義，換能器就是將一種能量轉(zhuǎn)換為另一種能量，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件。超聲換能器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或?qū)⑼獠康穆曅盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。超聲換能器是超聲檢測(cè)裝置中十分重要的一部分，它的性能和特點(diǎn)往往決定了超聲檢測(cè)的方法，對(duì)檢測(cè)的效果有很大的影響。

超聲換能器的種類(lèi)好多，目前使用較多的是電氣類(lèi)中的壓電型超聲波發(fā)生器，而壓電材料有單晶體的、多晶體復(fù)合的，如石英單晶體，欽酸鋇壓電陶瓷、錯(cuò)欽酸鉛壓電陶瓷復(fù)合晶體(PZT),PVDF等。近年來(lái)，新型的PVDF壓電薄膜材料得到了發(fā)展和應(yīng)用，它除有良好的物理性能外，在厚度、面積上有很大的選擇余地，而且有易于加工和頻率范圍寬的特點(diǎn)，常用來(lái)制成40KHz--300KHz的超聲換能器，如德國(guó)Flowline公司LU30系列產(chǎn)品。因此，目前壓電材料浮現(xiàn)石英晶體、壓電陶瓷多晶體及新型壓電材料三方鼎立的局面。

壓電型超聲換能器是借助壓電晶體的諧振來(lái)工作的，即晶體的壓電效應(yīng)超聲波發(fā)生器是一個(gè)超聲頻電子振蕩器，當(dāng)把振蕩器產(chǎn)生的超聲頻電壓加到超聲換能器的壓電晶體上時(shí)，壓電晶體組件就在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生縱向運(yùn)動(dòng)。壓電組件振蕩時(shí)，仿佛是一個(gè)小活塞，其振幅很小，約為(1一10um),但這種振動(dòng)的加速度很大，約(10-l0lg)，這樣就可以把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)能量，若這種能量沿著一定方向傳播出去，就形成超聲波。

當(dāng)在超聲換能器的兩電極施加脈沖信號(hào)時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)諧振子振動(dòng)，并推動(dòng)周邊介質(zhì)振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)，由逆壓電效應(yīng)，將壓迫兩壓電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。在一般工業(yè)領(lǐng)域，超聲波的發(fā)送和接收在同一個(gè)傳感器中完成，這樣不僅可以降低成本，而且在一定程度上減小了測(cè)量誤差。市售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波。兼用型就是接收一體，只一個(gè)傳感器頭，具有發(fā)送和接收超聲波的雙重作用。市售超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率)有23KHz,40KHz,75KHz,200KHz,400KHz等幾種。諧振頻率越高，距離分辯率也越高，但由于聲衰減，測(cè)距范圍將降低。

(2)超聲換能器的主要性能參數(shù)

衡量超聲檢測(cè)系統(tǒng)中的換能器，其性能參數(shù)比較多，但主要有兩個(gè):一是

換能器的靈敏度，二是換能器的帶寬。前者取決于振型、換能器的材料及機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，后者是換能器的頻率帶寬特性，包括功率、聲壓、阻抗及敏度靈等隨頻率變化的帶寬特性。

3常規(guī)超聲波的檢測(cè)方法

就超聲檢測(cè)來(lái)說(shuō)，由于使用的波形，發(fā)射和接收的方法、信號(hào)顯示的方式和工件的藕合形式不同，可分為多種類(lèi)型，但這些分類(lèi)一般都是相互重疊的交織的，所以，嚴(yán)格的分類(lèi)是不大可能的，而也沒(méi)有必要。本章按其檢測(cè)的基本原理可分為脈沖反射法(或叫回波法)、穿透法以及共振法三種方法來(lái)分析探討。

3.1脈沖反射法

脈沖反射法是超聲檢測(cè)法中最基本的一種方法。是由超聲波探頭在脈沖源的鼓舞下發(fā)出休止的超聲脈沖進(jìn)入介質(zhì)。在介質(zhì)中遇到不連續(xù)處，由于介質(zhì)的連續(xù)處和不連續(xù)處的聲阻抗不一致，聲能在阻抗不連續(xù)處發(fā)生反射，其中一部分聲能被反射回來(lái)，由一個(gè)探頭(或另外一個(gè)探頭)接收回波，再把它變成電信號(hào)顯示出來(lái)，這種方法叫脈沖反射法。在脈沖反射法中，根據(jù)聲束傳播狀況可分為直探法和斜探法;根據(jù)探傷所用波形可分為縱波探傷法、橫波探傷法、表面波探傷法;根據(jù)探頭個(gè)數(shù)和作用可分為單探頭法、雙探頭法和多探頭法;根據(jù)聲禍合方式可分為直接接觸法和水浸法等等。由于這些方法具有各自的特點(diǎn)，所以廣泛用來(lái)對(duì)金屬和非金屬材料及其制品進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)。

脈沖反射法的工作原理如圖3-1所示。換能器發(fā)射的超聲波在工件內(nèi)部傳播時(shí)，若遇有不同介質(zhì)時(shí)，將發(fā)生反射。反射信號(hào)的強(qiáng)度與反射率R的大小有關(guān)，而反射率R只與入射介質(zhì)和反射介質(zhì)的材料有關(guān)，由于反射信號(hào)通過(guò)的聲程是一定的，結(jié)合其衰減公式分析，換能器獲得的反射信號(hào)的強(qiáng)度也是一定的。當(dāng)工件無(wú)缺陷時(shí)，只有始發(fā)射脈沖波和底面反射回波，兩者之間沒(méi)有其它回波，這時(shí)可由兩波間距確定工件的厚度。如工件中間有缺陷，則會(huì)在始波和底波之間出現(xiàn)缺陷回波。缺陷回波在時(shí)間軸上的位置可以確定缺陷在工件中的位置。脈沖反射發(fā)的工作原理

3.2穿透法

穿透法又叫透射法，是超聲用于檢測(cè)較早的一種方法，它是利用聲波穿過(guò)被

檢物體的超聲波的穿透率，進(jìn)行測(cè)量或探傷檢驗(yàn)的方法稱為穿透法。穿透法采用雙探頭，一個(gè)在工件或材料的這面作為發(fā)射，一個(gè)放在工件或材料的另一面作為接收超聲波。例如測(cè)紙張的厚度或探傷。穿透法有連續(xù)波穿透法、脈沖穿透法和共振穿透法等。此方法的優(yōu)點(diǎn)是適用于薄工件，由于超聲波傳播路程僅為反射法的一半，故適用于檢查衰減大的材料。探傷圖形直觀，只要定好檢查標(biāo)準(zhǔn)就可以進(jìn)行作業(yè)。簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)自動(dòng)探傷、檢查速度快。缺點(diǎn)是不能知道缺陷的深度位置，缺陷探測(cè)靈敏度一般比反射法要低，難以檢查較小缺陷。

3.3共振法

共振法是把頻率連續(xù)改變的超聲波射入被檢材料，根據(jù)材料的共振狀況測(cè)量其厚度或檢查有無(wú)缺陷等材料性質(zhì)的方法稱為共振法。共振法一般用來(lái)測(cè)量金屬板、管壁、容器壁的厚度或腐蝕程度，測(cè)量聲速，檢查板中的分層和進(jìn)行材質(zhì)判定。

當(dāng)具有一定波長(zhǎng)的聲音在介質(zhì)中傳播遇到界面時(shí)聲波的部分或全部要反射回