无损检测-超声波二级知识点

无损检测-超声波二级知识点，包括超声场特征值、薄层界面的反射率与透射率、超声波倾斜入射到界面时的反射和折射、超神波聚焦与发散等等。

无损检测 1-3章

• 基础知识
  • 波的基本概念
    • 次声波＜20Hz 中间人耳范围 超声波＞20000Hz
    • ，y为任一点位移，A为振幅，括号内为相位角，w为角频率=2π/T
    • 胡克定律：F=-kx 谐运动（能力守恒） 阻尼振动（能力不守恒） 受迫振动（策动力）（能力不守恒）
    • 机械波产生两个条件：波源；弹性介质
    • ，K为波数，=w/c=2π/波长
  • 波的分类
    • 按波型分：质点振动方向相对于波的传播方向分 纵波L：介质中质点的振动方向与波的传播方向相互平行的波，固液气； 横波S：介质中质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波，只能在固体； 表面波R（瑞利波）：质点做椭圆运动，长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向； 板波：SH波：固体介质表面的横波， 兰姆波：对称波S型（薄板中心质点纵向振动，上下做椭圆、振动相位相反） 非对称A型（薄板中心质点纵向振动，上下做椭圆、振动相位相同）
    • 按波形分：波阵面形状分 平面波：质点振幅为常数，不随距离而变化， 柱面波：质点振幅与距离平方根成反比 球面波：质点振幅与距离成反比
    • 按振动持续时间分类：连续波；脉冲波
  • 波的叠加、干涉和衍射
    • 波的叠加原理（独立性原理），波的干涉，相干波，相干波源
    • 频谱特征量主要有峰值频率（幅度峰值对应频率）、频带宽度（峰值两侧幅度下降为峰值一半时两点频率f1和fu之间的频率范围）和中心频率（f1和fu的算术平均值）
    • 波的绕射和障碍物尺寸及波长的相对大小有关。Df＜＜λ容易漏检，由于波的绕射，使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播； 由于波的衍射，可以采用衍射波检测缺陷，有利。由于波的绕射，使一些小缺陷回波显著下降，以致造成漏检，不利
  • 超声波传播速度：
    • 无限大固体中纵波、横波。表面波，E—弹性模量；G—剪切弹性模量 ρ—固体密度；σ—固体泊松比（0-0.5）CL>CS>CR，钢材1.8：1：0.9 细长棒中的纵波声速CLb（细长棒：棒径d≤λ），钢：CL=5900m/s，Cs=3230m/s，有机玻璃CL=2730，Cu中：CL=4700
      • 子主题
    • 固体介质中声速与温度、应力、均匀性 的关系（1）一般固体中的声速随介质温度升高而降低。（2）固体介质的应力状况对声速有一定的影响，一般拉应力增加，声速减小，但增加缓慢。压应力使声速增大。（3）固体材料组织均匀性对声速的影响在铸铁中表现较为突出。铸铁表面与中心，由于冷却速度不同而具有不同的组织，表面冷却快，晶粒细，声速大；中心冷却慢，晶粒粗，声速小。此外，铸铁中石墨含量和尺寸对声速也有影响，石墨含量和尺寸增加，声速减少。
    • 液体、气体中声速公式，B—容变弹性模量，ρ—气体密度；几乎除水以外的所有液体，当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低。水温度在74℃左右时声速达最大值，低于74℃时，声速随温度升高而增加；当温度高于74℃时，相反。水中CL=1480
    • 声速测量：超声检测仪器测量法 测厚仪测量法 示波器测量法
• 超声场特征值
  • 声压 P：超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P1与没有超声波存在时的静态压强P0之差，用P表示：P= P1- P0，声压幅值Pm=ρCAω=ρcum（m为下标），ρ—介质密度 ， C—波速，u—质点振动速度，ｕm=Aω=2πfA
  • 声阻抗 Z，Z=P/u=ρCu/u=ρC，一般材料的声阻抗随温度升高而降低,这是因为大多数材料的密度ρ和声速c随温度增加而减小
  • 声强 I，单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，常用I表示。单位:瓦/厘米2(W/cm2)或焦耳/厘米2秒(J/cm2S) 。平均声强为：
  • 不符合机械能守恒。 声波的声强与频率的平方成正比。 在同一介质中，超声波的声强与声压的平方成正比。
  • 分贝与奈特
    • 引起听觉的最弱声强I1=10^(-16)瓦/平方厘米为作为声强的标准，另一声强I2与标准声强I1之比的常用对数称为声强级，单位为贝尔(BeL)。
    • 这里声压基准P1或波高基准H1可以任意选取。 1）当时，△＝0dB，说明两波高相等时，二者的分贝差为零； 2）当时，△＝6dB，说明H2为H1的2倍时，H2比H1，高6dB； 3）当时，△＝-6dB，说明H2为H1的l/2时，H2比H1低6dB。
    • 对P2/P1或H2/H1或取自然对数，则其单位为奈（NP）， 单位转换：1NP=8.68dB ， 1dB=0.115NP
• 超声波垂直入射到界面 时的反射和透射
  • 反射波、透射波
  • 以上讨论为超声波纵波垂直到单一平界面上的声压、声强反射率和透射率，同样适用于横波入射的情况，但必须注意的是在固体/液体或固体/气体界面上，横波全反射。因为横波不能在液体和气体中传播
• 薄层界面的反射率与透射率
  • 声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关，与从何种介质入射到界面无关。 界面两侧介质的声阻抗相差愈小，声压往复透射率就愈高，反之就愈低。 往复透射率高低直接影响检测灵敏度高低，往复透射率高，检测灵敏度高。反之，检测灵敏度低。
• 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射
  • 波型转换与反射、折射定律
  • 有机玻璃横波探头楔块角度 第一和第二临界角之间第二介质中只有横波
  • 横波斜入射 第三临界角为第一介质中 只有反射横波
  • 声压反射率
  • 声压往复透射率
  • 端角反射
• 超神波聚焦与发散
  • 声压距离公式
    • 平面波：平面波波束不扩散，而是互相平行，因此声压不随距离而变化。
    • 球面波：球面波的波阵面为球面，离源的距离增加一倍，面积增加4倍，单位面积上的能量也减小4倍，即强度减小4倍，而声强与声压的平方成正比，因此球面波的声压与距离成反比。P=P1/x，P1位距离为单位1处的声压；x为某点至波源的距离。声压与振幅成正比。
    • 柱面波：柱面波的波阵面为同轴柱面，离源的距离增加一倍，面积增加1倍，单位面积上的能量也减小1倍，即强度减小1倍，而声强与声压的平方成正比，因此球面波的声压与距离的平方根成反比。P=p1/√x
  • 球面波在平界面上的反射与折射
    • 单一的平界面上的反射 r——声压反射率 x——为从虚拟波源O'算起的距离
    • 双界面的反射：当d 较大时，超声波探头发出的超声波可视为球面波，示波屏上各次底面反射波的高度之比近似符合的1:1/2:1/3：...
    • 单一平界面上的折射 t——声压透射率 x——从折射波源O’算起的距离
  • 平面波在曲界面上的反射与折射
    • 平面波在曲界面上的反射： 凹曲面的反射波聚焦， 凸曲面的反射波发散。 正正得正，正负得负， 负负得正
    • 球面波在曲界面上的反射：球面波在柱面上的反射波，既不是单纯的球面波，也不是单纯的柱面波，而是近似为两个不同的柱面波叠加。
• 超声波衰减
  • 衰减原因
    • 扩散衰减
      • 扩散衰减仅取决于波阵面的几何形状而与传播介质的性质无关；在远离声源的声场中，球面波的声压P与至声源距离a成反比(即P∝1/a)，而柱面波则为P∝(1/a)1/2。对于平面波，声能(或声压)不随传播距离而变化，不存在扩散衰减。
    • 介质衰减
      • 散射衰减：散射衰减与材质的晶粒大小密切相关，当材质晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头，在示波屏上引起林状回波(又叫草波)，使信噪比下降，严重时噪声会湮没缺陷波。
      • 吸收衰减：超声波在分质中传播时，由于介质中质点间内摩擦(即粘滞性)和热传导引起超声波的衰减，称为吸收衰减或粘滞衰减。
  • 衰减方程
    • 衰减系数α只考虑了介质的散射和吸收衰减，未涉及扩散衰减。对于金属材料等固体介质而言，介质衰减系数α等于散射衰减系数和吸收衰减系数之和。（1）介质的吸收衰减与频率成正比。（2）介质的散射衰减与f、d、F有关在实际检测中，当介质晶粒较粗大时，若采用较高的频率，将会引起严重衰减这就是晶粒较大的奥氏体钢和一些铸件检测的困难所在。（3）对于液体介质而言，主要是介质的吸收衰减。 液体介质的衰减系数a与介质的粘滞系数和频率平方成正比，与介质中的密度和波速立方成反比。
  • 衰减系数的测定
• 超声波发射场
  • 纵波发射声场
    • 圆盘波源辐射的纵波声场
    • 近场区长度N：波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离， Rs——波源半径，Ds——波源直径，Fs——波源面积
    • 波束指向性：以确定的扩散角向固定的方向辐射超声波，用声束半扩散角表示，根据公式，增大探头直径Ds，提高频率f，半扩散角θ0将减小，即可以改善波束指向性，使超声波的能量更集中，有利于提高检测灵敏度，但由N公式可知，此时N增加，对检测不利。
    • 在波束未扩散区b内，波束不扩散， 不存在扩散衰减，各截面平均声压相同。

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