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超声波的产生以及超声波探伤仪的原理

超声波是频率大于20000Hz 的声波,它属于机械波。在金属探伤中使用的超声波,其频率为0.5~10MHz,其中以2~5MHz最为常用。


一、超声波的产生与接收


探伤中采用压电法来产生超声波。压电法是利用压电晶体片来产生超声波的。压电晶体片是一种特殊的晶体材料,当压电晶体片受拉应力或压应力的作用产生变形时,会在晶片表面出现电荷;反之,其在电荷或电场作用下,会发生变形,前者称为正压电效应,后者称为逆压电效应。


超声波的产生和接收是利用超声波探头中压电晶体片的压电效应来实现的。由超声波探伤仪产生的电振荡,以高频电压形式加载于探头中的压电晶体片的两面上,由于逆压电效应的结果,压电晶体片会在厚度方向上产生持续的伸缩变形,形成了机械振动。若压电晶体片与工件表面有良好的耦合时,机械振动就以超声波形式传播进入被检工件,这就是超声波的产生。反之,当压电晶体片受到超声波作用而发生伸缩变形时,正压电效应的结果会使压电晶体片两表面产生具有不同极性的电荷,形成超声频率的高频电压,以回波电信号的形式经探伤仪显示,这就是超声波的接收。



二、超声波的性质


1.超声波具有良好的指向性


由于超声波的波长非常短,因此,它在弹性介质中能象光波一样沿直线传播。而且超声波在固定的介质中传播速度是个常数,所以,根据传播时间就能求得其传播距离,这样就为探伤中缺陷的定位提供了依据。


2.超声波能在弹性介质中传播,不能在真空中传播


一般探伤中通常把空气介质作为真空处理,所以认为超声波也不能通过空气进行传播。


3.超声波如同声波一样,通过介质时,根据介质质点的振动方向与波的传播方向之间的相互关系的不同,有不同的波型


 


⑴纵波(L) 声波在介质中传播时,介质质点的振动方向和波的传播方向相同的波,称之为纵波。它能在固体、液体和气体中传播。


⑵横波(S) 声波在介质中传播时,介质质点的振动方向和波的传播 方向相互垂直的波,称之为横波。横波只能在固体中传播。


横波探伤有独特的优点,如灵敏度较高,分辨率较好等,在探伤中常用于焊缝及纵波难以探测的场合,应用比较广泛。


⑶表面波(R) 仅在固体表面传播且介质表面质点做椭圆运动的声波,称之表面波。在实际探伤中,表面波常用来检验工件表面裂纹及渗碳层或覆盖层的表面质量。


对于普通钢材,超声波在其中传播的纵波速度最快,横波速度次之,表面波速度最慢。因此,对同一频率超声波来说纵波的波长最长,横波次之,表面波最短。由于探测缺陷的分辨力与波长有关,波长短的分辨力高,因此表面波的探测分辨力优于横波,横波优于纵波。


综上所述,由于超声波在金属介质中能够通过不同传播速度的不同波型,因此对金属焊缝进行探伤时必须选定所需超声波的波型,通过以上分析相对较好,所以实际探伤通常选择横波,否则会使回波信号发生混乱,这样就得不到正确的探伤结果。


4.超声波具有可穿透物质和在物质中衰减的特性


超声波的这一性质与射线相似,但超声波的能量很大,因而具有更强的穿透能力。超声波在大多数介质中,尤其在钢等金属材料中传播时,传输损失少,传播距离最大可以达到数米远。所以,超声波探伤能够有较大的探测深度,这一优势是其他探伤方法没有的。


超声波在介质中传播时,其能量随着传播距离的增加而逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。在金属材料的超声波探伤中,引起超声波衰减的原因主要是散射,其声压按负指数规律衰减,其规律如下:


PX=P0e -αx


式中 Px——离压电晶体片表面为X处的声压(Pa);


P0——超声波原始声压(Pa);


e——自然对数的底;


α——金属材料的衰减系数(dB/m);


X——超声波在金属材料中传播的距离(m)。


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