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超聲波的產(chǎn)生以及超聲波探傷儀的原理

2019-02-24     來(lái)源:南京博克納    關(guān)鍵詞:超聲波的產(chǎn)生以及超聲波探傷儀的原理     瀏覽量:3664

超聲波是頻率大于20000Hz 的聲波,它屬于機械波。在金屬探傷中使用的超聲波,其頻率為0.5~10MHz,其中以2~5MHz最為常用。


一、超聲波的產(chǎn)生與接收


探傷中采用壓電法來(lái)產(chǎn)生超聲波。壓電法是利用壓電晶體片來(lái)產(chǎn)生超聲波的。壓電晶體片是一種特殊的晶體材料,當壓電晶體片受拉應力或壓應力的作用產(chǎn)生變形時(shí),會(huì )在晶片表面出現電荷;反之,其在電荷或電場(chǎng)作用下,會(huì )發(fā)生變形,前者稱(chēng)為正壓電效應,后者稱(chēng)為逆壓電效應。


超聲波的產(chǎn)生和接收是利用超聲波探頭中壓電晶體片的壓電效應來(lái)實(shí)現的。由超聲波探傷儀產(chǎn)生的電振蕩,以高頻電壓形式加載于探頭中的壓電晶體片的兩面上,由于逆壓電效應的結果,壓電晶體片會(huì )在厚度方向上產(chǎn)生持續的伸縮變形,形成了機械振動(dòng)。若壓電晶體片與工件表面有良好的耦合時(shí),機械振動(dòng)就以超聲波形式傳播進(jìn)入被檢工件,這就是超聲波的產(chǎn)生。反之,當壓電晶體片受到超聲波作用而發(fā)生伸縮變形時(shí),正壓電效應的結果會(huì )使壓電晶體片兩表面產(chǎn)生具有不同極性的電荷,形成超聲頻率的高頻電壓,以回波電信號的形式經(jīng)探傷儀顯示,這就是超聲波的接收。


二、超聲波的性質(zhì)


1.超聲波具有良好的指向性


由于超聲波的波長(cháng)非常短,因此,它在彈性介質(zhì)中能象光波一樣沿直線(xiàn)傳播。而且超聲波在固定的介質(zhì)中傳播速度是個(gè)常數,所以,根據傳播時(shí)間就能求得其傳播距離,這樣就為探傷中缺陷的定位提供了依據。


2.超聲波能在彈性介質(zhì)中傳播,不能在真空中傳播


一般探傷中通常把空氣介質(zhì)作為真空處理,所以認為超聲波也不能通過(guò)空氣進(jìn)行傳播。


3.超聲波如同聲波一樣,通過(guò)介質(zhì)時(shí),根據介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向之間的相互關(guān)系的不同,有不同的波型


⑴縱波(L) 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向相同的波,稱(chēng)之為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。


⑵橫波(S) 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播 方向相互垂直的波,稱(chēng)之為橫波。橫波只能在固體中傳播。


橫波探傷有獨特的優(yōu)點(diǎn),如靈敏度較高,分辨率較好等,在探傷中常用于焊縫及縱波難以探測的場(chǎng)合,應用比較廣泛。


⑶表面波(R) 僅在固體表面傳播且介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)做橢圓運動(dòng)的聲波,稱(chēng)之表面波。在實(shí)際探傷中,表面波常用來(lái)檢驗工件表面裂紋及滲碳層或覆蓋層的表面質(zhì)量。


對于普通鋼材,超聲波在其中傳播的縱波速度最快,橫波速度次之,表面波速度最慢。因此,對同一頻率超聲波來(lái)說(shuō)縱波的波長(cháng)最長(cháng),橫波次之,表面波最短。由于探測缺陷的分辨力與波長(cháng)有關(guān),波長(cháng)短的分辨力高,因此表面波的探測分辨力優(yōu)于橫波,橫波優(yōu)于縱波。


綜上所述,由于超聲波在金屬介質(zhì)中能夠通過(guò)不同傳播速度的不同波型,因此對金屬焊縫進(jìn)行探傷時(shí)必須選定所需超聲波的波型,通過(guò)以上分析相對較好,所以實(shí)際探傷通常選擇橫波,否則會(huì )使回波信號發(fā)生混亂,這樣就得不到正確的探傷結果。


4.超聲波具有可穿透物質(zhì)和在物質(zhì)中衰減的特性


超聲波的這一性質(zhì)與射線(xiàn)相似,但超聲波的能量很大,因而具有更強的穿透能力。超聲波在大多數介質(zhì)中,尤其在鋼等金屬材料中傳播時(shí),傳輸損失少,傳播距離最大可以達到數米遠。所以,超聲波探傷能夠有較大的探測深度,這一優(yōu)勢是其他探傷方法沒(méi)有的。


超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),其能量隨著(zhù)傳播距離的增加而逐漸減弱的現象稱(chēng)為超聲波的衰減。在金屬材料的超聲波探傷中,引起超聲波衰減的原因主要是散射,其聲壓按負指數規律衰減,其規律如下:


PX=P0e -αx


式中 Px——離壓電晶體片表面為X處的聲壓(Pa);


P0——超聲波原始聲壓(Pa);


e——自然對數的底;


α——金屬材料的衰減系數(dB/m);


X——超聲波在金屬材料中傳播的距離(m)。

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