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超聲波探傷儀的原理及超聲波的產(chǎn)生
日期：2024-08-20 15:59
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摘要：
超聲波探傷儀的原理及超聲波的產(chǎn)生
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*為常用。
一、超聲波的產(chǎn)生與接收
探傷中采用壓電法來產(chǎn)生超聲波。壓電法是利用壓電晶體片來產(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，會在晶片表面出現(xiàn)電荷；反之，其在電荷或電場作用下，會發(fā)生變形，前者稱為正壓電效應，后者稱為逆壓電效應。
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實現(xiàn)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(jié)果，壓電晶體片會在厚度方向上產(chǎn)生持續(xù)的伸縮變形，形成了機械振動。若壓電晶體片與工件表面有良好的耦合時，機械振動就以超聲波形式傳播進入被檢工件，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，正壓電效應的結(jié)果會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
由于超聲波的波長非常短，因此，它在彈性介質(zhì)中能象光波一樣沿直線傳播。而且超聲波在固定的介質(zhì)中傳播速度是個常數(shù)，所以，根據(jù)傳播時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(jù)。
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空氣進行傳播。
3．超聲波如同聲波一樣，通過介質(zhì)時，根據(jù)介質(zhì)質(zhì)點的振動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，介質(zhì)質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向相同的波，稱之為縱波。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，介質(zhì)質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向相互垂直的波，稱之為橫波。橫波只能在固體中傳播。
橫波探傷有獨特的優(yōu)點，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合，應用比較廣泛。
⑶表面波（R） 僅在固體表面?zhèn)鞑デ医橘|(zhì)表面質(zhì)點做橢圓運動的聲波，稱之表面波。在實際探傷中，表面波常用來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*快，橫波速度次之，表面波速度*慢。因此，對同一頻率超聲波來說縱波的波長*長，橫波次之，表面波*短。由于探測缺陷的分辨力與波長有關(guān)，波長短的分辨力高，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)中能夠通過不同傳播速度的不同波型，因此對金屬焊縫進行探傷時必須選定所需超聲波的波型，通過以上分析相對較好，所以實際探傷通常選擇橫波，否則會使回波信號發(fā)生混亂，這樣就得不到正確的探傷結(jié)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(shù)介質(zhì)中，尤其在鋼等金屬材料中傳播時，傳輸損失少，傳播距離*大可以達到數(shù)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有的。
超聲波在介質(zhì)中傳播時，其能量隨著傳播距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。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(shù)規(guī)律衰減，其規(guī)律如下：
PX=P0e -αx
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(shù)的底；
α——金屬材料的衰減系數(shù)（dB/m）；
X——超聲波在金屬材料中傳播的距離（m）。