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超聲波的產生以及超聲波探傷儀的原理

2019-02-24     來源:南京博克納    關鍵詞:超聲波的產生以及超聲波探傷儀的原理     瀏覽量:3878

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、超聲波的產生與接收


探傷中采用壓電法來產生超聲波。壓電法是利用壓電晶體片來產生超聲波的。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生變形時,會在晶片表面出現電荷;反之,其在電荷或電場作用下,會發生變形,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的。由超聲波探傷儀產生的電振蕩,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,壓電晶體片會在厚度方向上產生持續的伸縮變形,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,這就是超聲波的產生。反之,當壓電晶體片受到超聲波作用而發生伸縮變形時,正壓電效應的結果會使壓電晶體片兩表面產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探傷儀顯示,這就是超聲波的接收。


二、超聲波的性質


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,它在彈性介質中能象光波一樣沿直線傳播。而且超聲波在固定的介質中傳播速度是個常數,所以,根據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。


2.超聲波能在彈性介質中傳播,不能在真空中傳播


一般探傷中通常把空氣介質作為真空處理,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,通過介質時,根據介質質點的振動方向與波的傳播方向之間的相互關系的不同,有不同的波型


⑴縱波(L) 聲波在介質中傳播時,介質質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) 聲波在介質中傳播時,介質質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) 僅在固體表面傳播且介質表面質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說縱波的波長最長,橫波次之,表面波最短。由于探測缺陷的分辨力與波長有關,波長短的分辨力高,因此表面波的探測分辨力優于橫波,橫波優于縱波。


綜上所述,由于超聲波在金屬介質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和在物質中衰減的特性


超聲波的這一性質與射線相似,但超聲波的能量很大,因而具有更強的穿透能力。超聲波在大多數介質中,尤其在鋼等金屬材料中傳播時,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,這一優勢是其他探傷方法沒有的。


超聲波在介質中傳播時,其能量隨著傳播距離的增加而逐漸減弱的現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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