《超声波检测原理》课件

超声波检测原理什么是超声波？频率传播超声波是指频率高于20kHz的声波，人超耳声无波法可听以到在各种介质中传播，例如空气、水、金属等应用超声波具有独特的性质，在医学、工业、军事等领域有广泛应用超声波的产生压电效应超声波的产生主要依赖于压电效应压电材料在受到机械压力或拉伸时会在其表面产生电荷，反之，当在压电材料表面施加电场时，它会发生形变利用这种特性，可振以动将电能转化为机械振动，从而产生超声波当在压电晶体上施加交变电压时，晶体就会产生周期性的伸缩振动，如果振动频率超过人的听觉范围（20kHz以上），就会产生超声波探头超声波探头通常由压电晶体、阻抗匹配层和外壳组成压电晶体负责产生和接收超声波，阻抗匹配层用于减少超声波在介质传播过程中的能量损失，外壳起到保护和固定压电晶体的作用压电效应原理压电效应应用场景是指某些晶体材料在机械压力作用下会在其表面产生电荷，反之，在电压场电作效用应下在也许会多发领生域形都变有的广现泛象的应用，例如•超声波探头•传感器•微型电机压电晶体压电晶体是超声波检测的核心元件，其能够将电能转化为机械能，反之亦然当压电晶体受到机械力的作用时，会产生电荷，这就是压电效应反之，当压电晶体施加电压常用的压电晶体材料包括石英、锆钛酸铅（PZT）等这时，会发生形变，这就是逆压电效应些材料具有良好的压电性能，能够有效地将电信号转换为机械振动，从而产生超声波振动原理压电效应1当压电晶体受到机械振动时，会在其表面产生电荷，反之，当在压电晶体上施加电压时，晶体也会发生形变这种现象称为压电效应，是超声波产生和接收的关键频率决定2压电晶体发生振动的频率由晶体的材料、尺寸和形状决定通过控制这些参数，可以产生不同频率的超声波信号转换3超声波探头中的压电晶体将电信号转换为机械振动，并反过来将机械振动转换为电信号，从而实现超声波的产生和接收超声波探头超声波探头是超声波检测系统中的核心部件，它负责将电信号转换为超声波信号，并将其发射到被测物体中，同时接收物体反射回来的超声波信号，并将其转换为电信号探头通常由压电晶体、阻抗匹配层、保护层、外壳等部分组成压电晶体是探头的核心，它具有压电效应，能够将电能转化为机械能，反之亦然探头类型直角探头斜探头直角探头是最常见的类型之斜探头用于检测与探头表面一，用于检测与探头表面垂成一定角度的缺陷它通常直的缺陷它通常用于检测用于检测内部缺陷，例如焊表面裂纹、孔洞、夹杂物等接缺陷、裂纹、分层等双晶探头缺陷双晶探头是一种特殊的探头，它包含两个压电晶体，可以同时发射和接收超声波它通常用于检测材料内部的缺陷，例如裂纹、空洞、夹杂物等直角探头直角探头是超声波探头中最常见的类型之一，其发射和接收超声波的方向垂直于探头表面直角探头通常用于检测材料表面或内部的缺陷，例如裂纹、空洞和分层它们也直角探头的优点在于其结构简单，易于操作，且能够提供常用于测量材料厚度精确的测量结果然而，直角探头也有一些局限性例如，它们无法检测到与探头表面平行的缺陷，并且在检测弯曲表面时可能存在一定的困难斜探头斜探头是一种重要的超声波探头类型，它能够以一定角度发射和接收超声波斜探头通常用于检测材料表面或内部的缺陷，例如裂纹、孔洞、夹杂物等斜探头的特点是其声束与探头表面呈一定角度，这个角度称为声束角度通过改变声束角度，可以改变超声波在材料内部的传播路径，从而实现对不同区域的检测斜探头的应用非常广泛，例如检测管道、焊接接头、压力容器、铸件、锻件等材料的缺陷，以及测量材料的厚度等双晶探头双晶探头应用场景双晶探头是一种特殊的超声波探头，它包含两个压电晶体，一个双用晶于探发头射主超要声用波于，超另声一波个测用厚于、接材收料超缺声陷波检测等应用由于发射和接收晶体分离，它可以更精确地测量声程，并提高检测精度超声波传播原理声波在介质中的传播1声波以机械波的形式在介质中传播，需要介质才能传播，并以波的形式传递能量声速与密度关系2声速在不同介质中传播速度不同，与介质的密度、弹性模量等因素有关超声波的传播形式3超声波可以以纵波、横波、表面波等形式传播，不同的传播形式具有不同的特性声波在介质中的传播纵波传播横波传播声波在介质中传播时，介质质点沿声波传播方向振动，形声波在介质中传播时，介质质点垂直于声波传播方向振动成疏密相间的波形，这种波称为纵波纵波是声波最常见，形成波峰和波谷，这种波称为横波横波只能在固体中的传播形式，例如空气中的声音传播，因为液体和气体没有足够的刚性来维持横波的传播声速与密度关系声速密度关系较高的声速较高的密度正相关声速与介质的密度密切相关在固体中，声速一般比液体和气体中高，这是因为固体分子排列紧密，密度较高，声波传播时分子振动传递的速度更快例如，在金属中，声速通常可以达到每秒几千米，而空气中的声速则只有约每秒343米超声波的传播形式纵波横波表面波粒子振动方向与波传粒子振动方向垂直于介质表面形成的波，播方向一致，如声波波传播方向，如地震粒子振动方向为椭圆在空气中传播波中的S波形，如瑞利波超声波的反射定义1超声波在传播过程中遇到两种介质分界面时，一部分能量会反射回原介质中反射原理2超声波遇到分界面时，其波前发生变化，一部分能量被反射应用3利用反射原理可以进行缺陷检测、厚度测量等当超声波遇到两种不同介质的分界面时，由于介质的声阻抗不同，一部分超声波能量会发生反射，返回到原介质中，这就是超声波的反射现象反射的程度由两种介质的声阻抗差异决定，声阻抗差异越大，反射越强超声波的反射现象是超声波检测技术的基础之一，在工业生产、医疗诊断等领域都有着广泛的应用反射原理声波遇到障碍物反射角等于入射角反射波能量损失123当声波在介质中传播时，遇到反射声波的传播方向与入射声反射时，声波的能量会发生损另一种介质的界面，一部分声波的传播方向关于界面法线对失，这取决于两种介质的声阻波会穿过界面进入另一种介质称，即反射角等于入射角抗差异和入射角的大小，另一部分声波则会反射回来反射率影响因素声阻抗差入射角声阻抗是声波在介质中传播时遇到的阻力，声阻抗差越大，当声波以倾斜角度入射到界面时，反射率会随着入射角的增大而增大当入射角达到临界角时，声波会发生全反射反射率越高例如，当声波从空气传播到水中时，由于声阻抗差很大，反射率很高材料性质表面粗糙度材料的性质，如密度、弹性模量等，也会影响反射率例如，钢材的表反面射粗率糙比度铝也材会高影响反射率表面越光滑，反射率越高；表面越粗糙，反射率越低超声波的折射折射定律1入射角正弦与折射角正弦之比等于两介质声速之比折射角2超声波从一种介质进入另一种介质时，传播方向发生改变的现象折射率3两介质声速之比，反映超声波在两种介质中传播速度的差异当超声波从一种介质传播到另一种介质时，由于两种介质的声速不同，超声波的传播方向会发生改变，这就是超声波的折射现象超声波的折射与光线的折射类似，都遵循折射定律，即入射角正弦与折射角正弦之比等于两介质声速之比折射率是两介质声速之比，反映了超声波在两种介质中传播速度的差异超声波的折射定义折射定律当超声波从一种介质传播到另一种介质时，由于两种介质的声速不超同声，波超的声折波射传遵播循方斯向涅会耳发定生律改，变即，入这射种角现的象正称弦为值超与声折波射的角折的射正弦值之比等于两种介质的声速之比，公式如下sinθ1/sinθ2=v1/v2其中，θ1为入射角，θ2为折射角，v1为入射介质中的声速，v2为折射介质中的声速折射率影响因素介质性质入射角温度介质的声速是决定折超声波入射到两种介温度会影响介质的声射率的关键因素不质界面上的角度也会速，进而影响超声波同介质的声速不同，影响折射率入射角的折射率一般来说导致超声波在不同介越大，折射角也越大，温度越高，声速越质的界面上发生折射当入射角达到临界快，折射率越小例如，超声波从空角时，超声波将不会气中传播到水中，由发生折射，而是发生于水的声速比空气大全反射，所以超声波会发生折射超声波的衍射当超声波遇到障碍物或孔隙时，会发生衍射现象，即超声波会绕过障碍物或孔隙继续传播，这与光波的衍射现象类似波长1超声波的波长越短，衍射现象越不明显孔隙大小2孔隙尺寸越小，衍射现象越明显障碍物形状3障碍物形状越复杂，衍射现象越复杂超声波的衍射惠更斯原理衍射程度当超声波遇到障碍物时，波会绕过障碍物传播，这种现象称为衍衍射射程度取决于超声波波长和障碍物尺寸波长越长或障碍物尺寸越小，衍射越明显影响衍射的因素声波波长障碍物尺寸声波的波长越短，衍射现象越不明显这是因为波长越短，声波在当传声播波过遇程到中障越碍不物容时易，绕如过果障障碍碍物物，的从尺而寸更小倾于向或于等直于线声传波播的波长，就会发生明显的衍射现象这是因为声波能够绕过障碍物，并继续传播到障碍物后面的区域超声波的吸收吸收系数1超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性、热传导等因素，部分能量会转化为热能，导致声波强度减弱，这种现象称为超声波的吸收影响因素超声波的吸收系数与介质的性质、频率、温度等因素有2关一般来说，介质的粘滞性越大、密度越大、声速越低，吸收系数越大频率越高，吸收系数也越大温度升高，吸收系数也会增加吸收系数吸收系数是指超声波在介质中传播时，由于介质的阻尼作用而损失的能量与入射能量之比它是衡量介质对超声波吸收程度的一个重要参数

0.1110低中高对于金属材料来说，其吸收系数通常比较低而对于液体和气体，吸收系数则会对更于高一些高分子材料和生物组织，其吸收系数甚至可以达到10以上吸收系数的大小会影响超声波检测的灵敏度和穿透深度对于一些吸收系数很高的材料，超声波很难穿透，因此难以进行有效的检测吸收影响因素介质特性频率超声波在不同介质中的吸收频率越高，超声波的吸收系程度不同例如，在水中，数越大这意味着高频超声超声波的吸收系数远小于在波更容易被介质吸收，因此空气中介质的粘度、密度传播距离更短和温度都会影响超声波的吸声波强度收超声波强度越大，吸收系数也越大高强度超声波更容易被介质吸收，导致能量损失更大超声波检测原理超声波检测是利用超声波在介质中传播的特性，对物体内部结构进行检测的一种技术它利用超声波的反射、折射、衍射和吸收等现象，分析回波信号，从而获取被测物体的内部信息主要原理应用领域超声波检测原理基于超声波在介超声波检测应用广泛，例如*质中传播的特性，包括*声速工业检测检测金属材料的缺陷差异:不同的材料具有不同的声、焊缝质量、管道腐蚀等*医速，超声波遇到材料分界面时会学诊断进行超声波影像检查，产生反射，利用声速差异可以识例如B超，用于检查人体器官和别不同材料*声阻抗:不同材组织的结构和功能*非破坏检料的声阻抗不同，超声波在两种测用于检测建筑物、桥梁、飞不同声阻抗的材料界面发生反射机等结构的内部缺陷*流量测，利用反射强度可以判断缺陷的量利用超声波的传播时间测量存在*缺陷散射:超声波遇到液体或气体的流量缺陷时会发生散射，利用散射信号可以判断缺陷的大小、形状和位置回波信号的生成超声波发射超声波探头发射超声波脉冲，穿透被测物体声波遇到缺陷当超声波遇到物体内部的缺陷（如裂纹、空洞等）时，部分声波会反射回来反射波被探头接收探头接收反射回来的声波，并将其转换为电信号信号处理和显示电信号经过放大和处理后，显示在屏幕上，形成回波信号型扫描A定义工作原理A型扫描是一种基本的超声A型扫描仪发出超声波脉冲波检测技术，它以波形的方，并接收来自材料内部的回式显示信号强度随时间的变波信号接收到的回波信号化，从而提供关于材料内部被转换成电信号，并在屏幕缺陷或结构的信息上显示为波形应用A型扫描常用于测量材料厚度、识别缺陷位置、评估缺陷大小，以及检测材料内部结构的变化型扫描BB型扫描是超声波检测中的一种常用方B型扫描图像的亮度代表超声波信号的强度B，型强扫度描越图高像，的图深像度越代亮表超声波信号的传播时间，时间越长，深度越深法，它将探头发射的超声波信号转化为图像，以显示被检测对象的内部结构型扫描C原理特点C型扫描将超声波信号转换C型扫描能够提供被测物体为灰度图像，并将图像显示内部缺陷的二维图像，显示在屏幕上灰度等级代表超缺陷的形状、大小和位置声波信号的强度，即反射信此外，C型扫描还可以用于号的强度信号强度越高，测量缺陷的深度和面积应用图像越亮；信号强度越低，图像越暗C型扫描广泛应用于工业无损检测，例如焊接检测、铸造缺陷检测、材料内部缺陷检测等它可以帮助检测人员快速、直观地了解物体内部结构和缺陷情况，从而确保产品质量和安全脉冲回波法发射超声波脉冲超声波探头发射短促的超声波脉冲，脉冲进入被测物体超声波在物体中传播超声波在物体内部传播，遇到界面会发生反射或折射接收反射信号探头接收来自物体内部界面反射回来的超声波信号，即回波信号处理回波信号仪器对接收到的回波信号进行分析，得出有关物体内部结构和缺陷的信息测量方法声程测量声程差测量时间传播法相移法通过测量超声波在介质中通过测量超声波在不同路通过测量超声波从发射端通过测量超声波穿过缺陷传播的距离（声程）来确径上传播时间的差异（声到接收端的时间来确定缺后产生的相位变化来确定定缺陷的位置和大小声程差）来确定缺陷的位置陷的位置和大小时间传缺陷的位置和大小相移程测量适用于检测较大的和大小声程差测量适用播法适用于检测较小的缺法适用于检测微小缺陷，缺陷，如裂纹、孔洞和夹于检测较小的缺陷，如表陷，如表面裂纹、分层和如裂纹、孔洞和夹杂物等杂物等面裂纹、分层和焊缝缺陷焊缝缺陷等等声程测量定义1声程是指超声波从探头发射到缺陷表面，再反射回探头的总距离测量方法2利用超声波仪器测量超声波在介质中传播的时间，根据声速计算声程应用3声程测量可用于确定缺陷的位置、大小和形状声程测量是超声波检测中一项重要的测量方法，它利用声速和传播时间的关系来确定缺陷的位置和大小通过精准的声程测量，可以帮助我们更好地了解材料的内部结构，从而提高检测效率和准确性声程差测量定义1测量两个反射点之间的距离，即两个反射波到达探头的时间差原理2利用声波在介质中传播速度不变的特性，通过测量声波往返时间差，计算出两个反射点之间的距离应用3广泛应用于材料厚度测量、缺陷尺寸测量等领域时间传播法发射超声波1首先，探头发射一束超声波脉冲进入被测物体接收回波2超声波在物体内部传播，遇到缺陷或边界就会发生反射，探头接收反射回来的回波信号测量时间3仪器记录超声波从发射到接收的时间，即回波时间计算距离4利用声速和回波时间，可以计算出缺陷或边界到探头的距离相移法原理优势应用相移法利用超声波信号在介质中传播相移法具有精度高、抗干扰能力强等相移法广泛应用于薄膜厚度测量、材时产生的相位变化来测量距离或厚度优点，适用于测量较小的距离或厚度料内部结构分析等领域在工业生产当超声波遇到界面时，一部分能量，例如薄膜、涂层等和科学研究中发挥着重要的作用会反射回来，形成回波信号通过比较发射信号和回波信号的相位差，可以计算出超声波在介质中传播的时间，从而得到距离或厚度信息应用领域超声波检测技术已广泛应用于各个领域，发挥着重要作用，涵盖了工业生产、医疗诊断、科学研究等多个方面工业检测超声波检测可以对各种材料和结构进行无损检测，例如金属、陶瓷、塑料、复合材料等，用于检测缺陷、裂纹、腐蚀、空洞等，确保产品的质量和安全医学诊断超声波检测在医学诊断中扮演着重要角色，例如B超、彩超、心超等，可用于观察器官组织的结构和功能，诊断疾病，以及进行手术引导非破坏检测超声波检测作为一种非破坏性检测方法，在航空航天、汽车制造、桥梁检测、管道检测等领域应用广泛，可以对物体进行检查而不会对其造成损害流量测量超声波检测可以用来测量流体中的流量，例如水、气体、油等，通过测量超声波在流体中的传播时间来确定流量工业检测材料缺陷检测超声波检测可用于检测金属、塑料、陶瓷等各种材料内部的缺陷，例如裂纹、空洞、夹杂物等，帮助确保产品的质量和安全性管道探伤超声波检测可用于检测管道内部的腐蚀、裂纹、焊缝缺陷等，帮助评估管道安全性和寿命，防止管道泄漏和事故发生焊接质量检测超声波检测可用于检测焊接接头的质量，例如焊缝熔合不良、气孔、夹渣等，帮助确保焊接的可靠性和强度厚度测量超声波检测可用于测量材料的厚度，例如金属板材、管道壁厚、混凝土结构厚度等，帮助评估材料的尺寸和性能医学诊断超声波在医学诊断中超声波可以帮助医生超声波检测是一种无具有重要的应用价值观察心脏、血管、肝创、安全、便捷的诊，如心脏超声、腹部脏、肾脏、膀胱、子断方法，可用于早期超声、产前诊断等宫、卵巢、胎儿等器疾病筛查、病情评估官的结构和功能，以、治疗效果监测等及是否存在病变非破坏检测管道检测航空航天检测桥梁检测超声波检测可用于检测管道内部的缺航空航天领域广泛采用超声波检测来超声波检测用于评估桥梁结构的完整陷，例如裂缝、腐蚀和孔洞，而无需检查飞机机翼、机身和其他关键部件性，检测混凝土中的裂缝、空洞和腐拆卸管道这在维护和安全方面至关的结构完整性超声波检测可识别微蚀这种非破坏性方法有助于延长桥重要，可以帮助避免潜在的泄漏和故小的裂缝和缺陷，有助于确保飞机的梁的使用寿命，确保桥梁的安全可靠障安全运行性流量测量超声波流量计应用领域超声波流量计是利用超声波在流体中的传播时间或相位变超声波流量计可以测量各种流体的流量，包括水、油、气化来测量流体流量的仪器它具有高精度、非侵入性、易体、浆液等，应用于水资源管理、工业生产、环境监测等于安装等优点，广泛应用于工业、农业、环保等领域方面，为节约资源、提高效率提供重要的技术支持结语超声波检测技术作为一种非破坏性检测手段，在各行各业中发挥着重要作用它凭借其高效、便捷、精准的特点，为工业生产、医疗诊断、科研实验等领域提供了可靠的检测保障超声波检测的优势高灵敏度1超声波检测具有高灵敏度，能够探测到肉眼难以发现的缺陷，例如裂纹、空洞和夹杂物无损检测2超声波检测是一种非破坏性检测方法，不会对被检测物体造成损伤，适合于对珍贵或重要的物件进行检测快速检测3超声波检测速度快，能够快速地对物体进行扫描，提高检测效率，节省检测时间广泛应用4超声波检测广泛应用于工业制造、医疗诊断、材料科学等领域，能够满足不同检测需求超声波检测的局限性超声波检测对材料表面和内部的缺陷超声波在不同介质中传播速度不同，材料的对种于类形和状性复质杂会或影表响面检不测规结则果的的物准体确，性超声波检测可能难以进行，并且容易产生误差尺寸和形状敏感，对于较小的缺陷，可能难以检测或识别未来发展趋势智能化多模态融合超声波检测技术将进一步融超声波检测将与其他检测技合人工智能和机器学习，实术，如机器视觉、红外热成现自动化缺陷识别、诊断和像等，进行多模态融合，实预测性维护，提高检测效率现更全面、更准确的检测结便携化和准确性果超声波检测设备将更加轻便、易于操作，便于在各种场景下进行检测，拓展应用范围。