超声透射法是一种常用的无损检测技术,通过测量超声波在材料中的传播时间(声时)和传播距离(试件厚度),计算声速,进而评估材料的均匀性、缺陷或力学性能。以下是详细的取值方法和声速计算步骤:
超声波在均匀介质中传播时,其声速 v 由介质的弹性模量、密度和泊松比决定,计算公式为:
其中:
v:超声波在材料中的传播速度(m/s);
L:超声波传播路径长度(试件厚度,单位:m);
Δt:超声波从发射到接收的传播时间(声时,单位:s)。
超声检测仪:具有脉冲发射和接收功能(如Panametrics、Olympus等品牌)。
探头:纵波(P波)或横波(S波)探头,频率根据试件厚度选择(通常50kHz-10MHz)。
耦合剂:水、凡士林或专用超声耦合剂,确保探头与试件良好接触。
标准试块(可选):用于校准系统延迟。
测量试件厚度(L)
使用游标卡尺或千分尺精确测量超声波传播路径长度(单位:m)。
布置探头
发射探头(T)和接收探头(R)分别置于试件两侧,确保对中(直透法)。
若采用斜探头,需记录入射角度并修正声程。
采集波形数据
发射脉冲起始点(t₀):超声波触发时刻。
直达波第一个波峰或上升沿(t₁):超声波到达接收探头的时刻。
超声仪发射脉冲信号,接收探头记录波形(示波器或软件显示)。
典型波形图如下:
振幅 ↑ | ▲发射脉冲(t₀) | / \ | / \ | / \______▲直达波(t₁) | / | / +------------------→ 时间
关键取值点:
计算声时(Δt)
零距校准法:将发射和接收探头直接对接(无试件),测得系统延迟时间 tdelay,修正后:
直接测量法:Δt=t1−t0。
若存在系统延迟(如探头、电缆延迟),需校准:
示例:
试件厚度 L=0.1m;
测得声时 Δt=20μs=20×10−6s;
声速 v=20×10−60.1=5000m/s。
误差类型 | 原因 | 修正方法 |
---|---|---|
系统延迟 | 仪器、探头固有延迟 | 零距校准或标准试块校准 |
耦合误差 | 耦合剂厚度不均 | 使用均匀耦合剂,固定压力 |
温度影响 | 声速随温度变化 | 记录环境温度,参考温度-声速曲线 |
边界反射 | 试件侧壁干扰 | 缩短脉冲宽度或使用吸声材料包裹 |
正常混凝土声速:4000–5000 m/s。
异常情况:
声速 < 3500 m/s → 可能存在裂缝或空洞。
声速 > 5500 m/s → 可能骨料密度过高或含水率低。
材料 | 纵波声速(m/s) | 典型应用 |
---|---|---|
铝 | 6300 | 航空航天部件缺陷检测 |
钢 | 5900 | 焊缝质量评估 |
铜 | 4700 | 电子器件导热性能分析 |
通过傅里叶变换(FFT)分析超声波频率成分,判断材料衰减特性(如混凝土老化、金属晶粒尺寸)。
多探头阵列扫描,生成声速分布图,直观显示缺陷位置(如医用超声、复合材料检测)。
频率选择:
高频(1–10 MHz)→ 薄试件、高分辨率;
低频(50–500 kHz)→ 厚试件、高穿透力。
耦合一致性:不同耦合剂(水vs.油脂)可能影响声时,需固定实验条件。
多次测量:减少随机误差,取3–5次平均值。
超声透射法计算声速的核心是精确测量 传播距离(L) 和 声时(Δt),并通过校准消除系统误差。该方法广泛应用于土木工程(混凝土检测)、制造业(金属探伤)、医学(组织成像)等领域,是一种高效、无损的材料评估手段。
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