超声波频谱分析技术及其应用

目录

前言

第1章连续声波与脉冲声波1

1?1超声波定义1

1?2描述超声波的基本物理量2

1?3连续波和脉冲波3

1?4宽脉冲和窄脉冲5

1?5超声脉冲波的频率7

1?6超声脉冲波的声场7

1?6?1宽脉冲和窄脉冲的声场8

1?6?2实际声场与理想声场的比较9

1?6?3宽脉冲与窄脉冲在探伤中的特点10

1?6?4脉冲波的声速11

参考文献11

第2章超声回波信号分析13

2?1超声波脉冲反射法 13

2?2超声回波信号14

2?3影响反射波的因素15

2?3?1仪器和探头15

2?3?2耦合18

2?3?3被检测材料19

2?3?4缺陷 23

参考文献25

……

超声无损检测技术因具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、速度快、对人体无害以及便于现场使用等特点，已成为现代产品质量检测与控制的重要方法和手段。传统的超声检测技术主要基于对超声波传播时间和回波幅度分析来获得介质特性的有关信息，由于仅仅利用了波形所包含的大量信息中的一小部分，因此不但大大限制了超声检测技术的应用范围，而且导致检测结果可靠性不高，且存在一定的主观性。本书对超声检测技术有了更为全面的理解，弥补了以往教学工作中有关超声波信号处理方面的空白。

《超声波频谱分析技术及其应用》共分11章，第1-5章为超声波频谱分析技术的基本原理与方法，第6~11章为超声波频谱分析技术在材料研究中的应用情况。《超声波频谱分析技术及其应用》紧紧围绕超声检测中使用的脉冲信号特点，介绍了频谱分析技术中涉及到的数字信号处理原理及方法。为了加深读者对超声波频谱分析技术的理解，并提高运用能力，《超声波频谱分析技术及其应用》给出了其在材料无损检测与评价研究中的大量研究结果。同时，鉴于超声波频谱分析技术涉及到物理学、数学、材料科学、电子技术、力学及测试技术等多门学科，为了便于具有不同专业背景的读者能更好地领会相关知识，《超声波频谱分析技术及其应用》采取突出概念和原理、弱化理论分析及公式推导的原则，力求做到概念清晰、原理明确、实用性强，以达到学以致用的目的。

《超声波频谱分析技术及其应用》重点面向材料 无损检测方向的本科专业学生，同时也可作为有关专业的研究生教材和广大无损检测工作者的参考用书。

前言

第1章 连续声波与脉冲声波

1.1 超声波定义

1.2 描述超声波的基本物理量

1.3 连续波和脉冲波

1.4 宽脉冲和窄脉冲

1.5 超声脉冲波的频率

1.6 超声脉冲波的声场

1.6.1 宽脉冲和窄脉冲的声场

1.6.2 实际声场与理想声场的比较

1.6.3 宽脉冲与窄脉冲在探伤中的特点

1.6.4 脉冲波的声速

参考文献

第2章 超声回波信号分析

2.1 超声波脉冲反射法

2.2 超声回波信号

2.3 影响反射波的因素

2.3.1 仪器和探头

2.3.2 耦合

2.3.3 被检测材料

2.3.4 缺陷

参考文献

第3章 频谱分析的数学基础

3.1 简谐振动

3.2 信号及其分类

3.2.1 信号的概念

3.2.2 信号的分类

3.3 傅里叶变换与快速傅里叶变换

3.4 信号的数字化

3.4.1 采样

3.4.2 量化

3.4.3 截断

3.4.4 加窗

3.4.5 加零处理

3.5 频谱分析常用定理

3.6 周期信号的频谱分析

3.6.1 三角形式的傅里叶级数

3.6.2 周期矩形脉冲信号的频谱

3.7 时域信号叠加及其频谱

3.7.1 相同时域信号

3.7.2 不同幅度的时域信号

3.7.3 不同相位的时域信号

3.7.4 不同持续时间的时域信号

参考文献

第4章 超声波频谱分析系统

4.1 超声波频谱分析系统组成

4.2 线性非时变系统与单位冲激信号

4.2.1 线性非时变系统

4.2.2 单位冲激信号

4.3 超声波频谱分析系统的定量表示

4.4 超声检测系统中各因素对信号频谱的影响

4.4.1 发射电路

4.4.2 探头

4.4.3 接收电路

4.4.4 电缆

4.4.5 其他问题

4.5 频谱归一化

参考文献

第5章 频谱分析方法

5.1 噪声与信号处理

5.1.1 噪声

5.1.2 平滑

5.1.3 滤波

5.2 幅度谱

5.3 相位谱

5.4 功率谱

5.5 倒频谱

参考文献

第6章 人工反射体超声波频谱分析

6.1 概述

6.2 实验工作

6.2.1 黄铜杆端面超声反射波频谱

6.2.2 不同形状及尺寸人工反射体的超声波频谱

6.3 缺陷频谱特性的模型解释

6.3.1 概述

6.3.2 解析法

6.3.3 近似计算

6.4.频谱分析模型

6.4.1 衍射模型

6.4.2 干涉模型

6.4.3 傅里叶变换模型

6.5 缺陷频谱分析模型的应用

6.5.1 缺陷尺寸的确定

6.5.2 缺陷尺寸测量精度

6.5.3 厚度检测和近表面缺陷测量分辨力

参考文献

第7章 超声波频谱分析在缺陷检测中的应用

7.1 复合材料缺陷检测

7.1.1 平底孔缺陷

7.1.2 孔隙率

7.1.3 疏松和分层

7.2 表面裂纹的表征

7.3 氢损伤超声检测

7.4 腐蚀检测

参考文献

第8章 超声波频谱分析在材料组织结构表征中的应用

8.1 薄层厚度测量

8.2 表面粗糙度及周期性结构表征

8.2.1 表面粗糙度测量

8.2.2 周期性结构表征

8.2.3 表面粗糙度对表面波传播的影响

8.3 多晶金属平均晶粒尺寸表征

8.4 钢中带状组织评价

8.5 微观组织差异表征

8.6 陶瓷致密度评估

8.7 钢中沉淀析出物表征

参考文献

第9章 超声波频谱分析在材料性能评价中的应用

9.1 谐振声谱法表征圆柱形工件弹性性能

9.2 聚合物纤维丝弹性模量测量

9.3 测定钢的表面残余应力

9.4 轧制工件表面应力及形变

9.5 断裂韧度超声评估

9.5.1 烧结碳化钨

9.5.2 多晶材料断裂韧度

0.6 频散类聚合物声学性能

9.7 接触表面劲度评价

9.8 复合材料强度检测

参考文献

第10章 超声波频谱分析在粘接质量检测中的应用

10.1 粘接强度测量

10.1.1 谐振法

10.1.2 反射法

10.2 粘接质量检测

10.2.1 反射法

10.2.2 透射法

10.2.3 谐振法

参考文献

第11章 超声波频谱分析的其他应用

11.1 钢中磁性转变

11.2 铬镍合金600的超声波波速和相速度频散曲线

11.3 颗粒增强型塑料的超声波衰减

11.4 拉伸方向和塑性应变对轧制黄铜板超声波测量参数的影响

参考文献

……

由于超声波清洗速度快、质量好，又能大大降低环境污染，因此，超声波清洗技术正在越来越多的工业部门中得到应用。

超声波在电子行业的应用

电子行业是超声波清洗应用最早，最为普及的行业。

电子零件的清洗：电子零件，如半导体管的壳座、IC的壳座、晶体的壳座、继电器的壳座、电子管座等。

电子元器件的基体清洗：电子元器件的基体是由半导体材料制成并封装在金属或塑料壳座中形成的，在封装前，不但对壳座必须清洗，而且也必须对基体进行清洗，如IC芯片、电阻、晶体、半导体、原膜电路等。

PCB板的清洗：中国电子行业中，绝大多数企业都在使用PCB，PCB组件焊接采用的助焊剂分为水溶型、松香型和免清洗型三类，使用较多的为前两种，多采用超声波清洗（也有不少是采用酒精刷洗），免清洗型原则上应该不清洗，但是，目前世界各国的大多数厂家即使采用免清洗型焊剂焊接组件，仍需要清洗。特别是高密度PCB以及高密度IC出脚不清洗或不采用超声波清洗，必将导致高密度线路之间和IC出脚之间吸附尘埃，一旦环境湿度大，极易发生高密度线间和脚间短路而出现故障，而一旦环境干燥，短路故障又自行消失，这类故障又不易查找。所以世界各国的电子整机厂均坚持对PCB板作超声波清洗。在中国，军工电子整机厂已开始推广，并收到了因此举既提高了产品可靠性，又降低了售后服务成本的双重效益。

接插件、连接件、转接器等器件的生产中，电镀和组装前也必须清洗，否则吸附在这些组装零件上的灰尘、油污必将影响其导电和绝缘性能，特别是一些复杂的多芯连接器尤其如此。

电子材料加工成型后的清洗：如晶片、硅片、压电陶瓷片等电子材料是供给元器件厂家的产品，其产品出厂前必须清洗，特别是作出口业务的厂家，其产品清洗成为一大难题，超声波清洗是最有效的途径。

超声波清洗在机电行业中的应用

机电行业中，从机械零件到机械部件，从电器零件到电器部件都有清洗的要求，如齿轮、曲轴乃至齿轮箱，又如电器零件上机械和电器的组合件，还有一些精密机械零件和电器零件，这些都离不开清洗，大多数企业采用的是传统的清洗方法，诸如浸润清洗、喷淋清洗。这种清洗方法不但劳动强度大，而且易造成环境污染和水资源浪费。目前，不少企业开始进行技术改造，采用超声波清洗以消除传统清洗的弊端，特别是一些形状复杂的机械零件，是传统清洗所无能为力的。

超声波清洗在制药工业的应用

超声波清洗技术经过众多制药企业的应用而得到广泛使用，特别是对西林瓶、口服液瓶、安瓶、大输液瓶的清洗以及对丁基胶塞、天然胶塞的清洗方面，已经得到首肯。对于瓶类的清洗，是用超声波清洗技术代替原有的毛刷机，它经过翻转注水、超声清洗、内外冲洗、空气吹干、翻转等流程而实现的。

超声波清洗在轻纺行业中的应用

轻工行业，如空调、冷柜、冰箱中的压缩机；钟表零件、手表元件等；纺织行业，如精密纺织器材、喷丝嘴等；珠宝行业，如金银首饰、珠宝玉器等，都需要清洗，有些零件、部件和组件，如压缩机、喷丝嘴等或形状复杂，或盲孔、微孔，只能由超声波清洗，有些规模生产厂甚至采用超声波链式或升降式成套设备。

超声波清洗在表面处理行业的应用

表面处理是轻工行业的组成部分，包含机械零件电镀、金属和非金属机箱柜涂覆、光学玻璃或镜片镀膜等，电镀前后或涂覆前的清洗采用超声波清洗技术已成为一种新的典型工艺，特别是军工电子产品中的一些多芯插座，因质量要求必须进行电镀，而电镀后其质量要求多芯之间必须绝缘，往往因电镀后致使多芯间不绝缘，采用丙酮、酒精等方法浸润清洗后测试其阻值要求无穷大，但达不到质量要求，而采用超声波清洗，经烘干后，则完全达到质量要求。将超声波直接引入电镀还可提高镀液的匀度和镀层的密度。

超声波除油

将黏附有油污的制件放在除油液中，并使除油过程处于一定频率的超声波场作用下的除油过程，称为超声波除油。引入超声波可以强化除油过程、缩短除油时间、提高除油质量、降低化学药品的消耗量。尤其对复杂外形零件、小型精密零件、表面有难除污物的零件及绝缘材料制成的零件有显著的除油效果，可以省去费时的手工劳动，防止零件的损伤。

超声波除油的效果与零件的形状、尺寸、表面油污性质、溶液成分、零件的放置位置等有关，因此，最佳的超声波除油工艺要通过试验确定。超声波除油所用的频率一般为30kHz左右。零件小时，采用高一些的频率；零件大时，采用较低的频率。超声波是直线传播的，难以达到被遮蔽的部分，因此应该使零件在除油槽内旋转或翻动，以使其表面上各个部位都能得到超声波的辐照，受到较好的除油效果。另外超声波除油溶液的浓度和温度要比相应的化学除油和电化学除油低，以免影响超声波的传播，也可减少金属材料表面的腐蚀。

超声波清洗技术在磷化处理中的应用

产品喷涂前处理工艺非常重要，一般的传统工艺使用酸液对工件进行处理，对环境污染较重，工作环境较差，同时，最大的弊端是结构复杂零件酸洗除锈后的残酸很难冲洗干净。工件喷涂后，时间不长，沿着夹缝出现锈蚀现象，破坏涂层表面，严重影响产品外观和内在质量。超声波清洗技术应用到涂装前处理后，不仅能使物体表面和缝隙中的污垢迅速剥落，而且涂装件喷涂层牢固不会返锈。

超声波清洗在铁路段修领域的应用

中国铁道部《三机检修规程》以及铁路系统的一些段修技术规程都涉及到清洗。超声波清洗在铁路系统的应用较为普遍，但用于对列车空调机组、柴油发动机组、机车散热器等大型设备的不拆御清洗则是一个崭新的课题。中国检修客车的车辆段，采用超声波清洗设备对列车空调的不拆御清洗实为首创之举。其劳动强度的减低、清洗质量的提高、环境保护成本的降低、文明生产、现场管理水平的提升，均开创了一个新的局面，但目前的普及水平很低。

超声波清洗在军事装备领域的应用

军事装备不外乎光、机、电类装备或光、机、电一体化装备，军事装备在储备状态下，储存于军事仓库，这些装备在储备、训练、演习状态均免不了尘埃、污垢的吸附、污染，特别是一些复杂的兵器装备靠人工擦拭保养，难度较大，而一旦采用超声波清洗技术保养兵器装备，问题就迎刃而解。《中国电子报》2001.04.17 文/杜水源超声清洗器的作用：超声波清洗器是一种无损无污染的清洗设备。它是利用超声波在液体中的空化作用，产生非常强大的能量，将污粒从物体上剥落以达到清洗之目的；同时超声波在液体化学反应中还能起到加速溶解和乳化作用，并能有效的脱去液体中的气体。

超声波清洗在电镀、喷涂前工艺应用

产品喷涂前处理工艺非常重要，一般的传统工艺使用酸液对工件进行处理，对环境污染较重，工作环境较差，同时，最大的弊端是结构复杂零件酸洗除锈后的残酸很难冲洗干净。工件喷涂后，时间不长，沿着夹缝出现锈蚀现象，破坏涂层表面，严重影响产品外观和内在质量。超声波清洗技术应用到涂装前处理后，不仅能使物体表面和缝隙中的污垢迅速剥落，而且涂装件喷涂层牢固不会返锈。　

利用超声波在液体中产生的空化效应，可以清洗掉工件表面沾附的油污，配合适当的清洗剂，可以迅速地对工件表面实现高清洁度的处理。　

电镀工艺，对工件表面清洁度要求较高，而超声波清洗技术是能达到此要求的理想技术。利用超声波清洗技术，可以替代溶剂清洗油污；可以替代电解除油；可以替代强酸浸蚀去除碳钢及低合金钢表面的铁锈及氧化皮。　

对几种常见的工件表面状况，用超声波清洗工艺情况简介：

1．抛光件表面抛光膏的清洗

一般情况下，抛光膏常常采用石蜡调合，石蜡分子量大，熔点较高，常温下呈固态，是较难清洗的物质，传统的办法是采用有机溶剂清洗或高温碱水煮洗有许多弊病。采用超声波清洗则可使用水基清洗剂，在中温条件下，几分钟内将工件表面彻底清洗干净，常用工艺流程是：①浸泡→②超声波清洗→③清水（净水）漂洗。

2．表面有油及少量锈的冷轧钢板

冷轧钢板表面一般有油、污或少量铁锈，要洗干净比较容易，但经一般方法清洗后，工件表面仍残留一层非常细薄的浮灰，影响后续加工质量，有时不得不再采用强酸浸泡的办法去除这层浮灰。而采用超声波清洗并加入适当的清洗液，可方便快捷地实现工件表面彻底清洁，并使工件表面具有较高的活性，有时甚至可以免去电镀前酸浸活化工序。

3．表面有氧化皮和黄锈的工件　传统的办法是采用盐酸或硫酸浸泡清洗。如采用超声波综合处理技术，可以快捷地在几分钟内同时去除工件表面的油、锈、并避免了因强酸清洗伴随产生的氢脆问题。

超声波在塑料焊接方面的应用

超声波塑料焊接机原理：

当超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积。

超声波塑料焊接的方法

1．熔接法：超声波振动随焊头将超声波传导至焊件，由于两焊件处声阻大，因此产生局部高温，使焊件交界面熔化。在一定压力下，使两焊件达到美观、快速、坚固的熔接效果。

2．埋植(插)法：螺母或其它金属欲插入塑料工件。首先将超声波传至金属，经高速振动，使金属物直接埋入成型塑胶内，同时将塑胶熔化，其固化后完成埋插。

3．铆接法：欲将金属和塑料或两块性质不同的塑料接合起来，可利用超声波铆接法，使焊件不易脆化、美观、坚固。

4．点焊法：利用小型焊头将两件大型塑料制品分点焊接，或整排齿状的焊头直接压于两件塑料工件上，从而达到点焊的效果。

5．成型法：利用超声波将塑料工件瞬间熔化成型，当塑料凝固时可使金属或其它材质的塑料牢固。

6．切除法：利用焊头及底座的特别设计方式，当塑料工件刚射出时，直接压于塑料的枝干上，通过超声波传导达到切除的效果。

超声波金属焊接的原理

超声波金属焊接是19世纪30年代偶然发现的。当时在作电流点焊电极加超声振动试验时，发现不通电流也能焊接上，因而发展了超声金属冷焊技术。超声波焊接虽然发现较早，但是到目前为止，其作用机理还不是很清楚。它类似于摩擦焊，但有区别，超声焊接时间很短，温度低于再结晶；它与压力焊也不相同，因为所加的静压力比压力焊小的多。一般认为在超声波焊接过程中的初始阶段，切向振动出去金属表面的氧化物，并是粗糙表面的突出部分产生反复的微焊和破坏的过程而使接触面积增大，同时使焊区温度升高，在焊件交界面产生塑性变形。这样在接触压力的作用下，相互接近到原子引力能够发生作用的距离时，即形成焊点。焊接时间过长，或超声波振幅过大会使焊接强度下降，甚至破坏。

超声波金属焊接原理，现国际上并无公论。

超声波金属焊接的特点

超声波金属焊接的特点是：不需要焊剂和外加热，不因受热而变形，没有残余应力，对焊件表面的焊前处理要求不高。不但同类金属，而且异类金属之间也可以焊接。可以将薄片或细丝焊接在厚板上。超声焊接良导电体的能量比电流焊接少的多，常用于晶体管或集成电路的引线的焊接。用于药物和易爆材料的密封焊时，能避免一般焊接因有溶解物体而污染药品，不会因受热而发生爆炸等等。

超声波金属焊接的应用

按国际通行的用途，超声波金属焊有 四大系列：点焊、滚焊、封切、线束，广泛应用于：汽车、制冷、太阳能、电池、电子等各个领域超声波金属焊接适用产品：　　

A.动力电池多层正、负极焊接；镍氢电池镍网与镍片焊接

B.锂电池、聚合物电池铜箔与镍片焊接；铝箔与铝片焊接；铝片与镍片焊接

C.汽车线束；电线头成型；电线互焊；多条电线互焊成线结；铜、铝线转换

D.电线、电缆与名种电子元件、接点、连接器、端子焊接

E.太阳能电池、平板太阳能吸热板、铝塑复合管滚焊，铜、铝板拼接

F.电磁开关、无熔丝开关等大电流接点、触点、异种金属片的焊接

G.冰箱、空调等行业铜管封尾；真空器件铜、铝管封切可水、气密

超声波美容的原理

超声波是指频率超过2万赫兹以上，不能引起正常人听觉的机械振动波，该振动波具有机械作用、温热作用和化学作用。超声波美容仪利用超声波的三大作用，在人体面部进行治疗， 以达到美容目的。

机械作用：超声波功率强、能量大，作用于面部可以使皮肤细胞随之振动，产生微细的按摩作用，改变细胞容积，从而，改善局部血液和淋巴液的循环，增强细胞的通透性，提高组织的新陈代谢和再生能力，软化组织，刺激神经系统及细胞功能，使皮肤富有光泽和弹性。

温热作用：通过超声波的温热作用，可以提高皮肤表面的温度，使血液循环加速，增加皮肤细胞的养分，使神经兴奋性降低，起到镇痛的作用，使痉挛的 肌纤维松弛，起到解痉的作用。超声波的热是内生热，热量的79%～82%被血液自作用区运走，18%～21%由热传导而分散至临近组织中，因此，病人无明 显热感觉。化学作用：超声波可以加强催化能力，加速皮肤细胞的新陈代谢，使组织pH值向碱性方向变化，减轻皮肤炎症伴有的酸中毒及疼痛。超声波可以提高细 胞膜的通透性，使营养素和药物解聚，利于皮肤吸收营养，利于药物透入菌体，提高杀菌能力。

超声波美容仪的具体功能如下：软化血栓，消除“红脸”。用于脸部微细血管变形、血液循环障碍引起的面部红丝、红斑，以及因螨虫感染而引起的面部红斑或酒渣鼻。

超声波美容仪在使用时应注意以下几点：探头热的程度不代表声波输出功率的多少，太热易灼伤皮肤；浓度过小的水剂药物，不宜直接渗透，否则易引起皮肤干燥；使用时，探头不能从眼球经过，上眼皮不能按摩；孕妇及严重心脏病患者不能使用。

2.适应症：

①消除暗疮及愈合疤痕。

②改善皮肤质地，并帮助药物吸收。

③消除皮肤色素沉着如：外伤后，化学剥脱术后，激光治疗后色素沉着。

④淡化黄褐斑，暗斑，雀斑等。

⑤消除皮肤细小皱纹，眼袋和黑眼圈。

⑥治疗皮肤硬化症及蛇皮病。

超声波捕鱼机工作原理为发射超声波电场，主要针对水中一切动物的大脑,刺激神经,心脏和呼吸系统，使其在水中严重缺氧，浮出水面，达到最佳捕捉效果，并能将深底层的动物击昏浮出水面任意捕捞(时过五分钟复活),捕大留小，不影响鱼类的繁殖生长。该机专门对会水中冷血动物，对人体及热血动物绝对安全。厂家主要生产基地

中国超声波清洗机设备厂家目前主要集中在广东的广州、深圳、东莞，江苏的苏州、常州，浙江富阳等主要生产基地。

由时间函数求频谱函数的傅里叶变换公式就是将该时间函数乘以以频率为系数的指数函数之后，在从负无限大到正无限大的整个区间内，对时间进行积分，这样就得到了与这个时间函数对应的，以频率为自变量的频谱函数。频谱函数是信号的频域表示方式。根据上述傅里叶变换公式，可以求出常数(直流信号)的频谱函数为频域中位于零频率处的一个冲激函数，表示直流信号就是一个频率等于零的信号。与此相反，冲激函数的频谱函数等于常数，表示冲激函数含有无限多个、频率无限密集的正弦成分。同样的，单个正弦波的频谱函数就是频域中位于该正弦波频率处的一对冲激函数。

利用傅里叶变换的方法对信号进行分解，并按频率展开，使其成为频率的函数，进而在频率域中对信号进行研究和处理的一种过程，称为频谱分析。