超聲波探傷物理基礎(chǔ)

會計(jì)學(xué)1超聲波探傷物理基礎(chǔ)第一章緒論1.1超聲檢測的定義和作用1.2超聲檢測的發(fā)展簡史和現(xiàn)狀1.3超聲檢測的基礎(chǔ)知識1.3.1次聲波、聲波和超聲波1.3.2超聲檢測工作原理1.3.3超聲檢測方法的分類1.3.4超聲檢測的優(yōu)點(diǎn)和局限性1.3.5超聲檢測的適用范圍第1頁/共111頁

前言第二章超聲波傷的物理基礎(chǔ)超聲波探傷是目前應(yīng)用最廣泛的無損檢測方法之一。特點(diǎn)：超聲波是一種機(jī)械波。超聲波波長短、能量高，可以在介質(zhì)中直線傳播，在傳播過程中遇到異質(zhì)界面時會發(fā)生反射、折射、端點(diǎn)衍射及波型轉(zhuǎn)換。A型脈沖反射法超聲波探傷，就是利用缺陷處反射回來的聲波大小來評價缺陷的。缺陷越大或說反射面越大，反射回波就越強(qiáng)。目前，較先進(jìn)的超聲波探傷方法有：超聲相控陣檢測技術(shù)、TOFD檢測技術(shù)超聲相控陣&TOFD技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用.pdf第2頁/共111頁第3頁/共111頁在實(shí)際工作中是先用標(biāo)準(zhǔn)反射體（試塊）確定基準(zhǔn)波高，根據(jù)不同的深度基準(zhǔn)反射體的回波高度可以畫出一條與深度相關(guān)的基準(zhǔn)曲線（距離——波幅曲線或距離——分貝曲線），調(diào)整好基準(zhǔn)波后按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行工件探測，根據(jù)缺陷回波的大小與基準(zhǔn)波高進(jìn)行比較，來判定缺陷當(dāng)量大小，判定缺陷是否超標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中基準(zhǔn)反射體有：平底孔、橫通孔、大平底、短橫孔、線切割槽等第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)A型脈沖反射式超聲波探傷第4頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)

本章節(jié)需掌握的內(nèi)容：一、振動與波動的概念與區(qū)別二、波的類型三、超聲波的傳播速度四、波的疊加、干涉、衍射與惠更斯原理五、超聲波聲場的特征值六、分貝與奈培七、超聲波垂直入射到界面時的反射和透射八、超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射九、超聲波的聚焦與發(fā)散十、超聲波的衰減第5頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)1.振動的基本概念與特點(diǎn)2、諧振動的概念與特點(diǎn)3、阻尼振動的概念與特點(diǎn)4、受迫振動的概念與特點(diǎn)，共振的概念與應(yīng)用5、機(jī)械波6、波長、頻率和波速之間的關(guān)系計(jì)算

第一節(jié)振動與波動本節(jié)主要內(nèi)容第6頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)

第一節(jié)振動與波動一、振動1.振動的基本概念物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復(fù)周期性的運(yùn)動，稱為機(jī)械振動。被手撥動的彈簧片上下跳動的皮球小鳥飛離后顫動的樹枝第7頁/共111頁特點(diǎn)：振動是往復(fù)周期性的運(yùn)動，振動的快慢常用振動的周期或頻率表示。第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)周期T——振動物體完成一次全振動所用的時間，稱為振動周期，用T表示，單位是：秒（s）1Hz=1次/秒

T=1/f頻率f——振動物體在單位時間內(nèi)完成振動的次數(shù)，稱為振動頻率，用f表示。單位：赫茲Hz，1Hz表示1秒鐘完成1次全振動。單位還有KHz、MHz第8頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)如：人能聽到的聲音就是空氣的機(jī)械振動人能聽到的聲音頻率范圍是20——20000Hz，中音一般在1000——1500Hz。因人而異，每人說話的音頻不一樣，所以能區(qū)分不同人的聲音。音調(diào)、音域；高音、低音不是聲音高低，而是頻率高低；聲音大小用振幅表示。如果人說話的頻率是1000Hz，即每秒鐘聲帶振動1000次。返回第9頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)2．諧振動最簡單最基本的直線振動稱為諧振動。任何復(fù)雜的振動均可視為多個諧振動的合成。或說任何復(fù)雜的振動均可分解為多個簡單的諧振動。諧振動動畫演示彈簧振子的振動，單擺與音叉的振動等如：第10頁/共111頁（2）諧振物體的振動振幅不變，為自由振動，其頻率為固有頻率第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)（3）諧振動時由于只有彈力或重力做功，符合機(jī)械能守恒的條件，機(jī)械能守恒，在平衡位置時動能最大，勢能為0，在位移最大時，勢能最大，動能為0，其總能量保持不變諧振動的特點(diǎn)（1）物體受到的回復(fù)力大小與位移成正比，其方向總是指向平衡位置。第11頁/共111頁第12頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)

諧振振動方程的推導(dǎo)質(zhì)點(diǎn)作均速圓周運(yùn)動時，其水平方向的投影是一種水平方向的諧振動。諧振動方程：y=Acos（ωt+φ），其中y——時間t時的位移；A——振幅（最大位移）ω——圓頻率，即1秒鐘內(nèi)變化的弧度數(shù)，ω=2πf=2π/T返回第13頁/共111頁3.阻尼振動

第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)但是，任何實(shí)際物體的振動總要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振動物體的能量不斷減少。其振幅隨能量的減少而減小，這種振幅隨時間不斷減小的振動稱為阻尼振動。阻尼振動演示如上所述，諧振動是理想條件下的振動,即不考慮磨擦和其它阻力的影響。特點(diǎn)：諧振動是無阻尼振動,其振幅與周期不變;阻尼振動的振幅不斷減小,而周期不變。阻尼振動不符合機(jī)械能守恒定律返回第14頁/共111頁4．受迫振動第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)概念：物體受到周期性外力的作用時產(chǎn)生的振動如：汽缸中的活塞的振動，揚(yáng)聲器中的紙盆振動演示受迫振動的振幅與策動力的頻率有關(guān)，當(dāng)策動力的頻率與物體的固有頻率相同時，受迫振動的振幅達(dá)到最大值。這種現(xiàn)象稱為共振特點(diǎn)：受迫振動是受外力的作用不符合機(jī)械能守恒定律第15頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)探頭的頻率由晶片厚度決定，高頻電脈沖是一個前沿很陡的電脈沖例如：超聲波探頭的壓電晶片在發(fā)射超聲波時一方面在高頻電脈沖激勵下產(chǎn)生受迫振動，另一方面在起振后受到晶片背面吸收塊的阻尼作用，因此又是阻尼振動，即先是受迫振動后是阻尼振動壓電晶片在接收超聲波時同樣產(chǎn)生受迫振動和阻尼振動在設(shè)計(jì)探頭時應(yīng)使高頻電脈沖的頻率等于壓力晶片的固有頻率，從而產(chǎn)生共振，這時壓電晶片的電聲能轉(zhuǎn)換效率最高返回第16頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)二、波動波動分電磁波和機(jī)械波兩大類機(jī)械波是機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程。如水波、聲波、超聲波。電磁波是交變電磁場在空間傳播的過程。如無線電波、可見光、紫外線、X射線、γ射線等等。電磁波和機(jī)械波區(qū)別我們這里只討論機(jī)械波演示第17頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)彈性質(zhì)點(diǎn)的振動會引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動,鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動又會引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動。于是振動就以一定的速度由近及遠(yuǎn)地向各個方向傳播。從而形成機(jī)械波機(jī)械波的形成產(chǎn)生機(jī)械波必備的兩個條件：

1)產(chǎn)生振動的波源；

2)能傳播振動的彈性介質(zhì)振動是波動的根源，波動是振動狀態(tài)和能量的傳播。波動中介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)并不隨波前進(jìn)，只是以交變的振動速度在各自的平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動振動與波動的區(qū)別返回第18頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)2、波長、頻率和波速波長λ：同一波線上相鄰兩振動相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離，稱為波長，用λ表示。單位常用mm或m頻率f：在1秒鐘內(nèi)所振動的次數(shù)，用f表示，單位Hz波速C：波在單位時間內(nèi)所傳傳播的距離，對于超聲波檢測來講，波速就是聲速，用C表示，單位：m/s或Km/S第19頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)三者之間的關(guān)系是：

C=λf，λ=C/f，f=C/λ聲速越大，波長越長，頻率越高波長越短。波長是超聲波檢測的重要參數(shù)，波長短可以發(fā)現(xiàn)較小的缺陷3、波動方程y=Acosω(t-x/c)=Acos(ωt-Kx)返回第20頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)三、次聲波、聲波和超聲波

1、次聲波、聲波和超聲波的劃分次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，它們在同一介質(zhì)中傳播的速度相同，只是頻率不同人耳能聽到的聲音叫聲波，頻率范圍在20——20000Hz之間。低于20Hz的聲波人耳聽不到，叫次聲波高于20000Hz人耳也聽不到，叫超聲波第21頁/共111頁2、超聲波的應(yīng)用第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)目前探傷用的超聲波頻率一般在0.5----10MHz范圍。對于金屬材料檢測，常用的頻率為1----5MHz超聲波的特點(diǎn)：1)指向性好

2)波長很短、能量高

3)能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換

4)穿透力強(qiáng)超聲波除應(yīng)用在無損檢測外，還應(yīng)用在醫(yī)療診斷、治療、工業(yè)清洗、焊接、加工等等。3、次聲波的應(yīng)用次聲波波長長，繞射能力強(qiáng)，傳播衰減小，傳播距離遠(yuǎn)。次聲波在氣象、海洋、地震、和地質(zhì)勘探等方面得到應(yīng)用第22頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)總結(jié)本節(jié)重點(diǎn)1.振動的基本概念與特點(diǎn)2、諧振動的概念與特點(diǎn)3、阻尼振動的概念與特點(diǎn)4、受迫振動的概念與特點(diǎn)，共振的概念與應(yīng)用5、機(jī)械波的形成6、產(chǎn)生機(jī)械波必備的兩個條件7、振動與波動的區(qū)別與聯(lián)系8、波長、頻率和波速之間的關(guān)系計(jì)算返回第23頁/共111頁

機(jī)械波的分類方法：有三類第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)

一、按質(zhì)點(diǎn)的振動方向

二、按波陣面

三、按脈沖持續(xù)時間分類1、縱波L2、橫波S3、表面波R4、板波1、平面波2、柱面波3、球面波1、連續(xù)波2、脈沖波

第二節(jié)波的類型第24頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)一、按質(zhì)點(diǎn)的振動方向分類傳聲介質(zhì)凡能承受壓縮或拉伸應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。固體介質(zhì)能承受拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力，因此固體介質(zhì)可以傳播縱波；液體和氣體雖然不能承受拉應(yīng)力，但在承受壓應(yīng)力時產(chǎn)生容積變化，因此液體和氣體也可以傳播縱波。概念：質(zhì)點(diǎn)的振動方向與傳播方向平行的波稱為縱波，用L表示；又稱壓縮波或疏密波。1、縱波L返回第25頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)2、橫波S

傳聲介質(zhì)：只有固體介質(zhì)才能承受切變應(yīng)力，液體和氣體不能承受切變應(yīng)力，因此橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。

當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力用時，產(chǎn)生切變形變，從而形成橫波。故又稱切變波。概念：質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向垂直的波，稱為橫波，用S表示縱波橫波特點(diǎn)演示縱波橫波波形演示返回第26頁/共111頁3、表面波R

第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)特點(diǎn)：表面波在固體表面?zhèn)鞑ィ淠芰侩S傳播深度的增加而迅速減弱。當(dāng)傳播深度超過2倍波長時質(zhì)點(diǎn)的振幅就很小了。因此表面波只能發(fā)現(xiàn)距工件表面2倍波長以內(nèi)的缺陷。傳聲介質(zhì)：表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?，不能在液體和氣體表面?zhèn)鞑?。表面波是由縱波與橫波在表面的合成波，介質(zhì)表面的質(zhì)點(diǎn)呈橢圓運(yùn)動。概念：當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，用R表示；表面波是由瑞利提出來的，因此又稱瑞利波。第27頁/共111頁4、板波第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)小結(jié)：以上4種波除縱波外其它波只能在固體中傳播，縱波可以在固體、液體、氣體中傳播。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動方向又分為SH波和蘭姆波。在表面上下振動的波稱為蘭姆波，在表面橫向振動的波為SH波概念：在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟?，稱為板波返回第28頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)二按波陣面分類波陣面：同一時刻振動相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)所聯(lián)成的面稱為波陣面。波源：剛性平面波源，尺寸遠(yuǎn)大于波長；波陣面：平面；特征：波束不擴(kuò)散，振幅為常數(shù)。按波陣面的形狀不同分為：平面波、柱面波、球面波。

1、平面波第29頁/共111頁波源：線狀波源，尺寸遠(yuǎn)大于波長；波陣面：柱面；特征：波束向四周擴(kuò)散，振幅與距離平方根成反比。波源：點(diǎn)波源，尺寸遠(yuǎn)小于波長；波陣面：球面；特征：波束向四面八方擴(kuò)散，振幅與距離成反比。超聲波探傷的波源近似活塞振動，在各向同性的介質(zhì)中的波叫活塞波，當(dāng)離源的距離足夠大時，活塞波類似球面波。第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)2、柱面波3、球面波返回第30頁/共111頁連續(xù)波：波源持續(xù)不斷的振動，穿透法常采用連續(xù)波脈沖波：短時間的脈沖波，持續(xù)時間很短。微秒級。第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)三、按振動的持續(xù)時間分例：返回重點(diǎn)：縱波、橫波、表面波的概念、質(zhì)點(diǎn)振動特點(diǎn)、傳播介質(zhì)第31頁/共111頁第三節(jié)超聲波的傳播速度

超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)。對特定的介質(zhì)其彈性模量和密度為常數(shù)，故聲速度也是常數(shù)第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)不同的介質(zhì)有不同的聲速度超聲波波型不同時，介質(zhì)彈性變形型式不同，聲速也不一樣一、固體介質(zhì)中縱波、橫波與表面波聲速1、無限大固體介質(zhì)中縱波、橫波與表面波聲速第32頁/共111頁對于鋼材有：CL≈1.8CS

；CR≈0.9CS

；從上述公式可知:1)固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量有關(guān),不同的介質(zhì)聲速不同;介質(zhì)的彈性模量越大，密度越小，則聲速越大2)聲速與波的類型有關(guān)，在同一固體介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波的聲速各不相同，其相互之間的關(guān)系如下：

CL＞CS＞CR2、細(xì)長棒中（d≤λ）縱波聲速CLb與無限大介質(zhì)中縱波聲速不同第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)縱波1.10橫波1.11表面波1.12第33頁/共111頁材料種類CLCS鋼5880-59503230銅47002260鋁62603080有機(jī)玻璃27301460水1500空氣3443、常見介質(zhì)中的聲速m/s4、聲速與溫度的關(guān)系一般固體中的聲速隨溫度的升高而降低。第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第34頁/共111頁由上式可知，液體的彈性模量越大、密度越小，則聲速越大第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)二、板波聲速三、液體、氣體介質(zhì)中的縱波聲速B——液體、氣體介質(zhì)的容變彈性模量；ρ——液體、氣體的密度；概念：板波是在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑?，板波的傳播是以相速度和群速度傳播液體和氣體中不能傳播橫波第35頁/共111頁溫度對液體聲速的影響綜上所述，固體和液體介質(zhì)在溫度升高時，聲速都下降，唯有水例外，水在74℃時聲速有極大值。幾乎所有的液體，當(dāng)溫度升高時，聲速降低，唯有水例外，溫度升高時聲速增大，在74℃時聲速達(dá)到最大，之后又有所下降。第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第36頁/共111頁四、聲速的測量1、探傷儀測量法用超聲波探傷儀測量是最簡單的方法。原理是脈沖反射法聲速比較法用已知厚度和聲速的工件，調(diào)節(jié)好儀器時基線，并記錄；儀器各控制旋鈕不變，測量待測工件，該工件是已知厚度第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第37頁/共111頁則有：

t1=2d1/C1t2=2d2/C2上述兩式中，t1為儀器時基線上底波的位置（格數(shù)），d1和C1為已知工件的厚度和聲速；t2為被測工件的底波在時基線上的位置（格數(shù)），此值通過與t1比較而得出；d2為被測工件的厚度，C2是未知數(shù)。

第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第38頁/共111頁例第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)如：使用CSK-IA試塊和直探頭，調(diào)節(jié)器時基線，根據(jù)測量厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，將25mm的一次底波調(diào)到2.5格,將二次波調(diào)到5格,三次波調(diào)到7.5格,此時每格所代表的時間是:當(dāng)測量厚度為60mm的另一工件,一次底波在5格處出現(xiàn)時,則該工件的縱波聲速為:這種方法不是很精確.可能有幾---幾十米的誤差.其準(zhǔn)確度受基準(zhǔn)試塊的聲速、試塊精度、時基線的線性、讀數(shù)誤差影響。用水作測量基準(zhǔn)原理相同.第39頁/共111頁另外一種解題方法解：t1t2＝2d1/C12d2/C2＝d1/C1d2/C2第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)用A型脈沖反射式超聲波探傷儀測試兩種工件時，t1、t2分別表示一次底波的格數(shù)或水平距離用測厚儀測試兩種工件時，t1、t2分別表示儀器的讀數(shù)第40頁/共111頁2、測厚儀測量法原理與超聲波探傷儀法相同?，F(xiàn)在測厚儀基本上都是脈沖反射法。該方法比用探傷儀要精確一些。由駐波理論可知，當(dāng)試件厚度為λ/2的整數(shù)倍時，入射波與反射波在試件內(nèi)形成駐波，產(chǎn)生共振，據(jù)共振原理得聲速計(jì)算公式為：

C=2fnd/n實(shí)際工作中均為脈沖反射式。常用測厚儀有共振法和脈沖反射法兩種。第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)1）共振法2）脈沖反射法第41頁/共111頁3、示波器測量法示波器的時基線可以讀出兩次反射波的時間差，通過公式可直接計(jì)算出聲速。

C=2d/t第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)本節(jié)重點(diǎn)：聲速與介質(zhì)的關(guān)系、聲速與溫度的關(guān)系、聲速的測量方法返回第42頁/共111頁第四節(jié)波的疊加、干涉、衍射與惠更斯原理一、波的疊加與干涉

1、波的迭加原理第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)幾列波在同一介質(zhì)中傳播時，如果在某點(diǎn)相遇，則相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動是各列波引起振動的合成，在任意時刻該質(zhì)點(diǎn)的位移是各列波引起位移的矢量和。幾列波相遇后仍保持自己原有的頻率、波長、振動方向等特性，并按原來的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，好象在各自的途徑中沒有遇到其它波一樣，這就是波的迭加原理，又稱波的獨(dú)立性原理。動畫演示1動畫演示2第43頁/共111頁2、波的干涉1)當(dāng)δ=nλ(n為整數(shù))時，A=A1+A2，合振幅最大；

2)當(dāng)δ=(2n+1)λ/2(n為整數(shù))時，A=A1-A2的絕對值，合振幅最小，當(dāng)A1=A2時，則A=0，完全抵消。超聲波探傷中由于波的干涉在使聲源附近出現(xiàn)聲壓極大值和極小值波的迭加原理是以波的干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ)。兩列頻率相同、振動方向相同、相位相同或相差一定值，相遇時在某處振動互相加強(qiáng)，而在另一些地方振動互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波互稱相干波。第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第44頁/共111頁二、駐波第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)如聲波從水入射到鋼時產(chǎn)在水/鋼界面上產(chǎn)生波節(jié)，波從鋼入射到水時在鋼水界面上就產(chǎn)生波腹。聲波從波密介質(zhì)入射到波疏介質(zhì)時在界面上產(chǎn)生波節(jié)；當(dāng)聲波從波疏介質(zhì)入射到波密介質(zhì)時在界面上產(chǎn)生波腹。兩列振幅相同的相干波（頻率相同）在同一直線上沿相反方向傳播時，互相迭加而成的波，稱為駐波。駐波又稱節(jié)波，在波節(jié)位置，振幅恒為零。駐波演示第45頁/共111頁三、惠更斯原理和波的衍射

1、惠更斯原理2、波的繞射

第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)概念：介質(zhì)中波動傳播到的各點(diǎn)都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其后任意時刻這些子波的包跡就決定新的波陣面障礙物與波長相比越小則產(chǎn)生繞射越強(qiáng)，反射越弱，當(dāng)障礙物很小時幾乎全繞射不反射，這就是超聲波探傷靈敏度的問題障礙物越大反射越強(qiáng)，反之則反射越弱。當(dāng)障礙物的大小與波長相當(dāng)時，波能繞過障礙物繼續(xù)前進(jìn)，這種現(xiàn)象稱為波的繞射演示1演示演示2第46頁/共111頁3、波的衍射這種現(xiàn)象在新標(biāo)準(zhǔn)中得到應(yīng)用。利用衍射波測量缺陷的高度和長度就是這個原理。波的衍射是惠更斯原理的體現(xiàn)當(dāng)波傳播到缺陷的端部時，在缺陷的端部會產(chǎn)生一個波源第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)演示超聲波探傷靈敏度約為λ/2，這是一個重要的原因。當(dāng)障礙物與波長之比很大時，波幾乎全反射不繞射。返回第47頁/共111頁第五節(jié)超聲場的特征值

超聲波所存在的空間或超聲波振動所涉及的部分空間叫超聲場。描述超聲場的特征值主要有聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。

一、聲壓P第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)聲場中某點(diǎn)某一時刻的壓強(qiáng)P1與沒有超聲波存在時的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差，稱為該點(diǎn)該時刻的聲壓。P=P1-P0

單位：帕斯卡Pa；μPa超聲場中,某點(diǎn)的聲壓幅值與介質(zhì)密度、波速和頻率成正比。超聲波頻率很高，因此聲壓遠(yuǎn)大于聲波的聲壓在示波屏上波高與聲壓成正比.第48頁/共111頁二、聲阻抗Z超聲場中任意一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)的振動速度之比稱為聲阻抗.用Z表示第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)從上式可見,在同一聲壓下,聲阻抗增加（對兩種介質(zhì)而說）,則質(zhì)點(diǎn)振動速度下降,因此聲阻抗可以理解為介質(zhì)對質(zhì)點(diǎn)振動的阻礙作用.類似電學(xué)中的歐姆定律R=U/I即聲阻抗等于該點(diǎn)的介質(zhì)密度與聲速之積;Pm=ρcu=ZuZ=Pm/uZ=P/u=ρcu/u=ρc單位:克/厘米2秒,或千克/米2秒.第49頁/共111頁聲阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的重要物理量.超聲波在兩種介質(zhì)界面上的反射與透射直接與聲阻抗相關(guān).第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)常用材料的聲阻抗材料的聲阻抗與溫度有關(guān),一般材料的聲阻抗隨溫度的升高而降低.這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料溫度增加密度降低、聲速降低。物質(zhì)鋼鋁有機(jī)玻璃水聲阻抗Z(Х106克、厘米2.秒)4.531.690.330.15第50頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)三、聲強(qiáng)單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)，用I表示,單位:瓦/厘米2;或焦?fàn)?厘米2.秒;超聲波傳播到介質(zhì)某處時,原來靜止不動的質(zhì)點(diǎn)開始振動,因而具有動能,同時該處介質(zhì)產(chǎn)生彈性變形,因而具有彈性勢能,其總能量為二者之和由以上公式可知:1)超聲波的傳播是能量的傳播.體積元的動能和勢能同時最大，同時為0，與單獨(dú)的諧振系統(tǒng)不同。2)超聲波的聲強(qiáng)與頻率的平方成正比;3)超聲波的聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比.第51頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)本節(jié)重點(diǎn)：聲壓、聲阻抗、聲強(qiáng)的物體意義聲壓與聲強(qiáng)的區(qū)別返回第52頁/共111頁第六節(jié)分貝與奈培第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)分貝與奈培的概念在科學(xué)生產(chǎn)過程中,兩個數(shù)之比相差很大,用起來不方便,常將其比值取對數(shù)后計(jì)算就大大簡便.尤其是在聲學(xué)和電學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。分貝與奈培是用來比較兩個數(shù)的大小的.即將兩個同量綱的數(shù)進(jìn)行比較后取對數(shù)后的單位第53頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)實(shí)際應(yīng)用貝爾太大，故常取1/10貝爾即分貝（dB）來作單位。第54頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)1、分貝的應(yīng)用例1：示波屏上波高為80%，另一波高為20%問前者比后者高多少dB？例2．示波屏上有三個波A、B、C，A波比B波高3dB，C波比B波低3dB，已知B波高為50%，求A、C兩波各為多高？第55頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)也可以直接從HA與HC相差6dB得到HC=35.3分貝數(shù)可以直接從儀器衰減器中讀出.衰減系數(shù)的測定要用到分貝。重點(diǎn)：分貝的計(jì)算返回第56頁/共111頁第七節(jié)超聲波垂直入射到界面時的反射與透射

超聲波垂直入射到異質(zhì)界面時,會發(fā)生反射和透射。并遵循一定規(guī)律。一、單一界面的反射率與透射率第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第57頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第58頁/共111頁解上述方程組得第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第59頁/共111頁由以上幾式可以得出：T+R=11+r=t以上各式說明超聲波垂直入射到平界面上時，聲壓或聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第60頁/共111頁下面討論幾種常見界面上聲壓、聲強(qiáng)反射與透射情況。

例如：超聲波垂直入射到水/鋼界面，即從水入射到鋼.如圖1.27

第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第61頁/共111頁以上計(jì)算表明,超聲波垂直入射到水/鋼界面時,其聲壓反射率r=0.935,聲壓透射率t=1.935.粗略地看,t＞1似乎違返能量守恒,其實(shí)不然,因?yàn)槁晧菏橇Φ母拍?而力只會平衡(P0+Pr=Pt)不會守恒.但從聲強(qiáng)方面看,R+T=0.125+0.875=1說明能量守恒

第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第62頁/共111頁例如超聲波垂直入射到鋼/水界面，即從鋼入射到水.如圖1.28第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第63頁/共111頁以上計(jì)算表明,超聲波垂直入射到鋼/水界面時,其聲壓反射率r=0.935高,聲壓透射率t=0.065很低。聲強(qiáng)反射率和透射率與水/鋼界面相同，即兩種介質(zhì)的界面對于聲強(qiáng)來說，其反射率與透射率不變，與從哪種介質(zhì)入射無關(guān)。第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第64頁/共111頁聲壓反射率，從聲阻抗大的介質(zhì)中入射到聲阻抗小的介質(zhì)中時，反射率高，透射率低；從聲阻抗小的介質(zhì)中入射到聲阻抗大的介質(zhì)中時，反射率高，透射率更高；第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第65頁/共111頁以上計(jì)算表明,當(dāng)入射波介質(zhì)的聲阻抗遠(yuǎn)大于透射波介質(zhì)的聲阻抗時，聲壓反射率趨近于-1，透射率趨近于0，即聲壓幾乎全反射，無透射，只是反射聲壓與入射聲壓相位相反。超聲波探傷中，如果探頭與工件之間不施加耦合劑，則形成固/氣界面，超聲波將無法進(jìn)入工件。第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第66頁/共111頁4)當(dāng)Z1≈Z2時，即界面兩側(cè)的聲阻抗近似相等時，這說明超聲波垂直入射到兩種介質(zhì)聲阻抗相差很小的介質(zhì)時，幾乎全透射，不反射。因此在焊縫探傷中，若母材與填充金屬結(jié)合面沒有任何缺陷，是不會產(chǎn)生界面回波的。如：復(fù)合鋼板復(fù)合層檢測，當(dāng)復(fù)層與基層復(fù)合良好時，沒有反射波，當(dāng)復(fù)層與基層復(fù)合不好時（中間有空氣），反射波強(qiáng)烈。第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第67頁/共111頁以上討論的超聲波縱波垂直入射到單一平界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射率和透射率公式同樣適用于橫波入射的情況。但必須注意的是在固/液或固/氣界面上，橫波全反射。因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。

二、簿層界面的反射率與透射率

第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)常用物質(zhì)界面的縱波聲壓反射率見表1.6(P25)第68頁/共111頁異質(zhì)薄層很薄，進(jìn)入薄層內(nèi)的超聲波會在異質(zhì)薄層內(nèi)進(jìn)行多次反射與透射，形成一系列的反射波和透射波，如圖1.29第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)當(dāng)超聲波的脈沖寬度相對于薄層較窄時,薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波互不干涉當(dāng)脈沖寬度較薄層厚度較寬時，薄層兩側(cè)的各次反射與透射就會互相疊加產(chǎn)生干涉超聲波通過薄層的反射與透射是一個很復(fù)雜的過程。第69頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)圖1.30與圖1.31.圖表明空氣和水在鋼和鋁中的聲壓的反射率與透射率.第70頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)鋼和鋁中氣隙、水隙聲壓透射率鋼和鋁中氣隙、水隙聲壓反射率第71頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)2、薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面（Z1≠Z2≠Z3）即非均勻介質(zhì)中的薄層。這一點(diǎn)對于設(shè)計(jì)超聲波探頭保護(hù)膜具有重要指導(dǎo)意義。第72頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)三、聲壓往復(fù)透射率探頭發(fā)射的聲波進(jìn)入工件，聲波到達(dá)底面時全反射后再次通過同一界面被探頭接收。如圖1.32。

超聲波單探頭探傷時，探頭即作發(fā)射又作接收，即先發(fā)射脈沖，之后等待接收返回的脈沖。第73頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)同理,水浸法探傷時,鋼水界面的往復(fù)透射率為12.5%.往復(fù)透射率的高低直接影響探傷靈敏度的高低.往復(fù)透射率高則靈敏度高,反之則低.聲壓往復(fù)透射率與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān),與從何種介質(zhì)入射到界面無關(guān).界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗相差越小,聲壓往復(fù)透射率就越高,反之則低.重點(diǎn)：界面條件、反射率和透射率的計(jì)算、特殊薄層厚度界面的反射率和透射率、聲壓往復(fù)透射率計(jì)算返回第74頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)

第八節(jié)超聲波傾斜入射到界面時的反射與折射一、波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會產(chǎn)生不同類型的反射波和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。1、縱波斜入射當(dāng)縱波傾斜入射到固/固界面時，除產(chǎn)生反射縱波和折射縱波外，還會產(chǎn)生反射橫波和折射橫波。如圖1.33所示。第75頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)各種反射波和折射波方向符合反射、折射定律聲速大，則角度大，聲速小，則角度小。在同一介質(zhì)中，縱波聲速大于橫波聲速，因此縱波角度大于橫波角度。第76頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)1）第一臨界角概念：當(dāng)入射縱波在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的折射縱波，其折射角達(dá)到90°時，即折射縱波全反射時，入射縱波的入射角，稱為第一臨界角。

超聲波橫波探傷時，縱波入射角大于第一臨界角。工件內(nèi)只有橫波沒有縱波，折射縱波全反射。產(chǎn)生條件：第一介質(zhì)中的縱波聲速小于第二介質(zhì)中的縱波聲速。第77頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)概念：當(dāng)入射縱波在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的折射橫波，其折射角達(dá)到90°時，即折射橫波全反射時，入射縱波的入射角，稱為第二臨界角。2）第二臨界角超聲波表面波探傷時，縱波入射角大于第二臨界角。工件只有表面波沒有縱波和橫波，折射縱波和折射橫波全反射。產(chǎn)生條件：第一介質(zhì)中的縱波聲速小于第二介質(zhì)中的橫波聲速。第78頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)當(dāng)縱波入射角大于第一臨界角小于第二臨界角時，工件內(nèi)只有橫波沒有縱波當(dāng)縱波入射角小于第一臨界角時，工件既有縱波又有橫波當(dāng)縱波入射角大于第二臨界角時，工件內(nèi)即沒有縱波也沒有橫波，只有表面波；由此可見,有機(jī)玻璃橫波探頭,αL=27.6°——57.7°之間，有機(jī)玻璃表面波探頭αL≥57.7°第79頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)在固體介質(zhì)中，入射橫波會產(chǎn)生反射縱波和反射橫波，由于縱波聲速大于橫波聲速，當(dāng)入射橫波的入射角達(dá)到一定值時，反射縱波的反射角達(dá)到90°，此時工件內(nèi)只有反射橫波，沒有反射縱波，橫波全反射，此時的橫波入射角稱為第三臨界角αⅢ。2、橫波入射橫波入射同樣符合反射、折射定律。第三臨界角第80頁/共111頁第一個波為根部焊瘤反射波；第二個波為焊縫表面反射縱波；第三個波為焊縫表面反射橫波；

這種情況在用橫波探測異型工件時，會發(fā)生αS＜33.2°的情況，此時工件內(nèi)即有反射縱波又有反射橫波，會引起誤判。如焊縫探傷時有時會產(chǎn)生山形回波就是這個原因。第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第81頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)現(xiàn)只介紹由理論計(jì)算結(jié)果繪制的曲線圖。二、聲壓反射率由于超聲波傾斜入射，其聲壓反射率不僅與介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)而且還與入射角有關(guān)，是一個復(fù)雜的計(jì)算過程，這里不再討論。本節(jié)討論下列兩種情況（1）縱波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射（2）橫波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射第82頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)1、縱波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射見圖1.35縱波入射到鋼/空氣界面時,縱波聲壓反射率與橫波聲壓反射率隨入射角而變化,當(dāng)入射角等于60度左右時,縱波反射率很低,橫波反射率很高.原因是縱波入射角等于60度左右時,產(chǎn)生一個較強(qiáng)的變型反射橫波.第83頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)2、橫波傾斜入射到鋼/空氣界面反射見圖1.36

橫波傾斜入射到鋼/空氣界面,橫波反射率與縱波反射率隨入射角而變化.當(dāng)入射角在30度左右時,橫波反射率很低,縱波反射率很高.當(dāng)橫波入射角大于33.2度時,橫波全反射,即鋼中只有橫波沒有縱波.第84頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)超聲波探傷常采用反射法.超聲波往復(fù)透過同一探測面,因此聲壓往復(fù)透過率更具有實(shí)際意義.三、聲壓往復(fù)透射率第85頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)圖1.38為縱波傾斜入射至水/鋼界面時的聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系曲線.當(dāng)縱波入射角小于14.5度時,折射縱波的往復(fù)透射率不超過13%,折射橫波的往復(fù)透射率不超過6%;第86頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)當(dāng)入射角在14.5——27.27度時,鋼中只有橫波沒有縱波,橫波往復(fù)透射率最高不到20%.實(shí)際探傷中,水浸探傷就屬于這種情況.當(dāng)入射角在27.——57.7度時,鋼中只橫波沒有縱波,橫波往復(fù)透射率最高不到30%,這時對應(yīng)的縱波入射角為30度,橫波折射角為37度.圖1.39為縱波傾斜入射至有機(jī)玻璃/鋼界面時的聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系曲線.當(dāng)縱波入射角小于27.6度時,折射縱波的往復(fù)透射率不超過25%,折射橫波的往復(fù)透射率不超過10%;實(shí)際探傷中,有機(jī)玻璃探頭探測鋼材就屬于這種情況.第87頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)回波聲壓與入射波聲壓之比稱為端角反射率,用T端表示.四、端角反射概念：超聲波在兩個平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射,叫端角反射,如圖1.40在端角反射中超聲波經(jīng)歷了兩次反射,當(dāng)不考慮波型轉(zhuǎn)換時,二次反射波與入射波平行,且α+β=90°第88頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)圖1.41為鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率.圖1.41a中可知,縱波入射時,端角反射率都很低,這是因?yàn)榭v波在端角的兩次反射分離出較強(qiáng)的橫波.第89頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)圖1.41b中可知,橫波入射時,在αs=30°或αs=60°附近時,端角反射率最低.αs=30--55°時,端角反射率達(dá)100%。此時K=tgβs=0.7--1.43實(shí)際工作中橫波探傷根部未焊透或裂紋的情況就屬于這類情況.當(dāng)βs＞56°即K＞1.5時,探傷靈敏度較低,可能引起漏檢.重點(diǎn)：反射和折射定律的應(yīng)用、第一、二、三臨界角的概念、端角反射的概念、液體和氣體中只傳播縱波返回第90頁/共111頁P(yáng)=P1/xP1——聲場中距離單位為1處的聲壓第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第九節(jié)超聲波的聚焦與發(fā)散超聲波指向性好,它與可見光一樣具有聚焦和發(fā)散的特性.一、聲壓距離公式對于平面波,波束不擴(kuò)散,因此聲壓不隨距離而變化.球面波與柱面波其波束隨距離的增加而擴(kuò)散,其擴(kuò)散規(guī)律有所不同.1、球面波聲壓距離公式球面波的波陣面為同心球面,球面波聲場中某處質(zhì)點(diǎn)的振幅與該點(diǎn)至聲源的距離成反比,而聲壓又與振幅成正比,因此球面波的聲壓與距離成反比.第91頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)柱面波的波陣面為同軸柱面，柱面波聲場中某處質(zhì)點(diǎn)的振幅，與該點(diǎn)至波源的距離的平方根成反比。即該點(diǎn)的聲壓與該點(diǎn)至聲源的距離的平方根成反比。2、

柱面波聲壓距離公式第92頁/共111頁反射波還是球面波，反射波源與入射波源相對于平面對稱。如遠(yuǎn)場探傷，大平底的反射。二、球面波在平界面上的反射與折射1、單一的平界面上的反射第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)反射波聲壓第93頁/共111頁第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)2、雙界面的反射球面波在互相平行的雙界面間的多次反射仍符合球面波的變化規(guī)律。前壁各次反射波聲壓比：1:1/2:1/3:……后壁各次反射波聲壓比：1:1/3:1/5:……實(shí)際探傷中，當(dāng)距離較大時，超聲波探頭發(fā)出的波可視為球面波（大于3N，遠(yuǎn)場），示波屏上各次底面反射波的高度之比近似符合：1：1/2：1/3的規(guī)律。第94頁/共111頁

球面波在平面上的折射遵循折射定律。當(dāng)球面波入射到水/鋼界面時，球面波更加發(fā)散,見圖1.44。實(shí)際工作中，水/鋼界面有這種情況。3、單一平界面上的折射第二章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第95頁/共111頁三、平面波在曲界面上的反射與折射凹面聚焦；凸面發(fā)散；焦點(diǎn)為r/2；實(shí)際工作中，氣孔和柱孔就類似這種類型