超聲波探傷物理基礎(chǔ)

1、超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第一章 緒論1.1 超聲檢測的定義和作用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)知識超聲檢測的基礎(chǔ)知識1.3.1 次聲波、聲波和超聲波次聲波、聲波和超聲波1.3.2 超聲檢測工作原理超聲檢測工作原理1.3.3 超聲檢測方法的分類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超聲檢測的適用范圍 前前 言言第二章 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。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

2、量高，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。時會發(fā)生反射、折射、端點(diǎn)衍射及波型轉(zhuǎn)換。A A型脈沖反射法超聲波探傷，就是利用缺陷處反射回來的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)。射回波就越強(qiáng)。目前，較先進(jìn)的超聲波探傷方法有：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)、超聲相控陣檢測技術(shù)、TOFDTOFD檢測技術(shù)檢測技術(shù)超聲相控陣

3、超聲相控陣&TOFD&TOFD技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用.pdf.pdf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，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（距離深度相關(guān)的基準(zhǔn)曲線（距離波幅曲線或距離波幅曲線或距離分分貝曲線），調(diào)整好基準(zhǔn)波后按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行工件探測，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

4、超標(biāo)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：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 A型脈沖反射式超聲波探傷型脈沖反射式超聲波探傷第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ) 本章節(jié)需掌握的內(nèi)容：本章節(jié)需掌握的內(nèi)容：一、振動與波動的概念與區(qū)別一、振動與波動的概念與區(qū)別二、波的類型二、波的類型三、超聲波的傳播速度三、超聲波的傳播速度四、波的疊加、干涉、衍射與惠更斯原理四、波的疊加、干涉、衍射與惠更斯原理五、超聲波聲場的特征值五、超聲波聲場的特征值六、分貝與奈培六、分貝與奈培七、超聲波垂直入射到界面時的反射和透

5、射七、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)散九、超聲波的聚焦與發(fā)散十、超聲波的衰減十、超聲波的衰減第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)1.1.振動的基本概念與特點(diǎn)振動的基本概念與特點(diǎn)2、諧振動的概念與特點(diǎn)、諧振動的概念與特點(diǎn)3、阻尼振動的概念與特點(diǎn)、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、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、機(jī)械波6 6、波長、頻率和波速之間的關(guān)系計算、波長、頻率和波速之間的關(guān)系計算 第一節(jié)第一節(jié) 振動與波動振動與波動本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容第二章 超聲波

6、探傷的物理基礎(chǔ) 第一節(jié)第一節(jié) 振動與波動振動與波動一一 、振動、振動1.1.振動的基本概念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。期性的運(yùn)動，稱為機(jī)械振動。被手撥動的彈簧片被手撥動的彈簧片上下跳動的皮球上下跳動的皮球小鳥飛離后顫動的樹枝小鳥飛離后顫動的樹枝特點(diǎn)：振動是往復(fù)周期性的運(yùn)動，振動的快慢常特點(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。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)周期周期T T振動物體完成一次全振動所用的時間，振動物體完成一次全振動所用的時間，稱為振動周期，

7、用稱為振動周期，用T T表示，單位是：秒（表示，單位是：秒（s s）1Hz=11Hz=1次次/ /秒秒 T=1/fT=1/f頻率頻率f f振動物體在單位時間內(nèi)完成振動的次數(shù)，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，用稱為振動頻率，用f f表示。表示。單位：赫茲單位：赫茲HzHz，1Hz1Hz表示表示1 1秒鐘完成秒鐘完成1 1次全振動。單次全振動。單位還有位還有KHzKHz、MHzMHz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人能聽到的聲音頻率范圍是202020000Hz20000Hz，中音一般在中音

8、一般在100010001500Hz1500Hz。因人而異，每人說話的音頻不一樣，所以能因人而異，每人說話的音頻不一樣，所以能區(qū)分不同人的聲音。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是頻率高低；聲音大小用振幅表示。如果人說話的頻率是如果人說話的頻率是1000Hz1000Hz，即每秒鐘聲帶，即每秒鐘聲帶振動振動10001000次。次。返回第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)2 2諧振動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?；蛘f任何復(fù)雜的

9、振動均可視為多個諧振動的合成?；蛘f任何復(fù)雜的振動均可分解為多個簡單的諧振動。振動均可分解為多個簡單的諧振動。 諧振動動畫演示諧振動動畫演示彈簧振子的振動，單擺與音叉彈簧振子的振動，單擺與音叉的振動等的振動等如：如：（2）諧振物體的振動振幅不變，為自由振動，其頻）諧振物體的振動振幅不變，為自由振動，其頻率為固有頻率率為固有頻率第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)（3 3）諧振動時由于只有彈力或重力做功，符合機(jī)械）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，勢能為大，勢能為0 0，在位移最大時，勢能最大，動能為，在位移

10、最大時，勢能最大，動能為0 0，其總能量保持不變其總能量保持不變諧振動的特點(diǎn)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）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?？偸侵赶蚱胶馕恢?。第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ) 諧振振動方程的推導(dǎo)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。向的諧振動。諧振動方程：諧振動方程：y=Acosy=Acos（t+t+），其中），其中y y時間時間t t時的位移；時的位移；A A振幅（最大位移）振幅（最大位移）圓頻率，即圓頻率，即1 1秒鐘內(nèi)變秒鐘內(nèi)變化的

11、弧度數(shù)，化的弧度數(shù)，=2f=2/T=2f=2/T返回3.3.阻尼振動阻尼振動 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。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。稱為阻尼振動。阻尼振動阻尼振動演示演示如上所述，諧振動是理想條件下的振動如上所述，諧振動是理想條件下的振動, ,即不考慮磨擦和即不考慮磨擦和其它阻力的影響。其它阻力的影響。特點(diǎn)：特點(diǎn)：諧振動是無阻尼振

12、動諧振動是無阻尼振動, ,其振幅與周期不變其振幅與周期不變; ;阻尼振動的振幅不斷減小阻尼振動的振幅不斷減小, ,而周期不變。阻尼振動不符合而周期不變。阻尼振動不符合機(jī)械能守恒定律機(jī)械能守恒定律返回4 4受迫振動受迫振動第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)概念：概念：物體受到周期性外力的作用時產(chǎn)生的振動物體受到周期性外力的作用時產(chǎn)生的振動如：如：汽缸中的活塞的振動，揚(yáng)聲器中的紙盆振動汽缸中的活塞的振動，揚(yáng)聲器中的紙盆振動演示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)頻率與物體的固有頻率相同時，受迫振動的振幅達(dá)

13、到最大值。這種現(xiàn)象稱為到最大值。這種現(xiàn)象稱為共振共振特點(diǎn)：特點(diǎn)：受迫振動是受外力的作用受迫振動是受外力的作用 不符合機(jī)械能守恒定律不符合機(jī)械能守恒定律第二章 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沿很陡的電脈沖例如：例如：超聲波探頭的壓電晶片在發(fā)射超聲波時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)生一方面在高頻電脈沖激勵下產(chǎn)生受迫振動受迫振動，另一方，另一方面在起振后受到晶片背面吸收塊的阻尼作用，因此面在起振后受到晶片背面吸收塊的阻尼作用，因此又是又是阻尼振動阻尼振動，即先是受迫振動后是阻尼振

14、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)生壓電晶片在接收超聲波時同樣產(chǎn)生受迫振動和阻尼受迫振動和阻尼振動振動在設(shè)計探頭時應(yīng)使高頻電脈沖的頻率等于壓力晶片在設(shè)計探頭時應(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)生的固有頻率，從而產(chǎn)生共振共振，這時壓電晶片的電聲，這時壓電晶片的電聲能轉(zhuǎn)換效率最高能轉(zhuǎn)換效率最高返回第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)二、波動二、波動波動分電磁波和機(jī)械波兩大類波動分電磁波和機(jī)械波兩大類機(jī)械波機(jī)械波是機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程。如水是機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程。如水波、聲波、超聲波。波、聲波、超聲波。電磁波電磁波是交變電磁場在空間傳播的過程。如無

15、線電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、波、可見光、紫外線、X X射線、射線、射線等等。射線等等。電磁波和機(jī)械波區(qū)別電磁波和機(jī)械波區(qū)別我們這里只討論機(jī)械波我們這里只討論機(jī)械波演示演示第二章 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)械波的形成機(jī)械波的形成產(chǎn)生機(jī)械波必備的兩個條件：產(chǎn)生機(jī)械波必備的兩個條件： 1)1)產(chǎn)生振動

16、的波源；產(chǎn)生振動的波源； 2)2)能傳播振動的彈性介質(zhì)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)別振動與波動的區(qū)別返回第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)2 2、波長、頻率和波速、波長、頻率和波速波長波長：同一波線上相鄰兩振動相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距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，用離，稱為波長，用表示。單位常用表示。單位常用mmmm或或m m頻率

17、頻率f f：在在1 1秒鐘內(nèi)所振動的次數(shù)，用秒鐘內(nèi)所振動的次數(shù)，用f f表示，單位表示，單位HzHz波速波速C C：波在單位時間內(nèi)所傳傳播的距離，對于超聲波波在單位時間內(nèi)所傳傳播的距離，對于超聲波檢測來講，波速就是聲速，用檢測來講，波速就是聲速，用C C表示，單位：表示，單位：m/sm/s或或Km/SKm/S第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)三者之間的關(guān)系是：三者之間的關(guān)系是： C=fC=f， = C/f= C/f， f = C/f = C/聲速越大，波長越長，頻率越高波長越短。波長是超聲聲速越大，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)較小的缺陷波檢測的重要參數(shù)，波長

18、短可以發(fā)現(xiàn)較小的缺陷3 3、波動方程、波動方程 y=Acos(t-x/c)= Acos(t-Kx)y=Acos(t-x/c)= Acos(t-Kx)返回第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)三、次聲波、聲波和超聲波三、次聲波、聲波和超聲波 1 1、次聲波、聲波和超聲波的劃分、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，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，頻率范圍在人耳能聽到的聲音叫聲波，頻率范圍在202020000Hz20000Hz之間。之間。低于

19、低于20Hz20Hz的聲波人耳聽不到，叫次聲波的聲波人耳聽不到，叫次聲波高于高于20000Hz20000Hz人耳也聽不到，叫超聲波人耳也聽不到，叫超聲波2 2、超聲波的應(yīng)用、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目前探傷用的超聲波頻率一般在0.5-10MHz0.5-10MHz范圍。對于范圍。對于金屬材料檢測，常用的頻率為金屬材料檢測，常用的頻率為1-5MHz1-5MHz超聲波的特點(diǎn)：超聲波的特點(diǎn)：1)1)指向性好指向性好 2)2)波長很短、能量高波長很短、能量高 3)3)能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換 4)4)穿透力強(qiáng)穿透力強(qiáng)

20、超聲波除應(yīng)用在無損檢測外，還應(yīng)用在醫(yī)療診斷、治超聲波除應(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。療、工業(yè)清洗、焊接、加工等等。3 3、次聲波的應(yīng)用、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)用聲波在氣象、海洋、地震、和地質(zhì)勘探等方面得到應(yīng)用第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)總結(jié)總結(jié)本節(jié)重點(diǎn)本節(jié)重點(diǎn)1.1.振動的基本概念與特點(diǎn)振動的基本概念與特點(diǎn)2、諧振動的概念與特點(diǎn)、諧振動的概念與特點(diǎn)3、阻尼振動的概念與特點(diǎn)、阻尼振動的概念與特點(diǎn)4、受迫振動的概念與特點(diǎn)，

21、共振的概念與應(yīng)用、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、機(jī)械波的形成6 6、產(chǎn)生機(jī)械波必備的兩個條件、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、振動與波動的區(qū)別與聯(lián)系8 8、波長、頻率和波速之間的關(guān)系計算、波長、頻率和波速之間的關(guān)系計算返回返回 機(jī)械波的分類方法：機(jī)械波的分類方法：有三類有三類第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ) 一、按質(zhì)點(diǎn)的振動方向一、按質(zhì)點(diǎn)的振動方向 二、按波陣面二、按波陣面 三、按脈沖持續(xù)時間分類三、按脈沖持續(xù)時間分類1 1、縱波、縱波L L2 2、橫波、橫波S S3 3、表面波、表面波R R4 4、板波、板波1 1、平面波、平面波2 2、柱面波、柱面

22、波3 3、球面波、球面波1 1、連續(xù)波、連續(xù)波2 2、脈沖波、脈沖波 第二節(jié)第二節(jié) 波的類型波的類型第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)一、按質(zhì)點(diǎn)的振動方向分類一、按質(zhì)點(diǎn)的振動方向分類傳聲介質(zhì)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。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；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。積變化，因此液體和氣體也可以傳播縱波。概念：概念：質(zhì)點(diǎn)的振動方

23、向與傳播方向平行的波稱為縱波，質(zhì)點(diǎn)的振動方向與傳播方向平行的波稱為縱波，用用L L表示；又稱壓縮波或疏密波。表示；又稱壓縮波或疏密波。1 1、縱波、縱波L L返回第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)2 2、橫波、橫波S S 傳聲介質(zhì)：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。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。而形成橫波。故又稱切變波。概念：概念：質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向垂

24、直的波，稱質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向垂直的波，稱為橫波，用為橫波，用S S表示表示縱波橫波特點(diǎn)演示縱波橫波波形演示返回3 3、表面波、表面波R R 第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)特點(diǎn)：特點(diǎn)：表面波在固體表面?zhèn)鞑ィ淠芰侩S傳播深度的增表面波在固體表面?zhèn)鞑ィ淠芰侩S傳播深度的增加而迅速減弱。當(dāng)傳播深度超過加而迅速減弱。當(dāng)傳播深度超過2 2倍波長時質(zhì)點(diǎn)的振幅就倍波長時質(zhì)點(diǎn)的振幅就很小了。因此表面波只能發(fā)現(xiàn)距工件表面很小了。因此表面波只能發(fā)現(xiàn)距工件表面2 2倍波長以內(nèi)的倍波長以內(nèi)的缺陷。缺陷。 傳聲介質(zhì)：傳聲介質(zhì)：表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?，不能在液體和表面波只能在固體表面?zhèn)鞑ィ荒茉谝后w和氣體表面?zhèn)鞑?/p>

25、。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)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。點(diǎn)呈橢圓運(yùn)動。概念：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，用面?zhèn)鞑サ牟ǎQ為表面波，用R R表示；表面波是由瑞利提表示；表面波是由瑞利提出來的，因此又稱瑞利波。出來的，因此又稱瑞利波。4 4、板波、板波第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)小結(jié)：小結(jié)：以上以上4 4種波除縱波外其它波只能在固體中傳播，縱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。波可以在固體、液體、氣體中傳播。根

26、據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動方向又分為根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動方向又分為SHSH波和蘭姆波。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在表面上下振動的波稱為蘭姆波，在表面橫向振動的波為為SHSH波波概念：概念：在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟?，稱為板波在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟?，稱為板波返回第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)二二 按波陣面分類按波陣面分類波陣面：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。稱為波陣面。波源：波源：剛性平面波源，尺寸遠(yuǎn)大于波長；剛性平面波源，尺寸遠(yuǎn)大于波長；波陣面：波陣面：平面；平面；特征：特征：波束不擴(kuò)散，振幅為常

27、數(shù)。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。按波陣面的形狀不同分為：平面波、柱面波、球面波。 1 1、平面波、平面波波源：波源：線狀波源，尺寸遠(yuǎn)大于波長；線狀波源，尺寸遠(yuǎn)大于波長；波陣面：波陣面：柱面；柱面；特征：特征：波束向四周擴(kuò)散，振幅與距離平方根成反比。波束向四周擴(kuò)散，振幅與距離平方根成反比。波源：波源：點(diǎn)波源，尺寸遠(yuǎn)小于波長；點(diǎn)波源，尺寸遠(yuǎn)小于波長；波陣面：波陣面：球面；球面；特征：特征：波束向四面八方擴(kuò)散，振幅波束向四面八方擴(kuò)散，振幅與距離成反比與距離成反比。超聲波探傷的波源近似活塞振動，在各向同性的介質(zhì)超聲波探傷的波源近似活塞振動，在各向同性的介質(zhì)中

28、的波叫活塞波，當(dāng)離源的距離足夠大時，活塞波類中的波叫活塞波，當(dāng)離源的距離足夠大時，活塞波類似球面波。似球面波。第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)2 2、柱面波、柱面波3 3、球面波、球面波返回連續(xù)波連續(xù)波：波源持續(xù)不斷的振動，穿透法常采用連續(xù)波：波源持續(xù)不斷的振動，穿透法常采用連續(xù)波脈沖波脈沖波：短時間的脈沖波，持續(xù)時間很短。微秒級。：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)時間分三、按振動的持續(xù)時間分例：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)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)第三節(jié)第三節(jié) 超聲波的傳播速度超聲波的

29、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)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，聲速也不一樣一樣一一 、 固體介質(zhì)中縱波、橫波與表面波聲速固體介質(zhì)中縱波、橫波與表面波聲速1 1、無限大固體介質(zhì)中縱波、橫波與表面波聲速、無限大固體介質(zhì)中縱波、橫波與表面波聲速對于鋼材有：CL1.8CS ；CR0.9C

30、S ；從上述公式可知從上述公式可知: :1)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)固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量有關(guān), ,不同的介不同的介質(zhì)聲速不同質(zhì)聲速不同; ;介質(zhì)的彈性模量越大，密度越小，則聲速越大介質(zhì)的彈性模量越大，密度越小，則聲速越大2)2)聲速與波的類型有關(guān)，在同一固體介質(zhì)中，縱波、橫波、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：表面波的聲速各不相同，其相互之間的關(guān)系如下： CLCLCSCSCRCR2 2、細(xì)長棒中（、細(xì)長棒中（d d ）縱波聲速）縱波聲速CLb CLb 與無限大介質(zhì)中與無限大介質(zhì)中縱波聲速不同縱波

31、聲速不同第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)縱波縱波1.101.10橫波橫波1.111.11表面波表面波1.121.12材料種類材料種類C CL LC CS S鋼鋼5880-59505880-595032303230銅銅4700470022602260鋁鋁6260626030803080有機(jī)玻璃有機(jī)玻璃2730273014601460水水15001500空氣空氣3443443 3、常見介質(zhì)中的聲速、常見介質(zhì)中的聲速 m/s m/s 4 4、聲速與溫度的關(guān)系、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。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)由上式可知，液體的彈性模量越大

32、、密度越小，則聲速越大由上式可知，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、板波聲速二、板波聲速三、液體、氣體介質(zhì)中的縱波聲速三、液體、氣體介質(zhì)中的縱波聲速B B液體、氣體介質(zhì)的容變彈性模量；液體、氣體介質(zhì)的容變彈性模量；液體、氣體的密度；液體、氣體的密度；概念：板波是在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑ィ宀ǜ拍睿喊宀ㄊ窃诎搴衽c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液體和氣體中不能傳播橫波溫度對液體聲速的影響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，綜上所述，固體和液體介質(zhì)在

33、溫度升高時，聲速都下降，唯有水例外，水在唯有水例外，水在7474時聲速有極大值。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，在外，溫度升高時聲速增大，在7474時聲速達(dá)到最大，之時聲速達(dá)到最大，之后又有所下降。后又有所下降。第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)四、聲速的測量四、聲速的測量1 1、探傷儀測量法、探傷儀測量法用超聲波探傷儀測量是最簡單的方法。用超聲波探傷儀測量是最簡單的方法。原理是脈沖反射法原理是脈沖反射法聲速比較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；用已知厚度和聲速的工件，

34、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)則有：則有： t1=2d1/C1t1=2d1/C1 t2=2d2/C2 t2=2d2/C2上述兩式中，上述兩式中，t1t1為儀器時基線上底波的位置（格數(shù)），為儀器時基線上底波的位置（格數(shù)），d1d1和和C1C1為已為已知工件的厚度和聲速；知工件的厚度和聲速；t2t2為被測工件的底波在時基線上的位置（格數(shù)），此為被測工件的底波在時基線上的位置（格數(shù)），此值通過與值通過與t1t1比較而得出；比較而得出； d2d2為被測工件的厚度，為被測工件的厚度

35、，C2C2是未知數(shù)。是未知數(shù)。 第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)例例第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)如：使用如：使用CSK-IACSK-IA試塊和直探頭，調(diào)節(jié)器時基線，根據(jù)測量試塊和直探頭，調(diào)節(jié)器時基線，根據(jù)測量厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，將厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，將25mm25mm的一次底波調(diào)到的一次底波調(diào)到2.52.5格格, ,將二次波調(diào)將二次波調(diào)到到5 5格格, ,三次波調(diào)到三次波調(diào)到7.57.5格格, ,此時每格所代表的時間是此時每格所代表的時間是: :當(dāng)測量厚度為當(dāng)測量厚度為60mm60mm的另一工件的另一工件, ,一次底波在一次底波在5 5格處出現(xiàn)時格處出現(xiàn)時, ,則該工件的縱波聲速為則該工件的縱波聲速為: :這

36、種方法不是很精確這種方法不是很精確. .可能有幾可能有幾-幾十米的誤差幾十米的誤差. . 其準(zhǔn)確其準(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。差影響。用水作測量基準(zhǔn)原理相同用水作測量基準(zhǔn)原理相同. .另外一種解題方法另外一種解題方法解：解：t1t22d1/C12d2/C2d1/C1d2/C2第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)用用A A型脈沖反射式超聲波探傷儀測試兩種工件時，型脈沖反射式超聲波探傷儀測試兩種工件時，t1t1、t2t2分別表示一次底波的格數(shù)或水平距離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，用測厚儀測試兩種

37、工件時，t1t1、 t2t2分別表示儀器的讀數(shù)分別表示儀器的讀數(shù)2 2、測厚儀測量法、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原理與超聲波探傷儀法相同。現(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。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)試件厚度為由駐波理論可知，當(dāng)試件厚度為/2/2的整數(shù)倍時，入射波的整數(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)共振原理得聲速計算公式為：速計算公式為： C=2fnd/nC=2fnd/n實(shí)際工作中均為脈沖反射式。實(shí)際工作中均為脈沖反射式。常用測厚儀有共振

38、法和脈沖反射法兩種。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 1）共振法）共振法2 2）脈沖反射法）脈沖反射法3 3、示波器測量法、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，通過公式可直接計算出聲速。過公式可直接計算出聲速。 C=2d/tC=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、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、聲速的測量方法聲速的測量方法返回第四節(jié)第四節(jié) 波的疊加、干涉、衍射與惠更斯原理波的疊加、干涉、衍射與惠更斯原理 一、波的疊加與干涉一、波的疊加與干涉

39、 1 1、波的迭加原理、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)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

40、性原理。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22 2、波的干涉、波的干涉1)1)當(dāng)當(dāng)=n(n=n(n為整數(shù)為整數(shù)) ) 時，時，A=A1+A2A=A1+A2，合振幅最大；，合振幅最大； 2)2)當(dāng)當(dāng)=(2n+1)/2(n=(2n+1)/2(n為整數(shù)為整數(shù)) ) 時，時，A=A1-A2A=A1-A2的絕對值，的絕對值，合振幅最小，當(dāng)合振幅最小，當(dāng)A1=A2A1=A2時，則時，則A=0A=0，完全抵消。，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值和極小值波的迭加原理是以波的干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ)。波的迭加

41、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，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。波互稱相干波。第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)二、駐波二、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。從鋼入射到水時在鋼水界面上就產(chǎn)生波腹

42、。 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)；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。腹。兩列振幅相同的相干波（頻率相同）在同一直線上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。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。駐波又稱節(jié)波，在波節(jié)位置，振幅恒為零。駐波演示三、惠更斯原理和波的衍射三、惠更斯原理和波的衍射 1 1、惠更斯原理、惠更斯原理2 2、波的繞射、波的繞射 第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)

43、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的問題障礙物越大反射越強(qiáng)，反之則反射越弱。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)，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

44、為波的繞射這種現(xiàn)象稱為波的繞射演示1演示演示23 3、波的衍射、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。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)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超聲波探傷靈敏度約為/2/2，這是一個重要的原因。，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。當(dāng)障礙物與波長之比很大時，波幾乎全反射不繞射。返回第五節(jié)第五節(jié)

45、 超聲場的特征值超聲場的特征值 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。聲場。描述超聲場的特征值主要有聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。 一、聲壓一、聲壓P 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)聲場中某點(diǎn)某一時刻的壓強(qiáng)P P1 1與沒有超聲波存在時的與沒有超聲波存在時的靜態(tài)壓強(qiáng)靜態(tài)壓強(qiáng)P P0 0之差，稱為該點(diǎn)該時刻的聲壓。之差，稱為該點(diǎn)該時刻的聲壓。P=PP=P1 1-P-P0 0 單位：帕斯卡單位：帕斯卡PaPa；PaPa超聲場中超聲場中, ,某點(diǎn)的聲壓幅值與介質(zhì)密度、波速和頻

46、率成正某點(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在示波屏上波高與聲壓成正比. .二、聲阻抗二、聲阻抗Z 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為聲阻抗. .用用Z Z表示表示第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)從上式可見從上式可見, ,在同一聲壓下在同一聲壓下, ,聲阻抗增加（對兩種介質(zhì)而聲阻抗增加（對兩種介質(zhì)而說）說）, ,則質(zhì)點(diǎn)振動速度下降則質(zhì)點(diǎn)振動速度下降, ,因此聲阻抗可以理解為介質(zhì)因此聲阻抗可以理解為介質(zhì)對質(zhì)點(diǎn)振動

47、的阻礙作用對質(zhì)點(diǎn)振動的阻礙作用. .類似電學(xué)中的歐姆定律類似電學(xué)中的歐姆定律R=U /IR=U /I即聲阻抗等于該點(diǎn)的介質(zhì)密度與聲速之積即聲阻抗等于該點(diǎn)的介質(zhì)密度與聲速之積; ; Pm= Pm=c u=Z u Z= Pm /u c u=Z u Z= Pm /u Z=P/u=cu/u=c Z=P/u=cu/u=c 單位單位: :克克/ /厘米厘米2 2秒秒, ,或千克或千克/ /米米2 2秒秒. .聲阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的重要物理量聲阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的重要物理量. .超聲波在超聲波在兩種介質(zhì)界面上的反射與透射直接與聲阻抗相關(guān)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

48、傷的物理基礎(chǔ)常用材料的聲阻抗常用材料的聲阻抗材料的聲阻抗與溫度有關(guān)材料的聲阻抗與溫度有關(guān), ,一般材料的聲阻抗隨溫度的一般材料的聲阻抗隨溫度的升高而降低升高而降低. .這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料溫度增加密度降低、這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料溫度增加密度降低、聲速降低。聲速降低。物物 質(zhì)質(zhì)鋼鋼鋁鋁有機(jī)玻璃有機(jī)玻璃水水聲阻抗聲阻抗Z(106Z(106克、厘米克、厘米2.2.秒秒) ) 4.534.531.691.690.330.330.150.15第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)三、聲強(qiáng)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)，用單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)，用I I表表示示, ,單位單位: :瓦瓦

49、/ /厘米厘米2;2;或焦?fàn)柣蚪範(fàn)? /厘米厘米2.2.秒秒; ;超聲波傳播到介質(zhì)某處時超聲波傳播到介質(zhì)某處時, ,原來靜止不動的質(zhì)點(diǎn)開始振動原來靜止不動的質(zhì)點(diǎn)開始振動, ,因而具有動能因而具有動能, ,同時該處介質(zhì)產(chǎn)生彈性變形同時該處介質(zhì)產(chǎn)生彈性變形, ,因而具有彈因而具有彈性勢能性勢能, ,其總能量為二者之和其總能量為二者之和由以上公式可知由以上公式可知: :1)1)超聲波的傳播是能量的傳播超聲波的傳播是能量的傳播. .體積元的動能和勢能同體積元的動能和勢能同時最大，同時為時最大，同時為0 0，與單獨(dú)的諧振系統(tǒng)不同。，與單獨(dú)的諧振系統(tǒng)不同。2)2)超聲波的聲強(qiáng)與頻率的平方成正比超聲波的聲強(qiáng)

50、與頻率的平方成正比; ;3)3)超聲波的聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比超聲波的聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比. .第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)本節(jié)重點(diǎn)：本節(jié)重點(diǎn)：聲壓、聲阻抗、聲強(qiáng)的物體意義聲壓、聲阻抗、聲強(qiáng)的物體意義聲壓與聲強(qiáng)的區(qū)別聲壓與聲強(qiáng)的區(qū)別返回第六節(jié)第六節(jié) 分貝與奈培分貝與奈培第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)分貝與奈培的概念分貝與奈培的概念在科學(xué)生產(chǎn)過程中在科學(xué)生產(chǎn)過程中, ,兩個數(shù)之比相差很大兩個數(shù)之比相差很大, ,用起來不方便用起來不方便, ,常將其比值取對數(shù)后計算就大大簡便常將其比值取對數(shù)后計算就大大簡便. .尤其是在聲學(xué)和尤其是在聲學(xué)和電學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。分貝與奈培是用來

51、比較兩個數(shù)的大小的分貝與奈培是用來比較兩個數(shù)的大小的. .即將兩個同即將兩個同量綱的數(shù)進(jìn)行比較后取對數(shù)后的單位量綱的數(shù)進(jìn)行比較后取對數(shù)后的單位第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)實(shí)際應(yīng)用貝爾太大，故常取實(shí)際應(yīng)用貝爾太大，故常取1/101/10貝爾即分貝（貝爾即分貝（dBdB）來）來作單位。作單位。 第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)1 1、分貝的應(yīng)用、分貝的應(yīng)用例例1 1：示波屏上波高為：示波屏上波高為80%80%，另一波高為，另一波高為20%20%問前者比后問前者比后者高多少者高多少dBdB？例例2 2示波屏上有三個波示波屏上有三個波A A、B B、C C，A A波比波比B B波高波高3dB3dB，C C

52、波波比比B B波低波低3dB3dB，已知，已知B B波高為波高為50%50%，求，求A A、C C兩波各為多高？兩波各為多高？第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)也可以直接從也可以直接從H HA A與與H HC C相差相差6dB6dB得到得到H HC C=35.3=35.3分貝數(shù)可以直接從儀器衰減器中讀出分貝數(shù)可以直接從儀器衰減器中讀出. .衰減系數(shù)的測衰減系數(shù)的測定要用到分貝。定要用到分貝。重點(diǎn)：分貝的計算重點(diǎn)：分貝的計算返回第七節(jié)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界面時的反射與透射 超聲波垂直入射到異質(zhì)界面時超聲波垂直入射到異質(zhì)界面時, ,會發(fā)生反射和透射。會發(fā)生反射和透射

53、。并遵循一定規(guī)律。并遵循一定規(guī)律。一、單一界面的反射率與透射率一、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)第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)解上述方程組得解上述方程組得第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)由以上幾式可以得出：由以上幾式可以得出：T+R=1 1+r=tT+R=1 1+r=t以上各式說明超聲波垂直入射到平界面上時，聲壓或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)。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)下面討論幾種常見界面上聲壓、聲強(qiáng)反射與透射情況。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

54、聲波垂直例如：超聲波垂直入射到水入射到水/ /鋼界面，鋼界面，即從水入射到鋼即從水入射到鋼. . 如圖如圖1.271.27 第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)以上計算表明以上計算表明, ,超聲波垂直入射到水超聲波垂直入射到水/ /鋼界面時鋼界面時, ,其聲壓其聲壓反射率反射率r=0.935,r=0.935,聲壓透射率聲壓透射率t=1.935.t=1.935.粗略地看粗略地看,t,t1 1似似乎違返能量守恒乎違返能量守恒, ,其實(shí)不然其實(shí)不然, ,因?yàn)槁晧菏橇Φ母拍钜驗(yàn)槁晧菏橇Φ母拍? ,而力而力只會平衡只會平衡(P0+Pr=Pt)(P0+Pr=Pt)不會守恒不會守恒. .但從聲強(qiáng)方面看但從聲強(qiáng)方面看

55、,R+T=0.125+0.875=1 ,R+T=0.125+0.875=1 說明能量守恒說明能量守恒 第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)例如超聲波垂直例如超聲波垂直入射到鋼入射到鋼/ /水界面，水界面，即從鋼入射到水即從鋼入射到水. . 如圖如圖1.28 1.28 第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)以上計算表明以上計算表明, ,超聲波垂直入射到鋼超聲波垂直入射到鋼/ /水界面時水界面時, ,其聲壓反其聲壓反射率射率r=0.935r=0.935高高, ,聲壓透射率聲壓透射率t=0.065t=0.065很低。聲強(qiáng)反射率和很低。聲強(qiáng)反射率和透射率與水透射率與水/ /鋼界面相同，即兩種介質(zhì)的界面對于聲強(qiáng)來鋼界面相

56、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)。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)聲壓反射率，從聲阻抗大的介質(zhì)中入射到聲阻抗小的介聲壓反射率，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；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)以上計算表明以上計算表明, ,當(dāng)入射波介質(zhì)的聲阻抗遠(yuǎn)大于透射波介當(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，聲壓反射率趨近于質(zhì)的

57、聲阻抗時，聲壓反射率趨近于-1-1，透射率趨近于，透射率趨近于0 0，即聲壓幾乎全反射，無透射，只是反射聲壓與入射聲即聲壓幾乎全反射，無透射，只是反射聲壓與入射聲壓相位相反。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，則形成固形成固/ /氣界面，超聲波將無法進(jìn)入工件。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)4)4)當(dāng)當(dāng)Z1Z2Z1Z2時，即界面兩側(cè)的聲阻抗近似相等時，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)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，

58、不反射。因此在焊縫探傷中，若母材與時，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。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。射波強(qiáng)烈。第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)以上討論的超聲波縱波垂直入射到單一平界面上的聲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壓、聲強(qiáng)反射率和透射率公式同樣

59、適用于橫波入射的情況。但必須注意的是在固情況。但必須注意的是在固/ /液或固液或固/ /氣界面上，橫波氣界面上，橫波全反射。因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。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常用物質(zhì)界面的縱波聲壓反射率見表1.6(P25)1.6(P25)異質(zhì)薄層很薄，進(jìn)入薄層內(nèi)的異質(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，形成一系列的次反射與透射，形成一系列的反射波和透射波，如圖反射波和透射波，如圖1.29 1.29 第二

60、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當(dāng)超聲波的脈沖寬度相對于薄層較窄時層較窄時, ,薄層兩側(cè)的各次反射薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波互不干涉波、透射波互不干涉當(dāng)脈沖寬度較薄層厚度較寬時，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薄層兩側(cè)的各次反射與透射就會互相疊加產(chǎn)生干涉會互相疊加產(chǎn)生干涉超聲波通過薄層的反射與透射超聲波通過薄層的反射與透射是一個很復(fù)雜的過程。是一個很復(fù)雜的過程。第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)圖圖1.301.30與圖與圖1.31.1.31.圖表明空氣和水在鋼和鋁中的聲壓的圖表明空氣和水在鋼和鋁中的聲壓的反射率與透射率反射率與透射率. .第二章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)鋼和鋁中