超聲波檢測培訓(xùn)材料

超聲檢測第1章概論目錄1.1無損檢測

1.2常規(guī)無損檢測方法1.3超聲檢測概況

1.4超聲檢測術(shù)語1.1無損檢測

（1）定義：一般是指使超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進(jìn)行研究，對試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測和表征，并進(jìn)而對其特定應(yīng)用性進(jìn)行評價(jià)的技術(shù)。在特種設(shè)備行業(yè)，超聲檢測通常指宏觀缺陷檢測和材料厚度測量。（2）作用：質(zhì)量控制、節(jié)約原材料、改進(jìn)工藝、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。超聲檢測的基礎(chǔ)知識(shí)次聲波、聲波和超聲波1、次聲波、聲波和超聲波的區(qū)別：a、聲波：頻率在20～20000Hz之間的機(jī)械波。能引起聽覺。b、次聲波：頻率低于20Hz的機(jī)械波。人是聽不到的。c、超聲波：頻率高于20000Hz的機(jī)械波。人是聽不到的。2、對鋼等金屬材料的檢測，常用的頻率為0.5～10MHz。（使用最多的頻率范圍是1～5MHz）1兆是十的六次（1M=106）

1.2常規(guī)無損檢測方法1、射線檢測RadiographicTesting－RT1）是利用射線透過物體時(shí)產(chǎn)生的吸收和散射現(xiàn)象，檢測材料中因缺陷存在而引起射線強(qiáng)度改變的程度來探測缺陷的無損檢測方法。2）檢測方法有：照相法、熒光屏法、工業(yè)電視法。3）可檢測金屬和非金屬材料。2、超聲檢測UltrasonicTesting－UT1）是通過超聲探頭發(fā)射超聲波，經(jīng)過耦合劑入射到工件中傳播，遇到缺陷時(shí)發(fā)射回來，發(fā)射回波被探頭接收。根據(jù)反射回波在熒屏上的位置和波幅高低判斷缺陷的大小和位置。2）超聲波特點(diǎn)：a、方向性好：頻率很高、波長很短，可以定向發(fā)射b、能量高：因能量（聲強(qiáng)）與頻率平方成正比，因此超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的能量。c、能在界面上產(chǎn)生反射、折射、衍射和波型轉(zhuǎn)換：超聲檢測利用了反射、折射等特點(diǎn)。d、穿透能力強(qiáng)：傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，可達(dá)數(shù)米。3）超聲波的其他用途：a、機(jī)械加工：紅寶石、金剛石、陶瓷、石英、玻璃等硬度特別高的材料。b、焊接：鈦、釷（tu）等難焊金屬。c、化學(xué)工業(yè)：催化、清洗等。d、農(nóng)業(yè)：促進(jìn)種子發(fā)芽。e、醫(yī)學(xué)：診斷、消毒等。超聲檢測主要是基于超聲波在試件中的傳播特性(能量會(huì)損失，反射、折射等)。4）超聲檢測工作原理a）聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進(jìn)入試件（耦合劑）；b）超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；c）改變后的超聲波通過檢測設(shè)備被接收，并可對其進(jìn)行處理和分析；d）根據(jù)接收的超聲波的特征，評估試件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。

3、磁粉檢測MagneticparticleTesting－MT1）是通過鐵磁性材料在磁場中被磁化后，缺陷處產(chǎn)生漏磁場吸附磁粉而形成的磁痕來顯示材料表面缺陷的一種無損檢測方法。2）只能檢測到表面和近表面缺陷。3）只能檢測鐵磁性材料。

4、滲透檢測PenetrantTesting－PT1）是通過彩色（紅色）或熒光滲透劑在毛細(xì)管作用下滲入表面開口缺陷，然后被白色顯像劑吸附而顯示紅色（或在紫外燈照射下顯示黃綠色）缺陷痕跡。2）只能檢測表面開口缺陷。

5、渦流檢測EddycurrentTesting－ET1）是通過電磁感應(yīng)在金屬材料表面附近產(chǎn)生渦電流，如果金屬材料中存在裂紋將改變渦流的大小和方向，分析這些變化可檢出鐵磁性和非鐵磁性導(dǎo)電材料中的缺陷。2）檢測技術(shù)有：穿過式、內(nèi)通過式和點(diǎn)探頭式。3）適用于導(dǎo)電材料。4)只能檢測近表面缺陷。5)還還可用于分選材質(zhì)、測膜層厚度、測工件尺寸以及材料的某些物理性能等。1.3超聲檢測概況1、利用聲響來檢測物體的好壞(拍西瓜、敲瓷碗等檢查開裂)2、利用超聲波來探查水中物體（發(fā)現(xiàn)冰山、潛水艇等）一戰(zhàn)后發(fā)展起來的。3、利用超聲波來對固體內(nèi)部進(jìn)行無損檢測（1）1929年，前蘇聯(lián)Sokolov提出穿透法（靈敏度低）（2）1940年，美國的Firestone提出脈沖反射法（3）20世紀(jì)60年代電子技術(shù)大發(fā)展（脈沖反射法被廣泛應(yīng)用）（4）20世紀(jì)70年代，英國提出衍射時(shí)差法（TOFD1.4超聲檢測術(shù)語1）K值：斜探頭折射角的正切值。K=tanβ。2）當(dāng)量法：在一定的探測條件下，用某種規(guī)則的人工缺陷反射體尺寸來表征被檢件中實(shí)際缺陷相對尺寸的一種定量方法。3）動(dòng)態(tài)范圍：在增益調(diào)節(jié)不變時(shí)，超聲探傷儀熒光屏上能分辨的最大與最小反射面積波高之比，通常以分貝表示。4）分辨力：就聲束軸線而言，超聲設(shè)備能同時(shí)分辨出幾乎有相同聲程和橫向位置的數(shù)個(gè)不連續(xù)性的能力。5）工作頻率：探頭發(fā)生的超聲脈沖頻譜的中心頻率6）脈沖重復(fù)頻率：為了產(chǎn)生超聲波，每秒內(nèi)由脈沖發(fā)生器激勵(lì)探頭晶片的脈沖次數(shù)。7）回波：從反射體上反射回來的超聲信號(hào)，又稱反射波。8）人工缺陷：在探傷過程中，為了調(diào)整或校準(zhǔn)探傷系統(tǒng)的靈敏度等，用各種方法在試塊或被檢件上加工制成的人工傷，如平底孔、橫孔、槽等。9）始波寬度：始脈沖起始點(diǎn)（前沿）和結(jié)束點(diǎn)（后沿）之間的距離。第2章超聲檢測物理基礎(chǔ)目錄2.1機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波2.2機(jī)械波的干涉、衍射以及駐波的形成2.3超聲波的特性及分類2.4超聲波的聲速

2.5超聲場的特征值及其分貝表示

2.6超聲波垂直入射到平面異質(zhì)界面上的效應(yīng)2.7超聲波傾斜入射到平面異質(zhì)界面時(shí)的效應(yīng)2.8超聲波在曲面上的效應(yīng)2.9超聲場2.10超聲波的衰減2.1機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波1、超聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播。超聲檢測中，主要涉及到幾何聲學(xué)（反射、折射定律及波型轉(zhuǎn)換）和物理學(xué)（波的疊加、干涉和衍射等）。2.1.1機(jī)械振動(dòng)（1）物體（或質(zhì)點(diǎn)）在某一平衡位置附近作來回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，就叫做機(jī)械振動(dòng)。例如：a、鐘擺的擺動(dòng)，水上浮標(biāo)的浮動(dòng)。b、擔(dān)物行走時(shí)扁擔(dān)的顫動(dòng)。c、在微風(fēng)中樹梢的搖擺。d、振動(dòng)的音叉、鑼、鼓、琴弦、蒸汽機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)等都是機(jī)械振動(dòng)。（2）振動(dòng)產(chǎn)生的必要條件：a）物體一離開平衡位置就會(huì)受到回復(fù)力的作用；b）阻力要足夠小。（3）振動(dòng)的過程：物體（或質(zhì)點(diǎn)）在受到一定力的作用下，將離開平衡位置，產(chǎn)生一個(gè)位移；該力消失后，在回復(fù)力作用下，它將向平衡位置運(yùn)動(dòng)，并且還要越過平衡位置移動(dòng)到相反方向的最大位移位置，然后再向平衡位置運(yùn)動(dòng)。這樣一個(gè)完整運(yùn)動(dòng)過程稱為一個(gè)“循環(huán)”或叫一次“全振動(dòng)”。（4）振動(dòng)的分類a、周期性振動(dòng)：每經(jīng)過一定時(shí)間后，振動(dòng)體總是回復(fù)到原來的狀態(tài)（或位置）的振動(dòng)。b、非周期性振動(dòng)：不具有上述周期性規(guī)律的振動(dòng)。（5）振動(dòng)是往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可用周期和頻率表示振動(dòng)的快慢，用振幅表示振動(dòng)的強(qiáng)弱。a、振幅A——振動(dòng)物體離開平衡位置的最大距離，叫做振動(dòng)的振幅，用A表示。b、周期T——當(dāng)物體作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)完成一次全振動(dòng)所需要的時(shí)間，稱為振動(dòng)周期，用T表示。常用單位為秒（s）。對于非周期性振動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)已不再是周期性的，但周期這個(gè)物理量仍然可以反映這種運(yùn)動(dòng)的往復(fù)情況。c、頻率f——振動(dòng)物體在單位時(shí)間內(nèi)完成全振動(dòng)的次數(shù)，稱為振動(dòng)頻率，用f表示。常用單位為赫茲（Hz）,1赫茲表示1秒鐘內(nèi)完成1次全振動(dòng)，即1Hz=1次/秒。此外還有千赫（kHz），兆赫（MHz）d、周期和頻率，二者互為倒數(shù)：T=1/f1、諧振動(dòng)：（1）圖2-1所示為彈簧振子的諧振動(dòng)。振子以O(shè)點(diǎn)為中心在水平桿方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。振子由A點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A’點(diǎn)，由A’點(diǎn)再經(jīng)過O點(diǎn)回到A點(diǎn)，且OA等于OA’，此后振子不停地重復(fù)這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)。（2）回復(fù)力：振子在振動(dòng)過程中，所受重力與支持力平衡，振子在離開平衡位置O點(diǎn)后，只受到彈簧的彈力作用，這個(gè)力的方向跟振子離開平衡位置的位移方向相反，總是指向平衡位置，所以稱為回復(fù)力。（3）胡克定律：在彈簧發(fā)生彈性形變時(shí)，彈簧振子的回復(fù)力F與振子偏離平衡位置的位移x大小成正比，且方向總是相反，即：

F=—Kx（從動(dòng)力學(xué)角度描述諧振動(dòng)）這個(gè)關(guān)系在物理學(xué)中叫做胡克定律式中k是彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)。負(fù)號(hào)表示回復(fù)力的方向跟振子離開平衡位置的位移方向相反。（4）諧振動(dòng)：物體在受到跟位移大小成正比，而方向總是指向平衡位置的回復(fù)力作用下的振動(dòng)，叫做諧振動(dòng)。（從動(dòng)力學(xué)角度描述諧振動(dòng)）（5）諧振動(dòng)的振動(dòng)圖像（從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度描述諧振動(dòng)）a、彈簧振子的運(yùn)動(dòng)可以用振動(dòng)圖像直觀地表示出來，如圖2-2所示。以橫軸表示時(shí)間，縱軸表示質(zhì)點(diǎn)位移，則振動(dòng)圖像表示了振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移隨時(shí)間變化的規(guī)律。b、諧振動(dòng)與做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)在Y軸上投影的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)完全一致，如圖2-3所示。以振幅A為半徑作圓，質(zhì)點(diǎn)M沿圓周作勻速運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)M的水平位移y和時(shí)間t的關(guān)系可用下式描述（諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程）：（6）諧振動(dòng)定義：位移隨時(shí)間的變化符合余弦（或正弦）規(guī)律的振動(dòng)。（從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度描述諧振動(dòng)）兩種諧振動(dòng)的定義是一致的，只是定義的角度不同（7）諧振動(dòng)的特點(diǎn)：a、回復(fù)力與位移成正比而方向相反，總是指向平衡位置。b、諧振動(dòng)的振幅、頻率和周期保持不變，其頻率為振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，是最簡單、最基本的一種振動(dòng)，任何復(fù)雜的振動(dòng)都可視為多個(gè)諧振動(dòng)的合成。c、是一種理想化的運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)過程中無阻力，所以振動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械能守恒。在平衡位置時(shí)動(dòng)能最大，勢能為零；在位移最大位置時(shí)，勢能最大，動(dòng)能為零，其總能量保持不變。2、阻尼振動(dòng)：a、諧振動(dòng)是理想條件下的振動(dòng)，即不考慮摩擦和其它阻力的影響。任何實(shí)際物體的振動(dòng)，總要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振動(dòng)物體的能量不斷減少。同時(shí)，由于在振動(dòng)傳播過程中，伴隨著能量的傳播，也使振動(dòng)物體的能量不斷地減少。這種振幅或能量隨時(shí)間不斷減少的振動(dòng)稱為阻尼振動(dòng)。如圖2-4所示。b、超聲檢測換能器設(shè)計(jì)：晶片后粘貼阻尼塊（增大振動(dòng)阻力），是為了使振動(dòng)盡快停止，減小超聲脈沖的寬度。（提高檢測分辨率）3、受迫振動(dòng)a、受迫振動(dòng)：是物體受到周期性變化的外力作用時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。如縫紉機(jī)上縫針的振動(dòng)，汽缸中活塞的振動(dòng)和揚(yáng)聲器中紙膜的振動(dòng)等。b、受迫振動(dòng)剛開始時(shí)情況很復(fù)雜，經(jīng)過一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變?yōu)橹芷谛缘闹C振動(dòng)。其振動(dòng)頻率與策動(dòng)力頻率相同，振幅保持不變。其振動(dòng)方程為：y=Acos（Pt+φ）式中：A——受迫振動(dòng)的振幅；P——策動(dòng)力的圓頻率；

φ——受迫振動(dòng)的粗相位。c、受迫振動(dòng)的振幅與策動(dòng)力的頻率有關(guān)：當(dāng)策動(dòng)力頻率P與受迫振動(dòng)物體固有頻率相同時(shí)，其振幅最大。這種現(xiàn)象稱為共振。d、超聲檢測換能器設(shè)計(jì)：使高頻電脈沖的頻率等于壓電晶片的固有頻率，從而產(chǎn)生共振，這時(shí)壓電晶片的電聲能量轉(zhuǎn)換效率最高。e、超聲探頭中的壓電晶片在發(fā)射超聲波時(shí)：在高頻電脈沖激勵(lì)下產(chǎn)生受迫振動(dòng)；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(dòng)f、壓電晶片在接收超聲波時(shí)，同樣產(chǎn)生受迫振動(dòng)和阻尼振動(dòng)。2.1.2機(jī)械波1、機(jī)械波的產(chǎn)生與傳播（1）振動(dòng)的傳播過程，稱為波動(dòng)。波動(dòng)分為機(jī)械波和電磁波兩大類。機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過程（所以波動(dòng)頻率等于振動(dòng)頻率。但波長不等于振幅）。如水波、聲波等。電磁波是交變電磁場在空間的傳播過程。如可見光、射線等。（2）機(jī)械波的產(chǎn)生與傳播過程：a、如圖2-5所示的固體彈性模型。質(zhì)點(diǎn)間以小彈簧連接在一起，這種質(zhì)點(diǎn)間以彈性力連接在一起的介質(zhì)稱為彈性介質(zhì)。一般固體、液體、氣體都可視為彈性介質(zhì)。圖2-5彈性介質(zhì)模型具有彈性的介質(zhì)叫彈性介質(zhì)。彈性：若某物體在外力作用下產(chǎn)生形變,當(dāng)外力取掉之后,物體能迅速恢復(fù)到受力前的形態(tài)和大小,物體的這種性質(zhì)稱為彈性。

波能在彈性介質(zhì)或非彈性介質(zhì)中產(chǎn)生和傳播。b、當(dāng)外力F作用于質(zhì)點(diǎn)A時(shí)，A就會(huì)離開平衡位置，這時(shí)A周圍的質(zhì)點(diǎn)將對A產(chǎn)生彈性力使A回到平衡位置。當(dāng)A回到平衡位置時(shí)，具有一定的速度，由于慣性A不會(huì)停在平衡位置，而會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，并沿相反方向離開平衡位置，這時(shí)A又會(huì)受到反向彈性力，使A又回到平衡位置，這樣質(zhì)點(diǎn)A在平衡位置來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)。與此同時(shí)，A周圍的質(zhì)點(diǎn)也會(huì)受到大小相等方向相反的彈性力的作用，使它們離開平衡位置，并在各自的平衡位置附近振動(dòng)。這樣彈性介質(zhì)中一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)就會(huì)引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，于是振動(dòng)就以一定的速度由近及遠(yuǎn)地傳播開來，從而就形成了機(jī)械波。c、液體和氣體不能用上述彈性力的模型來描述，其彈性波是在受到壓力時(shí)體積的收縮和膨脹產(chǎn)生的。d、產(chǎn)生機(jī)械波的兩個(gè)基本條件：a）要有作機(jī)械振動(dòng)的波源。b）要有能傳播機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)。e、機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波的關(guān)系：互相關(guān)聯(lián)，振動(dòng)是產(chǎn)生機(jī)械波的根源，機(jī)械波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播。波動(dòng)中介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)并不隨波前進(jìn)，而是按照與波源相同的振動(dòng)頻率在各自的平衡位置上振動(dòng)，并將能量傳遞給周圍的質(zhì)點(diǎn)（不是相鄰兩質(zhì)點(diǎn)的相互碰撞來完成能量傳播）。因此，機(jī)械波的傳播不是物質(zhì)的傳播，而是振動(dòng)狀態(tài)和能量的傳播。超聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)有：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)→振動(dòng)傳播→能量傳播2、機(jī)械波的主要物理量（1）周期T和頻率f：為波動(dòng)經(jīng)過的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的周期和頻率，機(jī)械波的周期和頻率只與振源有關(guān)，與傳播介質(zhì)無關(guān)。波動(dòng)頻率也可定義為波動(dòng)過程中，任一給定點(diǎn)在1秒鐘內(nèi)所通過的完整波的個(gè)數(shù)，與該點(diǎn)振動(dòng)頻率數(shù)值相同，單位為赫茲（Hz）。（2）波長λ：波經(jīng)歷一個(gè)完整周期所傳播的距離，稱為波長，用λ表示。同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離即為波長。波源或介質(zhì)中任意一質(zhì)點(diǎn)完成一次全振動(dòng)，波正好前進(jìn)一個(gè)波長的距離。波長的常用單位為米（m）或毫米（mm）。（3）波速C：波動(dòng)中，波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離稱為波速，用C表示。常用單位為米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。波速、波長和頻率的關(guān)系式：c=λf波長與波速成正比，與頻率成反比。當(dāng)頻率一定時(shí)，波速愈大，波長就愈長；當(dāng)波速一定時(shí)，頻率愈低，波長就愈長。（λL>λs，故橫波靈敏度比縱波高）機(jī)械波的波速取決于彈性介質(zhì)的特性。超聲波在彈性介質(zhì)中的速度是聲能的傳播速度。3、波動(dòng)方程（1）當(dāng)振源作諧振動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的波是最簡單最基本的波（簡諧波）。假設(shè)某一機(jī)械波在理想無吸收的均勻介質(zhì)中沿x軸正向傳播，如圖2-6所示。波速為C，在波線上取O點(diǎn)為原點(diǎn)，設(shè)波經(jīng)過原點(diǎn)時(shí)，原點(diǎn)處振動(dòng)的橫向位移和時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系為：y=Acosωt當(dāng)振動(dòng)從O點(diǎn)傳播到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)開始振動(dòng)，由于振動(dòng)從O點(diǎn)傳播到B點(diǎn)需要時(shí)間x/c秒，因此B點(diǎn)的振動(dòng)滯后于O點(diǎn)x/c秒。即B點(diǎn)在t時(shí)刻的位移等于O點(diǎn)在（t-x/c）時(shí)刻的位移：y=Acosω（t-x/c）=Acos（ωt-Kx）式中：K——波數(shù)，K=ω/c=2π/λ；x——B至O點(diǎn)的距離。上式就是波動(dòng)方程，描述了波動(dòng)過程中波線上任意一點(diǎn)（x）在任意時(shí)刻的位移（y）情況。2.2機(jī)械波的干涉、衍射以及駐波的形成2.2.1波的干涉（1）波的疊加原理當(dāng)幾列波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，如果在空間某處相遇，則相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是各列波引起振動(dòng)的合成，在任意時(shí)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(dòng)方向等特性并按原來的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣，這就是波的疊加原理，又稱波的獨(dú)立性原理。如：人們可以分辨出各種樂器和每個(gè)人的聲音。2、波的干涉（1）兩列頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時(shí)，介質(zhì)中某些地方的振動(dòng)互相加強(qiáng)，而另一些地方的振動(dòng)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)象的波叫相干波，其波源稱為相干波源。（2）波的疊加原理是波的干涉現(xiàn)象的基礎(chǔ)，波的干涉是波動(dòng)的重要特征。在超聲檢測中，由于波的干涉，使超聲波源附近出現(xiàn)聲壓極大極小值。（3）如圖2.7所示，設(shè)有兩個(gè)相干波源S1、S2的振動(dòng)分別為：y1=As1cos（ωt+φ1）y2=As2cos（ωt+φ2）它們發(fā)出的兩列相干波在空間某P點(diǎn)（稱為干涉點(diǎn)）相遇，兩列波在該點(diǎn)引起的振動(dòng)為：y1=As1cos（ωt-r1/λ2π+φ1）y2=As2cos（ωt–r2/λ2π+φ2）圖2.7相干波的疊加質(zhì)點(diǎn)P的合振動(dòng)為：y=y1+y2=Acos（ωt+φ）其合振動(dòng)的振幅：其中：△φ=φ1-φ2=2π(r2-r1)/λA1、A2—S1、S2分別在P點(diǎn)引起的振幅；A—P點(diǎn)的合振幅；λ——波長；δ—波程差，δ=r2-r1。結(jié)論：a、當(dāng)δ=nλ（n為整數(shù)）時(shí)，A=A1+A2。這說明當(dāng)兩相干波的波程差等于波長的整數(shù)倍時(shí)，二者互相加強(qiáng)，合振幅達(dá)最大值。b、當(dāng)δ=（2n+1）λ/2（n為整數(shù)）時(shí)，A=|A1—A2|。這說明當(dāng)兩相干波的波程差等于半波長的奇數(shù)倍時(shí)，二者互相抵消，合振幅達(dá)最小值。若A1=A2，則A=0，即二者完全抵消。2.2.2波的衍射（1）惠更斯原理行進(jìn)中的波陣面上任一點(diǎn)都可看作是新的次波源，而從波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的許多次波所形成的包絡(luò)面，就是原波面在一定時(shí)間內(nèi)所傳播到的新波陣面。如圖2.8所示。根據(jù)惠更斯原理，可以說明波的折射和反射定律等傳播情況，但不能說明衍射現(xiàn)象。（2）波的衍射（繞射）（1）如圖2.9所示，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，若遇到缺陷AB，據(jù)惠更斯－菲涅耳原理，缺陷邊緣A、B可以看作是發(fā)射子波的波源，使波的傳播方向改變，從而使缺陷背后的聲影縮小，反射波降低。波的繞射和障礙物尺寸Df及波長λ的相對大小有關(guān)。當(dāng)Df《λ時(shí)，波的繞射強(qiáng)，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢。超聲檢測靈敏度約為λ/2，這是一個(gè)重要原因。當(dāng)Df》λ時(shí)，反射強(qiáng)，繞射弱，聲波幾乎全反射。（靈敏度受檢測系統(tǒng)、耦合、工件性質(zhì)、不連續(xù)性性質(zhì)、檢測頻率的影響。）當(dāng)Df與λ相當(dāng)時(shí)，將發(fā)生既反射，又繞射。（3）駐波1）兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播時(shí)互相迭加而成的波，稱為駐波。如圖2.10所示。2）如連續(xù)波的反射波和入射波互相迭加（全反射）就會(huì)形成駐波。另外脈沖波在薄層中的反射也會(huì)形成駐波。駐波是波動(dòng)干涉的特例。3）設(shè)入射波和反射波的波動(dòng)方程分別為：y入=Acos2π（vt-x/λ）y反=Acos2π（vt+x/λ）4）則駐波的波動(dòng)方程為：y=y入+y反={2Acos（2πx/λ）}cos（2πvt）式中振幅為：2Acos（2πx/λ）V為頻率。5）駐波的3個(gè)特點(diǎn)a）x值滿足|cos（2x/λ）|=0的那些點(diǎn)，振幅恒為0，這些點(diǎn)始終靜止不動(dòng)，稱為波節(jié)。x值滿足|cos（2x/λ）|=1的那些點(diǎn)，振幅最大為2A，稱為波腹。波線上其余各點(diǎn)的振幅在0~2A之間。b）波線上波節(jié)和波腹的位置是特定的。相鄰兩波節(jié)的間距為λ/2；相鄰兩波腹的間距也為λ/2。所以相鄰波節(jié)與波腹的距離為λ/4。c）只有當(dāng)弦線長度等于半波長λ/2的整數(shù)倍時(shí)，才能形成駐波。這是探頭晶片設(shè)計(jì)依據(jù)，即晶片的厚度一般為λ/2。6）形成駐波時(shí)，在界面處產(chǎn)生波節(jié)還是波腹，與兩種介質(zhì)的疏密程度有關(guān)。當(dāng)波從波疏介質(zhì)垂直入射到波密介質(zhì)，在界面處產(chǎn)生波節(jié)（如垂直入射到水/鋼界面）；反之，則在界面處產(chǎn)生波腹（如垂直入射到鋼/水界面）。（在超聲檢測的應(yīng)用：超聲檢測探頭晶片形成駐波時(shí)振動(dòng)最強(qiáng)）（晶片的頻率常數(shù)為N=ft=c/2。晶片的厚度為t=λ/2。）2.3超聲波的特性及分類2.3.1根據(jù)振動(dòng)模式分類（1）橫波a、介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相垂直的波，稱為橫波，用S或T表示。如圖2.11所示。b、橫波中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力作用并產(chǎn)生切變形變，故橫波又稱為切變波。c、只有固體介質(zhì)才能承受剪切應(yīng)力，液體和氣體介質(zhì)不能承受剪切應(yīng)力，故橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。（應(yīng)用廣泛，適合于檢測與工件表面傾斜的不連續(xù)性）圖2.11橫波示意圖圖2.12縱波示意圖（2）縱波La、介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相平行的波，稱為縱波，用L表示。如圖2.12所示。

b、縱波中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變拉壓應(yīng)力作用并產(chǎn)生伸縮形變，故縱波亦稱為壓縮波。而且，由于縱波中的質(zhì)點(diǎn)疏密相間，故又稱為疏密波。c、凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。固體介質(zhì)能承受拉伸或壓縮應(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伸應(yīng)力，但能承受壓應(yīng)力產(chǎn)生容積變化，因此液體和氣體介質(zhì)也可以傳播縱波。（應(yīng)用最廣泛，適合于檢測與工件表面平行的不連續(xù)性。）（3）表面波Ra、當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，常用R表示，如圖2.13所示。表面波是瑞利1887年首先提出來的，因此表面波又稱瑞利波。b、表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運(yùn)動(dòng)可視為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的合成，即縱波與橫波的合成。因此表面波同橫波一樣只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體或氣體介質(zhì)中傳播。表面波在固體彈性介質(zhì)中傳播的波長最短。在液浸探傷中，表面波會(huì)迅速衰減。介質(zhì)能傳播橫波和表面波的必要條件是介質(zhì)具有切變彈性模量。c、表面波只能在固體表面?zhèn)鞑ァ１砻娌ǖ哪芰侩S傳播深度增加而迅速減弱（距表面一個(gè)波長時(shí)，能量會(huì)降低到原來的1/25）。當(dāng)傳播深度超過兩倍波長時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振幅就已經(jīng)很小了。因此，一般認(rèn)為，表面波檢測只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長（2λ）深度內(nèi)的缺陷。（應(yīng)用較廣泛，適合于檢測工件表面不連續(xù)性。）圖2.13表面波（瑞利波）（4）板波1）在板厚與波長相當(dāng)?shù)牟景逯袀鞑サ牟?，稱為板波。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向不同可將板波分為SH波（應(yīng)用較少）和蘭姆波。（板波的傳播速度隨頻率的不同而改變）a、SH波：SH波是水平偏振的橫波在簿板中傳播的波。簿板中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當(dāng)于固體介質(zhì)表面中的橫波。如圖2.14（下圖）所示。2）蘭姆波：蘭姆波又分為對稱型（S型）和非對稱型（A型），如圖2.15（下圖）所示。（特點(diǎn)：整板振動(dòng)）（應(yīng)用較廣泛，薄板檢測。）a）對稱型（S型）：簿板中心質(zhì)點(diǎn)作縱向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)相位相反并對稱于中心。b）非對稱型（A型）：簿板中心質(zhì)點(diǎn)作橫向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、相位相同，不對稱。圖中：a）對稱型（S型）；b）非對稱型（A型）超聲檢測中常用的波型波的類型質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)特點(diǎn)傳播介質(zhì)應(yīng)用縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行于波傳播方向固、液、氣體鋼板、鍛件檢測等橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于波傳播方向固體、特別粘的薄液層焊縫、鋼管檢測等表面波質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)短軸平行于波傳播方向固體表面，且固體的厚度遠(yuǎn)大于波長鋼管檢測等板波（蘭姆波）對稱型（S型）上下表面：橢圓運(yùn)動(dòng)，中心：縱向振動(dòng)固體介質(zhì)（厚度為幾個(gè)波長的的薄板）薄板、薄壁鋼管等（一般δ<6mm非對稱型（A型）上下表面：橢圓運(yùn)動(dòng)，中心：橫向振動(dòng)2.3.2根據(jù)波形分類a、波的形狀（波形）是指波陣面的形狀。b、波陣面：同一時(shí)刻，介質(zhì)中振動(dòng)相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)所連成的面稱為波陣面。c、波前：某一時(shí)刻，波動(dòng)所到達(dá)的空間各點(diǎn)所連成的面稱為波前。d、波線：波的傳播方向稱為波線。e、波前是最前面的波陣面，是波陣面的特例。任意時(shí)刻，波前只有一個(gè)，而波陣面卻有很多。在各向同性的介質(zhì)中，波線恒垂直于波陣面或波前。據(jù)波陣面形狀不同，可以把不同波源發(fā)出的波分為平面波、柱面波和球面波。1、平面波波陣面為互相平行的平面的波稱為平面波。平面波的波源為一平面。如圖2-12所示。尺寸遠(yuǎn)大于波長的剛性平面波源在各項(xiàng)同性的均勻介質(zhì)中輻射的波可視為平面波。平面波波束不擴(kuò)散，各質(zhì)點(diǎn)振幅是一個(gè)常數(shù)，不隨距離而變化。（特點(diǎn)：理想介質(zhì)中，振幅不衰減）振動(dòng)方程為：y=Acosω（t-x/c）應(yīng)用：直探頭輻射的聲波在晶片附近近似平面波。2、柱面波波陣面為同軸柱面的波稱為柱面波。柱面波的波源為一條線。如圖2-13所示。長度遠(yuǎn)大于波長的線狀波源在各項(xiàng)同性的介質(zhì)中輻射的波可視為柱面波。柱面波波束向四周擴(kuò)散，柱面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離平方根成反比（特點(diǎn)：振幅與距離平方根成反比）。柱面波的波函數(shù)為：3、球面波波陣面為同心球面的波稱為球面波。球面波的波源為一點(diǎn)。如圖2-14所示。尺寸遠(yuǎn)小于波長的店波源在各項(xiàng)同性的介質(zhì)中輻射的波可視為球面波。球面波波束向四面八方擴(kuò)散，球面波各質(zhì)點(diǎn)振幅與距離成反比（特點(diǎn)：振幅與距離成反比）。振動(dòng)方程為：y=A/xcosω（t-x/c）應(yīng)用：超聲換能器輻射聲波在足夠遠(yuǎn)處近似球面波。（所有規(guī)則反射體回波聲壓計(jì)算的前提）4、活塞波實(shí)際超聲檢測換能器輻射的聲波就是活塞波。（特點(diǎn)：既非平面波，也非球面波。近處接近平面波；遠(yuǎn)處接近球面波。）2.3.3根據(jù)振源振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類根據(jù)波源振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間長短，分為連續(xù)波、脈沖波。1、連續(xù)波（產(chǎn)生完全干涉）波源持續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波稱為連續(xù)波，如圖2-15a所示。超聲波穿透法檢測常采用連續(xù)波。a）連續(xù)波b）脈沖波2、脈沖波（產(chǎn)生不完全干涉或不產(chǎn)生干涉）波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短（通常是微秒數(shù)量級(jí)），間歇輻射的波稱為脈沖波。目前超聲檢測中廣泛采用的就是脈沖波。被廣泛采用。（發(fā)射脈沖越短，則頻帶越寬，分辨率越好，靈敏度高）脈沖寬度越窄，峰數(shù)越少，則探頭阻尼效果越好。這樣的探頭分辨力好，但靈敏度略低。a、一個(gè)脈沖波可以分解為多個(gè)不同頻率的諧振波的疊加。將復(fù)雜振動(dòng)分解為諧振動(dòng)的方法，稱為頻譜分析。圖2-16所示為1MHz脈沖波可由三個(gè)具有不同頻率的正弦連續(xù)波合成。圖2-16由0.85、1、1.21MHz的正弦波合成的1MHz脈沖波b、圖2-17所示為頻譜分析結(jié)果的示意圖。我們關(guān)心的頻譜特征量主要有峰值頻率fp、頻帶寬度（-6dB帶寬或-3dB帶寬）和中心頻率fc。峰值頻率fp為幅度峰值所對應(yīng)的頻率值。頻帶寬度=f1-fu（峰值頻率fp下降-6dB或-3dB時(shí)的兩點(diǎn)頻率值f1和fu之間的頻率范圍）。脈沖（時(shí)間）越短，則頻帶越寬。中心頻率fc=（f1+fu）/2<算術(shù)平均值>。2.4超聲波的聲速2.4.1超聲波聲速與什么有關(guān)a、超聲波在介質(zhì)中的傳播速度是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的重要參數(shù)。b、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)（聲速與頻率無關(guān)）。對特定的介質(zhì)，彈性模量和密度為常數(shù)，故聲速也是常數(shù)。不同的介質(zhì)，有不同的聲速。c、聲速與波型有關(guān)。超聲波波型不同時(shí)，介質(zhì)彈性變形型式不同，聲速也不一樣。還與介質(zhì)、溫度、應(yīng)力等有關(guān)。超聲傳播速度不等于質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度2.4.2固體介質(zhì)中的超聲波聲速1、無限大固體介質(zhì)中的聲速無限大固體介質(zhì)是相對于波長而言的，當(dāng)介質(zhì)的尺寸遠(yuǎn)大于波長時(shí)，就可以視為無限大介質(zhì)。（1）在無限大的固體介質(zhì)中，縱波聲速為：（2）在無限大的固體介質(zhì)中，橫波聲速為：

（3）在無限大的固體介質(zhì)中，表面波聲速為：

式中：E——介質(zhì)的楊氏彈性模量；G——介質(zhì)的剪切楊氏彈性模量；

ρ——介質(zhì)的密度；σ——介質(zhì)的泊松比，所有固體介質(zhì)的泊松比都在0～0.5之間。在同一固體材料中，縱、橫波聲速之比，與材料的泊松比有關(guān)。（4）由以上三式可知：a、固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有關(guān)，不同的介質(zhì)，聲速不同；介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。b、聲速還與波的類型有關(guān)，在同一固體介質(zhì)中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并且相互之間有以下關(guān)系：即CL>CS即CS>CR所示：CL>CS>CRc、這表明，在同一種固體材料中，縱波聲速大于橫波聲速，橫波聲速又大于表面波聲速。對于鋼材，σ≈0.28，CL≈1.8CS，CR≈0.9CS，即CL：CS：CR=1.8：1：0.9（是常數(shù)）。2、細(xì)長棒中的縱波聲速：在細(xì)長棒中（棒徑d≤λ）軸向傳播的縱波聲速與無限大介質(zhì)中縱波聲速不同，細(xì)長棒中的縱波聲速為：即使材質(zhì)相同，細(xì)鋼棒與鋼鍛件中的聲速也不相同。a、常用固體的密度、聲速與聲阻抗（見表2-2）3、固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)溫度、應(yīng)力、均勻性有關(guān)。（1）一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低（T↑→c↓）。a、純鐵中的聲速與溫度的關(guān)系如下：T℃）26100200300Cs3229318531543077b、有機(jī)玻璃、聚乙烯中的聲速與溫度的關(guān)系如圖2-24所示（2）固體介質(zhì)的應(yīng)力狀況對聲速有一定的影響：當(dāng)應(yīng)力方向與波的傳播方向一致時(shí)，若應(yīng)力為壓縮應(yīng)力，則應(yīng)力作用會(huì)使工件彈性增加，這時(shí)聲速加快（σ↑→c↑）。反之，若應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，則聲速減慢（σ↑→c↓）。當(dāng)應(yīng)力與波的傳播方向不一致時(shí)，波動(dòng)過程中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡將受應(yīng)力干擾，使波的傳播方向產(chǎn)生偏離。圖2-24高分子物質(zhì)聲速隨溫度的變化（3）固體材料組織均勻性對聲速的影響在鑄鐵中表現(xiàn)較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快，晶粒細(xì)，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。此外，鑄鐵中石墨含量和尺寸對聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。4、蘭姆波聲速（1）蘭姆波分為對稱型（S）和非對稱型（A）兩類。由于蘭姆波傳播時(shí)受到上下界面的影響，因此其聲速與縱波、橫波、表面波不同，它不僅與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，而且與板厚、頻率等有關(guān)。對于特定的板厚和頻率組合，還可有多個(gè)對稱型和非對稱型的振動(dòng)模式，每個(gè)模式具有不同的波速。（特點(diǎn)：頻散波——速度與頻率、板厚有關(guān)）（2）蘭姆波聲速分為相速度和群速度。a、相速度Cp（相位傳播的速度）是振動(dòng)相位傳播的速度，是對單一頻率連續(xù)諧振波定義的傳播速度，b、群速度Cg（包絡(luò)的傳播速度）是指多個(gè)相差不多的頻率的波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)互相合成后的包絡(luò)線的傳播速度。（3）蘭姆波聲速CP與f·d、Cs、Cl有關(guān)。對于確定的介質(zhì)，Cs、Cl為定值，因此Cp僅是f·d的函數(shù)。對于某一個(gè)Cp值對應(yīng)有無數(shù)個(gè)f·d值。a、當(dāng)f·d一定時(shí)，不同類型的蘭姆波相速度Cp不同b、當(dāng)f·d一定時(shí)，不同類型的蘭姆波群速度Cg不同2.4.3液體、氣體介質(zhì)中的超聲波聲速1、液體、氣體中聲速公式（1）由于液體和氣體只能承受壓應(yīng)力，不能承受剪切應(yīng)力，因此液體和氣體介質(zhì)中只能傳播縱波，不能傳播橫波和表面波。液體和氣體中的縱波波速為：式中：B——液體、氣體介質(zhì)的容變彈性模量，表示產(chǎn)生單位容積相對變化量所需壓強(qiáng)。

ρ——液體、氣體介質(zhì)的密度。（2）液體、氣體介質(zhì)中的縱波聲速與其容變彈性模量和密度有關(guān)，介質(zhì)的容變彈性模量愈大、密度愈小，聲速就愈大。2、液體介質(zhì)中的聲速與溫度的關(guān)系（1）幾乎除水以外的所有液體，當(dāng)溫度升高時(shí)，容變彈性模量減小，聲速降低（T↑→c↓）。唯有水例外，溫度在74℃左右時(shí)聲速達(dá)最大值，當(dāng)溫度低于74℃時(shí)，聲速隨溫度升高而增加；當(dāng)溫度高于74℃時(shí)，聲速隨溫度升高而降低。CL=1557-0.0245（74—t）22.5超聲場特征值及其分貝表示a、充滿超聲波的空間或超聲振動(dòng)所波及的部分介質(zhì)，叫超聲場。b、超聲場具有一定的空間大小和形狀，只有當(dāng)缺陷位于超聲場內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。c、描述超聲場的特征值（即物理量）主要有聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。2.5.1聲壓P1、超聲場中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的聲壓P1與沒有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差，稱為該點(diǎn)的聲壓，用P表示。P=P1-P0聲壓單位：怕斯卡（Pa）、微怕斯卡（μPa）1Pa=1N/m21Pa=106μPa2、經(jīng)推導(dǎo)得：聲壓幅值：P=ρcωA=ρcu=Zu式中：ρ——介質(zhì)的密度；c——波速，c=dx/dt；u——質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，u=ωA=2πfA。3、結(jié)論：a、超聲場中某點(diǎn)的聲壓隨時(shí)間和該點(diǎn)至波源的距離按正弦函數(shù)周期性地變化。b、聲壓的幅值與介質(zhì)的密度、波速和頻率成正比。因?yàn)槌暡ǖ穆晧汉芨撸ㄅc聲波相比）。（應(yīng)用：超聲檢測儀器顯示的信號(hào)幅度的本質(zhì)就是聲壓P，示波屏上的波高與聲壓成正比。就缺陷而論，聲壓值反映缺陷的大小。）2.5.2聲阻抗Z1、超聲場中任意一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比稱為聲阻抗，用Z表示。Z=P/u=ρcu/u=ρc單位：Kg/m2.s2、在同一聲壓下，Z增加，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度u下降。因此聲阻抗可理解為介質(zhì)對質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。這類似于電學(xué)中的歐姆定律I=U/R，電壓一定，電阻增加，電流減小。3、材料的聲阻抗與溫度有關(guān)，Z隨溫度的升高而降低。這是因?yàn)槎鄶?shù)材料的密度ρ和聲速c隨溫度增加而減小。（應(yīng)用：超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)）在同一固體材料中，傳播縱波時(shí)的聲阻抗比橫波時(shí)大。聲阻抗是傳聲介質(zhì)的參數(shù)。2.5.3聲強(qiáng)I1、單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的的聲能稱為聲強(qiáng)，用I表示，單位是瓦/厘米2（W/cm2）或焦耳/厘米2·秒（J/cm2·s）。2、平面波的聲強(qiáng)：3、結(jié)論a、單位體積元內(nèi)的總能量周期性變化，時(shí)而最大，時(shí)而為零。超聲波的能量是一層一層地傳播出去的；體積元的動(dòng)能和勢能同時(shí)最大，同時(shí)為零（單獨(dú)的振動(dòng)系統(tǒng)符合機(jī)械能守恒，只受重力或彈性力作用，動(dòng)能與勢能之和等于常數(shù)。而這里的質(zhì)點(diǎn)除受到彈性力外，還受到質(zhì)點(diǎn)間摩擦力，因此不符合機(jī)械能守恒）b、聲強(qiáng)與頻率的平方成正比，而超聲波的頻率遠(yuǎn)大于可聞聲波。因此超聲波聲強(qiáng)遠(yuǎn)大于可聞聲波。（這決定超聲波可用于檢測）c、在同一介質(zhì)中，超聲波的聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比。2.5.4聲強(qiáng)級(jí)與分貝1、基準(zhǔn)聲強(qiáng)：I1=10-12W/cm2（引起聽覺的最弱聲強(qiáng)）（規(guī)定為零級(jí)聲強(qiáng)）2、另一聲強(qiáng)I2與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I1之比的常用對數(shù)稱為聲強(qiáng)級(jí)：Δ=lg（I2/I1）（B——貝爾）a、實(shí)際應(yīng)用貝爾太大，故常取其1/10即分貝（dB）來作單位：Δ=10lg（I2/I1）=20lg（P2/P1）（dB）b、通常說某處的噪聲為多少分貝，就是以10-16W/cm2為標(biāo)準(zhǔn)利用上式計(jì)算得到的。這與探傷時(shí)的dB數(shù)不一樣。3、超聲波檢測儀示波屏上的波高與聲壓成正比：Δ=20lg（P2/P1）=20lg（H2/H1）（dB）這里P1或H1可以任意選取。當(dāng)H2/H1=1時(shí)，△=0dB，說明兩波高相等時(shí)，二者的分貝差為零。當(dāng)H2/H1=2時(shí)，△=6dB，說明H2為H1的2倍時(shí)，H2比H1，高6dB。當(dāng)H2/H1=1/2時(shí)，△=-6dB，說明H2為H1的1/2時(shí)，H2比H1，低6dB。（應(yīng)用：兩回波高的比較常用dB值表示）2.6超聲波垂直入射到平面異質(zhì)界面上的效應(yīng)

超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)內(nèi)，稱反射波；另一部分能量透過界面在另一種介質(zhì)內(nèi)傳播，稱為透射波。在界面上聲能（聲壓、聲強(qiáng)）的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規(guī)律。2.6.1單一平界面的反射率與透射率1、當(dāng)超聲波垂直入射到光滑平界面時(shí)，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波，如圖2.23。2、反射波與透射波的聲壓（或聲強(qiáng)）是按一定規(guī)律分配的，由聲壓反射率（或聲強(qiáng)反射率）和透射率（或聲強(qiáng)透射率）來表示。3、設(shè)入射波的聲壓為P0（聲強(qiáng)為I0）、反射波的電壓為Pr（聲強(qiáng)為Ir）、透射波的聲壓為Pt（聲強(qiáng)為It）。圖2-33垂直入射到單一平界面4、界面上反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0之比，稱為界面的聲壓反射率，用r表示，即r=Pr/P0。5、界面上透射波聲壓Pt與入射波聲壓P0之比，稱為界面的聲壓透射率，用t表示，即t=Pt/P0。6、在界面兩側(cè)的聲波，必須符合下列兩個(gè)條件：（1）界面兩側(cè)的總聲壓相等，即P0+Pr=Pt。（相位關(guān)系，力平衡）（2）界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值相等，即（P0-Pr）/Z1=Pt/Z2（能量守恒）由上述兩邊界條件和聲壓反射率、透射率定義得：1+r=t（1-r)/Z1=t/Z2a、解上述聯(lián)立方程得聲壓反射率r和透射率t分別為：式中：Z1——第一種介質(zhì)的聲阻抗；Z2——第二種介質(zhì)的聲阻抗b、界面上反射波聲強(qiáng)Ir與入射波聲強(qiáng)I0之比，稱為聲強(qiáng)反射率，用R表示。c、界面上透射波聲強(qiáng)It與入射波聲強(qiáng)I0之比，稱為聲強(qiáng)透射率，用T表示。d、超聲波垂直入射到平界面上時(shí)，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)。由以上幾式可以導(dǎo)出：T+R=1（能量守恒）

t-r=1（力平衡）T=1-r2平面波垂直入射到界面時(shí)，入射能量等于透射能量與反射能量之和。7、討論幾種常見界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射和透射情況：（1）當(dāng)Z2>Z1時(shí)，（如水/鋼界面）r=0.935

t=1.935R=r2=0.875T=0.125說明：r>0，表示Pr與P0同相位，合成聲壓振幅增大為Pr+P0（駐波）。t>1，聲壓是力的概念，只會(huì)平衡。（2）當(dāng)Z1>Z2時(shí)，（如鋼/水界面）

r=－0.935t=0.065R=r2=0.875T=0.125說明：r<0，表示Pr與P0相位相反，反射波與入射波合成聲壓振幅減小。聲壓透射率很低，聲壓反射率很高。超聲波垂直入射到某界面時(shí)的聲強(qiáng)反射率與透射率與從何種介質(zhì)入射無關(guān)。（3）當(dāng)Z1>>Z2時(shí)，（如鋼/空氣界面）r=－1t≈0R=r2≈1T=0說明：r=－1，反射波聲壓與入射波聲壓有180°相位變化。t≈0，聲壓幾乎全反射，無透射。（應(yīng)用：超聲波檢測裂紋、分層等內(nèi)含空氣類缺陷很靈敏）（4）當(dāng)Z1≈Z2時(shí)，（焊接良好的母材與填充金屬的結(jié)合面）r=－0.005t≈0.995R=r2≈0T≈1說明：超聲波垂直入射到兩種界面聲阻抗相差很小的介質(zhì)組成的界面時(shí)，幾乎全透射，無反射。（母材與填充金屬的結(jié)合面，不會(huì)產(chǎn)生界面回波）8、以上討論的超聲波縱波垂直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體/液體或固體/氣體界面上，橫波全反射。因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。（應(yīng)用：超聲波檢測焊縫的前提條件）2.6.2聲壓往復(fù)透射率1、在超聲波單探頭檢測中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。探頭發(fā)出的超聲波透過界面進(jìn)入工件，在固/氣底面產(chǎn)生全反射后再次通過同一界面被探頭接收，如圖2.25。圖2-39聲壓往復(fù)透射率這時(shí)探頭接收到的回波聲壓與入射波聲壓之比，稱為聲壓往復(fù)透射率T往。T往=Pa/P0=4Z1Z2/(Z2+Z1)2例如1：用PZT-5晶片檢測鋼工件，假設(shè)耦合劑全透射，鋼底面全反射，晶片/鋼界面的往復(fù)透射率為：T往=4Z1Z2/(Z2+Z1)2=97.6%例如2：水浸法檢測鋼工件，超聲波在水/鋼界面的往復(fù)透射率為：T往=4Z1Z2/(Z2+Z1)2=12.5%2、超聲波垂直入射時(shí)，在底面全反射的條件下，聲壓往復(fù)透射率與聲強(qiáng)透射率在數(shù)值上相等。3、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)的聲阻抗相差愈小，聲壓往復(fù)透射率就愈高，反之就愈低。4、往復(fù)透射率高低直接影響檢測靈敏度高低，往復(fù)透射率高，檢測靈敏度高。反之，檢測靈敏度低。2.7超聲波傾斜入射到平面異質(zhì)界面時(shí)的效應(yīng)2.7.1超聲波的反射、折射定律當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會(huì)產(chǎn)生不同類型的反射和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。圖2-40傾斜入射a）縱波入射b）橫波入射1、縱波斜入射當(dāng)縱波L傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生反射縱波L′和折射縱波L″外，還會(huì)產(chǎn)生反射橫波S′和折射橫波S″，如圖2-40（a）所示。各種反射波和折射波方向符合反射、折射定律：由于在同一介質(zhì)中縱波波速不變，因此α?L=αL。又由于在同一介質(zhì)中縱波波速大于橫波波速，因此α′L>α′s，βL>βs。圖2-41臨界角（1）第一臨界角αⅠ（縱波入射角），如圖2.27a所示：βL=90°（折射縱波平行于界面時(shí)的縱波入射角）。（2）第二臨界角αⅡ（縱波入射角），如圖2.27b所示：βs=90°（折射橫波平行于界面時(shí)的縱波入射角）。由αⅠ

和αⅡ

的定義可知：a、入射角<αI時(shí)，第二介質(zhì)中既有折射縱波L″又有折射橫波S″。b、入射角為αI～αII

時(shí)，第二介質(zhì)中只有折射橫波S″，沒有折射縱波L″，這就是常用橫波探頭制作和橫波檢測的原理。（要求：楔塊的縱波速度小于工件的縱波速度）c、入射角≥αⅡ

時(shí)，第二介質(zhì)中既無折射縱波L″，又無折射橫波S″。這時(shí)在其介質(zhì)的表面存在表面波R，這就是常用表面波探頭的制作原理。表面波的激發(fā)角度：式中：CR2——表面波聲速。例如，縱波傾斜入射到有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)，有機(jī)玻璃中CL1=2730m/s，水中CL1=1480m/s，鋼中：CL2=5900m/s，CS2=3230m/s。則第一、二臨界角分別為：

αⅠ=arcsinCL1/CL2=arcsin(2700/5900)=27.6°αⅡ=arcsinCL1/CS2=arcsin(2700/3230)=57.7°αⅠ=arcsinCL1/CL2=arcsin(1480/5900)=14.5°αⅡ=arcsinCL1/CS2=arcsin(1480/3230)=27.27°由此可見有機(jī)玻璃/鋼界面，橫波探頭楔塊角度αL=27.6°～57.7°，有機(jī)玻璃表面波探頭楔塊角度αL≥57.5°。水/鋼界面，αL=14.5°～27.27°超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)，同種波型的反射角等于入射角。同種波型的折射角不一定大于入射角（取決于界面兩側(cè)的聲速）。臨界角的大小只與聲速有關(guān)。只有當(dāng)?shù)谝唤橘|(zhì)為固體介質(zhì)時(shí)才會(huì)有第三臨界角。2、橫波斜入射當(dāng)橫波傾斜入射到界面時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，如圖2-40b。各種反射波和折射波的方向符合反射、折射定律：第一、第二臨界角無實(shí)際意義，不再討論。這里只討論第三臨界角αⅢ：當(dāng)αs增加到一定程度時(shí)，α′L=90°，這時(shí)所對應(yīng)的橫波入射角稱為第三臨界角，用αⅢ表示，如圖2.27c所示。αⅢ=arcsinCS1/CL1=arcsin(3230/5900)=33.2°當(dāng)αs≥αⅢ時(shí)，在第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒有反射縱波，即橫波全反射，對于鋼：CL1=5900m/s，CS1=3230m/s，αⅢ=33.2°當(dāng)αs≥33.2°時(shí)，鋼中橫波全反射。2.7.2聲壓反射率和往復(fù)透射率a、超聲波反射、折射定律只討論各種反射波、折射波的方向問題，未涉及聲壓反射率和透射率問題。由于傾斜入射時(shí)，聲壓反射率、透射率不僅與介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，而且還與入射角有關(guān)，很是復(fù)雜。這里只講計(jì)算結(jié)果。1、圖2.28，縱波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射如圖2.28，縱波傾斜入射，當(dāng)αL=60°左右時(shí)產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的變型反射橫波，所以縱波反射率較低（rLL很低），橫波反射率較高（rLs）。（如：61°反射）2、橫波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射如圖2.29，橫波傾斜入射，當(dāng)αs=30°左右時(shí)，橫波反射率很低（rss很低）；縱波反射率較高（rSL較高）。當(dāng)αs≥33.2°（αⅢ）時(shí)，rss=100%即鋼中橫波全反射3、聲壓往復(fù)透射率1）超聲檢測中，常常采用反射法，超聲波往復(fù)透過同一探側(cè)面，因此聲壓往復(fù)透射率更具有實(shí)際意義。如圖下圖所示，超聲波傾斜入射，折射波全反射，探頭接收到的回波聲壓Pa

與入射波聲壓P0之比稱為聲壓往復(fù)透射率，常用T表示，T=Pa/P0。2）下圖所示為縱波傾斜入射至水/鋼界面時(shí)的聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系曲線。當(dāng)αL=14.5°～27.27°（αⅡ）時(shí)鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波的聲壓往復(fù)透射率TLS最高不到20%。（水浸法檢測鋼材，往復(fù)透射率較低，靈敏度較低——應(yīng)采用聚焦技術(shù)。）3）下圖所示為縱波傾斜入射至有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系曲線。當(dāng)αL=27.6°～57.7°（αⅡ）時(shí)鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，折射橫波的聲壓往復(fù)透射率TLS最高不到30%。這時(shí)所對應(yīng)的αL≈30°，βs≈37°（K=0.75）。（有機(jī)玻璃橫波探頭檢測鋼材，橫波折射角范圍：45°～70°）

a）不考慮波型轉(zhuǎn)換b）考慮波型轉(zhuǎn)換圖2.30端角反射2.7.3端角反射對有機(jī)玻璃/鋼1、超聲波在兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射叫做端角反射，如圖2.30所示。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(shí)，第二次反射回波與入射波互相平行，即回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比稱為端角反射率，用T端表示。T端=Pa/P0a）縱波入射b）橫波入射圖2.31端角反射率（1）圖2.31a所示，縱波入射時(shí)，端角反射率都很低，這是因?yàn)榭v波在端角的兩次反射中分離出較強(qiáng)的橫波。（2）圖2.31b所示橫波入射時(shí)，入射角αs=30°或60°附近時(shí)，端角反射率最低。αs=35°～55°（K=0.7～1.43）時(shí)，端角反射率達(dá)100%，檢測靈敏度較高。（橫波檢測焊縫根部未焊透或裂紋。K≥1.5時(shí)，可能造成漏檢）（3）圖2.31所示，αL（αs）在0°或90°附近時(shí)，無論縱波還是橫波，端角反射率理論上都很高，但由于入射波、反射波在邊界互相干涉而部分抵消，因此實(shí)際上這時(shí)檢測靈敏度并不高。2.8超聲波在曲面上的效應(yīng)為了便于討論，這里不考慮波型轉(zhuǎn)換行為。2.8.1聲壓距離公式1、平面波平面波波束不擴(kuò)散，而是互相平行，因此聲壓不隨距離而變化。2、球面波球面波的波陣面為同心球面，球面波聲場中的某處質(zhì)點(diǎn)的振幅與該點(diǎn)至波源的距離成反比，而聲壓又與振幅成正比，因此球面波的聲壓與距離成反比。P=P1/x式中：P1——距離為單位1處的聲壓；

X——某點(diǎn)至波源的距離。3、柱面波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，而聲壓與振幅成正比，因此柱面波的聲壓與距離的平方根成反比。對于柱面波，距聲源距離離增大1倍，聲壓減小3dB。對于球面波，距聲源距離離增大1倍，聲壓減小6dB。聚焦b）發(fā)散圖2.32平面波在曲界面上的反射2.8.3平面波在曲界面上的反射與折射1、平面波在曲界面上的反射a、當(dāng)平面波入射到曲界面上時(shí)，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖2.32所示。反射波的聚焦或發(fā)散與曲面的凹凸（從入射方向看）有關(guān)。（規(guī)律）凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發(fā)散。（1）平面波入射到球面時(shí)，其反射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波。在曲面軸線上距曲面頂點(diǎn)x處的反射波聲壓為：式中：f——焦距，f=r/2（r為曲率半徑）；X——軸線上某點(diǎn)至頂點(diǎn)的距離；P0——曲面頂點(diǎn)處入射波聲壓；“±”——“+”用于發(fā)散，“－”用于聚焦。（實(shí)際檢測中球形氣孔的反射）（2）平面波入射到柱面時(shí)，其反射波可視為從聚焦軸線發(fā)出的柱面波。在曲面軸線上距曲面頂點(diǎn)x處的反射波聲壓為：

（實(shí)際檢測中柱形氣孔的反射）2、平面波在曲界面上的折射平面波入射到曲界面上時(shí)，其折射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖2.33所示。這時(shí)折射波的聚焦或發(fā)散不僅與曲面的凹凸有關(guān)，而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的波速有關(guān)。a、對于凹透鏡，當(dāng)C1<C2時(shí)聚焦，當(dāng)C1>C2時(shí)發(fā)散；b、對于凸透鏡，當(dāng)C1>C2時(shí)（有機(jī)玻璃/水）(水浸法)聚焦，當(dāng)C1<C2時(shí)發(fā)散。當(dāng)聚焦探頭聲透鏡的曲率半徑增大時(shí)，透鏡焦距將增大。a）C1<C2

b）C1>C2c）C1>C2d）C1<C2圖2.33平面波在曲界面的折射（1）平面波入射至球面透鏡時(shí)，其折射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波。曲面軸線上距曲面頂點(diǎn)x處的折射波聲壓為：式中：t——聲壓透射率；f——焦距，f=r/2（r為曲率半徑）；X——軸線上某點(diǎn)至頂點(diǎn)的距離；P0——曲面頂點(diǎn)處入射波聲壓；“±”——“+”用于發(fā)散，“－”用于聚焦。（2）平面波入射到柱面透鏡，其折射波可視為從焦軸線發(fā)出的柱面波。軸線上x處的折射波聲壓為：2.8.3球面波在曲界面上的反射和折射1、球面波在曲界面上的反射a、球面波入射到曲界面上，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖2.34。（規(guī)律）凹曲面的反射波聚焦，（空心圓柱體，探頭在內(nèi)壁）凸曲面的反射波發(fā)散。（實(shí)心圓柱體）a）聚焦b）發(fā)散圖2.34球面波在曲界面上的反射（1）球面波在球面上的反射波，可視為從像點(diǎn)發(fā)出的球面波。軸線上距頂點(diǎn)為x處的反射波聲壓為：式中：P1/a——球面頂點(diǎn)處入射波聲壓；f——焦距，f=r/2（r為曲率半徑）；X——軸線上某點(diǎn)至頂點(diǎn)的距離；a——球面頂點(diǎn)至波源的距離；“±”——“+”用于發(fā)散，“－”用于聚焦。（應(yīng)用：球形氣孔，靈敏度低）（2）球面波在柱面上的反射波，既不是單純的球面波，也不是單純的柱面波，而是近似為兩個(gè)不同的柱面波疊加。軸線上距頂點(diǎn)為x處的反射波聲壓為：a、W反射：如圖下圖所示。如果像點(diǎn)處存在一個(gè)小缺陷，W反射時(shí)，示波屏上同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)缺陷波，一前一后，一高一低，前者位于底波B1之前，波高較低，為缺陷直接反射。后者位于底波B1之后，波高較高，為W反射。應(yīng)根據(jù)前者來對缺陷進(jìn)行定位和定量。b、超聲波徑向檢測空心圓柱體的情況，類似于球面波在凸柱面上的反射，反射波發(fā)散。圓柱面上入射點(diǎn)處的反射回波聲壓總是低于同距離的平底面的反射聲壓。2、球面波在曲界面上的折射球面波入射到曲界面上，其折射波同樣會(huì)發(fā)生聚焦和發(fā)散，如圖2.35所示。軸線上距曲面頂點(diǎn)x處的折射波聲壓為:圖2.35球面波在曲界面上的折射a）C1<C2b）C1>C2c）C1>C2d）C1<C2球形界面：柱形界面：式中：C1/C2——透射介質(zhì)與入射介質(zhì)中波速之比。（應(yīng)用：水浸檢測柱形或球形工件就屬于圖2.35a所示。由于折射波發(fā)散，因此檢測靈敏度很低，常常采用聚焦檢測）2.9超聲場a、充滿超聲波的空間或超聲振動(dòng)所波及的部分介質(zhì)，叫超聲場。b、超聲場具有一定的空間大小和形狀，只有當(dāng)缺陷位于超聲場內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。對聲場的理論分析研究常常從液體介質(zhì)入手，然后在一定條件上過渡到固體介質(zhì)。2.9.1理想縱波反射聲場理想聲場是指介質(zhì)中超聲波聲壓可以進(jìn)行線性疊加，波源做活塞振動(dòng)，輻射連續(xù)波等理想狀態(tài)下的聲場。液體介質(zhì)中聲壓可以進(jìn)行線性疊加，在研究理想聲場時(shí)，常常以超聲波在液體介質(zhì)中傳播為例。1、圓盤波源輻射的縱波聲場（活塞波（近場區(qū)）→球面波（遠(yuǎn)場區(qū)）→各種公式）（1）軸線聲壓及近場如圖3-1所示，聲軸線上（任意一點(diǎn)）的聲壓幅值為：式中：Rs—波源半徑；P0—波源的起始聲壓；x—軸線上Q點(diǎn)至波源的距離；λ—波長。當(dāng)x≥3Rs2/λ（足夠遠(yuǎn)）時(shí)，可將上式簡化為：（球面波聲壓公式）式中：Fs—波源面積，F(xiàn)s=πRs2=πDs2/4（Ds為波源直徑）圓盤源聲軸線上聲壓推導(dǎo)圖波源軸線上的聲壓隨距離變化的情況如圖2.36中實(shí)線所示。圖2.36圓盤源軸線上聲壓分布圓盤源軸線上聲壓分布a）近場區(qū)：波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大值和極小值的區(qū)域，稱為超聲場的近場區(qū)，又叫菲涅爾區(qū)。在近場內(nèi)內(nèi)，聲壓分布不均勻，聲束不擴(kuò)散。近場區(qū)長度N：波源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值至波源的距離稱為近場區(qū)長度。N=Fs/πλ=Ds2/4λ=Ds2

f/4c（只適用于均勻介質(zhì)）（避免在近場區(qū)檢測定量）b）遠(yuǎn)場區(qū)：聲程X>N的區(qū)域。聲壓隨聲程單調(diào)下降，當(dāng)X>3N時(shí)，聲壓與聲程成反比，似球面波的規(guī)律，P=P0Fs/λx，如圖3-2中虛線所示。這是應(yīng)為距離X足夠大時(shí)，干涉現(xiàn)象可略去不計(jì)。遠(yuǎn)場區(qū)軸線上不會(huì)出現(xiàn)聲壓極大極小值。超聲波實(shí)際檢測應(yīng)盡可能在遠(yuǎn)場區(qū)進(jìn)行。（所有規(guī)則反射體回波聲壓計(jì)算的基礎(chǔ)：遠(yuǎn)場區(qū)）(2)波束指向性和半擴(kuò)散角1）指向性：以確定的擴(kuò)散角向固定的方向輻射超聲波的特性稱為波束指向性（與頻率和波型有關(guān)）。至波源充分遠(yuǎn)處任意一點(diǎn)的聲壓如圖2.37所示圖2.37遠(yuǎn)場中任意一點(diǎn)聲壓推導(dǎo)圖

指向性系數(shù)：波源充分遠(yuǎn)處任意一點(diǎn)的聲壓P（r，θ）與波源軸線上同距離處聲壓P（r，0）之比，稱為指向性系數(shù)，用Dc表示。

引進(jìn)聲場指向性示意圖，如圖2.38所示，可知：a、超聲場中至波源充分遠(yuǎn)處同一橫截面上各點(diǎn)的聲壓是不同的，以軸線上的聲壓為最高。（應(yīng)用：只有當(dāng)波束軸線垂直于缺陷時(shí)，缺陷回波最高）b、圓盤源輻射的聲束截面聲場中存在一些聲壓為零的點(diǎn)。聲束邊緣聲壓為0的線與聲束軸線的夾角稱為半擴(kuò)散角，如圖2.38中的θ0。

θ0

=arcsin1.22λ/Ds=70λ/Ds=70c/fDs（圓形晶片）式中：θ0——圓盤源輻射的縱波聲場的第一零值發(fā)散角，又叫半擴(kuò)散角。c、半擴(kuò)散角以外聲場聲壓很低，超聲場的能量主要集中在半擴(kuò)散角θ0以內(nèi)。2θ0以內(nèi)的波束稱為主波束。主波束：聲源正前方聲能集中的錐形區(qū)域應(yīng)用：只有當(dāng)缺陷位于2θ0范圍內(nèi)，才容易被發(fā)現(xiàn)。頻率和晶片尺寸相同時(shí)，橫波聲束指向性比縱波好。例：晶片直徑為20㎜的直探頭，在鋼中測得其零輻射角為10°，該探頭探測頻率約為多少？解：由θ0

=70λ/D=70c/fD得：f

=70c/Dθ0

=70×5.9/20×10°=2.065（MHZ）d、在超聲波主波束之外存在一些副瓣，副瓣能量很低，傳播時(shí)衰減很快。e、探頭直徑Ds↑，檢測頻率f↑，半擴(kuò)散角θ0↓，指向性好，能量集中，有利于提高檢測靈敏度。但Ds↑、f↑，近場區(qū)長度N↑，對檢測不利。（應(yīng)用：在保證檢測靈敏度的前提下盡可能減少近場區(qū)長度）超聲波波長越小，發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力就越強(qiáng)。晶片尺寸相同，超聲場的近場長度越短，聲束指向角越大。面積、頻率相同的圓晶片和方晶片，超聲場的近場區(qū)長度一樣長。（3）波束未擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)在波源附近存在一個(gè)未擴(kuò)散區(qū)b，其理想化的形狀如圖2.39所示。圖2.39圓盤源理想化聲場中的波束未擴(kuò)散區(qū)和擴(kuò)散區(qū)b≈Ds2/2.44λ=1.64N在波束未擴(kuò)散區(qū)b內(nèi)，波束不擴(kuò)散，不存在擴(kuò)散衰減，各截面平均聲壓基本相同。（應(yīng)用：對于薄板前幾次底波相差無幾）0dB到波源距離x>b的區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)，存在擴(kuò)散衰減例：用f=2.5MHz，D=20mm的直探頭檢測鋼工件（聲速cL=5900m/s），那么近場區(qū)長度N，半擴(kuò)散角θ0和未擴(kuò)散區(qū)長度b分別為多少？解：N=D2/4λ=N=D2f/4cL=202×2.5×106/(4×5900×103)=42.4(mm)

θ0

=70λ/D=70cL/Df

=70×5900×103/(20×2.5×106)=8.26°b=1.64N=1.64×42.4=69.542.4(mm)2、矩形波源輻射的縱波聲場如圖2.40所示，矩形波源作活塞振動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)場區(qū)任意一點(diǎn)Q處的聲壓：式中：Fs——矩形波源面積，F(xiàn)s=4ab。當(dāng)θ=φ=0時(shí)，由上式得遠(yuǎn)場區(qū)聲源軸線上某點(diǎn)的聲壓：圖2.40矩形源聲場的坐標(biāo)系數(shù)（1）矩形波源的半擴(kuò)散角為（有兩個(gè)半擴(kuò)散角）a、YOZ平面內(nèi)半擴(kuò)散角φ0為：（垂直方向）

b、XOZ平面內(nèi)半擴(kuò)散角θ0為：（水平方向）（2）矩形波源有兩個(gè)不同的半擴(kuò)散角，其聲場為矩形，如圖2.41所示。圖2.41矩形波源聲場（3）矩形波源的近場區(qū)長度為：N=FS/πλ（特點(diǎn)：與圓盤聲源相同）3、縱波聲場近場區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布1、實(shí)際檢測中，有時(shí)近場區(qū)分布在兩種不同的介質(zhì)中。如圖2.42所示的水浸法檢測，當(dāng)水層厚度較小時(shí)，近場區(qū)就會(huì)分布在水、鋼兩種介質(zhì)中。圖2.42近場區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布設(shè)水層厚度為L，則鋼中剩余近場區(qū)長度N′為：基于鋼中近場區(qū)計(jì)算，則：基于水中近場區(qū)計(jì)算，則：式中：N1—水中近場長度；N2—鋼中近場長度。c1、c2—水、鋼中波速；λ1、λ2—水、鋼中波長。水中近場區(qū)長度大于鋼中近場區(qū)長度。例：用2.5MHz，φ14mm縱波直探頭水浸法檢測鋼板，已知水層厚度為20mm，水中c1=1480m/s，鋼中c2=5900m/s，求鋼中近場區(qū)長度N。解(1)采用公式N=D2/4λ2-Lc1/c2=142/(4×2.36)-20×1480/5900=15.7(mm)λ2=c2/f=5.9/2.5=2.36(mm)(2)采用公式N=(D2/4λ1-L)c1/c2={142/(4×0.59)-20}×1480/5900=15.7(mm)λ1=c1/f=1.48/2.5=0.59(mm)兩個(gè)公式計(jì)算結(jié)果是一樣的。2.9.2實(shí)際聲場與理想聲場比較理想聲場：液體介質(zhì)，波源作活塞振動(dòng)，輻射連續(xù)波等理想條件下的聲場。實(shí)際聲場：固體介質(zhì)，波源非均勻激發(fā)，輻射脈沖波聲場。圖2.4.3實(shí)際聲場與理想聲場聲壓比較1、如圖2.4.3可知，實(shí)際聲場與理想聲場在遠(yuǎn)場區(qū)軸線上聲壓分布基本一致（干涉減弱或無干涉）2、但在近場區(qū)，有明顯差別。理想聲場存在極大值2P0和極小值零。實(shí)際聲場軸線上也存在極大值和極小值，但波動(dòng)幅度小，極大值遠(yuǎn)小于2P0，極小值也遠(yuǎn)大于零，同時(shí)極值的數(shù)量明顯減少。這是因?yàn)椋海?）理想聲場是連續(xù)波，在某點(diǎn)產(chǎn)生完全干涉。實(shí)際聲場是脈沖波，部分干涉或不干涉；（2）脈沖波包含了許多頻率成分，每個(gè)頻率的信號(hào)激勵(lì)晶片所產(chǎn)生的聲場相互疊加，使總聲壓分布趨于均勻；（3）實(shí)際聲場聲源的激勵(lì)非均勻，中心振幅大，邊緣振幅小。而干涉主要受邊緣的影響大，所以產(chǎn)生的干涉比均勻激勵(lì)時(shí)的小的多；（4）理想聲場針對液體，聲壓線形疊加；實(shí)際聲場針對固體，聲壓方向在連接線上，使垂直于軸線方向的聲壓分量互相抵消，使軸線方向的聲壓分量互相疊加，因此疊加干涉少。超聲波探傷的實(shí)際聲場中的聲束軸線上不存在聲壓為零的點(diǎn)，所以探傷時(shí)近場區(qū)缺陷不會(huì)漏檢。在超聲探頭遠(yuǎn)場區(qū)中，聲束中心聲壓最大。2.9.3橫波發(fā)射聲場a、橫波探頭輻射的聲場由第一介質(zhì)中的縱波聲場與第二介質(zhì)中的橫波聲場兩部分組成，兩部分聲場是折斷的，如圖2.44所示，為了便于理解計(jì)算，把第一介質(zhì)中的縱波波源轉(zhuǎn)換為軸線與第二介質(zhì)中的橫波波束軸線重合的假想橫波波源（面積小于實(shí)際聲源面積），即假想為整個(gè)連續(xù)的橫波聲場。圖2.44橫波聲場b、假想橫波波源為橢圓形，長軸為Ds，短軸為D