1、超声波检测的物理基础超声波检测的物理基础第一章 超声波检测的物理基础一、波动一、波动(一一)振动与波振动与波物体或质点在某一平衡位置附近作往复运动，这种运动状态就叫做机械振物体或质点在某一平衡位置附近作往复运动，这种运动状态就叫做机械振动，简称振动。如果物体或质点作周期性直线振动，它离开平衡位置的距动，简称振动。如果物体或质点作周期性直线振动，它离开平衡位置的距离与时间可以用正弦或余弦函数表示，称为简谐振动。离与时间可以用正弦或余弦函数表示，称为简谐振动。这是最基本最重要的周期性直线振动。这是最基本最重要的周期性直线振动。例如钟摆的运动，弹簧振子的运动，以及弦线和一切发声体的运例如钟摆的运动，
2、弹簧振子的运动，以及弦线和一切发声体的运动等。振动和波动是物质的基本运动状态。振动的类型很多，除动等。振动和波动是物质的基本运动状态。振动的类型很多，除了简谐振动外，还有固有振动、受迫振动、阻尼振动等，这些振了简谐振动外，还有固有振动、受迫振动、阻尼振动等，这些振动都是较为复杂的振动，但基础是简谐振动，复杂振动可以通过动都是较为复杂的振动，但基础是简谐振动，复杂振动可以通过傅利叶分析的方法分解为多个简谐振动。所以，在超声检测中，傅利叶分析的方法分解为多个简谐振动。所以，在超声检测中，进行有关振动的分析时，常用弹簧振子进行有关振动的分析时，常用弹簧振子Q作为基本分析模型。作为基本分析模型。弹簧振
3、子受力振动后，振子弹簧振子受力振动后，振子Q Q离开平衡位置位移量离开平衡位置位移量X X随时间随时间t t的变化规律可由下列余弦函数（或正弦函数）描述：的变化规律可由下列余弦函数（或正弦函数）描述： X=Acos（2t/T+） 或或 X=Acos (t+)=Asin (t+ /2) （1-21-2） 式中，式中，X X为为t t时刻振子时刻振子Q Q离开平衡位置的距离；离开平衡位置的距离；A A为振幅，表示振子为振幅，表示振子Q Q在振动过程中的最大位移量；在振动过程中的最大位移量；T T为周期，振子为周期，振子Q Q在平衡位置附近振动一次所需要的时间；在平衡位置附近振动一次所需要的时间；f
4、 f为频率，单位时间内振子为频率，单位时间内振子Q Q振动次数，与周期互为倒数，振动次数，与周期互为倒数，即即f=1/Tf=1/T。赫兹（。赫兹（HzHz）单位为每秒振动一次）单位为每秒振动一次1 1兆赫为兆赫为1MHz1MHz；（t+) )为相位角，振子为相位角，振子Q Q在振动过程中某一瞬间（在振动过程中某一瞬间（t t时刻）时刻）所处的位置。在所处的位置。在t=0t=0时刻的相位角，称为初始相位；时刻的相位角，称为初始相位；为圆频率，为圆频率，表示在秒内的振动周期数表示在秒内的振动周期数? ? ( (每振动一次时间为每振动一次时间为360360度度) )。 振幅振幅A A、周期、周期T
5、T、频率、频率f f和相位角（和相位角（t+）是描述简谐）是描述简谐振动的基本物理参数。振动的基本物理参数。tT2tT2tT2tT2(二)波动波动简称波，它是振动或振荡在物体或空间中的传播；振动是产生波动的波动简称波，它是振动或振荡在物体或空间中的传播；振动是产生波动的根源。根源。波动是振动的结果，是物质的基本运动形式之一。波动是振动的结果，是物质的基本运动形式之一。波动可分称两大类，一类是机械波，另一类是电磁波。波动可分称两大类，一类是机械波，另一类是电磁波。两者有很大的本质区别，不可混淆两者有很大的本质区别，不可混淆。区别机械波是机械振动在机械波是机械振动在弹性介质弹性介质中引起的波中引起
6、的波动过程。例如水波、声波、超声波等。动过程。例如水波、声波、超声波等。电磁波则是电磁振荡所产生的变化电场和电磁波则是电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在变化磁场在物体中或空间物体中或空间(如真空如真空)的传播的传播过程，如无线电波、红外线、可见光、紫过程，如无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线等。外线、伦琴射线等。1、机械波动的条件机械波的产生除了需要振动波源，还必须有传播波动的弹性介质。弹性介机械波的产生除了需要振动波源，还必须有传播波动的弹性介质。弹性介质是相互间由弹性力连系着的质点所组成的物质，例如超声检测的大量金质是相互间由弹性力连系着的质点所组成的物质，例如超声检测的大量金属
7、及非金属固体工件，自然界中的其他液体和大多数气体等。质点通过相属及非金属固体工件，自然界中的其他液体和大多数气体等。质点通过相互间弹性联系，就可将振动能传输到足够远，这就是波动过程。互间弹性联系，就可将振动能传输到足够远，这就是波动过程。超声波声波归属于机械振动范畴。因此，产生超声波的超声波声波归属于机械振动范畴。因此，产生超声波的条件条件：(1)要有产生要有产生高频机械振动的声源；高频机械振动的声源； (2)要有传播超声波的弹性介质。要有传播超声波的弹性介质。2、波动方程描述介质中质点相对于平衡位置的位移随时间变化的方程称为描述介质中质点相对于平衡位置的位移随时间变化的方程称为行波的波动方程
8、。波动方程式行波的波动方程。波动方程式也可写成也可写成： y=Acos（ t- kx） (1-3)波动方程的物理意义：波动方程的物理意义：(1)当距离当距离x一定时，位移一定时，位移y仅为时间仅为时间t的函数。这时波动方程表的函数。这时波动方程表示示x处振动情况；处振动情况；(2)当时间当时间t一定时，位移一定时，位移y是距离是距离x的函数。这时波动方程表示的函数。这时波动方程表示某一时刻同一波线上各质点的位移情况；某一时刻同一波线上各质点的位移情况；(3)当当t和和x都变化时，波动方程表示在任意时刻波线上任意一点都变化时，波动方程表示在任意时刻波线上任意一点的位移情况，的位移情况，k= /c
9、为波数，波速也称相位速度。为波数，波速也称相位速度。)cos(kxtAy二、超声波的特性(一一)声波的种类声波的种类超声波是声波的一种，广泛地应用于无损检测中。声波是在弹性介质中传超声波是声波的一种，广泛地应用于无损检测中。声波是在弹性介质中传播的机械波，其种类按频率范围可以分为四类：播的机械波，其种类按频率范围可以分为四类：次声波频率在次声波频率在20Hz以下，人耳听不到；以下，人耳听不到；声波在声波在20Hz20KHz之间，人耳可闻；之间，人耳可闻； 超声波超声波20KHz1000MHz，人耳不可闻；，人耳不可闻； 特超声波在特超声波在1000MHz以上，人耳不可闻。以上，人耳不可闻。 适
10、用的频率超声波探伤常用的频率为超声波探伤常用的频率为 0.25MHz15MHz。对金属材料一般频率为对金属材料一般频率为 0.510MHz。钢结构焊缝常用频率为钢结构焊缝常用频率为15MHz。陶瓷常用频率则为陶瓷常用频率则为2.2510MHz。对铸铁、非金属声衰减强烈的粗晶材料，对铸铁、非金属声衰减强烈的粗晶材料， 甚至采用甚至采用25KHz0.25MHz 的频率。的频率。 (二)超声波的特性之一1、束射特性束射特性 因为超声波频率较高，波长较短，声束指向性较好，可使超声能量向一因为超声波频率较高，波长较短，声束指向性较好，可使超声能量向一个确定的方向集中辐射，所以利用超声波可在被检工件内部发
11、现缺陷，个确定的方向集中辐射，所以利用超声波可在被检工件内部发现缺陷，又便于缺陷定位；又便于缺陷定位；超声波的特性之二2、反射特性反射特性 超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面时会产生反射、透射或折射，超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面时会产生反射、透射或折射，这些现象主要由入射角度和不同介质的声学特性决定。例如超声脉冲反这些现象主要由入射角度和不同介质的声学特性决定。例如超声脉冲反射法的基本原理就是利用超声波在缺陷与材料间异质界面的反射来发现射法的基本原理就是利用超声波在缺陷与材料间异质界面的反射来发现缺陷的；缺陷的；超声波的特性之三3、传播特性传播特性 超声波在弹性介质中传播时，质点
12、振动位移小、振速高，强度与频率的超声波在弹性介质中传播时，质点振动位移小、振速高，强度与频率的平方成正比，因此，其声压和声强远大于平方成正比，因此，其声压和声强远大于声波声波，使得超声检测具有很强，使得超声检测具有很强的穿透能力。在大多数介质中传输能量损失小，传播距离大，在一些金的穿透能力。在大多数介质中传输能量损失小，传播距离大，在一些金属材料中检测范围可达数米；属材料中检测范围可达数米；超声波的特性之四4、波型转换特性波型转换特性 超声波超声波斜入射斜入射在两个声速不同的异质界面上容易实现波型转换。纵波、在两个声速不同的异质界面上容易实现波型转换。纵波、横波、板波、表面波都可以通过压电晶片
13、产生的纵波在异质界面实现不横波、板波、表面波都可以通过压电晶片产生的纵波在异质界面实现不同波型的转换。同波型的转换。 横波探伤、表面波探伤就是利用这一转换特性的例示。还有反射和折射横横波探伤、表面波探伤就是利用这一转换特性的例示。还有反射和折射横波等。波等。 因此，波型转换的因此，波型转换的条件是斜入射条件是斜入射。但是在钢。但是在钢/水界面，横波无波型转换。水界面，横波无波型转换。 三、超声波的波型(一一)纵波纵波L质点振动方向与波动传播方向相同或互相平行的波型称为纵波。当弹性介质点振动方向与波动传播方向相同或互相平行的波型称为纵波。当弹性介质受到交替变化的拉伸、压缩应力作用时，就会产生交替
14、变化的伸长和压质受到交替变化的拉伸、压缩应力作用时，就会产生交替变化的伸长和压缩形变，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又作用于相邻的质点而在介缩形变，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又作用于相邻的质点而在介质中传播，受力质点的间距也会相应产生交替的疏密变化，产生纵波。纵质中传播，受力质点的间距也会相应产生交替的疏密变化，产生纵波。纵波也称为波也称为“压缩波压缩波”或或“疏密波疏密波”，用，用L表示。表示。纵波L图2.2.1质点振动方向波动传播方向(二)横波S 质点振动方向与波动传播方向相互垂直的波型称为横波。当固体弹性介质质点振动方向与波动传播方向相互垂直的波型称为横波。当固体弹性介质受到交变
15、的剪切应力作用时，产生剪切变形，介质质点就会产生相应的横受到交变的剪切应力作用时，产生剪切变形，介质质点就会产生相应的横向振动，质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波型称为横波。因向振动，质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波型称为横波。因横波是在剪切应力作用下产生的，故也称横波是在剪切应力作用下产生的，故也称剪切波或切变波剪切波或切变波，用，用S表示。表示。横波S图2.2.2质点振动方向波动传播方向 (三)表面波 当固体介质表面受到交替变化的应力当固体介质表面受到交替变化的应力 作用时，质点作相应的纵横向复合振动。这种质点振动所引起的波动传播只作用时，质点作相应的纵横向复合振动。这种
16、质点振动所引起的波动传播只在固体介质表面进行，故称表面波。在固体介质表面进行，故称表面波。 换言之，表面波就是当交变的表面张力作换言之，表面波就是当交变的表面张力作 用于固体表面时，产生沿介质表面传播的波。这是著名物理学家瑞利于用于固体表面时，产生沿介质表面传播的波。这是著名物理学家瑞利于1887年首先年首先 提出来的，因此表面波又称为提出来的，因此表面波又称为瑞利波瑞利波。介质中的瑞利波图2.2.3波传播方向空气固体介质表面波检测表面波通常只能检测距工件表面表面波通常只能检测距工件表面两倍波长两倍波长(2)深度以内缺陷。超声波纵波倾深度以内缺陷。超声波纵波倾斜入射到界面上，且斜入射到界面上，
17、且入射角大于第二临界角时入射角大于第二临界角时，第二介质中既无折射纵波，第二介质中既无折射纵波，又无折射横波，在第二介质表面形成表面波。这是表面波探头的设计原理又无折射横波，在第二介质表面形成表面波。这是表面波探头的设计原理和依据。和依据。当瑞利波在传播途中碰到棱边时，若棱边曲率半径当瑞利波在传播途中碰到棱边时，若棱边曲率半径R大于大于5倍波长倍波长，表面波，表面波可不受阻拦地完全通过。可不受阻拦地完全通过。当当R逐渐变小时，部分表面波能量被棱边反射；当逐渐变小时，部分表面波能量被棱边反射；当R(波长波长)时，反射能量很大。时，反射能量很大。在超声波探伤中利用这种反射特性来检测工件在超声波探伤
18、中利用这种反射特性来检测工件表面和近表面的缺陷，以及用来测定表面裂纹深度等。表面和近表面的缺陷，以及用来测定表面裂纹深度等。(四)板波板波狭义地讲仅指兰姆波。板波狭义地讲仅指兰姆波。它是在板厚与波长相当的弹性薄板状固体中传播的声波。它是在板厚与波长相当的弹性薄板状固体中传播的声波。即在板中传播的波既有振动方向与板面垂直的横波即在板中传播的波既有振动方向与板面垂直的横波(简称简称SV波波)又含有振动方又含有振动方向与板面平行的纵波向与板面平行的纵波(简称简称P波波)。 各种波型的比较表2.2.1 各种波型的比较波型波型 质点振动特点质点振动特点 传播介质传播介质 应用应用纵波纵波 振动方向平行于
19、播向振动方向平行于播向 固、液、气体固、液、气体 钢板、锻件探伤钢板、锻件探伤横波横波 振动方向垂直于播向振动方向垂直于播向 固体介质固体介质 焊缝、钢管探伤焊缝、钢管探伤表面波表面波 质点椭圆运动，质点椭圆运动， 长轴垂直播向长轴垂直播向 固体介质固体介质 钢管、薄板探伤钢管、薄板探伤 短轴平行播向短轴平行播向板波板波 对称对称(S)型型 上下表面：椭圆运动上下表面：椭圆运动 中心：纵向振动中心：纵向振动 固体介质固体介质(波长薄板波长薄板)薄板薄壁管探伤薄板薄壁管探伤 非对称非对称(A)型上下表面：椭圆运动型上下表面：椭圆运动 中心：横向振动中心：横向振动主要特征量 周期、频率、波长、波速
20、为四个特征量。周期、频率、波长、波速为四个特征量。令波在一个周期令波在一个周期T T内所传播的路程为波长，用内所传播的路程为波长，用表示。根据频率表示。根据频率f f和波速和波速C C的的定义，四者关系如下：定义，四者关系如下： C=f=/T (1-4)C=f=/T (1-4) 波动每传播一个波长，波的相位就变化波动每传播一个波长，波的相位就变化/C=2/C=2，也即相隔整数倍波，也即相隔整数倍波长的各点是作同相位振动的。令长的各点是作同相位振动的。令k=/c=2k=/c=2/，k k称为波数，描述波动的常称为波数，描述波动的常用物理量。用物理量。四、波形波阵面的形状即波形。波阵面是指波动传播
21、过程中某一瞬时振动相位相同波阵面的形状即波形。波阵面是指波动传播过程中某一瞬时振动相位相同的所有质点联成的面。某一时刻，最前面的波阵面，也即该时刻波动到达的所有质点联成的面。某一时刻，最前面的波阵面，也即该时刻波动到达的空间所有的点的集合称为的空间所有的点的集合称为“波前波前”，这是波阵面的特例。波动传播方向，这是波阵面的特例。波动传播方向称为称为“波线波线”。 若按波阵面的形状来区分可把不同波源激发的超声波分为若按波阵面的形状来区分可把不同波源激发的超声波分为平面波、活塞波、球面波和柱面波等。平面波、活塞波、球面波和柱面波等。定义超声波从声源向四周围传播扩散的过程用波阵面描述。超声波从声源向
22、四周围传播扩散的过程用波阵面描述。波线波线：在无限大且各向同性的介质中振动向各方向传播，其传播方向用波：在无限大且各向同性的介质中振动向各方向传播，其传播方向用波线表示。线表示。波阵面波阵面：同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面。：同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面。波前波前：某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面。：某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面。(一)平面波具有相互平行平面状波阵面的超声波为平面波。平面波可以看成为一具有相互平行平面状波阵面的超声波为平面波。平面波可以看成为一个无限大的平面声源，在各向同性的弹性介质中作简谐振动所传播的个无限
23、大的平面声源，在各向同性的弹性介质中作简谐振动所传播的波动。平面波的波阵面与声源平面平行，且沿直线传播时具有良好的波动。平面波的波阵面与声源平面平行，且沿直线传播时具有良好的方向性。若无吸收，声压不随距离变化。理想的平面波是不存在的，方向性。若无吸收，声压不随距离变化。理想的平面波是不存在的，但如果但如果声源截面声源截面尺寸比它所产生的波长大得多时，该声源发射的声波尺寸比它所产生的波长大得多时，该声源发射的声波可近似地看作是指向一个方向的平面波。若不考虑介质的衰减，平面可近似地看作是指向一个方向的平面波。若不考虑介质的衰减，平面波声压不随声源距离的变化而变化波声压不随声源距离的变化而变化 。平
24、面波（二）球面波 具有同心球面状的波阵面的超声波称为球面波。球面波可以看成是点具有同心球面状的波阵面的超声波称为球面波。球面波可以看成是点状球体源在各向同性弹性介质中以相同的速度向四面传播声波所致。状球体源在各向同性弹性介质中以相同的速度向四面传播声波所致。球面波的波源为一点，它的波阵面为球面，见图球面波的波源为一点，它的波阵面为球面，见图2.2.7所示。所示。尺寸远尺寸远小于波长小于波长的点源在各向同性的介质中传播的波可视为球面波。球面波的点源在各向同性的介质中传播的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩散，当不考虑介质衰减时，球面波各质点的振幅与波束向四面八方扩散，当不考虑介质衰减时，球面
25、波各质点的振幅与距离成反比。离源的距离越远，点源的辐射面积也越大，单位面积上距离成反比。离源的距离越远，点源的辐射面积也越大，单位面积上的声能（即声强）就越小。即声强与距离平方成反比。的声能（即声强）就越小。即声强与距离平方成反比。球面波(三)柱面波 具有同轴圆柱面状的波阵面的超声波称为柱面波。柱面波可以看成是由具有具有同轴圆柱面状的波阵面的超声波称为柱面波。柱面波可以看成是由具有类似无限长细长柱体的形状的线源，在各向同性无限大介质中传播所致。类似无限长细长柱体的形状的线源，在各向同性无限大介质中传播所致。 理想的柱面波是不存在的，当线源长度远远大于波长、而理想的柱面波是不存在的，当线源长度远
26、远大于波长、而其径向尺寸其径向尺寸又比波又比波长小得多时，此柱形源产生的波动可看成柱面波。长小得多时，此柱形源产生的波动可看成柱面波。 柱面波小结一1、物理基础、物理基础1.1波动方程与超声特点波动方程与超声特点 Y=ACOS(2t/T+ )=ACOS(t+ ) 束射性束射性 反射性反射性 传播性传播性 波型转换波型转换1.2超声波传播超声波传播 波阵面和波形波阵面和波形 连续波和脉冲波连续波和脉冲波 驻波驻波 波型波型 声速声速 声强声强 声阻抗声阻抗 1.3超声波衰减超声波衰减 扩散扩散 散射散射 吸收吸收小结二2.1超声场超声场圆盘源纵波声场圆盘源纵波声场 指向性指向性(半扩散角，近场长
27、度，非扩散区半扩散角，近场长度，非扩散区)声压反射系数声压反射系数 (斜入射反射斜入射反射/折射折射临界角临界角)入射角等于反射角；纵波反射角大于横波反射角；液体气体无横波入射角等于反射角；纵波反射角大于横波反射角；液体气体无横波2.2回波声压和分贝差回波声压和分贝差条件条件 公式公式 例示例示计算法；试块法计算法；试块法不同规则反射体回波分贝差公式不同规则反射体回波分贝差公式小结三2.3超声波探伤仪超声波探伤仪模拟式模拟式数字式数字式测厚仪测厚仪2.4换能器与试块换能器与试块划分划分横波、纵波探头（直探头、斜探头）横波、纵波探头（直探头、斜探头）标准和对比试块（设计、制造和应用）标准和对比试
28、块（设计、制造和应用）DAC曲线制作和使用曲线制作和使用（适用性、可靠性、比较性等方面）（适用性、可靠性、比较性等方面）小结四3、焊缝超声波探伤、焊缝超声波探伤探测面准备；探测面准备；换能器选择；换能器选择；定位法定位法(水平、垂直、声程定位法水平、垂直、声程定位法)；定量法定量法(当量法；测长法当量法；测长法)；测长法测长法(半波高度法；端点峰值法半波高度法；端点峰值法)。 4 4、超声波探伤在钢构检测中的重要性、超声波探伤在钢构检测中的重要性非破坏性的手段非破坏性的手段质量安全的卫士质量安全的卫士复习要点一计算计算K2探头查铝焊缝求深度；焊缝探头查铝焊缝求深度；焊缝UT折射角范围；锻件探伤
29、计算法求缺陷当量；探折射角范围；锻件探伤计算法求缺陷当量；探头半扩散角；底波高度法调节仪器，求分贝数。头半扩散角；底波高度法调节仪器，求分贝数。思考思考为什么超声波会在工件中衰减？什么是第一、第二、第三临界角？什么时候纵为什么超声波会在工件中衰减？什么是第一、第二、第三临界角？什么时候纵波入射会产生横波全反射现象？超声检测底波高度法调节仪器应满足的条件是波入射会产生横波全反射现象？超声检测底波高度法调节仪器应满足的条件是什么？为什么超声纵波直探头在钢中近场长度比水中的短？什么？为什么超声纵波直探头在钢中近场长度比水中的短？复习要点二名词名词 UT原理；弹性介质；声阻抗；折射现象；原理；弹性介质
30、；声阻抗；折射现象； UT频率；声速；压电晶片；扫查盲区；频率；声速；压电晶片；扫查盲区；脉冲波；平面波球面波声压；声强；压电效应脉冲波；平面波球面波声压；声强；压电效应。概念概念 超声传播条件；不漏检措施；回波微弱；超声传播条件；不漏检措施；回波微弱；CSK-IA试块；半圆试块；试块；半圆试块；DAC(JB4730)； 声束近场长度；阻尼块；晶片厚度；水声束近场长度；阻尼块；晶片厚度；水/钢界面横波。钢界面横波。五、连续波和脉冲波根据波源振动的持续时间长短分类，波动主要有两种。根据波源振动的持续时间长短分类，波动主要有两种。随时间变化的方式：一种是连续波，另一种是脉冲波。波源振动连续且持随时
31、间变化的方式：一种是连续波，另一种是脉冲波。波源振动连续且持续时间为无穷的波动，形成连续波，如图所示；续时间为无穷的波动，形成连续波，如图所示；波源间隙振动，持续时间有限或很短波源间隙振动，持续时间有限或很短(通常为微秒数量级通常为微秒数量级)的波动，且间歇辐的波动，且间歇辐射或只在一段时间内有振幅的波动，形成脉冲波。射或只在一段时间内有振幅的波动，形成脉冲波。连续波图1-10a脉冲波图1-10b频谱分析超声检测最常用的是脉冲波。一个脉冲波可分解为多个不同频率的谐振波超声检测最常用的是脉冲波。一个脉冲波可分解为多个不同频率的谐振波的叠加。主要进行频谱分析。频谱特征量有峰值频率、频带宽度和中心频
32、的叠加。主要进行频谱分析。频谱特征量有峰值频率、频带宽度和中心频率。率。带宽带宽：峰值两侧幅度下降为峰值的一半时的两点频率值之间的频率范围。：峰值两侧幅度下降为峰值的一半时的两点频率值之间的频率范围。-6dB -3dB中心频率中心频率：峰值两侧幅度下降的两点频率值的算术平均值频率：峰值两侧幅度下降的两点频率值的算术平均值频率fc 。六、超声波的传播超声波传播的速度就是波动在单位时间内的传播距离，在声学中又称声速。超声波传播的速度就是波动在单位时间内的传播距离，在声学中又称声速。声速与传播介质的密度和弹性模量有关。在超声波检测中，声速是缺陷定声速与传播介质的密度和弹性模量有关。在超声波检测中，声
33、速是缺陷定位的基础。不同的波型具有不同的声速。位的基础。不同的波型具有不同的声速。( (一一) )无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的声速当介质尺寸远远大于超声波波长时，该传播介质就可以看成是无限大介质。当介质尺寸远远大于超声波波长时，该传播介质就可以看成是无限大介质。固体声速固体无限大弹性介质中纵波声速公式固体无限大弹性介质中纵波声速公式(1-8)(1-8)式中，式中，E E为介质的正弹性模量或杨氏模量；为介质密度；为介质的正弹性模量或杨氏模量；为介质密度；为介质的泊松比，为介质的泊松比，表示介质拉伸时横向相对缩短与相对伸长之比。表示介质拉伸时横向相对缩短与相对伸长之比。固体无限大弹性介
34、质中横波声速公式固体无限大弹性介质中横波声速公式(1-10)(1-10)式中，式中，G G为介质的剪切弹性模量，表示固体介质承受切应力与切应变之比。为介质的剪切弹性模量，表示固体介质承受切应力与切应变之比。声速比由于液体和气体的由于液体和气体的G=0，故，故Cs=0。固体无限大弹性介质中的表面波声速公。固体无限大弹性介质中的表面波声速公式式(1-11)纵波、横波和表面波均可在固态弹性介质中传播，不同波型的声速有较大纵波、横波和表面波均可在固态弹性介质中传播，不同波型的声速有较大差异。在同介质中，纵波与横波声速之比和表面波与横波声速之比为差异。在同介质中，纵波与横波声速之比和表面波与横波声速之比
35、为 CL：CS：CR =1.8：1.0：0.9 物理意义一1、固体无限大弹性介质中声速与杨氏、固体无限大弹性介质中声速与杨氏模量模量E或切变模量或切变模量G、介质密度有关。、介质密度有关。介质不同，声速不同。介质不同，声速不同。介质的弹性性能越强、即介质的弹性性能越强、即E或或G越大，越大，越小，则声速越小，则声速C越大；越大；如果频率相同，则在同介质中纵波波如果频率相同，则在同介质中纵波波长最长，横波次之，瑞利波长最短。长最长，横波次之，瑞利波长最短。物理意义二2、材料的泊松比取值范围为、材料的泊松比取值范围为0,1，同一介质中纵波声速大于横波声速。，同一介质中纵波声速大于横波声速。同样在同
36、一介质中传播时，纵波速度最快横波速度次之，表面波速度最同样在同一介质中传播时，纵波速度最快横波速度次之，表面波速度最慢，即慢，即CLCSCR。 由于缺陷检出能力和分辨能力均与波长有关，一般波长越短，检测灵敏度由于缺陷检出能力和分辨能力均与波长有关，一般波长越短，检测灵敏度越高。所以，纵波对缺陷的检出能力和分辨率要低于横波。越高。所以，纵波对缺陷的检出能力和分辨率要低于横波。物理意义三3、工程中采用的各种钢材，虽然不同种类的钢材的屈服极限、强度极限等、工程中采用的各种钢材，虽然不同种类的钢材的屈服极限、强度极限等力学性能相差很多，但它们的弹性模量力学性能相差很多，但它们的弹性模量E、密度和泊松比
37、相差不多，所以声、密度和泊松比相差不多，所以声速也相差不多。速也相差不多。以普通钢材的泊松比以普通钢材的泊松比0.28，代入公式，代入公式,可知钢中可知钢中Cl/Cs=1.8;Cr/Cs=0.92。钢。钢中纵波声速约为横波声速的中纵波声速约为横波声速的(1.8)2倍，瑞利波声速约为其横波声速的倍，瑞利波声速约为其横波声速的0.92倍。倍。这是超声波的一个重要性质，对于超声检测有其实际意义。这是超声波的一个重要性质，对于超声检测有其实际意义。 液体、气体介质中的声速液体、气体介质中的声速公式液体、气体介质中的声速公式 C=(B/) (1-9)由理想气体状态方程式推导出液体和气体介质中的纵波声速公
38、式。由理想气体状态方程式推导出液体和气体介质中的纵波声速公式。Ka为与为与材料泊松比、波型有关的常数。对于液体而言是体积弹性模量，对于气体材料泊松比、波型有关的常数。对于液体而言是体积弹性模量，对于气体是体积膨胀系数为温度的函数；是体积膨胀系数为温度的函数；为定压分子热容量和定容分子热容量的比为定压分子热容量和定容分子热容量的比值；值；R为气体常数；为气体常数；T为绝对温度；为绝对温度；为气体的分子量。为气体的分子量。声速随温度升高而降低在液体和气体中的纵波声速是容变弹性模在液体和气体中的纵波声速是容变弹性模量和密度的函数。弹性模量越大、密度越量和密度的函数。弹性模量越大、密度越小，声速就越大
39、。多数介质密度随温度升小，声速就越大。多数介质密度随温度升高，容变弹性模量减少，因而声速随温度高，容变弹性模量减少，因而声速随温度升高而降低。升高而降低。但是水例外，温度在但是水例外，温度在74C左右时声速最大，当温度低于左右时声速最大，当温度低于74C时，声速随时，声速随温度升高而增大；当温度高于温度升高而增大；当温度高于74C时，声速随温度升高而降低。时，声速随温度升高而降低。 不同温度下水中声速水浸法超声探伤以水为耦合介质，水中声速可由下式表示：水浸法超声探伤以水为耦合介质，水中声速可由下式表示：Cl=15570.0245(74-t)米米/秒秒 (1-12)式中式中t为水的温度为水的温度
40、(C)。不同温度下水中声速见表不同温度下水中声速见表1-2。 表表1-2 不同温度下水中声速不同温度下水中声速温度温度(C)10 20 30 40 50 60 70 80声速声速(m/s)14481483151015301544155215551554(二)波的叠加、干涉及驻波1 1、波的叠加现象、波的叠加现象在一个介质中某一点有几个声波在同一时刻到达时，该点的振动是各在一个介质中某一点有几个声波在同一时刻到达时，该点的振动是各个声波在该点所引起振动的合成，任一时刻该质点的位移是各个声波个声波在该点所引起振动的合成，任一时刻该质点的位移是各个声波在这一质点上引起位移的矢量和，这是声波叠加原理。
41、在这一质点上引起位移的矢量和，这是声波叠加原理。各列波相遇之后，每一个波仍保持自己原有的特性（频率、波长、振各列波相遇之后，每一个波仍保持自己原有的特性（频率、波长、振动方向等）不变，并按自己传播的方向继续前进，如同在各自的传播动方向等）不变，并按自己传播的方向继续前进，如同在各自的传播过途中没有遇到其他波一样，这说明波传播的独立性。因此，又称波过途中没有遇到其他波一样，这说明波传播的独立性。因此，又称波的独立性原理。的独立性原理。相干波源2、波的干涉波的干涉 当两列频率相同、振动方向相同、相位差恒定（特殊情况是相位相同）当两列频率相同、振动方向相同、相位差恒定（特殊情况是相位相同）的波动在介
42、质某些点相遇后，因为波动的叠加，会使一些点处的振动始终的波动在介质某些点相遇后，因为波动的叠加，会使一些点处的振动始终加强，而在另一些点处的振动始终减弱甚至完全抵消，这称为波的干涉现加强，而在另一些点处的振动始终减弱甚至完全抵消，这称为波的干涉现象。能够产生干涉现象的波称为相干波，其波源称为象。能够产生干涉现象的波称为相干波，其波源称为相干波源相干波源。驻波两个振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播叠加而成的波，两个振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播叠加而成的波，称为驻波。称为驻波。驻波是波的干涉的特例。驻波是波的干涉的特例。驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅为零处称为波节。相邻波腹
43、和波驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅为零处称为波节。相邻波腹和波节的距离为四分之一波长，其出现的位置取决于介质的声阻抗，两个节的距离为四分之一波长，其出现的位置取决于介质的声阻抗，两个相邻波腹或波节之间的距离为二分之一波长。相邻波腹或波节之间的距离为二分之一波长。超声波的传播方向上的介质厚度恰为二分之一波长整数倍时，就能产超声波的传播方向上的介质厚度恰为二分之一波长整数倍时，就能产生驻波现象。生驻波现象。 (三)惠更斯原理1 1、惠更斯原理惠更斯原理16901690年惠更斯在波动的起源和波动在弹性介质中传播的规律研究基础上，年惠更斯在波动的起源和波动在弹性介质中传播的规律研究基础上，得出通过障
44、碍物上小孔所形成新的波动与孔前的波动状态有关的结论。得出通过障碍物上小孔所形成新的波动与孔前的波动状态有关的结论。著名的惠更斯原理：介质中波动传到的各点都可以看作是发射子波的波源，著名的惠更斯原理：介质中波动传到的各点都可以看作是发射子波的波源，在其后的每一时刻，这些子波的包络就决定了新的波阵面。利用该原理，在其后的每一时刻，这些子波的包络就决定了新的波阵面。利用该原理，通过作图的方式来确定波前的几何形状和不同波源辐射的超声波的传播方通过作图的方式来确定波前的几何形状和不同波源辐射的超声波的传播方向。向。2、波的衍射波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物边缘改变波在传播过程中遇到
45、与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，称为波的衍射或波的绕射。方向继续前进的现象，称为波的衍射或波的绕射。根据惠更斯原理，缺陷边缘可看作是发射子波的波源，改变波的传播根据惠更斯原理，缺陷边缘可看作是发射子波的波源，改变波的传播方向，从而使缺陷背后的声影缩小，反射波降低。当障碍物尺寸小于方向，从而使缺陷背后的声影缩小，反射波降低。当障碍物尺寸小于波长时，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检。反之，障波长时，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检。反之，障碍物尺寸大于波长，则反射强，绕射弱，声波几乎全反射。碍物尺寸大于波长，则反射强，绕射弱，声波几乎全反射。对探伤
46、是有利：波的绕射使超声波能顺利地绕过晶粒在介质中传播。对探伤是有利：波的绕射使超声波能顺利地绕过晶粒在介质中传播。不利：会使小缺陷回波显著下降，易漏检。不利：会使小缺陷回波显著下降，易漏检。七、超声场的特征值超声场：超声场：充满超声波的空间；充满超声波的空间；超声波：超声波：在在NDT领域，用电脉冲激励超声换能器的压电晶片，使其产生机械振动，这领域，用电脉冲激励超声换能器的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动形成的波动，在与其接触的弹性介质中传播，产生超声波。种振动形成的波动，在与其接触的弹性介质中传播，产生超声波。较为完整的概念定义：超声波及其在传播过程中所占据的空间称为超声场。较为完整的概
47、念定义：超声波及其在传播过程中所占据的空间称为超声场。超声场的特征值：声压、声强和声阻抗等。超声场的特征值：声压、声强和声阻抗等。 (一)声压P在介质中，无超声波传播时介质质点也会有压强。如比重为在介质中，无超声波传播时介质质点也会有压强。如比重为 的液体的液体介质中，液面下介质中，液面下h处，会有压强处，会有压强P0h 。这称为静压强。这称为静压强。声压是声波传播过程中介质质点在交变振动的某一瞬时所受压强声压是声波传播过程中介质质点在交变振动的某一瞬时所受压强P1与与静压强静压强P0之差即之差即 P=P1- P0声压是声波传播过程中所形成的附加压强，它相对于无超声波传播时声压是声波传播过程中
48、所形成的附加压强，它相对于无超声波传播时介质质点的静压强而言。声压的单位是帕斯卡。介质质点的静压强而言。声压的单位是帕斯卡。 声压幅值通常把声压振幅简称为通常把声压振幅简称为“声压声压”，并使它与，并使它与A型脉冲反射式探伤仪示波屏上型脉冲反射式探伤仪示波屏上回波高度建立一定的线性关系，通过比较不同反射体的回波高度比较其声回波高度建立一定的线性关系，通过比较不同反射体的回波高度比较其声压。压。由由P= c v可知，介质中某点的声压幅值与介质密度、声速和质点振动速度可知，介质中某点的声压幅值与介质密度、声速和质点振动速度v成正比。成正比。 (二)声强定义单位时间内在垂直于声波传播方向的单位面积上
49、所通过的声能量定义单位时间内在垂直于声波传播方向的单位面积上所通过的声能量为声强。为声强。声强也称声强度，以声强也称声强度，以“I”表示。表示。对于简谐波也常将一周期中能流密度的平均值作为声强。对于简谐波也常将一周期中能流密度的平均值作为声强。平均声强与频率的平方成正比。声强的单位为瓦每平方米。平均声强与频率的平方成正比。声强的单位为瓦每平方米。 分贝声强级声强级 = lg(I= lg(I1 1/I/I2 2 ) ) 声强级的单位为贝尔声强级的单位为贝尔(Bel)(Bel)。工程上因为贝尔的单位比较大，应用时将其缩。工程上因为贝尔的单位比较大，应用时将其缩小小1010倍后以分贝为单位，用符号倍
50、后以分贝为单位，用符号dBdB表示：表示： =10lg(I=10lg(I1 1/I/I2 2 ) )声强级通常说某处的噪声为多少分贝，就是相对标准声强而言。各种声音和超声通常说某处的噪声为多少分贝，就是相对标准声强而言。各种声音和超声波分贝值如树叶沙沙声约波分贝值如树叶沙沙声约10dB；说话声约；说话声约50dB；大炮声约；大炮声约100dB；超声波；超声波为为200dB等。等。待定声强与标准声强之比的常用对数就是声强的声强级。待定声强与标准声强之比的常用对数就是声强的声强级。 回波声压和波高当超声波探伤仪具有较好的放大线性当超声波探伤仪具有较好的放大线性(垂直线性垂直线性)时，两个反射体的回
