1、2022-6-101第一章第一章 超声波检测超声波检测无损检测无损检测2022-6-102 1）超声检测的基础知识）超声检测的基础知识 2）超声场及介质的声参量简介）超声场及介质的声参量简介 3）超声波在介质中的传播特性）超声波在介质中的传播特性 4）由圆形压电晶片产生的声场简介（活塞源声场）由圆形压电晶片产生的声场简介（活塞源声场） 5）超声波检测方法）超声波检测方法 6）超声检测技术的应用）超声检测技术的应用第一章第一章 主要内容主要内容2022-6-103第第1.11.1节节 超声检测的基础知识超声检测的基础知识 一、声波的分类一、声波的分类 二、超声波的特点二、超声波的特点 三、超声波
2、的类型三、超声波的类型 2022-6-104第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测一、声波的分类一、声波的分类2022-6-105第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测一、声波的分类一、声波的分类 次声波、声波、超声波的划分次声波、声波、超声波的划分： 三者是在弹性介质中传播的机械波（机械波是机械振动三者是在弹性介质中传播的机械波（机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程）。在同一介质中的传播速度相同，在弹性介质中的传播过程）。在同一介质中的传播速度相同，主要区别在于频率不同主要区别在于频率不同次声波次声波 20000 Hz 不可闻不可闻 利用声响来检测物体的好坏早已被人们采用。如拍西瓜
3、，敲敲瓷碗是利用声响来检测物体的好坏早已被人们采用。如拍西瓜，敲敲瓷碗是否坏了，这些只能定性不能定量，以经验为主，不准确。否坏了，这些只能定性不能定量，以经验为主，不准确。2022-6-106第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测二、超声波的特点二、超声波的特点 超声波是超声振动在介质中的传播，超声波是超声振动在介质中的传播，超声波是在弹性介质中传播的机超声波是在弹性介质中传播的机械波。与声波和次声波在弹性介质中的传播类同，区别在于超声波的频率械波。与声波和次声波在弹性介质中的传播类同，区别在于超声波的频率高于高于20 kHz。 超声波的波长短，超声波的波长短，由此决定了超声波具有一些重要
4、的特性，使其能广由此决定了超声波具有一些重要的特性，使其能广泛用于无损探伤。泛用于无损探伤。工业超声检测常用的工作频率为工业超声检测常用的工作频率为0.510 MHz。较高的频率较高的频率主要用于细晶材料和高灵敏度检测，而主要用于细晶材料和高灵敏度检测，而较低的频率较低的频率则常用则常用于衰减较大和粗晶材料的检测。于衰减较大和粗晶材料的检测。有些特殊要求的检测工作，往往首先对超声波的频率作出选择，如有些特殊要求的检测工作，往往首先对超声波的频率作出选择，如 粗晶材料的超声检测常选用粗晶材料的超声检测常选用1 MHz以下的工作频率，以下的工作频率， 金属陶瓷等超细晶材料的检测，其频率选择可达金属
5、陶瓷等超细晶材料的检测，其频率选择可达10200 MHz，甚至更，甚至更高。高。l 超声波检测主要用于检测试件的超声波检测主要用于检测试件的内部面积型缺陷内部面积型缺陷。2022-6-107第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测二、超声波的特点二、超声波的特点 超声波用于无损检测是由其特性决定的：超声波用于无损检测是由其特性决定的：1）超声波的方向性好；）超声波的方向性好；超声波具有像光波一样良好的方向性，经过专门超声波具有像光波一样良好的方向性，经过专门的设计的设计可以定向发射，可以定向发射，犹如手电筒的灯光可以在黑暗中帮助人的眼睛探寻犹如手电筒的灯光可以在黑暗中帮助人的眼睛探寻物体一样
6、，利用超声波可在被检对象中进行有效的探测。物体一样，利用超声波可在被检对象中进行有效的探测。2）超声波的穿透能力强，因其传播能量损失小，传播距离大。）超声波的穿透能力强，因其传播能量损失小，传播距离大。对于大多对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。力可达数米。3超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于）超声波超声波的能量远大于）超声波的能量高；声波的能量。的能量高；声波的能量。研究表明，材料的声速、声衰减、声阻抗等特性研究表明，材料的声
7、速、声衰减、声阻抗等特性携带有丰富的信息，并且成为广泛应用超声波的基础。携带有丰富的信息，并且成为广泛应用超声波的基础。2022-6-108第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测二、超声波的特点二、超声波的特点 超声波用于无损检测是由其特性决定的：超声波用于无损检测是由其特性决定的：4）遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的转换；）遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的转换；人们利用超声人们利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高，这也是超声检测得以迅速发展的原
8、因。活性、精确度得以大幅度提高，这也是超声检测得以迅速发展的原因。5）波长短；小的缺陷也能够较好的反射。）波长短；小的缺陷也能够较好的反射。6）距离的分辨能力好，缺陷的分辨率高。）距离的分辨能力好，缺陷的分辨率高。7）对人体无害。）对人体无害。2022-6-109第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测二、超声波的特点二、超声波的特点 次声波的应用：次声波的应用： 次声波次声波频率低，波长很长，绕射能力强，传播衰减小，距离远，在大频率低，波长很长，绕射能力强，传播衰减小，距离远，在大自然的许多活动中伴随着次声波的发生，如地震，台风，火山爆发，核爆自然的许多活动中伴随着次声波的发生，如地震，台
9、风，火山爆发，核爆炸，火箭起飞等。炸，火箭起飞等。 次声波次声波近似平面波，沿着与地球表面平行的方向传播。次声波在气象近似平面波，沿着与地球表面平行的方向传播。次声波在气象学，海洋学，地震学和地质勘探等方面有很多应用。学，海洋学，地震学和地质勘探等方面有很多应用。2022-6-1010第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测三、超声波的分类三、超声波的分类 （一）描述超声波的基本物理量（一）描述超声波的基本物理量1、声速、声速 单位时间内，超声波在介质中传播的距离，称为声速。用单位时间内，超声波在介质中传播的距离，称为声速。用“c”表示。表示。2022-6-1011第第1.11.1节节 超声
10、波检测超声波检测三、超声波的分类三、超声波的分类 （一）描述超声波的基本物理量（一）描述超声波的基本物理量1、声速、声速 单位时间内，超声波在介质中传播的距离，称为声速。用单位时间内，超声波在介质中传播的距离，称为声速。用“c”表示。表示。2、频率、频率 单位时间内，超声波在介质中任一给定点所通过完整波的个数，称为单位时间内，超声波在介质中任一给定点所通过完整波的个数，称为频率。用频率。用“ f ”表示。表示。3、波长、波长 声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点之间的距离，称声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点之间的距离，称为波长。用为波长。用“”表示。表示。2022-6-
11、1012第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测三、超声波的分类三、超声波的分类 （一）描述超声波的基本物理量（一）描述超声波的基本物理量4、周期、周期 声波向前传播一个波长距离时所需的时间，称为周期。用声波向前传播一个波长距离时所需的时间，称为周期。用“ T ”表示。表示。5、角频率、角频率 用用“”表示，定义表示，定义 = 2f。T = 1/f = /c = 2/2022-6-1013第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测三、超声波的分类三、超声波的分类 （一）描述超声波的基本物理量（一）描述超声波的基本物理量2022-6-1014第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测三、超声波
12、的分类三、超声波的分类 （二）超声波的分类（二）超声波的分类 根据超声波波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的关根据超声波波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的关系，可将超声波分为系，可将超声波分为纵波纵波、横波横波、表面波表面波、板波板波等。等。2022-6-1015第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 （二）超声波的分类（二）超声波的分类1、纵波纵波L（Longitudinal wave）（）（a compressional wave） 介质中介质中质点的振动方向与波的传播方向质点的振动方向与波的传播方向相同相同的波叫做的波叫做纵波纵波。介质质点。介质质点在在交变
13、拉压应力交变拉压应力的作用下，质点之间产生相应的的作用下，质点之间产生相应的伸缩变形伸缩变形，从而形成了纵，从而形成了纵波。纵波传播时，介质的质点疏密相间，所以纵波有时又被称为压缩波或波。纵波传播时，介质的质点疏密相间，所以纵波有时又被称为压缩波或疏密波。疏密波。固体介质固体介质可以承受拉压应力的作用，因而可以传播纵波，可以承受拉压应力的作用，因而可以传播纵波，液体和气体虽然不能承受拉应力，液体和气体虽然不能承受拉应力，但在压应力的作用下产生但在压应力的作用下产生容积的变化容积的变化，因而因而液体和气体液体和气体也也可以传播纵波可以传播纵波。 垂直探头垂直探头产生产生图图1-1 纵波纵波202
14、2-6-1016第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 （二）超声波的分类（二）超声波的分类2、横波横波S(T)（ Shear waves 、 transverse waves ） 介质中介质中质点的振动方向与波的传播方向质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的互相垂直的波称为波称为横波横波。 横波的形成是由于介质质点受到横波的形成是由于介质质点受到交变切应力交变切应力作用时，产生了作用时，产生了切变形变切变形变，所以横波又叫作切变波。液体和气体介质不能承受切应力，只有固体介质所以横波又叫作切变波。液体和气体介质不能承受切应力，只有固体介质能够承受切变应力，因而能够承受切变应力，因而横波横波
15、只能在只能在固体介质中传播，不能在液体和气体固体介质中传播，不能在液体和气体中传播。中传播。 斜探头斜探头产生产生图图1-2 横波横波2022-6-1017第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 （二）超声波的分类（二）超声波的分类3、表面波表面波R（Rayleigh waves、Stonely waves） 当超声波在当超声波在固体介质固体介质中传播时，对于有限介质而言，有一种中传播时，对于有限介质而言，有一种沿介质表沿介质表面传播面传播的波叫做的波叫做表面波。表面波。 超声波在介质表面以表面波的形式传播时，介质表面的质点做超声波在介质表面以表面波的形式传播时，介质表面的质点做椭圆椭圆运
16、动运动，椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向，介质，椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向，介质质点的椭圆振动可视为纵波与横波的合成。质点的椭圆振动可视为纵波与横波的合成。表面波同横波一样只能在固体表面波同横波一样只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。 表面波的能量随着在介质中的传播深度的增加而迅速降低，其有效透表面波的能量随着在介质中的传播深度的增加而迅速降低，其有效透入深度大约为入深度大约为一个波长一个波长。图图1-3 表面波表面波2022-6-1018第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 （二）超声波
17、的分类（二）超声波的分类4、板波板波（Plate waves） 在在板厚和波长相当的弹性薄板中板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波，称为传播的超声波，称为板波板波。板波传播。板波传播时薄板的两表面和板中间的质点都在振动，声场遍及整个板的厚度。薄板时薄板的两表面和板中间的质点都在振动，声场遍及整个板的厚度。薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合。质点振动的轨迹为一椭圆，在薄两表面质点的振动为纵波和横波的组合。质点振动的轨迹为一椭圆，在薄板的中间也有超声波传播。板的中间也有超声波传播。 根据质点的振动方向不同可将板波分为根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和波和Lamb波。波。 2022-6
18、-1019第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 （二）超声波的分类（二）超声波的分类4、板波（、板波（Plate waves）1）SH波波 是水平偏振的是水平偏振的横波横波在薄板中传播的波，薄板中在薄板中传播的波，薄板中各质点的振动方向平行各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向于板面而垂直于波的传播方向，相当于，相当于固体介质表面中的横波固体介质表面中的横波。2）Lamb波波 Lamb波分为对称型（波分为对称型（S型）板波和非对称型（型）板波和非对称型（A型）板波，如图所示。型）板波，如图所示。 S型型Lamb波：薄板两面有波：薄板两面有纵波和横波纵波和横波成分组合的波传播，质点
19、的振动成分组合的波传播，质点的振动轨迹为椭圆。薄板两面质点的轨迹为椭圆。薄板两面质点的振动相位相反振动相位相反，而薄板中部质点以，而薄板中部质点以纵波纵波形式形式振动和传播。振动和传播。 A型型Lamb波：薄板两面质点的波：薄板两面质点的振动相位相同振动相位相同，质点振动轨迹为椭圆，质点振动轨迹为椭圆，薄板中部的质点以薄板中部的质点以横波横波形式振动和传播。形式振动和传播。 图图1-4 板波板波 a)对称型；对称型；b)非对称型非对称型2022-6-1020第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 各种超声波的归类各种超声波的归类 波的类型波的类型质点的振动特点质点的振动特点传播介质传播介质
20、应用应用纵波纵波质点的振动方向质点的振动方向平行于平行于波波的传播方向的传播方向固、液、气固、液、气钢板、锻件探伤钢板、锻件探伤横波横波质点的振动方向质点的振动方向垂直于垂直于波波的传播方向的传播方向固体固体焊缝、钢管探伤焊缝、钢管探伤表面波表面波质点做椭圆运动，椭圆运质点做椭圆运动，椭圆运动的长轴动的长轴垂直于垂直于波的传播波的传播方向，短轴方向，短轴平行于平行于波的传波的传播方向播方向固体固体钢管探伤钢管探伤板波板波S型型上下表面质点做椭圆运动上下表面质点做椭圆运动且质点振动相位相反且质点振动相位相反中心质点做中心质点做纵波传播纵波传播固体固体（厚度相当（厚度相当于波长）于波长）薄板、薄壁
21、钢管薄板、薄壁钢管 6 mmA型型上下表面质点做椭圆运动上下表面质点做椭圆运动且质点振动相位相同且质点振动相位相同中心质点做中心质点做横波传播横波传播2022-6-1021第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 （二）超声波的分类（二）超声波的分类超声波按波的形状分类：超声波按波的形状分类：1、平面波；、平面波；2、柱面波；、柱面波；3、球面波。、球面波。定义：定义： 1、波的形状（波形）波的形状（波形）：波阵面的形状。：波阵面的形状。2、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。3、波前波前：某一时刻，波动所到达的
22、空间各点所联成的面。：某一时刻，波动所到达的空间各点所联成的面。4、波线波线：波的传播方向。：波的传播方向。 2022-6-1022第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 （二）超声波的分类（二）超声波的分类超声波按波的形状分类：超声波按波的形状分类：1、平面波；、平面波；2、柱面波；、柱面波；3、球面波。、球面波。图1-5 波线、 波前与波阵面(a) 平面波； (b) 柱面波； (c) 球面波 2022-6-1023第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 （二）超声波的分类（二）超声波的分类超声波按波的形状分类：超声波按波的形状分类：1、平面波；、平面波；2、柱面波；、柱面波；3、球
23、面波。、球面波。1、平面波、平面波 波阵面为波阵面为互相平行的平面互相平行的平面的波称为的波称为平面波平面波。尺寸远大于波长尺寸远大于波长的的刚性平面波源刚性平面波源在在各向同性的均匀介质各向同性的均匀介质中辐射的波可视为中辐射的波可视为平面波。平面波。平面波波束不扩散平面波波束不扩散，平面波各质点振幅是一个常数，不随距离变，平面波各质点振幅是一个常数，不随距离变化。化。 平面波的波动方程为：平面波的波动方程为： )(coscxtAy2022-6-1024第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 （二）超声波的分类（二）超声波的分类超声波按波的形状分类：超声波按波的形状分类：1、平面波；、平
24、面波；2、柱面波；、柱面波；3、球面波。、球面波。2、柱面波、柱面波 波阵面为波阵面为同轴圆柱面的波同轴圆柱面的波称为称为柱面波柱面波。 长度远大于波长长度远大于波长的的线状波源线状波源在在各向同性各向同性的介质中辐射的波可视为柱面的介质中辐射的波可视为柱面波，柱面波束向波，柱面波束向四周扩散四周扩散，各质点，各质点振幅与距离平方根成反比振幅与距离平方根成反比。 柱面波的波动方程为：柱面波的波动方程为： )(coscxtxAy2022-6-1025第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 （二）超声波的分类（二）超声波的分类超声波按波的形状分类：超声波按波的形状分类：1、平面波；、平面波；2
25、、柱面波；、柱面波；3、球面波。、球面波。3、球面波、球面波 波阵面为波阵面为同心球面同心球面的波称为的波称为球面波球面波。 尺寸远小于波长尺寸远小于波长的的点波源点波源在在各向同性各向同性的介质中辐射的波可视为球面波。的介质中辐射的波可视为球面波。球面波波束向球面波波束向四周扩散四周扩散，各质点振幅与距离成反比各质点振幅与距离成反比。 球面波的波动方程为：球面波的波动方程为： 实际应用的超声波探头中的波源近似活塞振动，称为实际应用的超声波探头中的波源近似活塞振动，称为活塞波活塞波。当与。当与波源的距离足够大时，活塞波类似于球面波。波源的距离足够大时，活塞波类似于球面波。)(coscxtxAy
26、2022-6-1026第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 （二）超声波的分类（二）超声波的分类超声波按振动持续的时间分类：超声波按振动持续的时间分类：1、连续波；、连续波；2、脉冲波。、脉冲波。1、连续波、连续波 波源波源持续不断持续不断地振动所辐射的波称为地振动所辐射的波称为连续波连续波。2、脉冲波、脉冲波 波源振动波源振动持续时间很短持续时间很短（通常是微秒数量级），间歇辐射的波称为（通常是微秒数量级），间歇辐射的波称为脉脉冲波冲波，应用最为广泛。，应用最为广泛。2022-6-1027第第1.11.1节节 超声波检测超声波检测 （三）超声波的产生与接收（三）超声波的产生与接收超声波
27、的产生：是逆压电效应过程。超声波的产生：是逆压电效应过程。 将压电材料切成在一定频率下发生共振的晶片，将晶片两面镀上银作将压电材料切成在一定频率下发生共振的晶片，将晶片两面镀上银作为电极，把高频电压加到这两个电极上，晶片就在厚度方向上发生伸缩振为电极，把高频电压加到这两个电极上，晶片就在厚度方向上发生伸缩振动，其振动频率与高频电压的频率相同，这种振动就是超声波。动，其振动频率与高频电压的频率相同，这种振动就是超声波。 超声波探伤中，常使用同一晶片，即作反射又作接收。超声波探伤中，常使用同一晶片，即作反射又作接收。2022-6-1028第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的
28、声参量简介 一、描述超声场的物理量一、描述超声场的物理量（一）声压（一）声压p（二）声强（二）声强I（三）分贝和奈培的概念（三）分贝和奈培的概念二、介质的声参量二、介质的声参量（一）声阻抗（一）声阻抗（二）声速（二）声速（三）声衰减系数（三）声衰减系数2022-6-1029第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 充满超声波的空间，或在介质中超声振动所波及质点占据充满超声波的空间，或在介质中超声振动所波及质点占据的范围叫的范围叫超声场。超声场。 为了描述超声波声场，常用为了描述超声波声场，常用声压、声强、声阻抗、质点声压、声强、声阻抗、质点振动位移振动位移和和质点
29、振动速度质点振动速度等物理量。等物理量。一、描述超声场的物理量一、描述超声场的物理量2022-6-1030第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 （一）声压（一）声压 p 超声场中超声场中某一点在某一瞬间所具有的某一点在某一瞬间所具有的压强压强 p1，与，与没有超声场没有超声场存在时同存在时同一点的一点的静态压强静态压强 p0 之之差差叫做该点的叫做该点的声压声压，常用，常用 p 表示。表示。p = p1 - p0，单位为，单位为帕帕帕斯卡帕斯卡，记做，记做Pa（1 Pa = 1 N/m2）。）。 介质的密度，介质的密度，c介质中的波速，介质中的波速， 介质中质
30、点振动的介质中质点振动的圆圆(角角)频率频率（ = 2f），）， A质点振动的振幅，质点振动的振幅， A质点振动的速度振幅（质点振动的速度振幅（V = A），）， t时间，时间，x至波源的距离。至波源的距离。cos ()c2xpcAt2022-6-1031第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 （一）声压（一）声压 p且有：且有：pm= cA式中，式中，pm声压的极大值。声压的极大值。 可见，可见，声压的绝对值声压的绝对值与与波速波速、质点振动的、质点振动的速度振幅速度振幅（或角频率）成正（或角频率）成正比。因超声波的频率高，所以超声波比声波的声压大。比。因超声
31、波的频率高，所以超声波比声波的声压大。 超声波探伤仪示波屏上，波高与声压成正比。在超声检测中，声压值超声波探伤仪示波屏上，波高与声压成正比。在超声检测中，声压值反映缺陷的大小。反映缺陷的大小。一、描述超声场的物理量一、描述超声场的物理量2022-6-1032第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 （二）声强（二）声强 I 在超声波传播的方向上，在超声波传播的方向上，单位时间单位时间内介质中内介质中单位截面单位截面上的上的声能声能叫做叫做声声强强，常用，常用 I 表示。表示。I 单位为单位为W/cm2或或J/(cm2s)。 现在以现在以纵波纵波在均匀的在均匀的各向
32、同性各向同性的的固体介质固体介质中的传播为例，可得平面波中的传播为例，可得平面波传播：传播：可见，可见，1、超声波的、超声波的声强声强正比于质点正比于质点振动位移振幅的平方振动位移振幅的平方，正比于，正比于质点振质点振动角频率的平方动角频率的平方，还正比于，还正比于质点振动速度振幅的平方质点振动速度振幅的平方。由于超声波的频率。由于超声波的频率高，其强度（能量）远远大于可闻声波的强度，这是超声波能用于探伤的高，其强度（能量）远远大于可闻声波的强度，这是超声波能用于探伤的重要原因。例如重要原因。例如 1 MHz 声波的能量等于声波的能量等于100 kHz声波能量的声波能量的100倍；大炮倍；大炮
33、的声强为的声强为10-4 W/cm2，已经震耳欲聋，而超声波的声强可达，已经震耳欲聋，而超声波的声强可达105 W/cm2，等，等于大炮的于大炮的109倍。倍。 2、在同一介质中，超声波的、在同一介质中，超声波的声强声强与与声压的平方声压的平方成正比。成正比。22222112121mmcVcpcAI2022-6-1033第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 （三）分贝和奈培的概念（三）分贝和奈培的概念 听觉的声强范围为听觉的声强范围为10-1610-14 W/cm2，将，将 I0 = 10-16 W/cm2 定义为定义为声强声强标准标准，在声学上称为，在声学上
34、称为“闻阈闻阈yu”，即，即 f = 1000 Hz 时引起人耳听觉的声强最时引起人耳听觉的声强最小值。将某一声强小值。将某一声强 I 与标准声强与标准声强 I0 之比之比 I/I0 取常用对数取常用对数得到二者相差的数得到二者相差的数量级，称为量级，称为声强级声强级，用，用“IL”表示，单位表示，单位贝尔贝尔（BeL）。）。即：即：IL = lg(I/I0) 实际应用的贝尔单位太大，常用实际应用的贝尔单位太大，常用分贝分贝（dB）作为声强级别的单位。超）作为声强级别的单位。超声波的幅度或强度比值亦用相同方法，即声波的幅度或强度比值亦用相同方法，即分贝分贝（dB）来表示，并定义为：）来表示，并
35、定义为：(p2/p1) = 20lg(p2/p1) （dB）因为因为声强声强与与声压的平方声压的平方成正比，如果成正比，如果I1和和I2与与p1和和p2相对应，那么相对应，那么(I2/I1) = 10lg(I2/I1) （dB）2022-6-1034第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 （三）分贝和奈培的概念（三）分贝和奈培的概念 目前市售的放大线性良好的超声波探伤仪，其示波屏上目前市售的放大线性良好的超声波探伤仪，其示波屏上波高波高与与声压声压成成正比，即荧光屏上同一点的任意两个波高之比（正比，即荧光屏上同一点的任意两个波高之比（H2/H1）等于相应的声压）
36、等于相应的声压之比（之比（p2/p1），二者的分贝差（），二者的分贝差（dB）为：）为：若对若对(H1/H2)或或(p1/p2)取自然对数，其单位则为取自然对数，其单位则为奈培奈培（NP）：）：令（令（H1/H2）=（p1/p2）= e ，得，得1 NP = 8.86 dB1 dB = 0.115 NP 在实际检测时，可采用上述公式计算超声波探伤仪的示波屏上任意两在实际检测时，可采用上述公式计算超声波探伤仪的示波屏上任意两个波高的分贝差。个波高的分贝差。2121lg20lg20HHpp2121lnlnppHH2022-6-1035第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参
37、量简介 （三）分贝和奈培的概念（三）分贝和奈培的概念2022-6-1036第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 无损检测领域中，超声检测技术的应用和研究工作非常活跃。声波在无损检测领域中，超声检测技术的应用和研究工作非常活跃。声波在介质中的传播是由其声学参量（包括声速、声阻抗、声衰减系数等）决定介质中的传播是由其声学参量（包括声速、声阻抗、声衰减系数等）决定的，因而深入分析研究介质的声参量具有重要的意义。的，因而深入分析研究介质的声参量具有重要的意义。（一）声阻抗（一）声阻抗 超声波在介质中传播时，任一点的超声波在介质中传播时，任一点的声压声压 p 与与该点速
38、度振幅该点速度振幅 V 之比叫之比叫声声阻抗阻抗，常用，常用 Z 表示。单位：表示。单位：g/(cm2s)；kg/(cm2s)。 声阻抗声阻抗表示声场中介质对质点振动的表示声场中介质对质点振动的阻碍阻碍作用。在同一声压下，介质作用。在同一声压下，介质的声阻抗愈大，质点的振动速度就愈小。的声阻抗愈大，质点的振动速度就愈小。二、介质的声参量二、介质的声参量VpZ 2022-6-1037第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 （一）声阻抗（一）声阻抗 Z = c，这仅是声阻抗与介质的密度和声速之间的数值关系，绝非物，这仅是声阻抗与介质的密度和声速之间的数值关系，绝非物
39、理学表达式。同是固体介质（或液体介质）时，介质不同其声阻抗不同。理学表达式。同是固体介质（或液体介质）时，介质不同其声阻抗不同。同一种介质中，若波型不同，则同一种介质中，若波型不同，则 Z 值也不同。当超声波由一种介质传入另值也不同。当超声波由一种介质传入另一种介质，或是从介质的界面上反射时，主要取决于这两种介质的一种介质，或是从介质的界面上反射时，主要取决于这两种介质的声阻抗声阻抗。 在所有传声介质中，气体、液体和固体的在所有传声介质中，气体、液体和固体的 Z 值相差越大，通常认为气值相差越大，通常认为气体的密度约为液体密度的千分之一，为固体密度的万分之一。实验证明，体的密度约为液体密度的千
40、分之一，为固体密度的万分之一。实验证明，气体、液体与金属之间特性声阻抗之比接近于气体、液体与金属之间特性声阻抗之比接近于1:3000:8000。二、介质的声参量二、介质的声参量VpZ 2022-6-1038第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 （二）声速（二）声速 声波在介质中传播的速度称为声波在介质中传播的速度称为声速声速，常用，常用 c 表示。在同一介质中，超表示。在同一介质中，超声波的波型不同，其传播速度亦不相同，超声波的声速还取决于介质的特声波的波型不同，其传播速度亦不相同，超声波的声速还取决于介质的特性（如密度、弹性模量等）。性（如密度、弹性模量等）
41、。 2022-6-1039第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 （二）声速（二）声速 声速声速又可分为又可分为相速度相速度与与群速度群速度：1）相速度相速度：是指声波传播到介质的某一选定的相位点时，在传播方向上：是指声波传播到介质的某一选定的相位点时，在传播方向上的声速。的声速。2）群速度群速度：是指传播声波的多个相差不多的频率的波在同一介质中传播：是指传播声波的多个相差不多的频率的波在同一介质中传播时互相合成的包络上的特征点的传播速度。群速度是波群的能量传播速度，时互相合成的包络上的特征点的传播速度。群速度是波群的能量传播速度，在非频散介质中，群速度等于相速
42、度。在非频散介质中，群速度等于相速度。 若相速不仅依赖于介质的物理性质，还依赖于波数，这种波称为频散若相速不仅依赖于介质的物理性质，还依赖于波数，这种波称为频散波，并称介质为波，并称介质为频散介质频散介质。若相速仅依赖于介质的物理性质，不依赖于波。若相速仅依赖于介质的物理性质，不依赖于波数，这种波称为非频散波，并称介质为数，这种波称为非频散波，并称介质为非频散介质非频散介质。 从理论上讲，声速应按照一定的方程式，并根据介质的弹性系数和从理论上讲，声速应按照一定的方程式，并根据介质的弹性系数和密度来计算，声速的一般表达式为：密度来计算，声速的一般表达式为：弹性率/密度声速 2022-6-1040
43、第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 （二）声速（二）声速 下面分别介绍几种介质中，不同波型的声波的下面分别介绍几种介质中，不同波型的声波的声速声速：1）液体中的声速液体中的声速 在液体介质中只能传播纵波，液体中的纵波声速为：在液体介质中只能传播纵波，液体中的纵波声速为：式中，式中，cL 纵波声速，纵波声速，K 介质的体积弹性模量，介质的体积弹性模量， 介质的密度。介质的密度。/KcL2022-6-1041第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 （二）声速（二）声速2）无限固体介质中的纵波声速无限固体介质中的纵波声速cL 式中，
44、式中，E 介质的杨氏模量，介质的杨氏模量， 介质的泊松比。介质的泊松比。3）无限固体介质中的横波波速无限固体介质中的横波波速cS ：式中，式中，G 介质的切变模量。介质的切变模量。 无限大固体介质无限大固体介质是相对于波长而言的，当介质尺寸远大于波长时，就是相对于波长而言的，当介质尺寸远大于波长时，就可以视为无限大介质。可以视为无限大介质。)1 (2EGcS)21)(1 ()1 (EcL2022-6-1042第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 （二）声速（二）声速4）半无限固体介质中，当介质的泊松比）半无限固体介质中，当介质的泊松比在在0 cS时，公式中将出
45、现多个根值，这说明介质中出现了高次形式的板时，公式中将出现多个根值，这说明介质中出现了高次形式的板波。当板厚远远大于声波的波长时，板波声速变为表面波（瑞利波）的声波。当板厚远远大于声波的波长时，板波声速变为表面波（瑞利波）的声速（即速（即cp cr）。）。SLSpLpspRRRcRfdcRfdc4)1 ()/(tanh)/(tanh2221)1 (4)/(tanh)/(tanhSSLpLpspRRRcRfdcRfdc2/1/1 SpSccR2/1/1 LpLccR2022-6-1044第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 超声波在介质中传播时，随着超声波在介质
46、中传播时，随着传播距离的增加传播距离的增加，能量逐渐减弱能量逐渐减弱的现象的现象叫做叫做超声波的衰减超声波的衰减。 在传声介质中，在传声介质中，单位距离单位距离内某一频率下声波内某一频率下声波能量的衰减值能量的衰减值叫做该频率叫做该频率下该介质的下该介质的衰减系数衰减系数，常用，常用 a 表示。单位为表示。单位为dB/m或或dB/cm。1、扩散衰减扩散衰减2、散射衰减散射衰减3、吸收衰减吸收衰减4、衰减系数的测定衰减系数的测定 三、声衰减系数三、声衰减系数2022-6-1045第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 1）扩散衰减）扩散衰减 超声波在介质中传播时，
47、因其波前在逐渐扩散，从而导致声波能量超声波在介质中传播时，因其波前在逐渐扩散，从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做逐渐减弱的现象叫做超声波的扩散衰减超声波的扩散衰减。它。它主要取决于波阵面的几何形状主要取决于波阵面的几何形状，而与传播介质无关而与传播介质无关。 对于对于平面波平面波而言，由于而言，由于该波的波阵面为平面，波束并不扩散，因此不该波的波阵面为平面，波束并不扩散，因此不存在扩散衰减存在扩散衰减。如在活塞声源附近，就存在一个波束的未扩散区，在这一。如在活塞声源附近，就存在一个波束的未扩散区，在这一区域内不存在扩散衰减问题。区域内不存在扩散衰减问题。 而对于而对于球面波球面波和和柱面波柱面
48、波，声场中某点的声压声场中某点的声压 p 与其至声源的距离与其至声源的距离 x 关关系密切系密切，如公式：，如公式：p球球 = (1/x) 和和 p柱柱=（1/x)1/2 所示。在探测大型工件时，因所示。在探测大型工件时，因探头晶片产生的超声场在距离大于探头晶片产生的超声场在距离大于2N （N：近场长度）之后，波阵面往往：近场长度）之后，波阵面往往又较明显的扩展，应予以充分的注意。又较明显的扩展，应予以充分的注意。三、声衰减系数三、声衰减系数2022-6-1046第第1.21.2节节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介 2）散射衰减）散射衰减 散射散射是物质的不均匀性产生的。不均
49、匀材料含有是物质的不均匀性产生的。不均匀材料含有声阻抗急剧变化声阻抗急剧变化的界的界面，在这两种物质的界面上，将产生声波的面，在这两种物质的界面上，将产生声波的反射反射、折射折射和和波型转换波型转换现象，现象，必然导致必然导致声能的降低声能的降低。在固体介质中，最常遇到的是多晶材料，每个晶粒。在固体介质中，最常遇到的是多晶材料，每个晶粒之中，又分别由一个相或几个相组成，加之晶体的弹性各向异性和晶界均之中，又分别由一个相或几个相组成，加之晶体的弹性各向异性和晶界均使声波产生散射，杂乱的散射声程复杂，且没有规律性。声能将转变为热使声波产生散射，杂乱的散射声程复杂，且没有规律性。声能将转变为热能，导
50、致了声波能量的降低。特别是能，导致了声波能量的降低。特别是在粗晶材料中在粗晶材料中，如奥氏体不锈钢、铸，如奥氏体不锈钢、铸铁、铁、黄铜等，黄铜等，对声波的散射尤其严重对声波的散射尤其严重。 通常超声检测多晶材料时，对频率的选择都注意要使波长远大于材料通常超声检测多晶材料时，对频率的选择都注意要使波长远大于材料的平均晶粒尺寸。的平均晶粒尺寸。当超声波在多晶材料中传播时，就象灯光被雾中的小水当超声波在多晶材料中传播时，就象灯光被雾中的小水珠散射那样，只不过这时被散射的是超声波。当平均晶粒尺寸为波长的珠散射那样，只不过这时被散射的是超声波。当平均晶粒尺寸为波长的(1/1000)(1/100)时，对时
