1、超声检测第第1 1章章 概概论论 目目 录录 1.1 1.1无损检测无损检测 1.2 1.2常规常规无损检测方法无损检测方法 1.3 1.3 超声检测概况超声检测概况 1.4 1.4超声检测术语超声检测术语1.1无损检测 （1）定义：一般是指使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。在特种设备行业，超声检测通常指宏观缺陷检测和材料厚度测量。（2）作用：质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率。超声检测的基础知识次声波、声波和超声波1、次声波、声波和超声波的区别：a、
2、声波：频率在2020000Hz之间的机械波。 能引起听觉。 b、次声波：频率低于20Hz的机械波。 人是听不到的。c、超声波：频率高于20000Hz的机械波。 人是听不到的。2、对钢等金属材料的检测，常用的频率为0.510MHz。（使用最多的频率范围是15MHz ）n1兆是十的六次（1M=106） 1.2常规无损检测方法1、射线检测 Radiographic Testing RT1）是利用射线透过物体时产生的吸收和散射现象，检测材料中因缺陷存在而引起射线强度改变的程度来探测缺陷的无损检测方法。2）检测方法有：照相法、荧光屏法、工业电视法。3）可检测金属和非金属材料。2、超声检测 Ultraso
3、nic Testing UT 1）是通过超声探头发射超声波，经过耦合剂入射到工件中传播，遇到缺陷时发射回来，发射回波被探头接收。根据反射回波在荧屏上的位置和波幅高低判断缺陷的大小和位置。2）超声波特点：a、方向性好：频率很高、波长很短，可以定向发射b、能量高：因能量（声强）与频率平方成正比，因此超声波的能量远大于声波的能量。c、能在界面上产生反射、折射、衍射和波型转换：超声检测利用了反射、折射等特点。d、穿透能力强：传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，可达数米。 3）超声波的其他用途：a、机械加工：红宝石、金刚石、陶瓷、石英、玻璃等硬度特别高的材料。b、焊接：钛、钍（tu）等难焊金属。c、
4、化学工业：催化、清洗等。d、农业：促进种子发芽。e、医学：诊断、消毒等。 超声检测主要是基于超声波在试件中的传播特性(能量会损失，反射、折射等)。4）超声检测工作原理a）声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件（耦合剂）；b）超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；c）改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；d）根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。 3、磁粉检测 Magnetic particle Testing MT 1）是通过铁磁性材料在磁场中被磁化后，缺陷处产生漏磁场吸附磁粉而形成的磁痕来显
5、示材料表面缺陷的一种无损检测方法。2）只能检测到表面和近表面缺陷。3）只能检测铁磁性材料。 4、渗透检测 Penetrant Testing PT 1）是通过彩色（红色）或荧光渗透剂在毛细管作用下渗入表面开口缺陷，然后被白色显像剂吸附而显示红色（或在紫外灯照射下显示黄绿色）缺陷痕迹。2）只能检测表面开口缺陷。 5、涡流检测 Eddy current Testing ET1）是通过电磁感应在金属材料表面附近产生涡电流，如果金属材料中存在裂纹将改变涡流的大小和方向，分析这些变化可检出铁磁性和非铁磁性导电材料中的缺陷。2）检测技术有：穿过式、内通过式和点探头式。3）适用于导电材料。4)只能检测近表面
6、缺陷。5)还还可用于分选材质、测膜层厚度、测工件尺寸以及材料的某些物理性能等。 1.3超声检测概况1、利用声响来检测物体的好坏 (拍西瓜、敲瓷碗等检查开裂)2、利用超声波来探查水中物体（发现冰山、潜水艇等）一战后发展起来的。3、利用超声波来对固体内部进行无损检测（1）1929年，前苏联Sokolov提出穿透法 （灵敏度低）（2）1940年，美国的Firestone提出脉冲反射法 （3）20世纪60年代电子技术大发展（脉冲反射法被广泛应用）（4）20世纪70年代，英国提出衍射时差法（TOFD 1.4超声检测术语1）K值：斜探头折射角的正切值。K=tan。2）当量法：在一定的探测条件下，用某种规则
7、的人工缺陷反射体尺寸来表征被检件中实际缺陷相对尺寸的一种定量方法。3）动态范围：在增益调节不变时，超声探伤仪荧光屏上能分辨的最大与最小反射面积波高之比，通常以分贝表示。4）分辨力：就声束轴线而言，超声设备能同时分辨出几乎有相同声程和横向位置的数个不连续性的能力。5）工作频率：探头发生的超声脉冲频谱的中心频率6）脉冲重复频率：为了产生超声波，每秒内由脉冲发生器激励探头晶片的脉冲次数。7）回波：从反射体上反射回来的超声信号，又称反射波。8）人工缺陷：在探伤过程中，为了调整或校准探伤系统的灵敏度等，用各种方法在试块或被检件上加工制成的人工伤，如平底孔、横孔、槽等。9）始波宽度：始脉冲起始点（前沿）和
8、结束点（后沿）之间的距离。第第2 2章章 超声检测物理基础超声检测物理基础 目目 录录 2.1 2.1机械振动与机械波机械振动与机械波 2.2 2.2机械波机械波的的干涉、干涉、衍射衍射以及驻波的形成以及驻波的形成 2.3 2.3超声波的超声波的特性特性及分类及分类 2.4 2.4超声波的声速超声波的声速 2.5 2.5超声场的特征值超声场的特征值 及其及其分贝表示分贝表示 2.6 2.6超声波垂直入射到平超声波垂直入射到平面面异质界面上的效应异质界面上的效应 2.7 2.7超声波倾斜入射到平超声波倾斜入射到平面面异质界面时的效应异质界面时的效应 2.8 2.8超声波在曲面上的效应超声波在曲面
9、上的效应 2.9 2.9超声超声场场 2.10 2.10超声波的衰减超声波的衰减2.1机械振动与机械波1、超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播。超声检测中，主要涉及到几何声学（反射、折射定律及波型转换）和物理学（波的叠加、干涉和衍射等）。2.1.1机械振动（1）物体（或质点）在某一平衡位置附近作来回往复的运动，就叫做机械振动。例如：a、钟摆的摆动，水上浮标的浮动。b、担物行走时扁担的颤动。c、在微风中树梢的摇摆。d、振动的音叉、锣、鼓、琴弦、蒸汽机活塞的往复运动等都是机械振动。（2）振动产生的必要条件：a）物体一离开平衡位置就会受到回复力的作用；b）阻力要足够小。（3）振动的过程：物体
10、（或质点）在受到一定力的作用下，将离开平衡位置，产生一个位移；该力消失后，在回复力作用下，它将向平衡位置运动，并且还要越过平衡位置移动到相反方向的最大位移位置，然后再向平衡位置运动。这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振动”。（4）振动的分类a、周期性振动：每经过一定时间后，振动体总是回复到原来的状态（或位置）的振动。b、非周期性振动：不具有上述周期性规律的振动。（5）振动是往复运动，可用周期和频率表示振动的快慢，用振幅表示振动的强弱。 a、振幅A振动物体离开平衡位置的最大距离，叫做振动的振幅，用A表示。b、周期T当物体作往复运动时完成一次全振动所需要的时间，称为振动周期，用T表示
11、。常用单位为秒（s）。对于非周期性振动，往复运动已不再是周期性的，但周期这个物理量仍然可以反映这种运动的往复情况。c、频率f振动物体在单位时间内完成全振动的次数，称为振动频率，用f表示。常用单位为赫兹（Hz）,1赫兹表示1秒钟内完成1次全振动，即1Hz=1次/秒。此外还有千赫（kHz），兆赫（MHz）d、周期和频率，二者互为倒数：T=1/f1、谐振动：（1）图2-1所示为弹簧振子的谐振动。振子以O点为中心在水平杆方向做往复运动。振子由A点开始运动，经过O点运动到A点，由A点再经过O 点回到A 点，且OA 等于OA，此后振子不停地重复这种往复运动。（2）回复力：振子在振动过程中，所受重力与支持力
12、平衡，振子在离开平衡位置 O 点后，只受到弹簧的弹力作用，这个力的方向跟振子离开平衡位置的位移方向相反，总是指向平衡位置，所以称为回复力。（3）胡克定律：在弹簧发生弹性形变时，弹簧振子的回复力F与振子偏离平衡位置的位移x大小成正比，且方向总是相反，即： F= Kx（从动力学角度描述谐振动）n这个关系在物理学中叫做胡克定律n式中k是弹簧的倔强系数。负号表示回复力的方向跟振子离开平衡位置的位移方向相反。 （4）谐振动：物体在受到跟位移大小成正比，而方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动，叫做谐振动。（从动力学角度描述谐振动）（5）谐振动的振动图像（从运动学角度描述谐振动）a、弹簧振子的运动可以用
13、振动图像直观地表示出来，如图2-2所示。以横轴表示时间，纵轴表示质点位移，则振动图像表示了振动质点的位移随时间变化的规律。nb、谐振动与做匀速圆周运动的质点在Y轴上投影的运动特点完全一致，如图2-3所示。以振幅A为半径作圆，质点M沿圆周作匀速运动，质点M的水平位移y和时间t的关系可用下式描述（谐振动的运动方程）：（6）谐振动定义：位移随时间的变化符合余弦（或正弦）规律的振动。（从运动学角度描述谐振动） 两种谐振动的定义是一致的，只是定义的角度不同（7）谐振动的特点：a、回复力与位移成正比而方向相反，总是指向平衡位置。b、谐振动的振幅、频率和周期保持不变，其频率为振动系统的固有频率，是最简单、最
14、基本的一种振动，任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。c、是一种理想化的运动，振动过程中无阻力，所以振动系统机械能守恒。在平衡位置时动能最大，势能为零；在位移最大位置时，势能最大，动能为零，其总能量保持不变。2、阻尼振动：a、谐振动是理想条件下的振动，即不考虑摩擦和其它阻力的影响。任何实际物体的振动，总要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振动物体的能量不断减少。同时，由于在振动传播过程中，伴随着能量的传播，也使振动物体的能量不断地减少。这种振幅或能量随时间不断减少的振动称为阻尼振动。如图2-4所示。 b、超声检测换能器设计：晶片后粘贴阻尼块（增大振动阻力），是为了使振动尽快停止，减小超声脉冲
15、的宽度。（提高检测分辨率）3、受迫振动a、受迫振动：是物体受到周期性变化的外力作用时产生的振动。如缝纫机上缝针的振动，汽缸中活塞的振动和扬声器中纸膜的振动等。b、受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间后达到稳定状态，变为周期性的谐振动。其振动频率与策动力频率相同，振幅保持不变。其振动方程为：y=Acos（Pt+）式中：A受迫振动的振幅； P策动力的圆频率； 受迫振动的粗相位。c、受迫振动的振幅与策动力的频率有关：当策动力频率P与受迫振动物体固有频率相同时，其振幅最大。这种现象称为共振。d、超声检测换能器设计：使高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率，从而产生共振，这时压电晶片的电声能量转换效
16、率最高。 e、超声探头中的压电晶片在发射超声波时：在高频电脉冲激励下产生受迫振动；在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用，因此又是阻尼振动f、压电晶片在接收超声波时，同样产生受迫振动和阻尼振动。2.1.2机械波1、机械波的产生与传播（1）振动的传播过程，称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程（所以波动频率等于振动频率。但波长不等于振幅）。如水波、声波等。电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。如可见光、射线等。（2）机械波的产生与传播过程：a、如图2-5所示的固体弹性模型。质点间以小弹簧连接在一起，这种质点间以弹性力连接在一起的介质称为弹性介质。一般固体、液体
17、、气体都可视为弹性介质。图2-5 弹性介质模型n具有弹性的介质叫弹性介质。n弹性：若某物体在外力作用下产生形变,当外力取掉之后,物体能迅速恢复到受力前的形态和大小,物体的这种性质称为弹性。 n波能在弹性介质或非弹性介质中产生和传播。b、当外力F作用于质点A时，A就会离开平衡位置，这时A周围的质点将对A产生弹性力使A回到平衡位置。当A回到平衡位置时，具有一定的速度，由于惯性A不会停在平衡位置，而会继续向前运动，并沿相反方向离开平衡位置，这时A又会受到反向弹性力，使A又回到平衡位置，这样质点A在平衡位置来回往复运动，产生振动。与此同时，A周围的质点也会受到大小相等方向相反的弹性力的作用，使它们离开
18、平衡位置，并在各自的平衡位置附近振动。这样弹性介质中一个质点的振动就会引起邻近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动，于是振动就以一定的速度由近及远地传播开来，从而就形成了机械波。c、液体和气体不能用上述弹性力的模型来描述，其弹性波是在受到压力时体积的收缩和膨胀产生的。d、产生机械波的两个基本条件： a）要有作机械振动的波源。 b）要有能传播机械振动的弹性介质。e、机械振动与机械波的关系：互相关联，振动是产生机械波的根源，机械波是振动状态的传播。波动中介质各质点并不随波前进，而是按照与波源相同的振动频率在各自的平衡位置上振动，并将能量传递给周围的质点（不是相邻两质点的相互碰撞来完成能
19、量传播）。因此，机械波的传播不是物质的传播，而是振动状态和能量的传播。n超声波在弹性介质中传播时有：质点振动振动传播能量传播2、机械波的主要物理量（1）周期T和频率f：为波动经过的介质质点产生机械振动的周期和频率，机械波的周期和频率只与振源有关，与传播介质无关。波动频率也可定义为波动过程中，任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数，与该点振动频率数值相同，单位为赫兹（Hz）。（2）波长：波经历一个完整周期所传播的距离，称为波长，用表示。同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离即为波长。波源或介质中任意一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离。波长的常用单位为米（m）或毫米（mm）。（3
20、）波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，用C表示。常用单位为米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。n波速、波长和频率的关系式： c=fn波长与波速成正比，与频率成反比。当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。 （Ls，故横波灵敏度比纵波高）n机械波的波速取决于弹性介质的特性。n超声波在弹性介质中的速度是声能的传播速度。3、波动方程n（1）当振源作谐振动时，所产生的波是最简单最基本的波（简谐波）。假设某一机械波在理想无吸收的均匀介质中沿x轴正向传播，如图2-6所示。波速为C，在波线上取O点为原点，设波经过原点时，原点处振动的横向位移和时间t的函数关
21、系为：y=Acostn当振动从O点传播到B点时，B点开始振动，由于振动从O点传播到B点需要时间x/c秒，因此B点的振动滞后于O点x/c秒。即B点在t时刻的位移等于O点在（t-x/c）时刻的位移：y=Acos（t-x/c）=Acos（t-Kx）n式中：K波数，K=/c=2/； xB至O点的距离。n上式就是波动方程，描述了波动过程中波线上任意一点（x）在任意时刻的位移（y）情况。2.2机械波的干涉、衍射以及驻波的形成2.2.1波的干涉（1）波的叠加原理 当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。几列波相
22、遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进，好象在各自的途中没有遇到其他波一样，这就是波的叠加原理，又称波的独立性原理。 如：人们可以分辨出各种乐器和每个人的声音。2、波的干涉（1）两列频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象。产生干涉现象的波叫相干波，其波源称为相干波源。（2）波的叠加原理是波的干涉现象的基础，波的干涉是波动的重要特征。在超声检测中，由于波的干涉，使超声波源附近出现声压极大极小值。（3）如图2.7所示，设有两个相干波源S1、S2的振动分别为：y
23、1=As1cos（t+1）y2=As2cos（t+2）n它们发出的两列相干波在空间某P点（称为干涉点）相遇，两列波在该点引起的振动为：y1=As1cos（t-r1/2+1）y2=As2cos（tr2/2+2）图2.7相干波的叠加n质点P的合振动为：y=y1+y2=Acos（t+）n其合振动的振幅：n其中：= 1-2=2(r2-r1)/ A1、A2S1、S2分别在P点引起的振幅； AP点的合振幅；波长； 波程差，=r2-r1。结论：a、当=n（n为整数）时，A=A1+A2。这说明当两相干波的波程差等于波长的整数倍时，二者互相加强，合振幅达最大值。b、当=（2n+1）/2（n为整数）时，A=|A1
24、A2|。这说明当两相干波的波程差等于半波长的奇数倍时，二者互相抵消，合振幅达最小值。若A1=A2，则A=0，即二者完全抵消。2.2.2波的衍射（1）惠更斯原理行进中的波阵面上任一点都可看作是新的次波源，而从波阵面上各点发出的许多次波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所传播到的新波阵面。如图2.8所示。根据惠更斯原理，可以说明波的折射和反射定律等传播情况，但不能说明衍射现象。（2）波的衍射（绕射）（1）如图2.9所示，超声波在介质中传播时，若遇到缺陷AB，据惠更斯菲涅耳原理，缺陷边缘A、B可以看作是发射子波的波源，使波的传播方向改变，从而使缺陷背后的声影缩小，反射波降低。波的绕射和障碍物尺寸
25、Df及波长的相对大小有关。当Df时，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检。超声检测灵敏度约为/2，这是一个重要原因。当Df时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射。（灵敏度受检测系统、耦合、工件性质、不连续性性质、检测频率的影响。）当Df与相当时，将发生既反射，又绕射。（3） 驻波1）两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相迭加而成的波，称为驻波。如图2.10所示。2）如连续波的反射波和入射波互相迭加（全反射）就会形成驻波。另外脉冲波在薄层中的反射也会形成驻波。驻波是波动干涉的特例。3）设入射波和反射波的波动方程分别为：y入=Acos2（vt-x/）y反=Acos2（vt+x/）4
26、）则驻波的波动方程为：y=y入+y反=2Acos（2x/）cos（2vt）式中振幅为：2Acos（2x/）V为频率。5）驻波的3个特点a）x值满足|cos（2x/）|=0的那些点，振幅恒为0，这些点始终静止不动，称为波节。x值满足|cos（2x/）|=1的那些点，振幅最大为2A，称为波腹。波线上其余各点的振幅在02A之间。b）波线上波节和波腹的位置是特定的。相邻两波节的间距为/2；相邻两波腹的间距也为/2。所以相邻波节与波腹的距离为/4。c）只有当弦线长度等于半波长/2的整数倍时，才能形成驻波。这是探头晶片设计依据，即晶片的厚度一般为/2。6）形成驻波时，在界面处产生波节还是波腹，与两种介质的
27、疏密程度有关。当波从波疏介质垂直入射到波密介质，在界面处产生波节（如垂直入射到水/钢界面）；反之，则在界面处产生波腹（如垂直入射到钢/水界面）。（在超声检测的应用：超声检测探头晶片形成驻波时振动最强）（晶片的频率常数为N=f t=c/2。晶片的厚度为t=/2。）2.3超声波的特性及分类2.3.1根据振动模式分类（1）横波a、介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波，称为横波，用S或T表示。如图2.11所示。b、横波中介质质点受到交变的剪切应力作用并产生切变形变，故横波又称为切变波。c、只有固体介质才能承受剪切应力，液体和气体介质不能承受剪切应力，故横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气
28、体介质中传播。（应用广泛，适合于检测与工件表面倾斜的不连续性）图2.11 横波示意图图2.12 纵波示意图（2）纵波La、介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的波，称为纵波，用L表示。如图2.12所示。 b、纵波中介质质点受到交变拉压应力作用并产生伸缩形变，故纵波亦称为压缩波。而且，由于纵波中的质点疏密相间，故又称为疏密波。c、凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。固体介质能承受拉伸或压缩应力，因此固体介质可以传播纵波。液体和气体虽然不能承受拉伸应力，但能承受压应力产生容积变化，因此液体和气体介质也可以传播纵波。（应用最广泛，适合于检测与工件表面平行的不连续性。）（3）表面波Ra、当
29、介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，常用R表示，如图2.13所示。表面波是瑞利1887年首先提出来的，因此表面波又称瑞利波。b、表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成。因此表面波同横波一样只能在固体介质中传播，不能在液体或气体介质中传播。n表面波在固体弹性介质中传播的波长最短。在液浸探伤中，表面波会迅速衰减。n介质能传播横波和表面波的必要条件是介质具有切变弹性模量。c、表面波只能在固体表面传播。表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱（距表面一个波长时
30、，能量会降低到原来的1/25）。当传播深度超过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了。因此，一般认为，表面波检测只能发现距工件表面两倍波长（2）深度内的缺陷。（应用较广泛，适合于检测工件表面不连续性。）图2.13 表面波（瑞利波）（4）板波1）在板厚与波长相当的簿板中传播的波，称为板波。根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波（应用较少）和兰姆波。 （板波的传播速度随频率的不同而改变）a、SH波：SH波是水平偏振的横波在簿板中传播的波。簿板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向，相当于固体介质表面中的横波。如图2.14（下图）所示。2）兰姆波：兰姆波又分为对称型（S型）和非对称型（A型）
31、，如图2.15（下图）所示。（特点：整板振动）（应用较广泛，薄板检测。）a）对称型（S型）：簿板中心质点作纵向振动，上下表面质点作椭圆运动、振动相位相反并对称于中心。b）非对称型（A型）：簿板中心质点作横向振动，上下表面质点作椭圆运动、相位相同，不对称。 n图中：a）对称型（S型）；b）非对称型（A型）超声检测中常用的波型波的类型质点振动特点传播介质应用纵波质点振动方向平行于波传播方向固、液、气体钢板、锻件检测等横波质点振动方向垂直于波传播方向固体、特别粘的薄液层焊缝、钢管检测等表面波质点作椭圆运动短轴平行于波传播方向固体表面，且固体的厚度远大于波长钢管检测等板波（兰姆波）对称型（S型）上下表
32、面：椭圆运动，中心：纵向振动固体介质（厚度为几个波长的的薄板）薄板、薄壁钢管等（一般6mm非对称型（A型）上下表面：椭圆运动，中心：横向振动2.3.2 根据波形分类a、波的形状（波形）是指波阵面的形状。b、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称为波阵面。c、波前：某一时刻，波动所到达的空间各点所连成的面称为波前。d、波线：波的传播方向称为波线。e、波前是最前面的波阵面，是波阵面的特例。任意时刻，波前只有一个，而波阵面却有很多。在各向同性的介质中，波线恒垂直于波阵面或波前。据波阵面形状不同，可以把不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波。1、平面波 n波阵面为互相平行的平面
33、的波称为平面波。平面波的波源为一平面。如图2-12所示。n尺寸远大于波长的刚性平面波源在各项同性的均匀介质中辐射的波可视为平面波。平面波波束不扩散，各质点振幅是一个常数，不随距离而变化。（特点：理想介质中，振幅不衰减）振动方程为：y=Acos（t-x/c）n应用：直探头辐射的声波在晶片附近近似平面波。2、柱面波n波阵面为同轴柱面的波称为柱面波。柱面波的波源为一条线。如图2-13所示。n长度远大于波长的线状波源在各项同性的介质中辐射的波可视为柱面波。柱面波波束向四周扩散，柱面波各质点的振幅与距离平方根成反比（特点：振幅与距离平方根成反比）。柱面波的波函数为：3、球面波n波阵面为同心球面的波称为球
34、面波。球面波的波源为一点。如图2-14所示。n尺寸远小于波长的店波源在各项同性的介质中辐射的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩散，球面波各质点振幅与距离成反比（特点：振幅与距离成反比）。振动方程为：y=A/xcos（t-x/c）n应用：超声换能器辐射声波在足够远处近似球面波。（所有规则反射体回波声压计算的前提）4、活塞波n实际超声检测换能器辐射的声波就是活塞波。（特点：既非平面波，也非球面波。近处接近平面波；远处接近球面波。）2.3.3根据振源振动的持续时间分类n根据波源振动的持续时间长短，分为连续波、脉冲波。1、连续波（产生完全干涉）n波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波，如图2-15
35、a所示。超声波穿透法检测常采用连续波。 a）连续波 b）脉冲波2、脉冲波（产生不完全干涉或不产生干涉）n波源振动持续时间很短（通常是微秒数量级），间歇辐射的波称为脉冲波。目前超声检测中广泛采用的就是脉冲波。被广泛采用。（发射脉冲越短，则频带越宽，分辨率越好，灵敏度高）脉冲宽度越窄，峰数越少，则探头阻尼效果越好。这样的探头分辨力好，但灵敏度略低。na、一个脉冲波可以分解为多个不同频率的谐振波的叠加。将复杂振动分解为谐振动的方法，称为频谱分析。图2-16所示为1MHz脉冲波可由三个具有不同频率的正弦连续波合成。n图2-16 由0.85、1、1.21MHz的正弦波合成的1MHz脉冲波nb、图2-17
36、所示为频谱分析结果的示意图。我们关心的频谱特征量主要有峰值频率fp、频带宽度（-6dB带宽或-3dB带宽）和中心频率fc。n峰值频率fp为幅度峰值所对应的频率值。n频带宽度=f1-fu（峰值频率fp下降-6dB或-3dB时的两点频率值f1和fu之间的频率范围）。脉冲（时间）越短，则频带越宽。n中心频率fc=（f1+fu）/2。2.4 超声波的声速2.4.1超声波声速与什么有关a、超声波在介质中的传播速度是表征介质声学特性的重要参数。b、超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关（声速与频率无关）。对特定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质，有不同的声速。c、声速与波
37、型有关。超声波波型不同时，介质弹性变形型式不同，声速也不一样。还与介质、温度、应力等有关。n超声传播速度不等于质点的振动速度2.4.2 固体介质中的超声波声速1、无限大固体介质中的声速n无限大固体介质是相对于波长而言的，当介质的尺寸远大于波长时，就可以视为无限大介质。 （1）在无限大的固体介质中，纵波声速为： （2）在无限大的固体介质中，横波声速为： （3）在无限大的固体介质中，表面波声速为： n式中：E介质的杨氏弹性模量； G介质的剪切杨氏弹性模量； 介质的密度； 介质的泊松比，所有固体介质的泊松比都在00.5之间。n在同一固体材料中，纵、横波声速之比，与材料的泊松比有关。（4）由以上三式可
38、知：a、固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量等有关，不同的介质，声速不同；介质的弹性模量愈大，密度愈小，则声速愈大。b、声速还与波的类型有关，在同一固体介质中，纵波、横波和表面波的声速各不相同，并且相互之间有以下关系： 即CLCS 即CSCRn所示：CLCSCRc、这表明，在同一种固体材料中，纵波声速大于横波声速，横波声速又大于表面波声速。对于钢材，0.28，CL1.8CS，CR0.9CS，即CL：CS：CR=1.8：1：0.9（是常数） 。2、细长棒中的纵波声速：在细长棒中（棒径d）轴向传播的纵波声速与无限大介质中纵波声速不同，细长棒中的纵波声速为：n即使材质相同，细钢棒与钢锻件中的声速也
39、不相同。a、常用固体的密度、声速与声阻抗（见表2-2）3、固体介质中的声速与介质温度、应力、均匀性有关。（1）一般固体中的声速随介质温度升高而降低（Tc）。na、纯铁中的声速与温度的关系如下：T）26100200300Cs3229318531543077b、有机玻璃、聚乙烯中的声速与温度的关系如图2-24所示（2）固体介质的应力状况对声速有一定的影响：当应力方向与波的传播方向一致时，若应力为压缩应力，则应力作用会使工件弹性增加，这时声速加快（c）。反之，若应力为拉伸应力，则声速减慢（c）。当应力与波的传播方向不一致时，波动过程中质点振动轨迹将受应力干扰，使波的传播方向产生偏离。图2-24 高分
40、子物质声速随温度的变化（3）固体材料组织均匀性对声速的影响在铸铁中表现较为突出。铸铁表面与中心，由于冷却速度不同而具有不同的组织，表面冷却快，晶粒细，声速大；中心冷却慢，晶粒粗，声速小。此外，铸铁中石墨含量和尺寸对声速也有影响，石墨含量和尺寸增加，声速减少。4、兰姆波声速（1）兰姆波分为对称型（S）和非对称型（A）两类。由于兰姆波传播时受到上下界面的影响，因此其声速与纵波、横波、表面波不同，它不仅与介质的性质有关，而且与板厚、频率等有关。对于特定的板厚和频率组合，还可有多个对称型和非对称型的振动模式，每个模式具有不同的波速。（特点：频散波速度与频率、板厚有关）（2）兰姆波声速分为相速度和群速度
41、。a、相速度Cp（相位传播的速度）是振动相位传播的速度，是对单一频率连续谐振波定义的传播速度，b、群速度Cg（包络的传播速度）是指多个相差不多的频率的波在同一介质中传播时互相合成后的包络线的传播速度。（3）兰姆波声速CP与fd、Cs、Cl有关。对于确定的介质，Cs、Cl为定值，因此Cp仅是fd的函数。对于某一个Cp值对应有无数个fd值。a、当fd一定时，不同类型的兰姆波相速度Cp不同 b、当fd一定时，不同类型的兰姆波群速度Cg不同 2.4.3 液体、气体介质中的超声波声速1、液体、气体中声速公式（1）由于液体和气体只能承受压应力，不能承受剪切应力，因此液体和气体介质中只能传播纵波，不能传播横
42、波和表面波。液体和气体中的纵波波速为：n式中：B液体、气体介质的容变弹性模量，表示产生单位容积相对变化量所需压强。 液体、气体介质的密度。（2）液体、气体介质中的纵波声速与其容变弹性模量和密度有关，介质的容变弹性模量愈大、密度愈小，声速就愈大。2、液体介质中的声速与温度的关系（1）几乎除水以外的所有液体，当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低（Tc）。唯有水例外，温度在74左右时声速达最大值，当温度低于74时，声速随温度升高而增加；当温度高于74时，声速随温度升高而降低。 CL=1557-0.0245（74t）2 2.5超声场特征值及其分贝表示a、充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质，
43、叫超声场。b、超声场具有一定的空间大小和形状，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。c、描述超声场的特征值（即物理量）主要有声压、声强和声阻抗。 2.5.1声压P1、超声场中某一点在某一时刻所具有的声压P1与没有超声波存在时的静态压强P0之差，称为该点的声压，用P表示。P=P1-P0n声压单位：怕斯卡（Pa）、微怕斯卡（Pa）n1Pa=1N/m2 1Pa=106Pa2、经推导得： n声压幅值： P=cA=cu=Zun式中：介质的密度； c波速，c=dx/dt； u质点的振动速度，u=A=2fA。3、结论：a、超声场中某点的声压随时间和该点至波源的距离按正弦函数周期性地变化。b、声压的幅值与
44、介质的密度、波速和频率成正比。因为超声波的声压很高（与声波相比）。n（应用：超声检测仪器显示的信号幅度的本质就是声压P，示波屏上的波高与声压成正比。就缺陷而论，声压值反映缺陷的大小。）2.5.2声阻抗Z1、超声场中任意一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗，用Z表示。 nZ=P/u=cu/u=c 单位：Kg/m2.s2、在同一声压下，Z增加，质点的振动速度u下降。因此声阻抗可理解为介质对质点振动的阻碍作用。这类似于电学中的欧姆定律I=U/R，电压一定，电阻增加，电流减小。3、材料的声阻抗与温度有关，Z随温度的升高而降低。这是因为多数材料的密度和声速c随温度增加而减小。n（应用：超声波在两种
45、介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关）n在同一固体材料中，传播纵波时的声阻抗比横波时大。n声阻抗是传声介质的参数。2.5.3声强I1、单位时间内垂直通过单位面积的的声能称为声强，用I表示，单位是瓦/厘米2（W/cm2）或焦耳/厘米2秒（J/cm2s）。 2、平面波的声强：3、结论a、单位体积元内的总能量周期性变化，时而最大，时而为零。超声波的能量是一层一层地传播出去的；体积元的动能和势能同时最大，同时为零（单独的振动系统符合机械能守恒，只受重力或弹性力作用，动能与势能之和等于常数。而这里的质点除受到弹性力外，还受到质点间摩擦力，因此不符合机械能守恒）b、声强与频率的平方成
46、正比，而超声波的频率远大于可闻声波。因此超声波声强远大于可闻声波。（这决定超声波可用于检测）c、在同一介质中，超声波的声强与声压的平方成正比。2.5.4声强级与分贝1、基准声强：I1=10-12W/cm2（引起听觉的最弱声强）（规定为零级声强）2、另一声强I2与标准声强I1之比的常用对数称为声强级：=lg（I2/I1）（B贝尔）a、实际应用贝尔太大，故常取其1/10即分贝（dB）来作单位：n=10lg（I2/I1）=20lg（P2/P1）（dB）b、通常说某处的噪声为多少分贝，就是以10-16W/cm2为标准利用上式计算得到的。这与探伤时的dB数不一样。3、超声波检测仪示波屏上的波高与声压成正
47、比：n=20lg（P2/P1）=20lg（H2/H1）（dB）n这里P1或H1可以任意选取。n当H2/H1=1时，=0dB，说明两波高相等时，二者的分贝差为零。n当H2/H1=2时，=6dB，说明H2为H1的2倍时，H2比H1，高6dB 。n当H2/H1=1/2时，=-6dB，说明H2为H1的1/2时，H2比H1，低6dB 。n（应用：两回波高的比较常用dB值表示）2.6 超声波垂直入射到平面异质界面上的效应 超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分能量反射回原介质内，称反射波；另一部分能量透过界面在另一种介质内传播，称为透射波。在界面上声能（声压、声强）的分配和传播方
48、向的变化都将遵循一定的规律。2.6.1 单一平界面的反射率与透射率 1、当超声波垂直入射到光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波，如图2.23。2、反射波与透射波的声压（或声强）是按一定规律分配的，由声压反射率（或声强反射率）和透射率（或声强透射率）来表示。3、设入射波的声压为P0（声强为I0）、反射波的电压为Pr（声强为Ir）、透射波的声压为Pt（声强为It）。图2-33 垂直入射到单一平界面4、界面上反射波声压Pr与入射波声压P0之比，称为界面的声压反射率，用r表示，即r=Pr/P0。5、界面上透射波声压Pt与入射波声压P
49、0之比，称为界面的声压透射率，用t表示，即t=Pt/P0。6、在界面两侧的声波，必须符合下列两个条件：（1）界面两侧的总声压相等，即P0+Pr=Pt。（相位关系，力平衡）（2）界面两侧质点振动速度幅值相等，即（P0-Pr）/Z1=Pt/Z2（能量守恒）n由上述两边界条件和声压反射率、透射率定义得：1+ r= t（1- r)/ Z1 = t /Z2a、解上述联立方程得声压反射率r和透射率t分别为：n式中：Z1第一种介质的声阻抗； Z2第二种介质的声阻抗b、界面上反射波声强Ir与入射波声强I0之比，称为声强反射率，用R表示。c、界面上透射波声强It与入射波声强I0之比，称为声强透射率，用T表示。d
50、、超声波垂直入射到平界面上时，声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。由以上几式可以导出：T+R=1 （能量守恒） t-r=1 （力平衡）T=1-r2n平面波垂直入射到界面时，入射能量等于透射能量与反射能量之和。7、讨论几种常见界面上的声压、声强反射和透射情况：（1）当Z2Z1时，（如水/钢界面） r=0.935 t=1.935 R= r 2=0.875 T=0.125n说明：r 0，表示Pr与P0同相位，合成声压振幅增大为Pr+P0（驻波）。n t 1，声压是力的概念，只会平衡。（2）当Z1Z2时，（如钢/水界面） r= 0.935 t=0.065 R= r 2=0.875 T=0
