1、第6章 常用无损检测方法 第一章 超声波检测第一节第一节 超声检测的基础知识超声检测的基础知识 第二节第二节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介第三节第三节 超声场在介质中的传播特性超声场在介质中的传播特性第四节第四节 由圆形压电晶片产生的声场简介由圆形压电晶片产生的声场简介第五节第五节 超声波检测方法超声波检测方法第六节第六节 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 超声波是超声振动在弹性介质中传播的机械波。与声波超声波是超声振动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和次声
2、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20kHz。可听声波：可听声波：20-20000Hz，人耳可听到的声波范围；，人耳可听到的声波范围；次声波：低于次声波：低于20 Hz；超声波：高于超声波：高于20000Hz。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0.5-10MHz。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，较低的频率用于衰减较主要用于细晶材料和高灵敏度检测，较低的频率用于衰减较大和粗晶材料（大和粗晶材料（1MHz以下）。以下）。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第一节第一节 超声检测的基础知识超声检测的基础知识第6章 常用无损检测方法 超声
3、波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测。使其能广泛应用于无损检测。1、方向性好方向性好 超声波具有像光波一样定向束射的特性。超声波具有像光波一样定向束射的特性。2、穿透能力强穿透能力强 对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能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，其穿透能力可达数米。力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。3、能量高能量高 超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波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声波的能量。的能量远大于声波的能量。4、遇有界面时，将
4、产生反射、折射和波型的转换遇有界面时，将产生反射、折射和波型的转换。利用超声。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。检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。5、对人体无害对人体无害。第一章第一章 超声波检测超声波检测 一、超声波的特点一、超声波的特点第6章 常用无损检测方法（一）描述超声波的基本物理量（一）描述超声波的基本物理量 超声波的产生依赖于做高频机械振动的超声波的产生依赖于做高频机械振动的“声源声源”和传播机械和传播机械振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测的物理基础
5、。振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测的物理基础。1、声速、声速c：单位时间内，超声波在介质中传播的距离；：单位时间内，超声波在介质中传播的距离；超声波的速度就是声音的速度超声波的速度就是声音的速度,即声在空气即声在空气(15)中的速度是中的速度是340米米/秒秒,只不只不过它们的频率不同而已过它们的频率不同而已；超声波在；超声波在20 的的钢中是钢中是5200米米/秒秒;在铝中的传播速度在铝中的传播速度为为5100米米/秒。秒。2、频率、频率f：单位时间内，超声波在介质中任一给定点所通过完整：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；波的个数；3、波长、波长：声波在传播
6、时，同一波线上相邻两个相位相同的质点：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；之间的距离；第一章第一章 超声波检测超声波检测 二、超声波的分类二、超声波的分类第6章 常用无损检测方法 4、周期、周期T：声波向前传播一个波长距离时所需的时间；：声波向前传播一个波长距离时所需的时间；5、角频率、角频率：其中频率和周期是由波源决定的，声速与传声介质的特性和其中频率和周期是由波源决定的，声速与传声介质的特性和波型有关。波型有关。上述各量之间的关系：上述各量之间的关系：cfT21 第一章第一章 超声波检测超声波检测 f2第6章 常用无损检测方法（二）超声波的分类（二）超声波的分类超声波
7、的分类方法很多，主要有：超声波的分类方法很多，主要有：按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系分类；按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系分类；按波振面的形状分类；按波振面的形状分类；按振动的持续时间分类等。按振动的持续时间分类等。其中，按按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关其中，按按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系分类是研究超声波在介质中传播规律的重要理论依据，将着系分类是研究超声波在介质中传播规律的重要理论依据，将着重讨论。重讨论。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 脉冲波连续波按振动持续的时间分类球面波柱面波平面波按波的形状分类型型板波
8、表面波横波纵波系分类波的传播方向之间的关按质点的振动方向与声AS 第一章第一章 超声波检测超声波检测 超超声声波波的的分分类类第6章 常用无损检测方法 超声波的波型超声波的波型超声波的波型指的是介质质点的振动方向与波的传播方向超声波的波型指的是介质质点的振动方向与波的传播方向的关系。按波型可分为纵波、横波、表面波和板波等。的关系。按波型可分为纵波、横波、表面波和板波等。1 1、纵波。介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的、纵波。介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波，用波叫纵波，用L L表示。介质质点在交变拉压应力的作用下，质表示。介质质点在交变拉压应力的作用下，质点之间产生相应的
9、伸缩变形，从而形成了纵点之间产生相应的伸缩变形，从而形成了纵波。纵波传播时，波。纵波传播时，介质的质点疏密相间，所以介质的质点疏密相间，所以纵波有时又称为压缩波或疏密波。纵波有时又称为压缩波或疏密波。声音在空气中的传播是纵波。声音在空气中的传播是纵波。固体介质可以承受拉压应力的作用，因此可以传播纵波，固体介质可以承受拉压应力的作用，因此可以传播纵波，液体和气体虽不能承受拉应力，但在压应力作用下产生容积的液体和气体虽不能承受拉应力，但在压应力作用下产生容积的变化，因此液体和气体介质也可以传播纵波。变化，因此液体和气体介质也可以传播纵波。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法
10、 纵波（纵波（Longitudinal waveLongitudinal wave）第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 2 2、横波。介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波、横波。介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波叫横波，用叫横波，用S S或或T T表示。横波的形成是由于介质质点受到交变切表示。横波的形成是由于介质质点受到交变切应力作用时，应力作用时，产生了切变形变，所以产生了切变形变，所以横波又叫做切变波横波又叫做切变波。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应力，因而横波只能在固体介质中传
11、播，不能在液体和气体切应力，因而横波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。如抖动绳子时如抖动绳子时 第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 横波（横波（Transverse wave）第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 3 3、表面波（瑞利波）。当超声波在、表面波（瑞利波）。当超声波在固体介质中传播固体介质中传播时，时，对对于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波即表面波。介质于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波即表面波。介质表面的质点作椭圆运动。表面的质点作椭圆运动。椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短椭圆的长轴垂直于波
12、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。波的合成。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，因此瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，因此表面表面波又称为瑞利波波又称为瑞利波（Rayleigh wave），常用，常用R表示。如采用表面表示。如采用表面波探伤只能发现工件的表面缺陷。波探伤只能发现工件的表面缺陷。表面波（表面波（Surface wave）第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 4 4、板波（兰姆波）。、板波（兰姆波）。在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波叫板波在板厚和波长相
13、当的弹性薄板中传播的超声波叫板波(或或兰姆波兰姆波)。板波传播时声场遍及整个板的厚度。板波传播时声场遍及整个板的厚度。薄板两表面薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合，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，质点振动的轨迹为一椭圆，在薄板的中间也有超声波传播。板波按其传播方式又可分为在薄板的中间也有超声波传播。板波按其传播方式又可分为对称型（对称型（S S型）和非对称型（型）和非对称型（A A型）两种，这是由质点相对于型）两种，这是由质点相对于板的中间层作对称板的中间层作对称型还是非对称型运动来决定的。型还是非对称型运动来决定的。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无
14、损检测方法 板波板波（Plate wave）(a)对称型；对称型；(b)非对称型非对称型 第一章第一章 超声波检测超声波检测 薄板中部质点以纵薄板中部质点以纵波形式振动和传播波形式振动和传播薄板中部质点以横薄板中部质点以横波形式振动和传播波形式振动和传播S型型A型型第6章 常用无损检测方法 连续波与脉冲波连续波与脉冲波 连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波是连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波是质点振动时间很短的波，质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波超声检测中最常用的是脉冲波。对脉。对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率冲波进行频谱分析
15、，可知它并非单一频率，而是包括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率。和中心频率。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 超声波的几个概念超声波的几个概念超声波由声源向周围传播的过程可用超声波由声源向周围传播的过程可用波阵面波阵面进行描述。进行描述。在无限大且各向同性的介质中，振动向各方向传播，在无限大且各向同性的介质中，振动向各方向传播，用用波线波线表示传播的方向；将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点表示传播的方向；将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所连成的面称为
16、波阵面波阵面；某一时刻振动传播到达的距声源最远；某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面称为的各点所连成的面称为波前波前。在各向同性介质中波线垂直于波在各向同性介质中波线垂直于波阵面阵面。在任何时刻，波前总是距声源。在任何时刻，波前总是距声源最远的一个波阵面。最远的一个波阵面。波波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。前只有一个，而波阵面可以有任意多个。第一章第一章 超声波检测超声波检测 平面波平面波柱面波柱面波球面波球面波第6章 常用无损检测方法 波线、波线、波前与波阵面波前与波阵面(a)平面波；平面波；(b)柱面波；柱面波；(c)球面波球面波 第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6
17、章 常用无损检测方法 根据波阵面的形状根据波阵面的形状(波形波形)，可将超声波分为，可将超声波分为平面波、柱面平面波、柱面波和球面波波和球面波等。等。平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵面为同轴圆平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵面为同轴圆柱面，球面波的波阵面为同心球面。当声源是一个点时，在各柱面，球面波的波阵面为同心球面。当声源是一个点时，在各向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。比。当声源的尺寸远小当声源的尺寸远小于测量点距声源的距
18、离时，可以把超声于测量点距声源的距离时，可以把超声波看成是球面波波看成是球面波。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 一、描述超声场的物理量一、描述超声场的物理量 充满超声波的空间，或在介质中超声振动所波及的质点充满超声波的空间，或在介质中超声振动所波及的质点占据的范围叫占据的范围叫超声场超声场。为描述超声场，常用的物理量有：。为描述超声场，常用的物理量有：声声压、声强、声阻抗、质点振动位移和质点振动速度压、声强、声阻抗、质点振动位移和质点振动速度。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第二节第二节 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介第6章 常用无损检测方法
19、 1、声压声压p当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强p1与没有超声波存在时同一点的静态压强与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声之差称为该点的声压压，用，用p表示表示,单位为帕，单位为帕，Pa，即，即)Pa(01ppp 第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 对于平面余弦波，对于平面余弦波，可以证明：可以证明：ApxtApmc2)2(cosc式中：为介质的密度式中：为介质的密度；c c为介质中的
20、声速；为介质质点的振为介质中的声速；为介质质点的振幅；幅；为介质质点振动的圆频率；为介质质点振动的圆频率；为质点振动速度的幅为质点振动速度的幅值；值；t t为时间；为时间；x x为质点距声源的距离，为质点距声源的距离，为声压的极大值。为声压的极大值。由上式可知：超声场中某一点的声压幅值由上式可知：超声场中某一点的声压幅值P与速度振幅成正与速度振幅成正比，也就与频率成正比。比，也就与频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于声波由于超声波的频率很高，远大于声波的频率，故超声波的声压一般也远大于声波的声压。的频率，故超声波的声压一般也远大于声波的声压。AV Amp 第一章第一章 超声波检测超声波检测
21、 第6章 常用无损检测方法 2、声强声强I 在超声场的传播方向上，单位时间内介质中单位截面上的在超声场的传播方向上，单位时间内介质中单位截面上的声能叫声强，声能叫声强，用用I I表示，表示，单位单位W/cm2。以平面纵波在均匀的各。以平面纵波在均匀的各向同性固体介质中传播时向同性固体介质中传播时,有有2m2222112121cVcpcAIm由上式可知，超声场中，声强与角频率平方成正比。由上式可知，超声场中，声强与角频率平方成正比。由于超声由于超声波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于探伤波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于探伤的重要依据。的重要依据。第一章第一章 超声
22、波检测超声波检测 f2第6章 常用无损检测方法 3 3、分贝的概念分贝的概念 以引起听觉的最弱声强以引起听觉的最弱声强I0=10-16W/cm2为声强标准，在声学为声强标准，在声学上称为上称为“闻阈闻阈”，即，即f=1000Hz时引起人耳听觉的声强最小值。时引起人耳听觉的声强最小值。将某一声强将某一声强I与标准声强与标准声强I0之比取常用对数得到二者相差的之比取常用对数得到二者相差的数量级，称为声强级，用数量级，称为声强级，用IL表示。声强级的单位为贝尔表示。声强级的单位为贝尔BeL，即即 IL=lg(I/I0)贝尔（贝尔（BeL）在实际应用过程中，贝尔这个单位太大，常用分贝（在实际应用过程中
23、，贝尔这个单位太大，常用分贝（dB）作为声强级的单位。作为声强级的单位。第一章第一章 超声波检测超声波检测 由于科技的进步由于科技的进步,认认 识到人类对声音的响应是按对数规律变化的识到人类对声音的响应是按对数规律变化的,于是有了一于是有了一个单位就是贝尔个单位就是贝尔(bel，美国发明家，美国发明家,电话发明人电话发明人)。第6章 常用无损检测方法 第一章第一章 超声波检测超声波检测 1分贝分贝人类耳朵刚刚能听到的声音人类耳朵刚刚能听到的声音20分贝以下分贝以下认为是安静的，认为是安静的，15分贝以下分贝以下,认为是认为是“死寂死寂”的的20-40分贝分贝大约是情侣耳边的喃喃细语大约是情侣耳
24、边的喃喃细语40-60分贝分贝正常的交谈声音正常的交谈声音60分贝以上分贝以上属于吵闹范围属于吵闹范围70分贝分贝很吵的，而且开始损害听力神经很吵的，而且开始损害听力神经汽车噪音介乎汽车噪音介乎80-100分贝分贝90分贝以上分贝以上会使听力受损会使听力受损100-120分贝分贝如无意外，一分钟人类就得暂时性如无意外，一分钟人类就得暂时性失聪（致聋）失聪（致聋）声音与噪音对人的影响声音与噪音对人的影响 第6章 常用无损检测方法 1 1分贝是人类耳朵刚刚能听到的声音，分贝是人类耳朵刚刚能听到的声音，2020分贝以下的声音，一般来分贝以下的声音，一般来说，我们认为它是安静的，当然，一般来说说，我们
25、认为它是安静的，当然，一般来说1515分贝以下的我们就可分贝以下的我们就可以认为它属于以认为它属于 死寂死寂 的了。的了。20-4020-40分贝大约是情侣耳边的喃喃细语。分贝大约是情侣耳边的喃喃细语。40-6040-60分贝属于我们正常的交谈声音。分贝属于我们正常的交谈声音。6060分贝以上就属于吵闹范围了，分贝以上就属于吵闹范围了，7070分贝我们就可以认为它是很吵的，而且开始损害听力神经，分贝我们就可以认为它是很吵的，而且开始损害听力神经，9090分分贝以上就会使听力受损，而呆在贝以上就会使听力受损，而呆在100-120100-120分贝的空间内，如无意外，分贝的空间内，如无意外，一分钟
26、人类就得暂时性失聪（致聋）。其中汽车噪音介乎一分钟人类就得暂时性失聪（致聋）。其中汽车噪音介乎80-10080-100分分贝，以一辆汽车发出贝，以一辆汽车发出9090分贝的噪音为例，在一百米处，仍然可以听分贝的噪音为例，在一百米处，仍然可以听到到8181分贝的噪音（以上标准会因环境的差异有所不同，并非绝对分贝的噪音（以上标准会因环境的差异有所不同，并非绝对值）。值）。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 第一章第一章 超声波检测超声波检测 )dB(II0lg1II)dB(pp20lgpp21212121 在实际应用过程中，超声波的幅度或强度也用相同的方法在实际应用过程中
27、，超声波的幅度或强度也用相同的方法即分贝表示，定义：即分贝表示，定义：IL2m2222112121cVcpcAIm分贝差分贝差第6章 常用无损检测方法 目前市售的超声波探伤仪，其示波屏上波高与声压成正比，目前市售的超声波探伤仪，其示波屏上波高与声压成正比，即任意两点的波高之比等于相应的声压之比，二者的分贝差即任意两点的波高之比等于相应的声压之比，二者的分贝差若对二者取自然对数，则其单位为奈培若对二者取自然对数，则其单位为奈培NP：奈培与分贝的关系为：奈培与分贝的关系为：)dB(HH20lgpp20lg2121)NP(HHlnppln2121实际检测时，常按此式实际检测时，常按此式计算超声波探伤
28、仪示波计算超声波探伤仪示波频上任意两个波高的分频上任意两个波高的分贝差。贝差。第一章第一章 超声波检测超声波检测 115NP.01dB86dB.81NP第6章 常用无损检测方法 声波在介质中的传播是由其声学参量（声速、声阻抗、声声波在介质中的传播是由其声学参量（声速、声阻抗、声衰减系数等）决定的，因此需要研究介质的声参量。衰减系数等）决定的，因此需要研究介质的声参量。1、声阻抗、声阻抗Z 超声波在介质中传播时，任一点的声压超声波在介质中传播时，任一点的声压p与该点速度振幅与该点速度振幅V之比叫声阻抗之比叫声阻抗Z，单位：，单位：g/(cm2.s)；kg/(cm2.s)。声阻抗表示声场中介质对质
29、点振动的阻碍作用。在同一声压下，声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，介质的声阻抗越大，质点的振动速度就越小。实验证明，气体、液体介质的声阻抗越大，质点的振动速度就越小。实验证明，气体、液体与金属之间的特性声阻抗之比大约为与金属之间的特性声阻抗之比大约为1:3000:8000。二、二、介质的声参量介质的声参量VpZ 第一章第一章 超声波检测超声波检测 物理学术语。物理学术语。关于介质声学特性的物理量。在超声诊断领域简称声阻抗。声波在介质中某点的有关于介质声学特性的物理量。在超声诊断领域简称声阻抗。声波在介质中某点的有效声压与通过该点的有效质点速度的比值。又可用介质的密度与声速
30、的乘积来表示。声波经均质性效声压与通过该点的有效质点速度的比值。又可用介质的密度与声速的乘积来表示。声波经均质性介质时基本按直线持续传播；介质时基本按直线持续传播；声波经两种介质时，其声阻抗差超过声波经两种介质时，其声阻抗差超过0.1%即产生声学界面，引起反射即产生声学界面，引起反射。脉冲反射式超声诊断仪显示的人体组织断面声像，实质上是人体组织中声阻抗差别的空间分布图。脉冲反射式超声诊断仪显示的人体组织断面声像，实质上是人体组织中声阻抗差别的空间分布图。第6章 常用无损检测方法 2 2、声速、声速声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型有声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型
31、有关，但更依赖于传声介质自身的特性。因此，声速又是一个表关，但更依赖于传声介质自身的特性。因此，声速又是一个表征介质声学特性的参量。了解受检材料的声速，对于缺陷的定征介质声学特性的参量。了解受检材料的声速，对于缺陷的定位和定量分析都有重要的意义。位和定量分析都有重要的意义。声速又可分为声速又可分为相速度和群速度相速度和群速度。相速度：声波传播到介质的某一选定的相位点时，在传播相速度：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；方向上的声速；群速度：在传播声波的群速度：在传播声波的包络面包络面上，具有某种特性（如幅值上，具有某种特性（如幅值最大）的点上，声波在传播方向上的速度。最大）
32、的点上，声波在传播方向上的速度。群速度是波群的能群速度是波群的能量传播速度。量传播速度。非频散介质中，非频散介质中，相速度等于群速度。相速度等于群速度。第一章第一章 超声波检测超声波检测 相速度随频率变化而变化的现象被称为相速度随频率变化而变化的现象被称为频散频散。第6章 常用无损检测方法（1）纵波、横波和表面波的声速。）纵波、横波和表面波的声速。纵波、横波和表面波的声纵波、横波和表面波的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的，而与频率无关，速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的，而与频率无关，即它们各自的相速度和群速度相同，因此一般说到它们的声速都是即它们各自的相速度和群速度相
33、同，因此一般说到它们的声速都是指相速度。指相速度。不同材料声速值有较大的差异。不同材料声速值有较大的差异。在给定的材料中，频在给定的材料中，频率越高，波长越短。率越高，波长越短。同一固体介质中，纵波声速同一固体介质中，纵波声速cL大于横波声速大于横波声速cs，横波声速，横波声速cs又又大于表面波声速大于表面波声速cr。对于钢材，。对于钢材，cL 1.8cs，cs1.1cr。（2 2）板波的声速。板波的声速与其他波型不同，板波的声速。板波的声速与其他波型不同，其相速度随其相速度随频率变化而变化，具有频散特性。频率变化而变化，具有频散特性。几种不同波形的声速 第一章第一章 超声波检测超声波检测 第
34、6章 常用无损检测方法（1）液体中的声速：）液体中的声速：（2 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：（3 3）无无限限固体介质中的横波声速：固体介质中的横波声速：几种不同介质中的声速 第一章第一章 超声波检测超声波检测 KcL)21)(1()1(EcL)1(2EGcSK 液体的体积弹性模量，液体的体积弹性模量，MPaMPa；E固体的杨氏弹性模量，固体的杨氏弹性模量，MPaMPa；G固体的剪切弹性模量，固体的剪切弹性模量，MPaMPa。声速的一般表达式密度弹性率声速 第6章 常用无损检测方法 3 3、声衰减系数声衰减系数a a超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加能量逐渐超
35、声波在介质中传播时，随着传播距离的增加能量逐渐减弱的现象叫做减弱的现象叫做超声波的衰减超声波的衰减。在传声介质中，单位距离内。在传声介质中，单位距离内某一频率下声波能量的衰减值叫做该频率下该介质的某一频率下声波能量的衰减值叫做该频率下该介质的衰减系衰减系数数a，单位为，单位为dB/m或或dB/cm。引起衰减的原因主要有三个方面：引起衰减的原因主要有三个方面：一是声束的扩散；二是由于材料中的晶粒或其他微小颗粒引一是声束的扩散；二是由于材料中的晶粒或其他微小颗粒引起声波的散射；三是介质的吸收。起声波的散射；三是介质的吸收。吸收衰减散射衰减扩散衰减声衰减有三种类型 第一章第一章 超声波检测超声波检测
36、 第6章 常用无损检测方法 （1）扩散衰减：声波在介质中传播时，因波前在逐渐扩展，从而导）扩散衰减：声波在介质中传播时，因波前在逐渐扩展，从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的扩散衰减。它主要取决于波致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的扩散衰减。它主要取决于波阵面的几何形状，与传播介质无关。阵面的几何形状，与传播介质无关。平面波不存在扩散衰减，而球面波和柱面波有扩散衰减现象。平面波不存在扩散衰减，而球面波和柱面波有扩散衰减现象。（2）散射衰减：散射是由于物质的不均匀产生的，不均匀材料含有）散射衰减：散射是由于物质的不均匀产生的，不均匀材料含有声阻抗急剧变化的界面，在这两种物质的界面上，将产
37、生声波的反射、声阻抗急剧变化的界面，在这两种物质的界面上，将产生声波的反射、折射和波形转换现象，必然导致声能的降低。折射和波形转换现象，必然导致声能的降低。（3）吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦、）吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦、热传导、引起的声波能量减弱的现象，叫做超声波的吸收衰减。热传导、引起的声波能量减弱的现象，叫做超声波的吸收衰减。固体介质中，吸收衰减相对于散射衰减几乎可忽略不计，但对液固体介质中，吸收衰减相对于散射衰减几乎可忽略不计，但对液体介质，吸收衰减是主要的衰减方式。体介质，吸收衰减是主要的衰减方式。在超声检测中，谈到超声波在材料中
38、的衰减时，通常关心的是散在超声检测中，谈到超声波在材料中的衰减时，通常关心的是散射衰减和吸收衰减，而不包括扩散衰减。射衰减和吸收衰减，而不包括扩散衰减。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 一、一、超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，不改变超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，不改变方向。但遇到异介质界面（即声阻抗差异较大的异质界面）时，方向。但遇到异介质界面（即声阻抗差异较大的异质界面）时，会产生反射和透射现象。会产生反射和透射现象。第三节第三节 超声波在介质中的传播特性超声波在介质
39、中的传播特性 第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 超声波垂直入射于平界面的反射与透射超声波垂直入射于平界面的反射与透射 当超声波垂直入射到两种介质的界面时，当超声波垂直入射到两种介质的界面时，一部分能量透过界面进入第二一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波种介质，成为透射波(声强为声强为It)，波的传播方向不变；另一部分能量则被界面波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为反射波反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为反射波(声强为声强为Ir)。声波的这一声波的这一性质是超声波检测缺陷的物理基础。性质是超声波检测缺陷的物理基础
40、。1 1、单一界面单一界面 当超声波垂直入射到足够当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时，将在第大的光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射波方介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。向相同的透射波。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 反射波声压反射波声压Pr与入射波声压与入射波声压P0的比值称为的比值称为声压反射率声压反射率r，透，透射波声压射波声压Pt和和P0的比值称为的比值称为声压透射率声压透射率t。r和和t的数学表达式为：的数学表达式为：12120rZZZZppr1
41、220t2ZZZppt式中：式中：Z1、Z2分别为两种介质的声阻抗。分别为两种介质的声阻抗。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 为了研究反射波和透射波的能量关系，引入为了研究反射波和透射波的能量关系，引入声强反射率声强反射率R和和声强透射率声强透射率T两个量。两个量。R为反射波声强为反射波声强(Ir)和入射波声强和入射波声强(I0)之之比；比；T为透射波声强为透射波声强(It)和入射波声强和入射波声强(I0)之比。之比。2121220rZZZZrIIR21221202210t4ZZZZPZPZIITt 第一章第一章 超声波检测超声波检测 声波垂直入射到平界面上时，声压
42、和声强的分配比例仅声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。与界面两侧介质的声阻抗有关。第6章 常用无损检测方法 在垂直入射时，界面两侧的声波必须满足两个边界条件：在垂直入射时，界面两侧的声波必须满足两个边界条件：（1）一侧总声压等于另一侧总声压，否则界面会发生运动；）一侧总声压等于另一侧总声压，否则界面会发生运动；（2）两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。）两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。上述超声波纵波垂直入射到单一平界面上的声压、声强与上述超声波纵波垂直入射到单一平界面上的声压、声强与其反射率、透射率的计算公式，同样适用于横波入射的情况。其反射
43、率、透射率的计算公式，同样适用于横波入射的情况。但在固液、固气界面上，横波将发生全反射，这是因为横波不但在固液、固气界面上，横波将发生全反射，这是因为横波不能在液体和气体中传播。能在液体和气体中传播。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 2、薄层界面薄层界面 在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层，在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层，这些都可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透射问题。这些都可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透射问题。第一章第一章 超声波检测超声波检测 超声波由声阻抗为超声波由声阻抗为Z1的第的第一介质入射到一介质入射到Z1和和Z2
44、的交界面，的交界面，然后通过声阻抗为然后通过声阻抗为Z2的第二介的第二介质薄层射到质薄层射到Z2和和Z3的交界面，的交界面，最后进入声阻抗为最后进入声阻抗为Z3的第三介的第三介质。当然在有三层介质时，很质。当然在有三层介质时，很多情况是第一介质和第三介质多情况是第一介质和第三介质为同一种介质（为同一种介质（超声波检测即超声波检测即是这种情况是这种情况）。）。在两个界面上的反射和透射在两个界面上的反射和透射d2第6章 常用无损检测方法（1）当第一、三介质为同一介质时）当第一、三介质为同一介质时)2(s)m1-(m4111t)2(s)m1-(m411)2(s)m1-(m41r22222222222
45、2dindindin透射率反射率由上两式可知：由上两式可知：愈大。愈小，时，即当最大，时，）（当，时，当trtrntrn4d0d0412d102d2222 第一章第一章 超声波检测超声波检测 12ZZm 第6章 常用无损检测方法 由上式可知：往复透射率为工件等情况，此时声压耦合剂或晶片工件，保护薄膜层，如晶片，即非均匀介质中的薄）当（)2(sin)()2(cos)(4ZZZ22222231222223131321dZZZZdZZZZt2313122)(42dZZZZtn时，当 即超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，如薄层厚度等即超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，如薄层厚度等于半波
46、长的整数倍时，通过薄层的声压往复透射率与薄层的性质无关。于半波长的整数倍时，通过薄层的声压往复透射率与薄层的性质无关。第一章第一章 超声波检测超声波检测 超声波测厚超声波测厚1412d31222tZZZn时，有时，且）（当此时为全透射的情况。此时为全透射的情况。复透射率愈大。时，薄层愈薄，声压往当4d22第6章 常用无损检测方法 二、二、超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射当超声波相对于界面入射点法线以一定的角度倾斜入射到当超声波相对于界面入射点法线以一定的角度倾斜入射到两种不同介质的界面上时，在界面上会产生两种不同介质的界面上时，在界面上会产生反射、折射和
47、波型反射、折射和波型转换现象转换现象。入射声波与入射点法线之间的夹。入射声波与入射点法线之间的夹角称为角称为入射角入射角。光光的折射是由于光在不同介质的传播速度不同而引起的。的折射是由于光在不同介质的传播速度不同而引起的。第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射(a)纵波入射；纵波入射；(b)横波入射横波入射 sLsL 第一章第一章 超声波检测超声波检测 第6章 常用无损检测方法 S1sL1Lsinsincc1、反射、反射 当纵波以入射角当纵波以入射角L倾斜入射到异质界面上时，将会在介质倾斜入射到异质
48、界面上时，将会在介质1中于入射点法线的另一侧产生与法线成一定夹角中于入射点法线的另一侧产生与法线成一定夹角 的反射纵的反射纵波。波。称为称为反射角反射角。入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何。入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何光学的反射定律，即光学的反射定律，即L=。与光的反射不同的是，当介质与光的反射不同的是，当介质1 1为固体时，界面上既产生为固体时，界面上既产生反射纵波，同时又发生波型转换并产生反射横波，即反射后同反射纵波，同时又发生波型转换并产生反射横波，即反射后同时产生纵波与横波两种波型。这时，横波反射角时产生纵波与横波两种波型。这时，横波反射角 与纵波入与纵波入射角之间的关系与光
49、学中的斯涅耳定律相同，射角之间的关系与光学中的斯涅耳定律相同，为为 LLS 第一章第一章 超声波检测超声波检测 L第6章 常用无损检测方法 第一章第一章 超声波检测超声波检测 斯涅耳定律斯涅耳定律 Snells Law(光的折射定律）：光入射到不同光的折射定律）：光入射到不同介质的界面上会发生反射和折射。其中入射光和折射光位于同介质的界面上会发生反射和折射。其中入射光和折射光位于同一个平面上，并且与界面法线的夹角满足如下关系：一个平面上，并且与界面法线的夹角满足如下关系：n1sin1=n2sin2 其中，其中，n1和和n2分别是两个介质的折射率，分别是两个介质的折射率，1和和2分别是入射分别是
50、入射光（或折射光）与界面法线的夹角，叫做入射角和折射角。光（或折射光）与界面法线的夹角，叫做入射角和折射角。第6章 常用无损检测方法 若入射声波为横波，也会产生同样的现象，这时横波入射若入射声波为横波，也会产生同样的现象，这时横波入射角角S S与横波与横波反射角反射角 相等。介质相等。介质1为固体时纵波反射角与横为固体时纵波反射角与横波入射角之间的关系为波入射角之间的关系为 L1LS1Ssinsincc由于固体中纵波声速总是大于横波声速，因此，无论是纵波入由于固体中纵波声速总是大于横波声速，因此，无论是纵波入射还是横波入射，均有。射还是横波入射，均有。当介质当介质1为液体或气体时，为液体或气体
