1、超超 声声 检检 测测ULTRASONIC TESTING 第一章第一章 概论概论Chapter 1 General Introduction n超声检测的历史超声检测的历史 History n超声波的特点超声波的特点 Characteristics n超声检测原理超声检测原理 Principlesn超声检测的优点和限制超声检测的优点和限制 Advantages&limitations超声检测的历史超声检测的历史n1808年，测量了铁管中的声速；n1826年，Colladon和Sturm 在日内瓦湖中测量了水下声速。n1830年，Felixir Savart 利用一个大齿轮产生了24kHz声音
2、。n1880年代，Jacques-Paul和Pierre Curie兄弟发现了压电效应。超声检测的历史超声检测的历史nR.A.Fessenden 研制了种低频（0.5401.1kHz）的活塞声源，可成功探测水下冰山。n1915年，M.Constantin Chilowsky 为探测潜艇提出方案声波测距，后来Paul Langevin利用石英压电换能器可探测1500米远的潜艇。n1929年，苏联的S.Y.Sokolov 和德国的Q.Muhlhauser首先提出用超声波以穿透法来寻找金属中隐藏的不连续性。超声检测的历史超声检测的历史n1930，Firestone使用超声检验用脉冲回波仪。n1937
3、年，Sokolov 创造了一基于压电效应的超声成像管。20世纪30年代，超声脉冲回波被开发用于潜艇探测.n1940年，Floyd Firestone 提出了采用超声脉冲反射法的探伤装置和测量仪器的专利申请。n1947年，通用汽车公司制成了第一台超声共振测厚仪。超声检测的历史超声检测的历史n1948年，Donald Erdman 提出了脉冲回波水浸检验技术，他首先采用了B扫描超声检验。nW.P.Mason在1948年和J.Kaiser于1950年从金属试样上观察到声发射现象。n1955年，电磁声换能器（EMAT）和激光超声。n1959年，Kroutkromer发明AVG曲线。超声检测的历史超声检
4、测的历史n1964年，焊缝超声检测技术。n70，裂纹高度测量，结合断裂力学，评估结构强度和寿命预测。n80，随着电子技术和计算机的发展，超声检测自动化和成像技术发展迅速。超声波的特点超声波的特点n超声波能量高n超声波穿透力强n超声波方向性好超声检测原理超声检测原理主要应用的超声特性主要应用的超声特性n反射特性利用异质界面超声波反射回波检测不连续性。n折射特性利用异质界面超声波折射，检测倾斜不连续性；斜角探头制作。n衍射特性利用超声波在裂纹尖端衍射，测量裂纹高度、检测不连续性TOFD技术。超声检测原理超声检测原理主要应用的超声特性主要应用的超声特性n速度特性测量应力、浓度、孔隙率、针孔度等。n衰
5、减特性测量晶粒度n谐振特性测厚、声振检测n频谱特性定性分析、信号处理。超声检测优点和限制超声检测优点和限制n超声检测优点：灵敏度高、穿透力强、材料适应面广、检测速度块、成本低、对人体无害。n超声检测限制：存在检测盲区、对形状复杂的工件困难、缺陷定性定量尚不准、对检测员要求较高。第二章第二章 超声检测的物理超声检测的物理基础基础Chapter 2 Physical Foundations for Ultrasonic Testing目目 录录 Contents n机械振动与机械波机械振动与机械波 n声波的种类声波的种类 n声波的叠加、干涉、衍射声波的叠加、干涉、衍射 n声波的传播速度声波的传播速
6、度 n声场的特征值声场的特征值 n声波垂直入射到界面时的反射和折射声波垂直入射到界面时的反射和折射 n声波倾斜入射到界面时的反射、折射与波型转换声波倾斜入射到界面时的反射、折射与波型转换 n超声波的聚焦与发散超声波的聚焦与发散 n超声波的衰减超声波的衰减 机械振动与机械波机械振动与机械波Mechanic Vibration and Waven机械振动机械振动n机械波机械波机械振动机械振动谐振动谐振动n振动：质点不停地在平衡位置附近往复运动的状态。n谐振动：质点受到跟位移成正比、方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动。n振动方程：cos:2yAtAf振幅：角频率：初始相位 机械振动机械振动谐振
7、动谐振动n特点：位移随时间的变化符合余弦规律；振幅和频率始终保持不变、自由、周期的振动最基本、最简单的理想的振动；固有频率由系统本身决定；只有弹力或重力做功，机械能守恒。机械振动机械振动阻尼振动阻尼振动n定义：振幅或能量随时间不断减少的振动。n振动方程 n特点 质点的振幅随时间不断减小，直至为零；不符合机械能守恒。00220cos()tyA et：阻尼系数机械振动机械振动阻尼振动阻尼振动n在超声检测的应用 超声检测换能器设计：晶片浇注背衬，使振动迅速停止，缩短脉冲宽度，提高检测分辨率。机械振动机械振动强迫振动强迫振动n定义：在周期外力的作用下物体所作的振动。n振动方程n特点：稳定后为谐振动，振
8、幅不变，频率与策动力相同;不符合机械能守恒。cos()yAPtP：策动力的圆频率机械振动机械振动受迫振动受迫振动n共振 当策动力的频率与其固有频率相同时，振幅达到最大的现象。n超声检测的应用：超声检测换能器晶片在发射超声信号的激励下作受迫振动；接受信号时亦然。机械波机械波产生与传播产生与传播 n机械波 机械振动在介质中传播形成机械波。n弹性介质 由以弹性力保持平衡的各个质点所构成。机械波机械波产生与传播产生与传播n产生机械波的条件 机械振动源、弹性介质。n特点：机械振动是机械波的根源、机械波是机械振动状态的传播。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。机械波机械波产生与传播产生与
9、传播n弹性波、声波 在弹性介质中传播的机械振动。n简谐波 当振动源作谐振动时所产生的波。机械波机械波物理量物理量n周期、频率、波长和波速：c fcT机械波机械波波动方程波动方程n原点质点振动方程n波动方程cos:yAtkxx声程cosyAt声波的种类声波的种类 Classification of Sound Waven按频率分按频率分n按波型分按波型分n按波形分按波形分n按振动的持续时间分按振动的持续时间分声波的种类声波的种类 按频率分按频率分n次声波：f20Hzn可闻声波：20Hzf20kHz声波的种类声波的种类 按波型分按波型分n纵波（压力波、压缩波、疏密波）longitudinal(co
10、mpressive)waven特点 质点的振动方向与波的传播方向一致。n应用 最广泛，适合于检测与工件表面平行的不连续性。声波的种类声波的种类 按波型分按波型分n横波（剪切波）transverse wave(sheer wave)n特点 质点的振动方向与波的传播方向垂直。n应用 广泛，适合于检测与工件表面倾斜的不连续性。声波的种类声波的种类 按波型分按波型分n表面波（瑞利波）surface wave/Rayleigh waven特点：质点振动轨迹为椭圆n应用：较广泛，适合于检测工件表面不连续性。声波的种类声波的种类 按波型分按波型分n板波(兰姆波)plate wave（Lamb wave）n特
11、点：整板振动。n应用：较广泛，薄板检测。声波的种类声波的种类 按波形分按波形分n波阵面：同一时刻相同振动状态质点组成的面。n平面波 无穷大平板声源产生的波阵面为平面的声波。n特点：在无穷大均匀弹性 理想介质中，振幅不衰减n应用：直探头辐射的声波在晶片附近近似平面波.cosyAtkx 声波的种类声波的种类 按波形分按波形分n球面波 球状声源产生的波阵面为球面的声波。n特点 振幅与距声源距离成反比。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。cosAytkxx声波的种类声波的种类 按波形分按波形分n柱面波 柱状声源产生的波阵面为柱面的声波。n特点 质点振幅与声
12、程的平方根成反比。cosAytkxx声波的种类声波的种类 按波形分按波形分n活塞波 实际超声检测换能器辐射的声波。n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。声波的种类声波的种类 按振动的持续时间分按振动的持续时间分n连续波n脉冲波n应用 连续波较少；脉冲波强度高、灵敏度高、脉冲窄、频带宽、分辨率高，应用广泛。声波的种类声波的种类 按振动的持续时间分按振动的持续时间分n频谱 峰值频率 中心频率 频带宽度n频谱分析 脉冲波可分解为多个不同频率的谐振动的叠加。频谱分析在超声检测中的应用频谱分析在超声检测中的应用提高超声无损检测分辨率的方法提高超声无损检测分辨率的方法（无损检测无
13、损检测1997（4），），P91）n分析方法：傅立叶变换后作相关处理n远场分辨率：两相距6mm反射体220.476.2cfdcdffMHzdmm测得：频谱分析在超声检测中的应用频谱分析在超声检测中的应用提高超声无损检测分辨率的方法提高超声无损检测分辨率的方法（无损检测无损检测 1997（4），），P91）n远场分辨率：两相距2mm反射体21.42.1cdffM Hzdmm 测 得：频谱分析在超声检测中的应用频谱分析在超声检测中的应用提高超声无损检测分辨率的方法提高超声无损检测分辨率的方法（无损检测无损检测 1997（4），），P91）n底面分辨率：底面3mm裂纹频谱分析在超声检测中的应用频谱分
14、析在超声检测中的应用提高超声无损检测分辨率的方法提高超声无损检测分辨率的方法（无损检测无损检测 1997（4），），P91）n表面分辨率：距上表面2.5mm深的1mm平底孔声波的叠加、干涉、衍射声波的叠加、干涉、衍射 Superposition,interference,diffractionn波的叠加与干涉波的叠加与干涉n驻波驻波n惠更斯菲涅耳原理与波的衍射惠更斯菲涅耳原理与波的衍射波的叠加与干涉波的叠加与干涉n 波的叠加原理独立性原理 几列波在空间某处相遇时，质点的振动是各列波引起振动的合成。n波的干涉 两频率相同、振动方向相同、相位差恒定的波相遇时，某些地方振动加强、另一些地方振动减弱的
15、现象。波的叠加与干涉波的叠加与干涉n质点M的合成 111222221212cos()cos()cos()22cosyAtx cyAtxcyAtAAAA A1212(21)2nAAAnAAA当（n为整数）时，当（n为整数）时，驻驻 波波n定义：两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时相互叠加而成的波。干涉的特例。cos2()cos2()2 cos(2)cos(2)yAftxyAftxyyyAxft入反入反驻驻 波波n特点：波腹：振幅为2A；波节：振幅为0；相邻两波腹或波节之间的距离 n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，/2x/2/2Nftct晶片的频率常数为：晶片的厚
16、度为：惠更斯菲涅耳原理与波的衍射惠更斯菲涅耳原理与波的衍射n惠更斯原理：波阵面上的任何 一点都可看作新的次波源，从 波阵面上各点发出的许多次波 形成的包络就是新的波阵面。n作用 确定波前的几何形状和波的传播方向,解释波的反射、折射和衍射。如活塞波。惠更斯菲涅耳原理与波的衍射惠更斯菲涅耳原理与波的衍射n波的衍射（绕射）/2DD=?当时，波的绕射强、反射弱，易漏检，检测灵敏度为；当时，反射强、绕射弱，几乎全反射。惠更斯菲涅耳原理与波的衍射惠更斯菲涅耳原理与波的衍射n对超声检测的影响 有利：超声波可在晶粒中传播；不利：小缺陷反射波弱，易漏检。n超声检测的应用 利用衍射波检测缺陷TOFD技术；微小缺陷
17、的检测。超声检测灵敏度极限研究超声检测灵敏度极限研究,1996 P957nA型脉冲反射式超声检测小缺陷回波幅度2()()(,)()()(,)axVE TDG x W f d AeETDG xW f dA式中：激励信号幅度；换能器的发射和接收系数；耦合层声压透射系数；换能器接收指向性；扩散衰减；缺陷的相对散射功率；接收电路放大倍数；介质衰减系数。超声检测灵敏度极限研究超声检测灵敏度极限研究,1996 P957202200(,)(21)sinmmmI CW f dmfIf缺陷的相对散射功率：式中：入射波的声强；散射相位；检测频率。超声检测灵敏度极限研究超声检测灵敏度极限研究,1996 P957n灵
18、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。声波的传播速度声波的传播速度 Sound Velocityn固体介质中的声速固体介质中的声速n液体、气体介质中的声速液体、气体介质中的声速n声速的测量声速的测量n超声波速度特性的应用超声波速度特性的应用固体介质中的声速固体介质中的声速无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的声速1(1)(12)12(1)0.871.12112(1)LSRECECEC纵波声速：横波声速：表面波声速：n声速：介质声学特征参量。n无限大固体介质中的声速：固体介质中的声速固体介质中的声速无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的声速n特点：声速取决于介质和波型
19、2(1)11 20.87 1.1211:1.8:1:0.9LLSSRSRSLSRLSRccccccccccccc三者之间的关系：，即，即，即：c固体介质中的声速固体介质中的声速细长棒中的纵波声速细长棒中的纵波声速LbEc细长棒（直径d）:声速：=固体介质中的声速固体介质中的声速声速与温度、应力、均匀性的关系声速与温度、应力、均匀性的关系n 声速与温度的关系：Tc声速与应力的关系：压应力：c拉应力：c固体介质中的声速固体介质中的声速声速与温度、应力、均匀性的关系声速与温度、应力、均匀性的关系n铸铁均匀性 表面冷却速度快、晶粒细、速度大；中心冷却速度慢、晶粒粗、速度小。固体介质中的声速固体介质中的
20、声速兰姆波声速兰姆波声速n兰姆波分类：对称型（S）、非对称型（A）n相速度：相位传播的速度n群速度：包络的传播速度n特点：频散波速度与频率、板厚有关固体介质中的声速固体介质中的声速兰姆波声速兰姆波声速n频率方程固体介质中的声速固体介质中的声速兰姆波声速兰姆波声速n相速度n群速度液体、气体介质中的声速液体、气体介质中的声速n液体、气体中的纵波速度（不能传播横波）n声速与温度的关系BcB式中：液体、气体介质的容变弹性模量Tc（水除外）声速的测量声速的测量超声检测仪器测量法超声检测仪器测量法n原理n特点：精度不高12112222dtcbtccddcccbb即声速的测量声速的测量测厚仪测量法测厚仪测量
21、法n共振法2ndcfn超声波速度特性的应用超声波速度特性的应用螺栓轴向应力超声测量法的研究螺栓轴向应力超声测量法的研究（南昌航空工业学院学报，（南昌航空工业学院学报，1993.2）n测量方法：改变轴向应力，用声速仪测量声速，转换为传播时间。超声波速度特性的应用超声波速度特性的应用n球墨铸铁球化率 C5400m/s，球化率2-3级；5300C5400m/s,球化率4-5级。n铝合金铸件针孔度测量声场的特征值声场的特征值Characteristics Parameters of Sound Fieldn声压声压 Sound Pressuren声阻抗声阻抗 Impedance n声强声强 Inten
22、sityn分贝与奈培分贝与奈培 Decibel&Neper声声 压压n定义：介质中有声波和没有声波传导时某点的压强之差。n 10sin()sin;2/.mPPPPaPc Atx cc AtkxPc AcucuuAkk 单位：经推导得：声压幅值为：式中：密度；声速；质点振动速度，波数，声声 压压n结论：声场中某点的声压随时间和声程周期变化；声压的幅值与密度、声速和频率成正比超声波的声压很高。n超声检测中的应用 超声检测仪器显示的信号幅度的本质就是声压P。声声 阻阻 抗抗n定义 声场中任意一点的声压域该点质点振动速度之比。n意义：表达材料声学特性。n应用：超声波的反射和透射取决于声阻抗。2/ZP
23、ucu uckg ms单位：声声 强强n 定义 在垂直于声波传播方向上单位面积上的声能。n平面波的声强n结论 单位体积元内的总能量周期性变化；声强与频率的平方成正比超声波的声强远大于可闻声波。222222211221222WdxIAcAS tdtPPZuZc分贝与奈培分贝与奈培 1621212211221110()lg()1/1010lg20lg20lg20lgIW cmIBBelIIPIPPHdBPH 基准声强：人耳刚能感知的声强声强级：贝尔，取其即分贝（dB分贝）（dB）波高比较：分贝与奈培分贝与奈培n应用 回波信号之间的比较2221112121/lnln()lnln1()20lg20lg
24、8.68()18.68PHPPNPPHPeNPPPedBPNPdB 对取自然对数：超声波垂直入射到界面时的反射和透射超声波垂直入射到界面时的反射和透射 Normal Beam Incidence:Reflection&Transmissionn单一平界面的反射率与透射率单一平界面的反射率与透射率n薄层界面的反射率与透射率薄层界面的反射率与透射率n声压往复透射率声压往复透射率单一平界面的反射率与透射率单一平界面的反射率与透射率12)/triitriiirtirtpprtppIIIIpppppZp Z定义：声压反射率：，声压透射率：声强反射率:R，声强透射率:T在界面两侧声波须满足的条件：界面两侧
25、的总声压相等：界面两侧质点振动速度相等：(单一平界面的反射率与透射率单一平界面的反射率与透射率 21212212221212121222121+4R+T=1ritirpitpipZZrpZZpZtpZZrtIZZrIZZIZ ZZtIZZZ声压反射率：声压透射率：二者间的关系：声强反射率:R声强透射率:T二者间的关系：单一平界面的反射率与透射率单一平界面的反射率与透射率 1272622212(/)Z4.6 10/1.5 10/Z0.935Z20.065Z0.87510.125,ZZKg m sKg m sZrZZtZRrTR 122121当时 钢 水界面钢的，水的Z 声压反射率：，声压透射率：
26、，可见：当入射波介质声阻抗远大于透射波介质声阻抗时 声压反射率很高、透射率很低；反射波声压与入射波反相。单一平界面的反射率与透射率单一平界面的反射率与透射率1262721221221212122211.5 10/Z4.6 10/Z2Z0.935,1.935ZZR=r0.875,40.125/1,P+P=P,1,ortZZKg m sKg m sZrtZZZ ZTZZtRT当时（如水/钢界面）水的Z，钢的可见，当声波垂直入射到水 钢界面时：反射波与入射波同相；虽然这是力的平衡：且符合能量守恒。声强反射率和透射RT率和钢/水界面相同，所以 和 与入射方向无关单一平界面的反射率与透射率单一平界面的反
27、射率与透射率 1272721226Z4.6 10/Z4.57 10/Z20.0030.997ZZR=r9 100T=1-R 1ZZKg m sKg m sZZrtZZ 2122121当时（碳素钢/不锈钢界面）碳素钢，不锈钢，可见，当声波垂直入射到声阻抗差异很小的介质组成的界面时，几乎全透射，无反射。如焊接良好的母材与填充金属的结合面无反射波。单一平界面的反射率与透射率单一平界面的反射率与透射率12727212212212124.6 10/0.00004 10/Z2Z-1,0ZZR=r1,1 R0ZZZKg m sZKg m sZrtZZT 当时（如钢/空气界面）钢的，空气的可见，当声波垂直入射
28、到钢/空气界面时：反射波与入射波反相；几乎全反射，无透射。超声检测中的应用：超声检测裂纹、分层等内含空气类缺陷很灵敏。薄层界面的反射率与透射率薄层界面的反射率与透射率n当超声波脉冲宽度小于薄层厚度时，反射波和透射波不干涉；否则，相互干涉。薄层界面的反射率与透射率薄层界面的反射率与透射率13222222222212Z=ZZ112sin41121sin411121sin4rpitpidmpmrpdmmptpdmmzmz均匀介质中的异质薄层（）式中：薄层界面的反射率与透射率薄层界面的反射率与透射率22012214dnnrtndnrt当为整数 时，可见：当薄层两侧介质声阻抗相同，薄层厚度为其 半波长的
29、整数倍时，声波全透射，如同薄层不 存在一样半波透声层。当为整数 时，最高，最低。薄层界面的反射率与透射率薄层界面的反射率与透射率钢/铝中气隙/水隙透射率 钢/铝中气隙/水隙反射率薄层界面的反射率与透射率薄层界面的反射率与透射率fdrr 当频率 一定时，钢中的气隙厚度超声波对检测裂纹的灵敏度很高。当钢中气隙厚度d一定时，检测f提高检测频率，有利于提高灵敏度。薄层界面的反射率与透射率薄层界面的反射率与透射率1231322212132222132213ZZZ4T22cossin4,T2Z ZZ ZddZZZZZ ZdnnZZ薄层两侧介质不同的双界面（）当为整数 时，即：当超声波垂直入射到两侧介质不同
30、的薄层时，若薄层厚度为半波长的整数倍，则声强透射率与 薄层的性质无关。薄层界面的反射率与透射率薄层界面的反射率与透射率2213221,4T=1/4ndnZZZ当为整数 时，且即：当超声波垂直入射到两侧介质不同的薄层时，若薄层厚度为的奇数倍，且阻抗匹配时，则声波全透射。应用：直探头保护膜设计。声压往复透射率声压往复透射率PPPPPPataoot121 2212T=4Z Z=t t=Z+Z往意义：单探头超声检测，兼发、收。可见，在垂直入射时，当底面全反射，声压往复透射率在数值上等于声强透射率。声压往复透射率声压往复透射率1PZT-50.97820.12512212122124ZZT=Z+Z4ZZT
31、=Z+Z往往例：用晶片检测钢工件，假设耦合剂全透射，钢底面全反射，例：水浸法检测钢工件，声压往复透射率声压往复透射率n常见界面声压往复透射率n可见：T往与介质声阻抗有关，与声波入射方向无关；声阻抗差距越大，T往越小，灵敏度越低；声阻抗差距越小，T往越大，灵敏度越高声波倾斜入射到界面时的反射、折射与波型转换声波倾斜入射到界面时的反射、折射与波型转换Oblique Incidence:Reflection,Refraction&Mode Conversion n反射、折射定律与波型转换反射、折射定律与波型转换n声压反射率声压反射率n声压往复透射率声压往复透射率n端角反射端角反射反射、折射定律与波型
32、转换反射、折射定律与波型转换纵波入射时纵波入射时 n 11122sinsinsinsinsinlltltlltltCccCC反射、折射定律与波型转换反射、折射定律与波型转换临界角临界角12121212012012arcsinsin/2730arcsinarcsin27.659002730sinarcsin57.73230llllltltllltcccccccarcccccarcc第一临界角：若，折射纵波全反射时的纵波入射角:第二临界角：若,折射横波全反射时的纵波入射角:以纵波倾斜入射到有机玻璃 钢界面为例：反射、折射定律与波型转换反射、折射定律与波型转换临界角临界角122arcsinIIlRR
33、Rccc纵波倾斜入射：当时，在工件中既有纵波、也有横波；当时，在工件中只有横波；当时，在工件中既无纵波，也无横波，开始转变为表面波。表面波的激发角度：式中：表面波声速反射、折射定律与波型转换反射、折射定律与波型转换横波入射时横波入射时 11122sinsinsinsinsinttlltttlltCccCC反射、折射定律与波型转换反射、折射定律与波型转换第三临界角第三临界角n定义：横波倾斜入射，当反射纵波全反射时的横波入射角。1111sin3230sinarcsin33.2590033.2tlotlocarcccarcc对钢而言，即：当横波入射角大于等于时，工件中只有反射横波。声压反射率声压反射
34、率纵波倾斜入射到钢纵波倾斜入射到钢/空气界面空气界面n影响声压反射率的因素：声阻抗、入射角度n可见：入射角等于60度时，纵波反射率较低，横波反射率较高。声压反射率声压反射率横波倾斜入射到钢横波倾斜入射到钢/空气界面空气界面n可见：当横波入射角=30度时，横波反射率很低；纵波反射率较高。声压往复透射率声压往复透射率n定义：与垂直入射相同。n对水/钢界面：透射率较低，灵敏度较低采用聚焦技术。声压往复透射率声压往复透射率n对有机玻璃/钢 横波折射角范围：4570 端角反射端角反射n定义：n端角反射情况0aPTP端端角反射端角反射n端角反射率n可见，横波入射时，入射角在30和60时端角反射率最低根部未
35、焊透的检测应注意选择。超声波的聚焦与发散超声波的聚焦与发散Focus&Divergen声压距离公式声压距离公式n球面波在平界面上的反射与折射球面波在平界面上的反射与折射n平面波在曲界面上的反射与折射平面波在曲界面上的反射与折射n球面波在曲界面上的反射与折射球面波在曲界面上的反射与折射声压距离公式声压距离公式n平面波：声压不随距离变化n球面波：n柱面波：1PPx1PPx球面波在平界面上的反射与折射球面波在平界面上的反射与折射单一平界面上的反射单一平界面上的反射n规律：反射波仍为球面波；波源与入射波源对称，反射波声压为：式中：r声压反射率1rPPx球面波在平界面上的反射与折射球面波在平界面上的反射
36、与折射双平界面上的反射双平界面上的反射n规律：多次反射仍符合球面波规律；当r=1，d较大，对脉冲波不产生干涉，前壁各次反射波声压比为：n在超声检测中应用 当d较大时，探头辐射的超声波近似为球面波，各底波的高度比符合的1:1/2:1/3:1/4:111:246PPPddd1 1=1：2 3球面波在平界面上的反射与折射球面波在平界面上的反射与折射单一平界面上的折射单一平界面上的折射n规律：折射波不再是严格的球面波，仅当张角较小时近似为球面波：n折射波的声压：式中：t声压折射率11222sinsincc11tPPx平面波在曲界面上的反射与折射平面波在曲界面上的反射与折射反射反射n入射到球面时反射波可
37、视为从焦点发出的球面波，或聚焦、或发散，声压：式中：f焦距，f=r/2 用于发散，用于聚焦0 xfPPxf平面波在曲界面上的反射与折射平面波在曲界面上的反射与折射反射反射n入射到柱面时反射波可视为从聚焦轴线发出的柱面波，或聚焦、或发散，声压：n在超声检测中的应用 球形或柱形气孔0 xfPPxf平面波在曲界面上的反射与折射平面波在曲界面上的反射与折射折射折射n影响聚焦或发散的因素：曲面的凹凸、声速。a)c1c2 c)c1c2 d)c1c2平面波在曲界面上的反射与折射平面波在曲界面上的反射与折射折射折射n入射到球面透镜：折射波可视为从焦点发出的球面波n入射到柱面透镜：折射波可视为从聚焦轴线发出的柱
38、面波021rf=c1-cxfPtPxf式中：0 xfPtPxf球面波在曲界面上的反射与折射球面波在曲界面上的反射与折射反射反射n规律：凹面聚焦、凸面发散n在球面上的反射波为球面波，声压：n在超声检测中的应用 距离探头较远处的球形 气孔，由于发散，其回 波较低，灵敏度较低。1(1)xPfPxaxfa球面波在曲界面上的反射与折射球面波在曲界面上的反射与折射反射反射n在柱面上的反射波，既非单纯的球面波，也非单纯柱面波，声压为：nW反射1(1)(1)xPfPxxaxfaa球面波在曲界面上的反射与折射球面波在曲界面上的反射与折射反射反射n径向检测空心圆柱体球面波在曲界面上的反射与折射球面波在曲界面上的反
39、射与折射折射折射n球形界面n柱形界面n应用：水浸法检测柱形或球形工件，由于折射波发散，灵敏度很低，为此常用聚焦检测。a)c1c2 c)c1c2 d)c1N的区域。声压随声程单调下降，当x3N时，n声压与声程成反比符合球面波的规律所有规则反射体回波声压计算的基础。2222()(2)81 2 3 4.ssRxxDnxnn当n 时，声压有极小值：、时对应的声程约为N/2、N/4、N/8.圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场横截面声压分布横截面声压分布n近场：存在中心轴线上声压为0的截面，轴线上声压为0，偏离中心声压较高；n远场：轴线上声压最高，偏离中心声压逐渐降低。同一截面声压分布对称。圆盘
40、声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场横截面声压分布横截面声压分布n仿真圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场横截面声压分布横截面声压分布n应用：探头声轴线偏离、折射角测量均应在远场。圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场指向性和半扩散角指向性和半扩散角n指向性：声束集中向一个方向辐射的性质。00112(sin)sin2(sin)(,)(,0)sinsssscsP FJ kRPrkRJ kRP rDP rkR在足够远场处空间任意点的声压：指向性系数：圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场指向性和半扩散角指向性和半扩散角0sin3.83,7.02,10.17.00sin3.8
41、3sin1.2270()scssskRDkRarcDD当y=时，即有声压为 点。当y=，即第一零点发散角半扩散角：圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场指向性和半扩散角指向性和半扩散角 00001 cD，即 在 足 够 远 处 任 意 点 的 声 压 均 比 同 距 离 声 轴 线 声 压 低 声 束 轴 线 应 垂 直 入 射 缺 陷。当 能 量 主 要 集 中 在 主 瓣 之 内越 大，声 束 扩 散 越 大，方 向 性 越 差，定 位 误 差 越 大；越 小，声 束 扩 散 越 小，方 向 性 越 好，定 位 误 差 越 小；频 率 越 高，探 头 晶 片 越 大，半 扩 散 角
42、越 小。圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场指向性和半扩散角指向性和半扩散角11162(sin)(,)20lg20lg(,0)sin62(sin)20lg6sin2(sin)0.51sinsin2.22.2arcsinarcsin0.7sssssssdBssJ kRP rdBP rkRdBJ kRdBkRJ kRkRkRkRD与声压幅值有关的半扩散角半扩散角：查得：可得：圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场指向性和半扩散角指向性和半扩散角111211122(sin)2(sin)20lg120.251sinsinsin2.92.9arcsinarcsin0.92202(sin)2
43、(sin)20lg200.1sinsinsin3.4sssssdBsssssssdBJ kRJ kRdBkRkRkRkRDdBJ kRJ kRdBkRkRkR半扩散角：，可得：经查得：所以：半扩散角：，可得：经查得：所以：203.4arcsinarcsin1.08dBsskRD圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场指向性和半扩散角指向性和半扩散角6122002arcsin0.7arcsin0.92arcsin1.08sin1.22()dBdBssdBssdBdBDDarcDD 不同半扩散角比较：自由声场与脉冲反射法指向性的关系：自由（脉冲）圆盘声源辐射的纵波声场圆盘声源辐射的纵波声场未扩
44、散区与扩散区未扩散区与扩散区n未扩散区长度02sin1.221.642.44ssarcDDbN矩形声源辐射的纵波声场矩形声源辐射的纵波声场声轴线上声压分布声轴线上声压分布00sin(sincos)sin(sin)(,)sincossin(,0,0)ssP FKaKbP rrKaKbP FP rr 远场任意点处的声压：远场声轴线上声压：矩形声源辐射的纵波声场矩形声源辐射的纵波声场声轴线上声压分布声轴线上声压分布n声压计算与声场仿真矩形声源辐射的纵波声场矩形声源辐射的纵波声场指向性指向性 短边平面 长边平面 00(,0,)sin(sin)(,0,0)sinarcsin57()22arcsin57(
45、)22rooYOZP rKbDP rKbYOZbbXOZaa在平面内指向性系数：在平面内的半扩散角为：同样，在平面内的半扩散角为：矩形声源辐射的纵波声场矩形声源辐射的纵波声场近场长度近场长度n近场长度n特点 与源盘声源相同。sFN纵波声场近场区在两种介质中的分布纵波声场近场区在两种介质中的分布n剩余近场长度 在水浸法检测中，如水层距离小于 水中近场长度，则在钢中的剩余 近场长度为：2111122()()4sDccNNLLcc纵波声场近场区在两种介质中的分布纵波声场近场区在两种介质中的分布n仿真实际声场与理想声场比较实际声场与理想声场比较特点特点n理想声场：连续波均匀激励、理想液体介质；实际声场
46、：脉冲波非均匀激励、固体介质。n特点：相同：远场；不同：近场：实际声场近场的 声压分布较均匀，幅度变化较小，极大值点的数量也少，极小值 远大于0。实际声场与理想声场比较实际声场与理想声场比较原因原因n理想声场时连续波，在某点完全干涉、实际声场时脉冲波，部分干涉或不干涉；n激励脉冲包含了许多频率成分，每个频率的信号激励晶片所产生的声场相互叠加，使总声压分布趋于均匀；实际声场与理想声场比较实际声场与理想声场比较原因原因n实际声场声源的激励非均匀，中间幅度大，边缘幅度小，而干涉主要受边缘的影响大，所以产生的干涉比均匀激励时的小的多；n理想声场针对液体，声压线形叠加；实际声场针对固体，声压方向在连接线
47、上，叠加干涉少。横波发射声场横波发射声场Transverse Wave Sound Fieldn假想横波声源假想横波声源n横波声场的结构横波声场的结构假想横波声源假想横波声源n假想：把第一介质中的纵波声场转换为轴线与横波波束一致的横波声场。n假想横波声源为椭圆，长轴为Ds，短轴为：coscosssDD横波声场的结构横波声场的结构声轴线上声压声轴线上声压n在足够远处声轴线上的声压：n规律：与纵波相似。n仿真2coscosssssKFPxFF式中：等效声源面积横波声场的结构横波声场的结构近场长度近场长度n假想横波声源的近场长度n横波声场中第二介质中的近场长度为：212costancostanssF
48、NNLL2coscosssFN横波声场的结构横波声场的结构近场长度近场长度11111sltgNNLtgFNL在钢中的剩余近场长度简便算法：式中：声源在斜楔中的纵波声场近场长度；入射点到声源的距离。横波声场的结构横波声场的结构半扩散角半扩散角n纵波折射的横波声场，声束不对称，存在上下两半扩散角：211221121sin,sin1.22sin1()1.22cosLsLssLababaDcbD c上下横波声场的结构横波声场的结构半扩散角半扩散角n横波垂直入射220220arcsin1.2270arcsin5722ssssssDDaa对圆形声源：对正方形声源：聚焦声源发射声场聚焦声源发射声场n聚焦声场
49、的形成聚焦声场的形成n聚焦声场的特点和应用聚焦声场的特点和应用规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压Echo Sound Pressure n大平底大平底 Flat Bottomn平底孔平底孔 Bottom-Drilled Hole n长横孔长横孔Long Side-Drilled Holen短横孔短横孔 Short Side-Drilled Holen球孔球孔 Spheren大直径圆柱体大直径圆柱体 Huge Diameter Cylinder计算的前提计算的前提 所有规则反射体回波声压计算的前提：0 x3N 2sFPPxx1、反射体在声场的足够远处：声轴线上声压随声场的变化规律近似球面波
50、：、反射体表面光滑、声束垂直入射、声压全反射。大大 平平 底底 02sBFPPx大平底回波声压：规律：声压与声程成反比、与频率成正比。122112001212XX2220lg20lgssBBBBFFPPPPxxPxdBPx两厚度分别为，的大平底的回波声压分别为：所以，距离相差一倍，其回波声压相差6dB.平底孔平底孔平底孔回波声压平底孔回波声压0022ssfsfFPPxF FPxFFxf平底孔处的声压：探头接收到的平底孔回波声压：P式中：声源面积；平底孔面积。规律：回波声压与平底孔直径的平方成正比、与声程的平方成反比、与频率的平方成正比。平底孔平底孔两平底孔回波比较两平底孔回波比较n平底孔孔径差
