1、 超声检测是五大常规无损检测技术之一，是目前应用最广超声检测是五大常规无损检测技术之一，是目前应用最广泛，使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。超声泛，使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。超声检测是产品制造中实现质量控制、节约原材料、改进工艺、检测是产品制造中实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率的重要手段，也是设备维护中可不或缺的提高劳动生产率的重要手段，也是设备维护中可不或缺的手段之一。我国特种设备相关法规，如手段之一。我国特种设备相关法规，如固定式压力容器固定式压力容器安全技术监察规程安全技术监察规程蒸汽锅炉安全技术监察规程蒸汽锅炉安全技术监察规程热热水锅炉安全技术
2、监察规程水锅炉安全技术监察规程等都对特种设备的制造、安装、等都对特种设备的制造、安装、修理改造或定期检验等环节提出了超声检测的要求。修理改造或定期检验等环节提出了超声检测的要求。超声检测一般是指使超声波与工件相互作用，就反射、衍超声检测一般是指使超声波与工件相互作用，就反射、衍射、透射和散射的波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、射、透射和散射的波进行研究，对工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，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估的技术。在特种设备行业并进而对其特定应用性进行评估的技术。在特种设备行业中，超声检测通常指
3、宏观缺陷检测和材料厚度测量。中，超声检测通常指宏观缺陷检测和材料厚度测量。利用声响来检测物体的的好坏，这种方法早已被人们采用。利用声响来检测物体的的好坏，这种方法早已被人们采用。如，用手拍西瓜，听是否熟了；敲瓷碗，听是否裂了。声如，用手拍西瓜，听是否熟了；敲瓷碗，听是否裂了。声音反映物体内部某些性质，这早已为人所知。人类也很早音反映物体内部某些性质，这早已为人所知。人类也很早就意识到，可能存在着人耳听不到的就意识到，可能存在着人耳听不到的“声音声音”。1817年克年克拉尼就指出了人的听觉所能听到的声音的最高频率为每秒拉尼就指出了人的听觉所能听到的声音的最高频率为每秒二万二千次（二万二千次（22
4、000赫兹）。赫兹）。1830年，法国物理学家萨伐年，法国物理学家萨伐尔尔(Felix Savart 1791-1841)制作了一个高转速齿轮，用以制作了一个高转速齿轮，用以拨动一片金属片而产生了高达拨动一片金属片而产生了高达24000赫兹的超声波。赫兹的超声波。而真正促使人类研究利用超声波进行探测的事件是泰坦尼而真正促使人类研究利用超声波进行探测的事件是泰坦尼克号沉没事件。克号沉没事件。1912年年4月月10日，被称为日，被称为“世界工业史上世界工业史上奇迹奇迹”的的“永不沉没永不沉没”的的“泰坦尼克号泰坦尼克号”从英国南安普顿从英国南安普顿出发驶往美国纽约开始其处女航。出发驶往美国纽约开始
5、其处女航。15日日23时时40分，载着分，载着1316名乘客和名乘客和891名船员的豪华巨轮在与冰山相撞继而沉名船员的豪华巨轮在与冰山相撞继而沉没，没，1500人葬生海底，造成了在和平时期最严重的一次航人葬生海底，造成了在和平时期最严重的一次航海事故。此后不久，一个叫瑞查得森的人就向英国专利局海事故。此后不久，一个叫瑞查得森的人就向英国专利局申请了用在空气和水下传播的声音回声定位的专利。利用申请了用在空气和水下传播的声音回声定位的专利。利用上述方案进行探测的设备于上述方案进行探测的设备于1914年由美国的瑞格纳年由美国的瑞格纳德德泰森德（泰森德（Reginald A.Tessenden）完成并
6、在美国）完成并在美国获得的专利。获得的专利。在第一次世界大战中，法国著名科学家郎之万（在第一次世界大战中，法国著名科学家郎之万（Langevin）经过反复）经过反复试验改进发明了现今在科研军事民用范围内仍广泛应用的水底探测技试验改进发明了现今在科研军事民用范围内仍广泛应用的水底探测技术术声纳。声纳。1929年，前苏联科学家索科夫（年，前苏联科学家索科夫（S.Y.Sokolov 1897?）提出利用超声波良好穿透性来检测不透明体内部缺陷，工业无损检测提出利用超声波良好穿透性来检测不透明体内部缺陷，工业无损检测的新纪元由此开始。根据索科夫提出的原理制成的穿透法检测仪器，的新纪元由此开始。根据索科夫
7、提出的原理制成的穿透法检测仪器，于第二次世界大战后研制并出现在市场上。但由于这种仪器利用穿过于第二次世界大战后研制并出现在市场上。但由于这种仪器利用穿过物体的透射声能进行检测，发射和接收探头需至于工件相对两侧并保物体的透射声能进行检测，发射和接收探头需至于工件相对两侧并保持其相对位置，同时对缺陷检测灵敏度也较低，所以其应用范围受到持其相对位置，同时对缺陷检测灵敏度也较低，所以其应用范围受到很大制约，不久后就被淘汰。很大制约，不久后就被淘汰。1940年，密歇根大学的法尔斯通教授（年，密歇根大学的法尔斯通教授（Floyd Firestone）提交了一）提交了一种采用超声波脉冲反射法的检测装置的专利
8、申请，使超声波无损检测种采用超声波脉冲反射法的检测装置的专利申请，使超声波无损检测成为一种实用技术。成为一种实用技术。1946年，英国的年，英国的D.O.Spronle研制成第一台研制成第一台A型型脉冲反射式超声波探伤仪。利用该仪器，超声波可以从物体的一面发脉冲反射式超声波探伤仪。利用该仪器，超声波可以从物体的一面发射和接收，能够检出小缺陷，并能够确定缺陷的位置和尺寸。二十世射和接收，能够检出小缺陷，并能够确定缺陷的位置和尺寸。二十世纪六十年代以来计算机技术的飞速发展，几乎给每一个行业都带来了纪六十年代以来计算机技术的飞速发展，几乎给每一个行业都带来了革命性的影响，超声检测也不例外。以前制约仪
9、器电子性能的很多指革命性的影响，超声检测也不例外。以前制约仪器电子性能的很多指标，如放大器线性等主要性能指标都获得了显著提高，焊缝检测问题标，如放大器线性等主要性能指标都获得了显著提高，焊缝检测问题得到了很好的解决。从此，脉冲反射法检测开始获得大量的工业应用。得到了很好的解决。从此，脉冲反射法检测开始获得大量的工业应用。20世纪世纪70年代，英国原子能管理局无损检测研究中心哈维尔年代，英国原子能管理局无损检测研究中心哈维尔（Harwell）实验室的）实验室的M.G.silk提出了衍射时差法超声检测（提出了衍射时差法超声检测（TOFD）。）。TOFD技术是一种利用缺陷端点的衍射信号检测和测定缺陷
10、尺寸的超技术是一种利用缺陷端点的衍射信号检测和测定缺陷尺寸的超声检测技术，近年来在西方工业发达国家已开始广泛应用。近年来，声检测技术，近年来在西方工业发达国家已开始广泛应用。近年来，超声检测技术一直是无损检测技术的研究热点，随着电子技术的不断超声检测技术一直是无损检测技术的研究热点，随着电子技术的不断发展，新的超声检测技术应用层出不穷，如超声成像技术、导波技术、发展，新的超声检测技术应用层出不穷，如超声成像技术、导波技术、电磁超声技术、超声相控阵技术、激光超声技术、量子声学技术等等。电磁超声技术、超声相控阵技术、激光超声技术、量子声学技术等等。我国开始超声检测的研究和应用时间较短。我国开始超声
11、检测的研究和应用时间较短。1950年铁道部引进若干台年铁道部引进若干台瑞士制造的以声响穿透式超声波探伤仪，并用于路轨检验，这是国内瑞士制造的以声响穿透式超声波探伤仪，并用于路轨检验，这是国内应用这一技术的开端。经过应用这一技术的开端。经过60年的发展，我国的超声检测技术取得了年的发展，我国的超声检测技术取得了巨大的进步。超声检测技术几乎渗透到所有工业部门。建立了一只数巨大的进步。超声检测技术几乎渗透到所有工业部门。建立了一只数量庞大专业技术人员队伍，理论及应用研究逐步深入，标准体系日渐量庞大专业技术人员队伍，理论及应用研究逐步深入，标准体系日渐完备，仪器设备制造行业蓬勃发展，管理水平逐步提高。
12、但是，与发完备，仪器设备制造行业蓬勃发展，管理水平逐步提高。但是，与发达国家相比，我国的超声检测总体水平还有很大差距，在人员、设备、达国家相比，我国的超声检测总体水平还有很大差距，在人员、设备、投入、管理、标准等方面还有待进一步提高。投入、管理、标准等方面还有待进一步提高。超声在国防和国民经济中的用途可分为两大类，一类是利超声在国防和国民经济中的用途可分为两大类，一类是利用它的能量来改变材料的某些状态为此，需要产生相当用它的能量来改变材料的某些状态为此，需要产生相当大或比较大能量的超声，实际上是大功率超声或简称功率大或比较大能量的超声，实际上是大功率超声或简称功率超声，包括超声清洗、超声焊接、
13、超声切割等。超声用途超声，包括超声清洗、超声焊接、超声切割等。超声用途的第二类是利用它来采集信息，特别是材料内部的信息，的第二类是利用它来采集信息，特别是材料内部的信息，也就是超声检测。超声波能够用于检测是由于它具有以下也就是超声检测。超声波能够用于检测是由于它具有以下特性。特性。1.超声波穿透能力强超声波穿透能力强它几乎能穿透任何材料对某些其它辐射能量不能穿透的它几乎能穿透任何材料对某些其它辐射能量不能穿透的材料，超声便显示出这方面的可用性，例如，第一次世界材料，超声便显示出这方面的可用性，例如，第一次世界大战中科学家考虑用超声来侦察潜艇，便是因为熟知的光大战中科学家考虑用超声来侦察潜艇，便
14、是因为熟知的光波、电磁波都不能渗透海洋后来又兴起超声探伤、超声波、电磁波都不能渗透海洋后来又兴起超声探伤、超声诊断等，也都是因为金属、人体等都是不透光介质。诊断等，也都是因为金属、人体等都是不透光介质。2.超声波波长短，方向性好超声波波长短，方向性好3.超声波波长短，能够像光波一样在界面产生反射、折射、超声波波长短，能够像光波一样在界面产生反射、折射、衍射等现象衍射等现象。超声波检测有多种分类方法：超声波检测有多种分类方法：按超声波检测原理划分：包括脉冲反射法、穿透法和共振法按超声波检测原理划分：包括脉冲反射法、穿透法和共振法三种。目前用得最多的是脉冲反射法。三种。目前用得最多的是脉冲反射法。
15、按超声波探伤图形的显示方式划分：有按超声波探伤图形的显示方式划分：有A型显示、型显示、B型显示、型显示、C型显示等。型显示等。按探伤波型分类，大致可分为纵波探伤法、横波探伤法、表按探伤波型分类，大致可分为纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法、板波探伤法、爬波法等面波探伤法、板波探伤法、爬波法等按接触方法分类：有直接接触法和液浸法、电磁耦合法。直按接触方法分类：有直接接触法和液浸法、电磁耦合法。直接接触法就是在探头和试件表面之间涂有很薄的耦合剂，可接接触法就是在探头和试件表面之间涂有很薄的耦合剂，可以认为试件与探头直接接触。液浸法是在探头和试件之间有以认为试件与探头直接接触。液浸法是在探头和试件
16、之间有液体，超声波通过液体传播进入试件，液浸法受试件表面状液体，超声波通过液体传播进入试件，液浸法受试件表面状态影响不大，可以进行稳定的检测。电磁耦合法是利用电磁态影响不大，可以进行稳定的检测。电磁耦合法是利用电磁探头产生的洛伦兹力或磁致伸缩效应在试件中激发和接收超探头产生的洛伦兹力或磁致伸缩效应在试件中激发和接收超声波进行检测，探头和试件之间可以不接触，对工件表面状声波进行检测，探头和试件之间可以不接触，对工件表面状态要求低。态要求低。由于由于A型显示脉冲反射式超声波探伤法应用最多，所以下面型显示脉冲反射式超声波探伤法应用最多，所以下面主要叙述该方法。主要叙述该方法。一、机械波一、机械波 常
17、见的波有两大类常见的波有两大类:(1)机械波机械波 (机械振动的传播机械振动的传播)(2)电磁波（交变电场、磁场的传播）电磁波（交变电场、磁场的传播）在微观领域中还有在微观领域中还有物质波。物质波。各种波的本质不同各种波的本质不同,但其基本传播规律有许多相同之处。但其基本传播规律有许多相同之处。由于我们研究的对象超声波属于机械波，所以下面重点讨由于我们研究的对象超声波属于机械波，所以下面重点讨论机械波。论机械波。产生机械波的必要条件：产生机械波的必要条件：（1）振源）振源 （2）弹性介质）弹性介质机械振动与机械波既有联系，又有区别。机械振动是产生机械波的机械振动与机械波既有联系，又有区别。机械
18、振动是产生机械波的根源，机械波是振动状态在弹性介质中的传播。机械振动研究的根源，机械波是振动状态在弹性介质中的传播。机械振动研究的是单个质点的振动状态，机械波研究是传播机械振动的一系列质是单个质点的振动状态，机械波研究是传播机械振动的一系列质点的振动状态。点的振动状态。描述机械波的主要物理量描述机械波的主要物理量（1）波长）波长:波传播时波传播时,在同一波线两个相邻的相位差为零在同一波线两个相邻的相位差为零 的质点之的质点之间的距离。用间的距离。用表示。表示。（2）周期）周期T和频率和频率f：波前进一个波长距离所需的时间叫周期；它：波前进一个波长距离所需的时间叫周期；它的倒数称为频率。机械波的
19、周期与频率只与产生机械波的振源有的倒数称为频率。机械波的周期与频率只与产生机械波的振源有关，与传播介质无关。关，与传播介质无关。（3）波速）波速:单位时间内，波动所传播的距离称为波速。用单位时间内，波动所传播的距离称为波速。用 c表示表示,大小决定于介质的性质。大小决定于介质的性质。由波速与波长的定义可得由波速与波长的定义可得c=f或或=c/f。二、超声波的发生和接收二、超声波的发生和接收 超声波一种高频机械波。产生超声波主要有两超声波一种高频机械波。产生超声波主要有两种方式，一是利用磁致伸缩效应（电磁换能种方式，一是利用磁致伸缩效应（电磁换能器），二是利用压电效应（压电换能器）。目器），二是
20、利用压电效应（压电换能器）。目前，工业检测中大部分采用压电材料制成的压前，工业检测中大部分采用压电材料制成的压电换能器产生超声波。电换能器产生超声波。为什么压电材料能够产生超声波呢？主要是因为他们具为什么压电材料能够产生超声波呢？主要是因为他们具有压电效应。有压电效应。压电效应定义：压电效应定义：正压电效应：正压电效应：晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应。晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应。探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转为电能。探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转为电能。逆压电效应：逆压电效应：当晶体材料在交变电场的作用下，产生伸缩变形的效应。当晶
21、体材料在交变电场的作用下，产生伸缩变形的效应。探头发射超声波，高频电脉冲激励探头压电晶片时，发探头发射超声波，高频电脉冲激励探头压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能。生逆压电效应，将电能转换为声能。能够产生压电效能够产生压电效应的压电材料主要有石英、硫酸锂、铌酸锂等单晶材料、应的压电材料主要有石英、硫酸锂、铌酸锂等单晶材料、钛酸钡、锆钛酸铅（钛酸钡、锆钛酸铅（PZT)、钛酸铅等多晶材料。另外，、钛酸铅等多晶材料。另外，目前在目前在TOFD检测等需要高灵敏度探头的场合，压电复检测等需要高灵敏度探头的场合，压电复合材料得到了广泛的应用。合材料得到了广泛的应用。要使压电材料产生超声波，可将它
22、切成一定厚度的片子，要使压电材料产生超声波，可将它切成一定厚度的片子，称为晶片，如图所示。不同厚度片子对应的共振频率不称为晶片，如图所示。不同厚度片子对应的共振频率不同。将晶片两面镀上银，作为电极（极化）。当频率等同。将晶片两面镀上银，作为电极（极化）。当频率等于晶片共振频率的高频电压施加到电极上时，晶片由于于晶片共振频率的高频电压施加到电极上时，晶片由于逆压电效应将电振动转化成为机械振动，机械振动在工逆压电效应将电振动转化成为机械振动，机械振动在工件中传播形成超声波。反之，高频机械振动（超声波）件中传播形成超声波。反之，高频机械振动（超声波）传播到晶片上时，晶片产生受迫振动，在晶片两电极间传
23、播到晶片上时，晶片产生受迫振动，在晶片两电极间就会产生频率等于超声波频率，强度与超声波声压成正就会产生频率等于超声波频率，强度与超声波声压成正比的高频电信号。这个高频电信号经过放大、检波显示比的高频电信号。这个高频电信号经过放大、检波显示在示波屏上，这就是超声波的接收。在示波屏上，这就是超声波的接收。图1 超声波的发生三、超声波的分类：三、超声波的分类：根据波动传播时介质质点的振动方向相对根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，可将波动划分为于波的传播方向的不同，可将波动划分为纵波（压缩波或疏密波）、横波（剪切纵波（压缩波或疏密波）、横波（剪切波）、表面波和板波等。波）、表面
24、波和板波等。1 纵波（纵波（L）概念及产生机理）概念及产生机理 纵波是指介质中的质点的振动方向与波纵波是指介质中的质点的振动方向与波的传播方向相互平行或一致的波，用的传播方向相互平行或一致的波，用L表表示。示。当介质质点受到交变拉压应力作用时，质当介质质点受到交变拉压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩变形，从而形成纵点之间产生相应的伸缩变形，从而形成纵波。这时介质质点疏密相间，故纵波又成波。这时介质质点疏密相间，故纵波又成为压缩波或疏密波。凡能承受拉伸或压缩为压缩波或疏密波。凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。固体介质既可应力的介质都能传播纵波。固体介质既可承受拉力又可承受压缩力，因此固
25、体介质承受拉力又可承受压缩力，因此固体介质可以传播纵播。液体和气体介质虽不能承可以传播纵播。液体和气体介质虽不能承受拉力，但能承受压应力产生体积或容积受拉力，但能承受压应力产生体积或容积的变化，因此液体和气体也可传播纵波。的变化，因此液体和气体也可传播纵波。图2 纵波与横波2 横波（横波（S或或T）概念及产生机理）概念及产生机理横波是指介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波，横波是指介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波，用用S或或T表示。表示。由于横波的产生是在剪切应力的作用下产生的，因此需要介质由于横波的产生是在剪切应力的作用下产生的，因此需要介质能够有剪切模量，才能承受剪
26、切应力，而只有固体介质能够承能够有剪切模量，才能承受剪切应力，而只有固体介质能够承受剪切应力，液体和气体介质中无剪切模量，因而不能产生横受剪切应力，液体和气体介质中无剪切模量，因而不能产生横波。所以只有固体介质才能够传播横波。波。所以只有固体介质才能够传播横波。3 表面波（表面波（SAW或或R）的概念及产生机理）的概念及产生机理当介质表面受到交变应力作用时，产生的沿介质表面传播的波，当介质表面受到交变应力作用时，产生的沿介质表面传播的波，称为表面波，常用称为表面波，常用R表示，是英国的物理学家瑞利于表示，是英国的物理学家瑞利于1887年首年首先提出来的，因此又称表面波为瑞利波。先提出来的，因此
27、又称表面波为瑞利波。表面波在介质表面传播时，介质表面质点做椭圆运动，椭圆长表面波在介质表面传播时，介质表面质点做椭圆运动，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。因此表面波与横波一样只能在固体介质中传播，不能在液体或气此表面波与横波一样只能在固体介质中传播，不能在液体或气体中传播。体中传播。表面波只能在固体介质中传播，表面波的能量随传播深度增加表面波只能在固体介质中传播，表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。当传播深
28、度超过两倍波长时，指点的振幅就已经而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，指点的振幅就已经很小了，因此，一般认为，表面波只能检测距表面两倍波长深很小了，因此，一般认为，表面波只能检测距表面两倍波长深度内的缺陷。度内的缺陷。图3 表面波示意图4.板波（板波（PW）的概念及产生机理）的概念及产生机理是指在板中激励的与板厚相当波长的波，称为板波。是指在板中激励的与板厚相当波长的波，称为板波。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波和兰姆波。波和兰姆波。（1）SH波，是水平偏振的横波在波板中传播的波。波板中各质点的波，是水平偏振的横波在波板中传播的波。波板中各质点的振动
29、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。的横波。（2）兰姆波，（）兰姆波，（lamb wave）可分为对称型（）可分为对称型（S型）和非对称型型）和非对称型(A型型)。对称型兰姆波的特点是薄板中心质点作纵向振动，上下表面质点作对称型兰姆波的特点是薄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。椭圆运动、振动相位相反并对称于中心。非对称型兰姆波的特点是薄板中心质点作横向振动，上下表面质点非对称型兰姆波的特点是薄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。作椭圆运动、相
30、位相同，不对称。波的类型波的类型质点振动特点质点振动特点传播介质传播介质应应用用纵纵波波质点振动方向平质点振动方向平行于波传播方向行于波传播方向固、液、气体介固、液、气体介质质钢板、锻件探伤钢板、锻件探伤等等横横波波质点振动方向垂质点振动方向垂直于波传播方向直于波传播方向固体介质固体介质焊缝、钢管探伤焊缝、钢管探伤等等表面波表面波质点作椭圆运动，质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直波椭圆长轴垂直波传播方向，短轴传播方向，短轴平行于波传播方平行于波传播方向向固体介质固体介质钢管探伤等钢管探伤等板板波波对称型对称型(S型型)上下表面：椭圆上下表面：椭圆运动运动,中心：纵中心：纵向振动向振动固体介质固体介质
31、(厚度厚度与波长相当的薄与波长相当的薄板板)薄板、薄壁钢管薄板、薄壁钢管等等(CSCR 对于钢材对于钢材:CL:CS:CR=1.8:1:0.9由于液体和气体不能承受剪切应力，所以液体气体中不能传播横由于液体和气体不能承受剪切应力，所以液体气体中不能传播横波。虽然液体气体也不能承受拉应力，但是压应力的作用下会产波。虽然液体气体也不能承受拉应力，但是压应力的作用下会产生容变，从而能够传播纵波。生容变，从而能够传播纵波。纵波声速：纵波声速：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：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的压强；化量所需的压强；：液体、气体介质的密
32、度：液体、气体介质的密度由上式可知，液体、气体介质中的纵波声速与其容变弹性模量和由上式可知，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越大，密度越小，则声速越大。密度有关，介质的容变弹性模量越大，密度越小，则声速越大。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。水是温度在速降低。水是温度在74摄氏度左右时声速达最大值。摄氏度左右时声速达最大值。空气中声速空气中声速340m/s，水中声速，水中声速1500m/s，钢中纵波声速，钢中纵波声速5900m/sBC 关于声速概念，还应注意以下几点：关
33、于声速概念，还应注意以下几点：1.声速是传声介质的一种物理属性，只与介质的参声速是传声介质的一种物理属性，只与介质的参数有关，这个参数就包括了温度、压力等，与声波的数有关，这个参数就包括了温度、压力等，与声波的频率无关（指体波）。频率无关（指体波）。2.声速声速C是声振动这种运动形式在介质中的传播速是声振动这种运动形式在介质中的传播速度，它与介质质点本身的振动速度度，它与介质质点本身的振动速度V是两个不同的概是两个不同的概念。对于我们研究的线性声学，有念。对于我们研究的线性声学，有V C。五、超声场及其特征量五、超声场及其特征量 充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质，叫超声充满超声波的空
34、间或超声振动所波及的部分介质，叫超声场。场。描述超声场的特征量有声压、声强、声阻抗等。描述超声场的特征量有声压、声强、声阻抗等。1.1.声压声压P P声压是指超声场中某一点在某一时刻所具有的压强声压是指超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P1P1与没与没有超声波存在时的静态压强有超声波存在时的静态压强P P。之差，用。之差，用P P表示，表示，P=PP=P1 1-P-P。单位：帕斯卡单位：帕斯卡P P。声压与介质密度、波速、频率成正比。因超声波的频率很声压与介质密度、波速、频率成正比。因超声波的频率很高，故声压远大于声波的声压高，故声压远大于声波的声压。*探伤仪示波屏上波高与声压成正比探伤仪示
35、波屏上波高与声压成正比2.2.声强声强I I 单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，常用单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，常用I I表表示。单位示。单位:瓦瓦/厘米厘米2 2(W/cm(W/cm2 2)或焦耳或焦耳/厘米厘米2 2秒秒(J/cm(J/cm2 2S)S)当超声波传播到介质中某处时，该处原来静止不动的当超声波传播到介质中某处时，该处原来静止不动的体积元开始振动，因而具有了动能。同时该体积元会产生体积元开始振动，因而具有了动能。同时该体积元会产生弹性变形，因而具有弹性势能，其总能量为二者之和。超弹性变形，因而具有弹性势能，其总能量为二者之和。超声波传播时，介质由近及远一层
36、一层振动，能量便逐层传声波传播时，介质由近及远一层一层振动，能量便逐层传播出去。播出去。声压与声强的关系如下式：声压与声强的关系如下式：ZPZucAdtdxASdtWI22222221212121 由上式可知：由上式可知：1 1）声强与声压振幅平方成正比，与声阻抗声强与声压振幅平方成正比，与声阻抗Z Z（c c）成反）成反比比 2 2）超声波检测根据缺陷回波信号的声压、声强来判断缺）超声波检测根据缺陷回波信号的声压、声强来判断缺陷大小。超声波信号的声压越高，示波屏上的回波幅度越陷大小。超声波信号的声压越高，示波屏上的回波幅度越高，据此可以判断缺陷的当量值越大。高，据此可以判断缺陷的当量值越大。
37、声阻抗声阻抗Z(Z(表征介质声学特性的重要物理量表征介质声学特性的重要物理量)超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗，用抗，用“Z”Z”表示。单位：表示。单位：Kg/mKg/m2 2s s；g/cmg/cm2 2s s。Z=P/u=Cu/u=C Z=P/u=Cu/u=C 根据上式可知，声压一定的条件下，根据上式可知，声压一定的条件下，Z Z增加，质点振动速度增加，质点振动速度u u下降。因此声阻抗下降。因此声阻抗Z Z可以理解为介质对质点振动的阻碍作可以理解为介质对质点振动的阻碍作用。用。一般材料的声阻抗随温度升高而降低一般材料的
38、声阻抗随温度升高而降低,这是因为大多数材料这是因为大多数材料的密度的密度和声速和声速c c随温度增加而减小。随温度增加而减小。异质界面上反射、透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。异质界面上反射、透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。六、分贝六、分贝 产生的背景：生产科学实验中，声强数量级往往相差产生的背景：生产科学实验中，声强数量级往往相差悬殊，如引起听觉的声强范围为悬殊，如引起听觉的声强范围为10-16_ 10-4瓦瓦/厘米厘米2，最大值与最小值相差最大值与最小值相差12个数量级。显然采用绝对量来个数量级。显然采用绝对量来度量是不方便的度量是不方便的,但如果对其比值但如果对其比值(相对量相对量
39、)取对数来比较取对数来比较计算则可大大简化运算。分贝与奈培就是两个同量纲计算则可大大简化运算。分贝与奈培就是两个同量纲的量之比取对数后的单位。的量之比取对数后的单位。通常规定引起听觉的最弱声强通常规定引起听觉的最弱声强I1=10-16瓦瓦/厘米厘米2为作为声为作为声强的标准，另一声强强的标准，另一声强I2与标准声强与标准声强I1之比的常用对数称之比的常用对数称为声强级，单位为贝尔为声强级，单位为贝尔(BeL)。实际应用贝尔太大，故常取实际应用贝尔太大，故常取1/10贝尔即分贝贝尔即分贝(dB)来作单来作单位。位。12IlgI(BeL)1212Plg20Ilg10PI(dB)当超声波垂直入射到光
40、滑平界面时，将在第一介质中产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。个与入射波方向相同的透射波。设入射波的声压为设入射波的声压为P0（声强为（声强为I0）、反射波的电压为）、反射波的电压为Pr（声强为（声强为Ir）、透射波的声压为）、透射波的声压为Pt（声强为（声强为It）。）。界面上反射波声压界面上反射波声压P与入射波声压与入射波声压P0之比称为界面的声之比称为界面的声压反射率，用压反射率，用r表示，即表示，即r=Pr/P0。界面上透射波声压界面上透射波声压
41、Pt与入射波声压与入射波声压P0之比称为界面的声之比称为界面的声压透射率，用压透射率，用t表示，即表示，即t=Pt/P0。在界面两侧的声波，必须符合下列两个条件：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）界面两侧的总声压相等，即p0+pr=pt。（相位关系，。（相位关系，力平衡）力平衡）（2）界面两侧质点振动速度幅值相等，即（）界面两侧质点振动速度幅值相等，即（p0-pr）/Z1=pt/Z2（能量平衡）（能量平衡）由上述两边界条件和声压反射率、透射率定义得：由上述两边界条件和声压反射率、透射率定义得：解上述联立方程得声压反射率解上述联立方程得声压反射率r和透射率和
42、透射率t分别为：分别为：21/)1(1ZtZrtrZZZpptZZZZpprtr22021202 界面上反射波声强界面上反射波声强Ir与入射波声强与入射波声强I0之比称为声强反射率，之比称为声强反射率，用用R表示。表示。界面上透射波声强界面上透射波声强It与入射波声强与入射波声强I0之比称为声强透射率，之比称为声强透射率，用用T表示。表示。超声波垂直入射到平界面上时，声压或声强的分配比例仅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：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 t-r=1 212122202120120)(22
43、ZZZZrPPZPZPIIRrrr2212120221120220)(422ZZZZPPZZZPZPIITttt讨论：当当Z2Z1时，如水时，如水/钢钢当当Z1Z2时，如钢时，如钢/水水当当Z1Z2时，（如钢时，（如钢/空气界面）空气界面）当当Z1Z2时，如普通碳钢焊缝的母材与填充金属之间时，如普通碳钢焊缝的母材与填充金属之间 125.0)15.05.4(5.415.04)(4875.0935.0935.115.05.45.422935.015.05.415.05.422212122122012120ZZZZTrRZZZPPtZZZZPPrtr125.0875.011875.0935.0065
44、.015.05.415.022935.045.015.045.015.022122012120RTrRZZZPPtZZZZPPrtr000004.05.400004.022145.000004.045.000004.0122012120ZZZPPtZZZZPPrtr0999975.010105.2)005.0(995.000.199.099.022005.000.199.000.199.0522122012120RTrRZZZPPtZZZZPPrtr 以上讨论为超声波纵波垂直到单一平界面上的声压、声强以上讨论为超声波纵波垂直到单一平界面上的声压、声强反射率和透射率反射率和透射率 同样适用于横波
45、入射的情况，但必须注意的是在固体同样适用于横波入射的情况，但必须注意的是在固体/液液体或固体体或固体/气体界面上，横波全反射。因为横波不能在液气体界面上，横波全反射。因为横波不能在液体和气体中传播。体和气体中传播。当超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类型的反射和折当超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类型的反射和折射波外，还会产生不同类型的反射和折射波，这种现象称射波外，还会产生不同类型的反射和折射波，这种现象称为波型转换为波型转换 图图6声波倾斜入射示意图声波倾斜入射示意图 1纵波斜入射纵波斜入射 当纵波当纵波L倾斜入射到界面时，除产生反射纵波倾斜入射到界面时，除产生反射纵波L和折射和折射纵波
46、纵波L外，还会产生反射横波外，还会产生反射横波S和折射横波和折射横波S，如前图，如前图所示。各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律所示。各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律(snell定律）：定律）：111sinsinsinLLLLLLccc由于在同一介质中纵波波速不变，因此由于在同一介质中纵波波速不变，因此 。又由于在同一介质。又由于在同一介质中纵波波速大于横波波速，因此中纵波波速大于横波波速，因此（1）第一临界角）第一临界角：（2）第二临界角）第二临界角：LL,LsLS 112arcsinLLcc90L90S图7 临界角示意图21arcsinSLIIcc由由 和和 的定义可知：的定义
47、可知：时，第二介质中既有折射纵波时，第二介质中既有折射纵波L又有折射横又有折射横波波S。时，第二介质中只有折射横波时，第二介质中只有折射横波S，没有折射，没有折射纵波纵波L，这就是常用横波探头制作和横波检测的原理。，这就是常用横波探头制作和横波检测的原理。时，第二介质中既无折射纵波时，第二介质中既无折射纵波L，又无折射横波，又无折射横波S。这时在其介质的表面存在表面波。这时在其介质的表面存在表面波R，这就是常用表面，这就是常用表面波探头的制作原理。波探头的制作原理。例如，纵波倾斜入射到有机玻璃例如，纵波倾斜入射到有机玻璃/钢界面时，有机玻璃中钢界面时，有机玻璃中cL1=2730m/s，水中，水
48、中cL1=1480m/s，钢中：，钢中：cL2=5900m/s，cS2=3230m/s。则第一、二临界角分别为：。则第一、二临界角分别为：由此可见有机玻璃横波探头楔块角度由此可见有机玻璃横波探头楔块角度 有机玻璃表面波探头楔块角度有机玻璃表面波探头楔块角度 57.7 度度 。27.6 57.7L122730arcsinarcsin27.65900LLcc122730arcsinarcsin57.73230LSCC2横波斜入射横波斜入射当横波倾斜入射到界面时，同样会产生波型转换。当横波倾斜入射到界面时，同样会产生波型转换。入射入射角增加到一定程度时，角增加到一定程度时，=90,在第一介质中只有反
49、在第一介质中只有反射横波，没有反射纵波，即横波全反射，这时所对应的射横波，没有反射纵波，即横波全反射，这时所对应的横波入射角称为第三临界角，用横波入射角称为第三临界角，用表示表示 对于钢：对于钢：cL1=5900m/s，CS1=3230m/s，当当 33.2时，钢中横波全反射。时，钢中横波全反射。L11arcsinSLcc113230arcsinarcsin33.25900SLCCS 在实际的横波斜探头探伤中，入射到工件中的横波斜射到与在实际的横波斜探头探伤中，入射到工件中的横波斜射到与探测面平行的底面，对底面的横波入射角都大于第三临界角，探测面平行的底面，对底面的横波入射角都大于第三临界角，
50、故不会出现反射纵波；如射到不平行探测面的反射面上，则故不会出现反射纵波；如射到不平行探测面的反射面上，则横波入射角有可能小于第三临界角，从而出现反射纵波与反横波入射角有可能小于第三临界角，从而出现反射纵波与反射横波同时存在的情况，如图所示示例。射横波同时存在的情况，如图所示示例。图8 横波入射产生变形纵波超声波在两个平面构成的直角内的反射称为端角反射，如图超声波在两个平面构成的直角内的反射称为端角反射，如图9所示。所示。在端角反射中超声波经历了两次反射，如不考虑波型转换，第二次反在端角反射中超声波经历了两次反射，如不考虑波型转换，第二次反射回波与入射波互相平行，回波声压射回波与入射波互相平行，
