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1、超声波检测的物理基础（一）第一节 振动与波 一、机械振动和机械波 1 机械振动的定义实例以上运动过程中都有相应的物理学规律，即在已知其初始状态后，再经 过任意时间 t 以后的状态可以通过计算的方式获得。 物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机 械振动 ；如果振动都是余弦函数（或正弦函数）性质的，称为谐振动。超声波检测的物理基础（一）超声波检测的物理基础（一）2 描述振动的特征量（物理学描述） （1）振幅（A）-从平衡位置到振动最大位移之间的距离。 （2）周期（T）-质点完成一次全振动所需要的时间。 （3）频率（f）-质点在单位时间内完成全振动的次数。按照以上的定义，容易
2、看出：频率与周期是互为倒数的，即：从定义中可以看出：周期是时间量，通常单位为秒(s)，在超声 波探伤中，则通常使用微秒为单位（ s）。 单位换算关系为：1s=106 s 或 1 s=10-6 s 频率的标准单位为赫兹（Hz）,在超声波探伤中通常用兆赫（MHz ）为单位，换算关系为：1MHz=106Hz 或 1Hz=10-6 MHz超声波检测的物理基础（一）3 机械波和声波及超声波（1）振动在介质中的传播形成波。（2）波动分为电磁波和机械波。（3）波动的周期和频率。（4）电磁波的分类（按频率的不同）。（5）机械波产生的条件: a) 波源(振源) b) 弹性介质超声波检测的物理基础（一）（6）声波
3、是机械波的一种。按频率的不同可以分为：a)可闻声波 20Hz f 20000Hz(频率、音量关系)b)次声波 f20000Hz，工业探伤用频率一般为0.5MHz10MHz从乐器到男人与女人说话的声音讲解频率即音调的概念超声波检测的物理基础（一）4超声波的分类（按时间的连续性） （1）连续波连续波是指在观察的时间内，超声波是连续不断的。 （2）脉冲波脉冲波是指在观察时间内，超声波不连续 ，在目前的工业探伤过程中 ，我们主要采用脉冲波的形式。 5频谱分析 6振动和波动方程振动方程：y=Acos(wt+ ) 波动方程：y=Acosw(t-x/u) + 超声波检测的物理基础（一）超声波检测的物理基础（
4、一）二、超声波的波型按质点的振动方向与波的传播方向之间的关系，超声波 可以分为四种类型。 1 纵波（L）（1）定义：传播方向与质点的运动方向相一致。 （2）传播条件：可以在任何状态下的弹性介质中传播。 （3）实际例子：车轴端面进行穿透探伤检查；钢轨探伤中 的0 探头都使用的是纵波。 （4）别名：疏密波、压缩波。超声波检测的物理基础（一）2 横波（T、S） （1）定义：传播方向与质点的运动方向相垂直。 （2）传播条件：只能在固体介质中传播。问题:横波不能在液体中传播，横波探伤时为什么使用耦合 剂（液体）；使用不同的耦合剂对最后的折射角是否会产 生影响？ （3）实际例子：车轴轮座部位探伤检查；钢轨
5、探伤中的 37 探头都使用的是横波。 （4）别名：剪切波、切变波。超声波检测的物理基础（一）超声波检测的物理基础（一）横波与纵波的对比超声波检测的物理基础（一）3 表面波（R） （1）定义：质点只在一平面内作椭圆振动，椭圆的长轴垂 直于波的传播方向，短轴平行于传播方向。 （2）传播条件：只在固体介质表面进行传播。(深度一个 波长) （3）实例：表面波可以用来检测车轮踏面的裂纹、剥离、 擦伤等缺陷。 （4）别名：瑞利波。超声波检测的物理基础（一）4 板波 （1）定义：薄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。 （2）传播条件：只能在薄板中传播。 （3）别名：板波中最主要的一种是蓝
6、姆波。(检测薄板) 超声波检测的物理基础（二）第二节 超声波的传播特性 一、波长和声速 1 波长超声波检测的物理基础（二）（1）定义：相邻的两个振动相位相同点间的距离。 （2）波长是长度量，探伤中常用的超声波波长大多是毫米 数量级。 （3）常用希腊字母表示。 2 声速由于当质点振动一个周期的时间，超声波刚好在介质 中传播一个波长的距离，按照运动学定律，超声波在介质 中的传播速度可以表示为： 超声波检测的物理基础（二）（1）固体介质的声速在固体介质中，可传播各种波型的超声波，但同一介 质中波型不同时，其声速的值也不同：超声波检测的物理基础（二）其中： E介质的弹性模量G介质的切变模量 介质的泊松
7、比 介质的密度 从以上公式中可以看出：a）固体介质中的声速不仅与波型有关，而且与介质的弹 性和密度有关。b）在同一固体介质中，CLCTCR 注： ,因此，在频率相同时，C越大，越大。也就是说：波长随声速的变化而变化。超声波检测的物理基础（二）（2）液体和气体介质中的声速 对于液体和气体介质来说，其中只能传播纵波，声速 值受温度影响较大，但在某一温度下，其声速亦由材料的 弹性和密度决定。 引申问题：超声波以5900m/s的速度在厚度为29.5mm厚的钢 板中传播，问超声波穿过钢板需要多少时间？若仪器横坐 标每格代表时间1 s，那么，第一次底面回波出现在何处 ？超声波检测的物理基础（二）二、超声场
8、的特征量有超声波存在的空间叫做超声场。 1 声压-力学量 （1）定义：在有声波传播的介质中，某一点在某一瞬间所 具有的压强与没有声波存在时该点的静压强之差称为声压。 （2）声压的单位是帕斯卡（Pa）。 （3）声压通常用符号P表示。 （4）声压是个交变量，可写成，在实用上，比较二个超声 波并不需要对每个时间t进行比较，只须用其幅度作比较。 因此，通常就把声压幅度简称声压 。 （5）在以上条件下，p=cu（式中为介质密度，c为介质中声速，u为质点振动速度）。 超声波检测的物理基础（二）2 声阻抗 从声压的关系中，变形为：p/u=c 而p/u是有物理意义的，在同样p的作用下，u越大，其比值 越小，即
9、介质对波的阻力越小。其结果在数值上等于c。 （1）定义：把p/u或c称为介质的声阻抗 。 （2）声阻抗通常用字母Z表示。 （3）Z的单位为： （4）声阻抗能直接表示介质的声学性质 。超声波检测的物理基础（二）3 声强 声强是能量的概念。 （1）定义：在垂直于声波传播方向上，单位面积上在单位 时间内所通过的声能量称为声强度，简称声强（或声的能 流密度） 。 （2）声强通常用字母I表示。 （3）I的单位为： （4） （式中p为声压，z为介质的声阻抗）（5） 在同一介质中，声强与声压的平方成正比。 超声波检测的物理基础（二）4 声强、声压、回波高度的分贝表示 （1）声强的分贝表示由于声强的变化范围非
10、常大，数量级可以相差很多，用通常数字 表示和运算很不方便，并且人耳对声音响度的感觉近似地与声强的对数 成正比，于是采用对数来表示这一关系。 声强对数关系的得出过程（声强级）在实用上，贝耳这个单位太大，取其十分之一称为分贝， 用符号dB表示。超声波检测的物理基础（二）2 声压的dB表示 因为I=p2/(2Z)，代入上式中，可得：讨论： （1）若p1p2，则0；若p1时，反射强b) DZ2，则r趋于-1，而t趋于0，即超声波几乎 发生全反射，但反射波的相位与入射波相反。在用纵波对车轴进行穿透探伤（0探头监测的轨底回波 ）时，底面反射波就是在钢/空气（Z1Z2）界面发生的全反射 。e)若Z1CL1
11、（3）当L=90时 入射角，记为使折射纵波的折射角等于90时的纵波入射角超声波检测的物理基础（四）2 第二临界角 （1）入射波为纵波 （2）CT2CL1 （3）当T=90时 入射角，记为3 第三临界角 （1）入射波为横波（2）当L=90时入射角，记为超声波检测的物理基础（四）4 讨论 （1）当入射角C2 凹界面聚焦 发散 超声波检测的物理基础（四）C1C2 凸界面发散 聚焦讲解实际运用（车轴横波探伤）超声波检测的物理基础（五）第五节 圆盘声源的声场 一、圆盘声源在声束轴线上的声压分布超声波检测的物理基础（五）利用惠更斯原理，经过数学计算，可得：为了更加容易的了解P随a的变化关系，可描绘其数学图
12、象超声波检测的物理基础（五）1 从图象上可以看出，当a3N时，两图象几乎重合，故复 杂的关系在此状态下可以化简，结果为：2 规律：在靠近声源附近，有很多极大值和极小值的变化 ，在最后一个极大值后，声压随距离的增加而减小。 3 我们把最后一个极大值点到声源的距离称为近场区长度 用符号N表示。超声波检测的物理基础（五）4 讨论： （1）N随D的增加而增大，随f的增加而增大（f=c/） （2）N的大小对探伤结果的影响。 5 对给定的声源和材料，通过讨论我们可以知道，声场中 的极大值点和极小值点的数量。也可以精确计算近场区长 度（k=0+或1-时a的值） 以N的推导为例：（不要求掌握）超声波检测的物理
13、基础整理：K越大，则a越小，故K=0(取+号)或K=1(取-号)时，为最后 一个极大值点。 此时的a值就是近场区长度。考虑到故取超声波检测的物理基础（五）二、指向性 根据叠加原理和干涉的原理，超声波在传播中，不只局限 在中心轴线上，而是一个能量不均匀分布的空间。其中， 能量主要集中在中心轴线附近，按直角坐标图象可以表示 为：超声波检测的物理基础（五）如果按极坐标绘制图象，则可以形象的表示为：可见，在声压为0的指向上和中心轴线之间集中了绝大多数 的能量，我们把这个区域成为主声束，P=0与中心轴线间的 夹角称为指向角。超声波检测的物理基础（五）1 指向角公式对于圆形声源0=1.22，根据数学上弧度
14、与角度的关系，可 以得出：2 讨论 （1）0随D的增加而减小，随f的增加而减小。 （2）0的大小对探伤结果的影响。(N、0的计算) 3 非扩散区晶片尺寸越大，近场 覆盖范围越大，而远 场覆盖范围越小。超声波检测的物理基础（五）三、规则形状发射体的反射 1 几点假设 为了方便的以数学形式描述规则反射体的回波声压，做以 下几点假设a) 工件是半无限大的，即没有边界的影响。b) 在反射体位置，超声波全反射。c) 声波到达位置的声压值即为回波声压。d) 反射体距声源的距离a3N，且反射体尺寸超声波检测的物理基础（五）2 平底孔 从前面的知识可知， 超声波到达平底孔 时的声压为：平底孔的反射，也相当于一
15、个活塞波源，故 两式合并得：超声波检测的物理基础（五）讨论： （1）P平与d2成正比，与a2成反比。 即a不变，d增加一倍时， P平增加4倍。d不变，a增加一倍时， P平变为原来的1/4。 （2）若有两个平底孔，孔径和声程分别为d1、d2和a1、a2 两者相差的dB数可以表示为：超声波检测的物理基础（五）当a1=a2，d1=2d2时，=12dBd1=d2，a2=2a1时，=12dB （3）在实际探伤中，若以a2、d2做为基准缺陷，a1为发现 缺陷的声程，则由上式可以推出缺陷的当量平底孔大小可 以用下式求出若以绝对数值或百分数描述波高时， 也可由下式计算超声波检测的物理基础（五）（4）计算 例1
16、：基准缺陷200mm，2，回波高度6dB,若在150mm处 发现一缺陷,回波高度16dB，求缺陷的当量平底孔直径。回波高度用dB描述时，可直接求dB差。超声波检测的物理基础（五）例2：基准缺陷200mm，2，回波高度20%,若在150mm处 发现一缺陷,回波高度80%，求缺陷的当量平底孔直径。回波高度用%描述时，可以先求，也可使用第二种公 式。 方法一：方法二：超声波检测的物理基础（五）3球孔球孔反射具有球面波特性结合后可求出超声波检测的物理基础（五）讨论： （1）P球与d成正比，与a2成反比。 即a不变，d增加一倍时， P球增加2倍。d不变，a增加一倍时， P球变为原来的1/4。 （2）若有两个球孔，孔径和声程分别为d1、d2和a1、a2
