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1、问答题参考答案1.1 什么是机械振动和机械波？二者有何关系？1.1 答：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，成为机械运动。机械振动在弹性介质中传播就产生机械波，振动是产生波动的根源，而波动是振动是振动这一运动方式在介质中的扩展。1.2 什么是振动周期和振动频率？二者有何关系？1.2 答：振动物体完成一次全振动所需要的时间，称为振动周期，用T表示。常用单位为秒（s）。振动物体在单位时间内完成全振动的 ，称为振动频率，用f 表示。常用单位为赫兹（Hz），1赫兹表示在1秒钟内完成1次全振动，即1Hz=1次/秒。由周期和频率的定义可知，二者互为倒数，即：T=1/f。1.3 什么是谐
2、振动？有何特点？什么是阻尼振动和受迫振动？三者有何不同？超声波探头中的压电晶片在在发射和接受超声波时产生何种振动？1.3 答：质点M作匀速圆周运动时，其水平投影是一种振动。质点M的水平位移y和时间t的关系可用方程y=Acos()来描述，该方程称为谐振方程，凡满足谐振方程的振动就是谐振动。在谐振方程中，A-振幅，即最大水平位移；圆频率：即1秒钟内变化的弧度数，初相位，即t=0时，质点M的相位； 谐振动的特点是：物体受到的回复力大小与位移成正比，其方向总是指向平衡位置，谐振物体的振幅不变，频率不变。由于物体做谐振动时，只有弹性力或重力做功，其它力不做功，符合机械能守恒的条件，因此谐振动物体的能量遵
3、守机械能守恒。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，其总能量始终保持不变。谐振动是最简单最基本的直线运动，任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。由于阻力的作用，使振动系统的能量或振幅随时间不断减少的振动称为阻尼振动。物体受到周期性变化的外力作用时产生的振动称为受迫振动。超声波探头中的压电晶片在电脉冲激励下发生的振动以及超声回波传给晶片，导致晶片发生的振动都属受迫振动，而在其后，探头压电晶片的振动受吸收块的作用，振动很快停止，这一过程可视为阻尼振动。1.4 什么是弹性介质？同样作为传声介质，固体和液体、气体有哪些不同？1.4 答：在介质内部，各质点间以弹性力联系在一起
4、，这样的介质称为弹性介质。一般固体、液体、气体都可视为弹性介质。但前者与后者存在区别，固体内部可以存在拉、压应力和剪切应力，而液体或气体内部不存在拉应力或剪切应力，只可以传递压应力。纵波是靠拉、压应力传播的，所以在固体、液体、气体中都可以传播，而横波或表面波的传播需要剪切应力，所以它们只能在固体中传播，而不能在液体和气体中传播。1.5 什么是波动频率、波速和波长？三者有何关系？1.5 答：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，称为波动频率。波动频率在数值上同振动频率，用f表示，单位为赫兹（Hz）。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
5、千米/秒（km/s）。同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，称为波长，用表示。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。波长的常用单位为毫米（mm）、米（m）。由波速，波长和频率的定义得：C=由上式可知，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。1.6 什么是超声波？工业探伤应用的频率范围是多少？在超声波探伤中应用了哪些超声波的哪些主要性质？1.6 答：频率高于20000Hz的机械波称为超声波，工业探伤所用的频率一般在0.510MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为15MHz之间。超声波的主要特点
6、是频率高，波长短，能量密度大，在工业探伤中主要利用了超声波的以下特性：（1） 超声波良好的指向性。在超声波探伤中声源的尺寸一般均大于波长数倍以上，在此条件下，超声波能形成扩散角较小的声束。沿特定方向上传播。从而可按光学原理判定缺陷位置。（2） 超声波在异质界面上将产生反射，折射，利用这些特性，可以接收到从缺陷或其他异质界面反射回来的声波，获取需要的信息。（3） 超声波在异质界面上能产生波型转换，利用这一特性，可以从界面上获得不同型式的超声波从而满足探伤需要。（4） 超声波频率高，因为声强与频率成正比，所以超声波的能量比声波能量大得多，使用超声波探伤可以发射较大的能量，接收到较强的回波信号。1.
7、7 什么是波线、波阵面和波前?它们有何关系?1.7 答：波阵面：同一时刻，介质中振动相位相同的所有质点所联成的面称为波阵面。波前：某一时刻，波动所到达的空间各点所联成的面称为波前。波线：波的传播方向称为波线。三者的关系是：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，而波阵面有无穷多个。在各向同性的介质中，波线恒垂直于波阵面或波前。1.8 什么是平面波、柱面波和球面波？各有何特点？实际应用的超声波探头发出的波属于什么波?1.8 答：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。波阵面为互相平行的平面的波称为平面波。平面波波束不扩散，平面波各质点振幅（声压）
8、是一个常数，不随距离而变化。波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。柱面波波束向周向扩散，而沿轴向不发生扩散，柱面波各质点的振幅（声压）与距离平方根成反比。波阵面为同心球面的波称为球面波。球面波波束向四面八方扩散，球面波各质点的振幅（声压）与距离成反比。实际应用的超声波探头中的波源类似活塞振动，在各向同性的介质中辐射的波称为活塞波。当距离源的距离足够大时，活塞波类似于球面波。1.9 简述影响超声波在介质中传播速度的影响有哪些？1.9 答：（1）超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和介质的密度有关。对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数，不同介质，声速不同。（2）超声波波型不同时，声速
9、也不一样。同一介质，传播不同类型声波时，声速也不相同。（3）介质尺寸大小及介质温度对声速也有一定影响。1.10 什么是波的叠加原理？叠加原理说明了什么？1.10 答：（1）当几列波在同一介质中传播并相遇时，相遇处质点的振动是各列波引起的分振动的合成，任一时刻该质点的位移是各列波引起的分位移的矢量和。（2）相遇后的各列波仍保持它们各自原有的特性（频率、波长、振幅、振动方向等）不变，并按照各自原来的传播方向继续前进。（3）波的叠加原理说明了波的独立性，及质点受到几个波同时作用时的振动的可叠加性。1.11 什么叫波的干涉现象？什么情况下合成振幅最大？什么情况下合成振幅最小？1.11 答：（1）两列频
10、率相同，振动方向相同，相位相同或相位差恒定的波相遇时，由于波叠加的结果，会使某些地方的振动始终互相加强，而另一些地方的振动始终互相减弱或完全抵消，这种现象称为波的干涉，产生干涉现象的波称为相干波。干涉现象的产生是相干波传播到空间各点时波程不同所致。（2）当波程差等于波长的整数倍时，合成振幅达最大值。 （3）当波程差等于半波长的奇数倍时，合成振幅达最小值。1.12 何谓驻波？为什么镜片厚度通常去二分之一波长？1.12 答：（1）两列振幅相同的相干波，在同一直线上相向传播时互相叠加而成的波，称为驻波。（2）当镜片厚度等于半波长整数倍时，会产生驻波。所以取晶片厚度t=可以形成驻波，产生共振，使合成振
11、幅最大，有利于提高探头辐射超声波的效率。1.13 何谓绕射（衍射）？绕射现象的发生与哪些因素有关？1.13 答：波在传播过程中遇到障碍物时，能绕过障碍物的边缘继续前进的现象，称为波的绕射（衍射）。绕射的产生与障碍物的尺寸D和波长的相对大小有关D时，几乎只绕射，无反射。D时，几乎只反射，无绕射。D与相当时，既反射又绕射。1.14 什么叫超声场？超声场的特征量有哪些？1.14 答：充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质，称为超声场。描述超声场的物理量即特征量有声压、声强和声阻抗。声压：超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在的同一点的静压强P0之差，称为该点的声压。P=P1-P
12、0。声强：单位时间内通过与超声波传播方向垂直的单位面积的声能，称为声强。常用I表示。声阻抗：介质中某一点的声压P与该质点振动速度V之比，称为声阻抗，常用Z表示，声阻抗在数值上等于即诶之的密度P与介质中声速C的乘积。Z=PC。1.15 在什么样的异质薄层界面上声压往复透过率最高？1.15 答：（1）当薄层厚度等于奇数倍，薄层介质声阻抗为其两侧介质声阻抗几何平均值时，即声压往复透过率等于1，声波全透射。（2）当薄层厚度，薄层愈薄，声压往复透射率愈大。1.16 什么叫波型转换？波型转换与哪些因素有关？1.16 答：（1）超声波入射到异质界面时，除产生入射波同类型的反射和折射波外，还会产生与入射波不同
13、类型的反射或折射波，这种现象称为波型转换。（2）波型转换只发生在倾斜入射的场合，与界面两侧介质的特性（状态、声束等）以及波的入射角度有关。1.17什么叫端角反射？它有何特点？超声波检测单面焊根部未焊透缺陷时，探头K值应怎样选择?1.17 答：（1）超声波在工件（或试样）的两个互相垂直的平面构成的直角内的反射，称为端角反射。（2）端角反射中，同类型的反射波和入射波总是相互平行方向相反。（3）端角反射中，产生波型转换，不同类型的反射波和入射波互相不平行。（4）纵波入射时，端角反射率在很大范围内很低。（5）横波入射时，入射角在附近，断交反射率最低。（6）入射角在时，断交反射率最高。（7）探测根部未焊
14、透时为取得高的端角反射率，应选择K=0.71.43的探头，避免选择K1.5的探头1.18 什么叫超声波的衰减？简述衰减的种类和原因？1.18 答：超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波的能量逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。衰减的种类和原因： (1) 扩散衰减：由于声束的扩散，随着传播距离的增加，波束截面越来越大，从而使单位面积上的能量 逐渐减小。这种衰减叫扩散衰减。扩散衰减主要取决于波阵面的几何形状，与传播介质的性质无关。 (2) 散射衰减：超声波在传播过程中，遇到由不同声阻抗介质组成的界面时，发生散射（反射、折射或波型转换），使声波原传播方向上的能量减少。这种衰减称为散射衰减。材料
15、中晶粒粗大（和波长相比）是引起散射衰减的主要因素。 (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（粘滞性）和热传导等因素，使声能转 换成其它能量（热量）。这种衰减称为吸收衰减，又称粘滞衰减。散射衰减，吸收衰减与介质的性质有关，因此统称为材质衰减。2.1 何谓主声束？何谓指向性？指向性与哪些因素有关？2.1 答：（1）声源正前方声能集中的锥形区域称为主声束。（2）声源辐射的超声波方向，集中辐射的性质称为声束指向性。（3）指向性的优劣常用指向角表示，指向角即为主声束的半扩散角，通常用过第一零辐射角表示，即声压为零主声束边缘线与声束轴线间的夹角。（4）指向角与波长和晶片直径的比值（）有关，D愈大，愈短，愈小，声束指向性愈好。2.2 圆盘源活塞波声场可分为哪几个区域？各有什么特点？2.2 答：超声场可分为主声束和副瓣。主声束是指声源正前方，声源最集中的锥形区域。主声束轴线与探头晶片垂直，声束截面较大。副瓣旁侧于主声束，其轴线倾斜于晶片，能量微弱，截面较小，晶片尺寸与波长的比值不同，副瓣的数量和辐射方向也就不同。超声波探伤所利用的是主声束声场，探头的频率指的是主声束频率。
