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1、UTUT第第1 1章章 绪论绪论超声检测通常是指工件内部宏观缺陷检测和材料厚度测量。超声检测通常是指工件内部宏观缺陷检测和材料厚度测量。1.11.1超声检测基础知识超声检测基础知识1.1.11.1.1次声波、声波和超声波次声波、声波和超声波它们都是在弹性介质中传播的机械波，它们都是在弹性介质中传播的机械波，同一波形在同一介同一波形在同一介质中的传播速度是相同的，质中的传播速度是相同的，它们的区别主要在于频率不同。它们的区别主要在于频率不同。人们日常所听到的各种声音，是由于各种声源的振动通过人们日常所听到的各种声音，是由于各种声源的振动通过空气等弹性介质传播到耳膜，引起耳膜振动，牵动听觉神空气等
2、弹性介质传播到耳膜，引起耳膜振动，牵动听觉神经，使人产生听觉。经，使人产生听觉。1能引起人们听觉的机械波称为声波，其频率为能引起人们听觉的机械波称为声波，其频率为2020kHz2020kHz之之间；频率低于间；频率低于20Hz20Hz的机械波称为次声波；频率高于的机械波称为次声波；频率高于20kHz20kHz的机械波称为超声波。次声波和超声波，人耳是听不到的。的机械波称为超声波。次声波和超声波，人耳是听不到的。用于宏观缺陷检测的超声波，其常用频率为用于宏观缺陷检测的超声波，其常用频率为0.525MHz0.525MHz，对于钢等金属材料的检测，常用频率为对于钢等金属材料的检测，常用频率为0.51
3、0MHz0.510MHz。超声。超声波的特点就是波的特点就是频率高，频率高，因而使超声波具有一些重要特性，因而使超声波具有一些重要特性，使其能广泛用于无损检测。使其能广泛用于无损检测。1.1.超声波方向性好超声波方向性好：超声波频率高，波长短，扩散角小，：超声波频率高，波长短，扩散角小，可以定向发射，犹如手电筒发出的一束光，可在黑暗中找可以定向发射，犹如手电筒发出的一束光，可在黑暗中找到所需物品一样在被检材料中发现缺陷。到所需物品一样在被检材料中发现缺陷。2.2.超声波能量高超声波能量高：超声波的检测频率远高于声波，其声强：超声波的检测频率远高于声波，其声强与频率的平方成正比。与频率的平方成正
4、比。23.3.超声波能在异质界面产生反射、折射、衍射和波形转换超声波能在异质界面产生反射、折射、衍射和波形转换：在超声检测中，特别是在脉冲反射法检测中，利用了超声在超声检测中，特别是在脉冲反射法检测中，利用了超声波几何声学的一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产波几何声学的一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射、折射等。生反射、折射等。4.4.超声波穿透能力强超声波穿透能力强：超声波在大多数介质中传播时，传：超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在很多金属材播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在很多金属材料中其穿透能力可达数米。料中其穿透能力可达数米。31
5、.1.2 1.1.2 超声检测工作原理超声检测工作原理超声检测主要基于超声波在工件中的传播特性，如超声波超声检测主要基于超声波在工件中的传播特性，如超声波在通过材料时能量会损失；在遇到声阻抗不同的两种介质在通过材料时能量会损失；在遇到声阻抗不同的两种介质的界面时会发生反射等。其主要的工作过程是：的界面时会发生反射等。其主要的工作过程是：41. 1. 声源产生超声波，并通过一定的方式进入工件；声源产生超声波，并通过一定的方式进入工件；2. 2. 超声波在工件中传播并与工件材料及其中的缺陷相互超声波在工件中传播并与工件材料及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征发生改变；作用，使其传播方向或特征发
6、生改变；3. 3. 改变后的超声波通过检测设备接收，并对其进行处理改变后的超声波通过检测设备接收，并对其进行处理和分析；和分析；4. 4. 根据接收到的超声波信号特征，评估工件表面及其内根据接收到的超声波信号特征，评估工件表面及其内部是否存在缺陷及缺陷的特征。部是否存在缺陷及缺陷的特征。通常用来发现缺陷并对其进行评估的基本信息是：通常用来发现缺陷并对其进行评估的基本信息是：51. 1. 是否存在来自缺陷的超声信号及其幅度；是否存在来自缺陷的超声信号及其幅度；2. 2. 回波的传播时间；回波的传播时间；3. 3. 超声波通过材料后的能量衰减。超声波通过材料后的能量衰减。6第第2 2章章 超声波探
7、伤的物理基础超声波探伤的物理基础超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播。超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播。机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。超声波探伤中，主要涉及到几何声学和物理声学中的一些超声波探伤中，主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概念。基本定律和概念。如如几何声学几何声学中的反射、折射定律及波型转换；中的反射、折射定律及波型转换；物理声学物理声学中波的叠加、干涉、衍射等。中波的叠加、干涉、衍射等。72.1 2.1 机械振动与机械波机械振动与机械波2.1.1 2.1.1 机械机械振动振动物体（或质点）在某一平衡位置附
8、近作来回往复的运动，物体（或质点）在某一平衡位置附近作来回往复的运动，称为机械振动。称为机械振动。振动是自然界最常见的一振动是自然界最常见的一种运动形式。种运动形式。8振动产生的必要条件是：物体一离开平衡位置就会受到振动产生的必要条件是：物体一离开平衡位置就会受到回回复力复力的作用；阻力要足够小。的作用；阻力要足够小。物体（或质点）受到一定力的作用，将离开平衡位置，产物体（或质点）受到一定力的作用，将离开平衡位置，产生一个位移；生一个位移；该力消失后，在回复力作用下，它将向平衡位置运动，并该力消失后，在回复力作用下，它将向平衡位置运动，并且还要越过平衡位置移动到相反方向的最大位移位置，然且还要
9、越过平衡位置移动到相反方向的最大位移位置，然后再向平衡位置运动。后再向平衡位置运动。9这样一个完整运动过程称为一个这样一个完整运动过程称为一个“循环循环”或叫一次或叫一次“全振全振动动”。每经过一定时间后，振动体总是回复到原来的状态（或位每经过一定时间后，振动体总是回复到原来的状态（或位置）的振动称为置）的振动称为周期性振动周期性振动，不具有上述周期性规律的振，不具有上述周期性规律的振动称为动称为非周期性振动非周期性振动。10振动是往复的运动，振动的振动是往复的运动，振动的快慢快慢常用常用振动周期和振动频率振动周期和振动频率两个物理量来描述。两个物理量来描述。振动的振动的强弱强弱用用振幅来表征
10、。振幅来表征。周期：周期：当物体作往复运动时完成一次全振动所需的时间，当物体作往复运动时完成一次全振动所需的时间，称为振动周期，用称为振动周期，用 T T 表示。常用单位为秒（表示。常用单位为秒（s s）。）。对于非周期性振动，往复运动已不再是周期性的，但周期对于非周期性振动，往复运动已不再是周期性的，但周期这个物理量仍然可以反映这种运动的往复情况。这个物理量仍然可以反映这种运动的往复情况。频率：频率：振动物体在单位时间内完成全振动的次数，称为振振动物体在单位时间内完成全振动的次数，称为振动频率，用动频率，用 f f 表示。常用单位是赫兹（表示。常用单位是赫兹（HzHz）。）。1Hz=11Hz
11、=1次次/s/s。频率和周期互为倒数：频率和周期互为倒数： T T = =11振幅：振幅：振动物体离开平衡位置的最大距离，称为振动的振振动物体离开平衡位置的最大距离，称为振动的振幅，用幅，用 A A 标示。标示。 1.1.谐振动：谐振动：物体（或质点）在受到跟位移大小成正比、而物体（或质点）在受到跟位移大小成正比、而方向总指向平衡位置的回复力作用下的振动，就叫做谐振方向总指向平衡位置的回复力作用下的振动，就叫做谐振动。动。（P8P8）12弹簧振子的谐振动：弹簧一端固定，质量不计；另一端连弹簧振子的谐振动：弹簧一端固定，质量不计；另一端连接一小球。接一小球。当小球处于当小球处于O O点时，所受外
12、力为零，弹簧没有变形，小球点时，所受外力为零，弹簧没有变形，小球不受力，该点就是平衡位置。不受力，该点就是平衡位置。将小球从平衡位置将小球从平衡位置O O向右拉到向右拉到A A点，然后释放，小球将左右点，然后释放，小球将左右振动。振动。14小球振动过程中，其重力与表面支持力始终平衡，假定小小球振动过程中，其重力与表面支持力始终平衡，假定小球的运动没有任何其他阻力，对振动起作用的只有弹簧作球的运动没有任何其他阻力，对振动起作用的只有弹簧作用在小球上的弹力。用在小球上的弹力。当小球受到外力作用被拉到当小球受到外力作用被拉到O O点右侧的点右侧的A A点时，它对平衡位点时，它对平衡位置的位移方向向右
13、，而所受弹力的方向却向左。置的位移方向向右，而所受弹力的方向却向左。当小球运动到当小球运动到O O点左侧时，位移方向向左，而弹力方向却点左侧时，位移方向向左，而弹力方向却向右。向右。该弹力的方向总是跟小球对平衡位置的位移方向相反，指该弹力的方向总是跟小球对平衡位置的位移方向相反，指向平衡位置。向平衡位置。这个弹力就是使小球振动的回复力。这个弹力就是使小球振动的回复力。15根据胡克定律，弹簧提供的回复力根据胡克定律，弹簧提供的回复力F F的大小与小球相对平的大小与小球相对平衡位置的位移衡位置的位移X X成正比。成正比。 F=-Kx F=-Kx K K为弹簧的倔强系数（又称劲度系数或弹性系数为弹簧
14、的倔强系数（又称劲度系数或弹性系数-反映反映弹簧的软硬程度，它与弹簧的材料性质，截面积和原长度弹簧的软硬程度，它与弹簧的材料性质，截面积和原长度有关。单位是有关。单位是N/mN/m），负号表示回复力与位移方向相反。），负号表示回复力与位移方向相反。16从运动学角度分析，弹簧振子的运动可以用振动图像直观从运动学角度分析，弹簧振子的运动可以用振动图像直观地表示出来，表示振动质点的位移随时间变化的规律。地表示出来，表示振动质点的位移随时间变化的规律。运动学（运动学（kinematicskinematics），从几何的角度（指不涉及物体本），从几何的角度（指不涉及物体本身的物理性质和加在物体上的力身的
15、物理性质和加在物体上的力) ) 描述和研究物体位置随描述和研究物体位置随时间的变化规律的力学分支。时间的变化规律的力学分支。下图是以纵轴表示时间，横轴表示质点位移而形成的谐振下图是以纵轴表示时间，横轴表示质点位移而形成的谐振动图像。动图像。17xFvvF -AAx=0F=0弹簧振子的振动弹簧振子的振动1819谐振动与做匀速圆周运动的质点在谐振动与做匀速圆周运动的质点在 X X轴上投影的运动特点轴上投影的运动特点完全一致。完全一致。以振幅以振幅 A A为半径作园，质点为半径作园，质点M M沿圆周作匀速运动，质点沿圆周作匀速运动，质点M M的的水平位移水平位移X X和时间和时间t t的关系可用下式
16、描述：的关系可用下式描述： 20式中：式中：A A：振幅，表征振动质点离开平衡位置的最大位移；：振幅，表征振动质点离开平衡位置的最大位移； ：振动相位，表征振动质点在某一时刻：振动相位，表征振动质点在某一时刻 t t的的位置和质点的运动方向，即：表征质点的运动状态；位置和质点的运动方向，即：表征质点的运动状态；X X：某一时刻的水平位移。：某一时刻的水平位移。22人们将位移随时间的变化符合余弦（或正弦）规律的振动人们将位移随时间的变化符合余弦（或正弦）规律的振动形式称为谐振动。形式称为谐振动。谐振动的振幅、频率和周期保持不变，其频率为振动系统谐振动的振幅、频率和周期保持不变，其频率为振动系统的
17、固有频率，是最简单、最基本的一种振动。的固有频率，是最简单、最基本的一种振动。任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。作谐振动的物体在平衡位置时动能最大、势能为零；在位作谐振动的物体在平衡位置时动能最大、势能为零；在位移最大处势能最大、动能为零。其总能量保持不变。移最大处势能最大、动能为零。其总能量保持不变。232.2.阻尼振动：谐振动是理想条件下的振动，不考虑摩擦和阻尼振动：谐振动是理想条件下的振动，不考虑摩擦和其它阻力的影响。但任何实际物体的振动，总要受到阻力其它阻力的影响。但任何实际物体的振动，总要受到阻力的作用。由于要克服阻力做功，则振动物体的能
18、量不断减的作用。由于要克服阻力做功，则振动物体的能量不断减少。这种振幅或能量随时间不断减少的振动，称为阻尼振少。这种振幅或能量随时间不断减少的振动，称为阻尼振动。动。243.3.受迫振动：物体受到周期性变化的外力作用时，产生的受迫振动：物体受到周期性变化的外力作用时，产生的振动。振动。受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间后达到稳定受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间后达到稳定状态，变为周期性的谐振动。其振动频率与策动力频率相状态，变为周期性的谐振动。其振动频率与策动力频率相同，振幅保持不变。同，振幅保持不变。受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动力频率与受受迫振动的振幅与策动力的频率
19、有关，当策动力频率与受迫振动物体固有频率相同时，受迫振动的振幅达最大值。迫振动物体固有频率相同时，受迫振动的振幅达最大值。这种现象称为共振。这种现象称为共振。超声波探头中的压电晶片在发射超声波和接收超声波时，超声波探头中的压电晶片在发射超声波和接收超声波时，产生的是受迫振动和阻尼振动。产生的是受迫振动和阻尼振动。25在设计探头中的压电晶片时，若使高频电脉冲的频率等于在设计探头中的压电晶片时，若使高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率，就会产生共振，这时压电晶片的电压电晶片的固有频率，就会产生共振，这时压电晶片的电声能量转换效率最高。声能量转换效率最高。262.1.2 2.1.2 机械波机械波1
20、.1.机械波的产生与传播机械波的产生与传播振动的传播过程称为波动。分机械波和电磁波两大类。振动的传播过程称为波动。分机械波和电磁波两大类。机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程；机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程；电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。27在介质内部，各质点间以弹性力连接在一起，称为弹性介在介质内部，各质点间以弹性力连接在一起，称为弹性介质。质。在弹性力的作用下在弹性力的作用下，弹性介质中一个质点的振动就会引起，弹性介质中一个质点的振动就会引起临近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振临近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的
21、振动，于是振动就以一定的速度由近及远地向各个方向传播动，于是振动就以一定的速度由近及远地向各个方向传播开来，从而就形成了机械波。开来，从而就形成了机械波。产生机械波必须具备以下两个条件：产生机械波必须具备以下两个条件：（1 1） 要有作机械振动的波源。要有作机械振动的波源。（2 2）要有能传播机械振动的弹性介质。）要有能传播机械振动的弹性介质。 28一般固体、液体、气体都可视为弹性介质。一般固体、液体、气体都可视为弹性介质。液体和气体不能用上述弹性力的模型来描述，其弹性波是液体和气体不能用上述弹性力的模型来描述，其弹性波是在受到压力时体积的收缩和膨胀产生的。在受到压力时体积的收缩和膨胀产生的。
22、29振动与波动是互相关联的，振动是产生波动的根源，波动振动与波动是互相关联的，振动是产生波动的根源，波动是振动状态的传播。是振动状态的传播。波动中介质各质点并不随波前进，而是按照与波源相同的波动中介质各质点并不随波前进，而是按照与波源相同的振动频率在各自的平衡位置上振动，并将能量传递给周围振动频率在各自的平衡位置上振动，并将能量传递给周围的质点。的质点。这种能量的传播，不是靠物质的迁移来实现的，也不是靠这种能量的传播，不是靠物质的迁移来实现的，也不是靠相邻质点的弹性碰撞来完成的，而是由各质点的位移连续相邻质点的弹性碰撞来完成的，而是由各质点的位移连续变化来逐渐传递出去的变化来逐渐传递出去的 。
23、因此，机械波的传播不是物质的传播，而是振动状态和能因此，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。量的传播。30机械波的传播特点机械波的传播特点每个质点只在平衡位置附近振动，不向前运动。每个质点只在平衡位置附近振动，不向前运动。后面质点重复前面质点的振动状态，有相位落后。后面质点重复前面质点的振动状态，有相位落后。所有质点同一时刻位移不同，形成一个波形。所有质点同一时刻位移不同，形成一个波形。振动状态、波形、能量向前传播。振动状态、波形、能量向前传播。312.2.机械波的主要物理量机械波的主要物理量（1 1）波长）波长：同一：同一波线波线上相邻两振动相位相同的质点的上相邻两振动相位
24、相同的质点的距离，称为波长，用距离，称为波长，用表示。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（个波长的距离。波长的常用单位为毫米（mmmm）。或米）。或米（m m）。）。OyA A -33（2 2）周期）周期T T和频率和频率f f：为波动经过的介质质点产生机械振动的周期和频率。为波动经过的介质质点产生机械振动的周期和频率。机械波的周期和频率只与振源有关，与传播介质无关。机械波的周期和频率只与振源有关，与传播介质无关。波动频率也可定义为波动过程中，任一给定点在波动频率也可定义为波动过程中，任一
25、给定点在1 1秒钟内秒钟内所通过的完整波的个数，所通过的完整波的个数，与该点振动频率数值相同，与该点振动频率数值相同，单位单位为赫兹（为赫兹（HzHz）。）。而波前进一个波长的距离所需要的时间，即为周期。而波前进一个波长的距离所需要的时间，即为周期。同样可以说：波经历一个完整周期所传播的距离，即为波同样可以说：波经历一个完整周期所传播的距离，即为波长。长。34（3 3）波速）波速C C：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，用波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，用C C表表示。常用单位为米示。常用单位为米/ /秒（秒（m/sm/s）。）。次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的
26、机械波，次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。它们的区别主要在于频率在同一介质中的传播速度相同。它们的区别主要在于频率不同。不同。 C C = = f f 或或 = = C/fC/f振动的传播速度称为波速（声速），不要把波速与质点的振动的传播速度称为波速（声速），不要把波速与质点的振动速度混淆起来，质点的振动方向与波动的传播方向也振动速度混淆起来，质点的振动方向与波动的传播方向也不一定相同。不一定相同。352.22.2 波的分类波的分类2.2.12.2.1按波的类型分类：按波的类型分类：1.1.纵波：介质中质点的振动方向与波的传播方向相互平行纵波：介质中
27、质点的振动方向与波的传播方向相互平行的波，称为纵波（的波，称为纵波（L L）凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。固体介质凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。固体介质能承受拉伸或压缩应力，因此固体介质可以传播纵波。液能承受拉伸或压缩应力，因此固体介质可以传播纵波。液体和气体虽然不能承受拉伸应力，但能承受压应力产生体体和气体虽然不能承受拉伸应力，但能承受压应力产生体积的压缩和膨胀，因此液体和气体也可以传播纵波。积的压缩和膨胀，因此液体和气体也可以传播纵波。36纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致. 特征：具有交替出现的密部和疏部特征：具有交替出现
28、的密部和疏部.例如：弹簧波、例如：弹簧波、 声波声波2.2.横波：介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直横波：介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称为横波，用（的波称为横波，用（S S）或（）或（T T）表示。）表示。当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变形变，当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变形变，从而形成横波。故横波又称为切变波。从而形成横波。故横波又称为切变波。只有固体介质才能承受剪切应力，液体和气体介质不能承只有固体介质才能承受剪切应力，液体和气体介质不能承受剪切应力，因此横波只能在固体介质中传播，不能在液受剪切应力，因此横波只能在固体介质中传播，不能在液
29、体和气体介质中传播。体和气体介质中传播。 38横波：质点振动方向与波的传播方向相横波：质点振动方向与波的传播方向相垂直垂直.特征：具有交替出现的波峰和波谷特征：具有交替出现的波峰和波谷.393.3.表面波：当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面波：当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，常用（表面传播的波，称为表面波，常用（R R）表示。）表示。表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振
30、动与横向振动的合成，即纵波与横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。因此表面波同横波一样只能在固体介质中传波的合成。因此表面波同横波一样只能在固体介质中传播，不能在液体或气体介质中传播。播，不能在液体或气体介质中传播。40表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。当传播深度超表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了。因此，过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了。因此，一般认一般认为，表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度范围内为，表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度范围内的缺陷。的缺陷。 414.4.板波：在板厚与波长相当的薄
31、板中传播的波，称为板板波：在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板波。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SHSH波和兰姆波。波和兰姆波。（1 1）SHSH波：水平偏振的横波在薄板中传播的波。薄板中波：水平偏振的横波在薄板中传播的波。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，相各质点的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。当于固体介质表面中的横波。42（2 2）兰姆波：）兰姆波：分为对称型（分为对称型（S S型）和非对称型（型）和非对称型（A A型）。型）。对称型兰姆波：薄板中心质点作纵向振动，上下表面质点对称型兰姆
32、波：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。作椭圆运动，振动相位相反并对称于中心。非对称型兰姆波：非对称型兰姆波：薄板中心质点作横向振动，薄板中心质点作横向振动，上下表面质点作椭圆运动，上下表面质点作椭圆运动，相位相同，不对称。相位相同，不对称。432.2.22.2.2按波的形状分类：按波的形状分类：波的形状是指波阵面的形状。波的形状是指波阵面的形状。波阵面：波阵面：同一时刻同一时刻，介质中振动相位相同的所有质点所连，介质中振动相位相同的所有质点所连成的面称为波阵面。成的面称为波阵面。波前：波前：某一时刻某一时刻，波动所到达的空间各点所连成的面为波，波动所到达
33、的空间各点所连成的面为波前。前。波线：波的传播方向称为波线。波线：波的传播方向称为波线。波前是最前面的波阵面，是波阵面的特例。任意时刻，波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，而波阵面却很多。在各向同性的介质中，波前只有一个，而波阵面却很多。在各向同性的介质中，波线恒垂直于波阵面或波前。线恒垂直于波阵面或波前。441.1.平面波：波阵面为相互平行的平面的波，其波源为一平平面波：波阵面为相互平行的平面的波，其波源为一平面。面。尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的均匀介质中尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的均匀介质中辐射的波，可视为平面波。平面波波束不扩散，平面波
34、各辐射的波，可视为平面波。平面波波束不扩散，平面波各质点振幅是一个常数，不随距离而变化。质点振幅是一个常数，不随距离而变化。其波动方程为：其波动方程为：452.2.柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。柱面波柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。柱面波的波源为一直线。的波源为一直线。长度远大于波长的线状波源在各向同性的介质中辐射的波长度远大于波长的线状波源在各向同性的介质中辐射的波可视为柱面波。柱面波波束向四周扩散，柱面波各质点的可视为柱面波。柱面波波束向四周扩散，柱面波各质点的振幅与距离的平方根成反比。振幅与距离的平方根成反比。其波动方程为：其波动方程为：463.3.球面波：波阵面为
35、同心球面的波称为球面波。球面波的球面波：波阵面为同心球面的波称为球面波。球面波的波源为一点。波源为一点。尺寸远小于波长的点波源在各向同性的介质中辐射的波可尺寸远小于波长的点波源在各向同性的介质中辐射的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩散，球面波各质点视为球面波。球面波波束向四面八方扩散，球面波各质点的振幅与距离成反比。的振幅与距离成反比。其波动方程为：其波动方程为：47实际应用的超声波探头中的波源近似活塞振动，其在各向实际应用的超声波探头中的波源近似活塞振动，其在各向同性介质中辐射的波称为活塞波。当距波源的距离足够大同性介质中辐射的波称为活塞波。当距波源的距离足够大时，活塞波的声场特性类似
36、于球面波。时，活塞波的声场特性类似于球面波。482.2.32.2.3按振动的持续时间分类按振动的持续时间分类1.1.连续波：波源持续不断的振动所辐射的波称为连续波。连续波：波源持续不断的振动所辐射的波称为连续波。超声穿透法检测常采用连续波。超声穿透法检测常采用连续波。492.2.脉冲波：波源振动持续时间很短（通常是微秒级，脉冲波：波源振动持续时间很短（通常是微秒级，1s=101s=10-6-6s s）、间歇辐射的波称为脉冲波。目前超声检测）、间歇辐射的波称为脉冲波。目前超声检测中广泛采用的就是脉冲波中广泛采用的就是脉冲波一个脉冲波可分解为多个不同频率的谐振波的叠加。将一一个脉冲波可分解为多个不
37、同频率的谐振波的叠加。将一个复杂振动分解为谐振动的方法，称为频谱分析。个复杂振动分解为谐振动的方法，称为频谱分析。5051一个声脉冲的频谱可用专门的频谱分析仪来进行显示。其一个声脉冲的频谱可用专门的频谱分析仪来进行显示。其中人们关心的频谱特征量有：峰值频率、频带宽度和中心中人们关心的频谱特征量有：峰值频率、频带宽度和中心频率。频率。峰值频率峰值频率f fp p：幅度峰值所对应的频率值。幅度峰值所对应的频率值。频带宽度：频带宽度：峰值两侧幅度下降为峰值的一半时的频率值峰值两侧幅度下降为峰值的一半时的频率值f fl和和f fu之间的频率范围。（之间的频率范围。（-6db-6db带宽带宽）脉冲越短，
38、则频带越）脉冲越短，则频带越宽。宽。中心频率中心频率f fe e：频率值频率值f fl和和f fu之算数平均值。之算数平均值。52通常超声检验中使用的是窄频带、宽（长）脉冲的脉冲波。通常超声检验中使用的是窄频带、宽（长）脉冲的脉冲波。53542.32.3波的叠加、干涉和衍射波的叠加、干涉和衍射2.3.12.3.1波的叠加与干涉波的叠加与干涉1.1.波的叠加原理波的叠加原理当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位
39、移的矢量和。该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。几列波相遇后，仍保持自己原有的频率、波长、振动方向几列波相遇后，仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进，好象在各自的途中等特性并按原来的传播方向继续前进，好象在各自的途中没有遇到其他波一样，这就是波的迭加原理，又称波的没有遇到其他波一样，这就是波的迭加原理，又称波的独独立性立性原理。原理。 55572.波的干涉波的干涉波的干涉是在特定条件下波叠加所产生的现象。波的干涉是在特定条件下波叠加所产生的现象。相遇时，介质中某些地方的振动相互加强，另一些地方的相遇时，介质中某些地方的振动相互加强，另一些地方的振动相互减弱或完
40、全抵消的现象称为振动相互减弱或完全抵消的现象称为波的干涉现象。波的干涉现象。能产生干涉现象的波称为能产生干涉现象的波称为相干波。相干波。其波源称为其波源称为相干波源。相干波源。 两列波两列波频率相同频率相同振动方向相同振动方向相同相位相同或相位差恒定相位相同或相位差恒定当两相干波的波程差等于波长的整数倍时，二者相互加强，当两相干波的波程差等于波长的整数倍时，二者相互加强，合振动振幅合振动振幅最大最大。 当两相干波的波程差等于半波长的奇数倍时，二者相互抵当两相干波的波程差等于半波长的奇数倍时，二者相互抵消，合振动振幅消，合振动振幅最小最小. .水波干涉俯视图样水波干涉俯视图样波的迭加原理是波的干
41、涉现象的基础，波的干涉是波动的波的迭加原理是波的干涉现象的基础，波的干涉是波动的重要特征。在超声波探伤中，由于波的干涉，使超声波的重要特征。在超声波探伤中，由于波的干涉，使超声波的波源附近出现声压极大、极小值。波源附近出现声压极大、极小值。 632.3.3 2.3.3 惠更斯惠更斯菲涅耳原理与波的衍射菲涅耳原理与波的衍射1.1.惠更斯惠更斯-菲涅尔原理菲涅尔原理 （1690181516901815）波动是振动状态的传播，如果介质是连续的，那么介质中波动是振动状态的传播，如果介质是连续的，那么介质中任何质点的振动都将引起邻近质点的振动，邻近质点的振任何质点的振动都将引起邻近质点的振动，邻近质点的
42、振动又会引起较远质点的振动，因此波动中任何质点都可以动又会引起较远质点的振动，因此波动中任何质点都可以看作是新的波源，在其后任意时刻这些子波的包迹就决定看作是新的波源，在其后任意时刻这些子波的包迹就决定了新的波阵面。了新的波阵面。利用惠更斯利用惠更斯菲涅尔原理可以确定波前的几何形状和波的菲涅尔原理可以确定波前的几何形状和波的传播方向，解释波的反射、折射和衍射等现象。传播方向，解释波的反射、折射和衍射等现象。642.2.波的衍射（绕射）：波在传播过程中遇到障碍物时，能波的衍射（绕射）：波在传播过程中遇到障碍物时，能绕过障碍物的边缘，在障碍物的阴影区内继续传播的现象。绕过障碍物的边缘，在障碍物的阴
43、影区内继续传播的现象。波的绕射与障碍物尺寸波的绕射与障碍物尺寸 D Df f 及波长及波长 的相对大小有关。的相对大小有关。65当当D Df f 时，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容时，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检。易漏检。当当D Df f 时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射。时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射。超声检测灵敏度约为超声检测灵敏度约为 /2/2，这是一个重要原因。，这是一个重要原因。66 超声波探超声波探伤的灵敏度的灵敏度约为/2/2例例: :对钢 , ,频率率f=2.5MHzf=2.5MHz, , 根据根据 C= C= f f 纵波声速波声速C CL L=59
44、00m/s =5900m/s L L= 2.36 mm= 2.36 mm 横波声速横波声速C CS S=3230m/s =3230m/s S S= 1.29 mm= 1.29 mm 在频率相同的条件下在频率相同的条件下, ,横波的检测灵敏度高于纵波的检测横波的检测灵敏度高于纵波的检测灵敏度灵敏度. . 相同介质中相同介质中, ,提高工作频率可以检出较小的缺陷提高工作频率可以检出较小的缺陷. .672.42.4超声波的传播速度超声波的传播速度超声波、次声波和声波的实质一样，都是机械波。它们在超声波、次声波和声波的实质一样，都是机械波。它们在同一介质中的传播速度相同。同一介质中的传播速度相同。超声
45、波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关。对特定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是关。对特定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质，有不同的声速。超声波波型不同时，常数。不同的介质，有不同的声速。超声波波型不同时，介质弹性变形形式不同，声速也不一样。介质弹性变形形式不同，声速也不一样。 2.4.12.4.1固体介质中的声速固体介质中的声速固体介质不仅能传播纵波，而且还可以传播横波和表面波固体介质不仅能传播纵波，而且还可以传播横波和表面波等，但它们的声速是不相同的。此外介质尺寸的大小对声等，但它们的声速是不相同的。此外
46、介质尺寸的大小对声速也有一定的影响，无限大介质与细长棒中的声速也不一速也有一定的影响，无限大介质与细长棒中的声速也不一样。样。681.1.无限大固体介质中的声速：当介质的尺寸远大于波长无限大固体介质中的声速：当介质的尺寸远大于波长时，就可以视为无限大介质。时，就可以视为无限大介质。无限大固体介质中纵波声速：无限大固体介质中纵波声速： C CL L = =无限大固体介质中横波声速：无限大固体介质中横波声速： C CS S = = = =69无限大固体介质中表面波声速：无限大固体介质中表面波声速： C CR R = = 式中式中 E E：介质的杨氏弹性模量：介质的杨氏弹性模量 G G：介质的剪切弹
47、性模量：介质的剪切弹性模量 ：介质的密度：介质的密度 ：介质的泊松比，所有固体介质的泊：介质的泊松比，所有固体介质的泊松比都在松比都在 00.500.5之间之间70泊松比（英语：泊松比（英语：Poissons ratioPoissons ratio），又译蒲松比，是），又译蒲松比，是材材料力学料力学和和弹性力学弹性力学中的名词，定义为材料受拉伸或压缩力中的名词，定义为材料受拉伸或压缩力时，材料会发生变形，而其横向变形量与纵向变形量的比时，材料会发生变形，而其横向变形量与纵向变形量的比值，是一值，是一无量纲无量纲的物理量。的物理量。71小结小结：（1 1）固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量有
48、关，）固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量有关，不同的介质，声速不同；介质的弹性模量越大，密度越不同的介质，声速不同；介质的弹性模量越大，密度越小，则声速越大。小，则声速越大。（2 2）声速还与波的类型有关，在同一固体介质中，纵波、）声速还与波的类型有关，在同一固体介质中，纵波、横波和表面波的声速各不相同。横波和表面波的声速各不相同。对钢材而言，对钢材而言， 0.280.28，所以，所以C CL LC CS SC CR R=1.8=1.81 10.90.9722.2.细长棒中的纵波声速（棒径细长棒中的纵波声速（棒径d d ）：）： C CLbLb= =733. 3. 声速与温度、应力及均匀性
49、的关系：声速与温度、应力及均匀性的关系：一般介质中的声速随介质温度升高而降低；一般介质中的声速随介质温度升高而降低；当应力方向与声波的传播方向一致时：应力增加，声速加当应力方向与声波的传播方向一致时：应力增加，声速加快；应力减小，声速减小。快；应力减小，声速减小。固体材料组织均匀，晶粒度细，声速大；固体材料组织不固体材料组织均匀，晶粒度细，声速大；固体材料组织不均匀，晶粒度粗，声速慢。均匀，晶粒度粗，声速慢。744. 4. 兰姆波的声速：兰姆波的声速：由于兰姆波传播时受到上下界面的影响，因此其声速与纵由于兰姆波传播时受到上下界面的影响，因此其声速与纵波、横波、表面波不同，它不仅与介质的性质有关
50、，而且波、横波、表面波不同，它不仅与介质的性质有关，而且与与板厚、频率等有关。板厚、频率等有关。对于特定的板厚和频率组合，还可有多个对称型和非对称对于特定的板厚和频率组合，还可有多个对称型和非对称型的振动模式，型的振动模式，每个模式具有不同的波速。每个模式具有不同的波速。兰姆波声速分为相速度和群速度。兰姆波声速分为相速度和群速度。 752.4.22.4.2液体、气体介质中的声速液体、气体介质中的声速 C C = = 式中式中 B B：液体、气体介质的容变弹性模量，表示产生：液体、气体介质的容变弹性模量，表示产生单单 位容积相对变化量所需压强；位容积相对变化量所需压强； ：液体、气体介质的密度。
51、：液体、气体介质的密度。液体介质中声速与温度的关系：液体介质中声速与温度的关系：除水以外几乎所有液体，当温度升高时，容变弹性模量减除水以外几乎所有液体，当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低。但水在小，声速降低。但水在7474左右时声速最大，水温低于左右时声速最大，水温低于7474时，声速随温度升高而增加；当水温高于时，声速随温度升高而增加；当水温高于7474时，声时，声速随温度升高而降低。速随温度升高而降低。762.4.32.4.3声速的测量声速的测量声速是衡量材料声学性质的重要参数。实际检测中有时需声速是衡量材料声学性质的重要参数。实际检测中有时需要测量材料中的声速。要测量材料中的声速。
52、771.1.超声检测仪器测量法：超声检测仪器测量法：固定时间固定时间 t t ，则，则C C钢钢 = C= C水水78这种方法测量声速，精度不高。影响误差的主要原因是：这种方法测量声速，精度不高。影响误差的主要原因是：直探头前面有一层保护膜，声波在里面传播有一段时间。直探头前面有一层保护膜，声波在里面传播有一段时间。另外另外d d、b b的测量存在误差。还有工件底波和水层底波前沿的测量存在误差。还有工件底波和水层底波前沿不一定完全重合。不一定完全重合。 2.2.测厚仪测声速：测厚仪测声速：3.3.示波器测声速：示波器测声速：792.52.5超声场的特征量超声场的特征量充满超声波的空间或超声振动
53、所波及的部分介质，叫做超充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质，叫做超声场。声场。超声场具有一定的空间大小和形状，只有当缺陷位于超声超声场具有一定的空间大小和形状，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。场内时，才有可能被发现。描述超声场的特征量主要有声压、声强、声阻抗。描述超声场的特征量主要有声压、声强、声阻抗。80 2.5.1 2.5.1 声压声压 ：超声场中某一点在某一时刻所具有的压：超声场中某一点在某一时刻所具有的压强强P P1 1与没有超声波存在时的静态压强与没有超声波存在时的静态压强P P0 0之差，称为该点的之差，称为该点的声压声压P P。声压单位：帕斯卡声压单位：帕斯卡
54、1Pa1Pa = = 1N/m1N/m2 2 P P = = cc 式中式中 介质的密度介质的密度 cc波速，波速，c=dx/dtc=dx/dt 质点的振动速度，质点的振动速度，u=A=2fAu=A=2fA。 超声检测仪器显示的信号幅值的本质就是回波声压超声检测仪器显示的信号幅值的本质就是回波声压P P，示，示波屏上的波高与回波声压成正比。在超声检侧中，就缺陷波屏上的波高与回波声压成正比。在超声检侧中，就缺陷而论，其回波声压值反应缺陷的大小。而论，其回波声压值反应缺陷的大小。81 2.5.22.5.2 声阻抗声阻抗 ：超声场中任一点的声压与该处质点振动：超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之
55、比称为声阻抗，常用速度之比称为声阻抗，常用Z Z表示。表示。 Z=PZ=P/ /=c/=c/=c c声阻抗的单位为：克声阻抗的单位为：克/ /厘米厘米2 2秒（秒（g/cmg/cm2 2s s）或千克或千克/ /米米2 2秒（秒（kg/mkg/m2 2s s）。）。声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量。超声波在两种声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量。超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。密切相关。材料的声阻抗与温度有关，一般材料的声阻抗随温度升高材料的声阻抗与温度有关，一般材料的声阻抗随温度升高而降低。这是因
56、为声阻抗而降低。这是因为声阻抗Z=cZ=c，而大多数材料的密度，而大多数材料的密度 和声速和声速 c c 随温度增加而减少。随温度增加而减少。 822.5.3 2.5.3 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。单位是：瓦示。单位是：瓦/ /厘米厘米2 2（W/cmW/cm2 2）或焦耳）或焦耳/ /厘米厘米2 2秒秒（J/cmJ/cm2 2s s）。）。在同一介质中，超声波的声强与声压的平方成正比。在同一介质中，超声波的声强与声压的平方成正比。 I I = = 832.5.42.5.4 分贝与奈培分贝与奈培通常
57、规定引起听觉的最弱声强为通常规定引起听觉的最弱声强为I I1 1=10=10-16-16瓦瓦/ /厘米厘米2 2作为声强作为声强的标准，另一声强（如平常谈话的声强为的标准，另一声强（如平常谈话的声强为1010-11-11瓦瓦/ /厘米厘米2 2）I I2 2与标准声强与标准声强I I1 1之比的常用对数称为声强级，单位为贝尔之比的常用对数称为声强级，单位为贝尔（BeLBeL）。）。 =lg =lg （I I2 2 / I/ I1 1） （BeLBeL） 实际应用贝尔太大，取实际应用贝尔太大，取1/101/10为单位：分贝（为单位：分贝（db db ） = 10lg = 10lg（I I1 1/
58、I/I2 2）= = 20lg20lg（P P1 1/P/P2 2） （dbdb）84在超声探伤中，当超声波探伤仪的垂直线性较好时，仪器在超声探伤中，当超声波探伤仪的垂直线性较好时，仪器示波屏上的波高与声压成正比，这时有示波屏上的波高与声压成正比，这时有 =20lg=20lg（P P2 2/P/P1 1）=20lg=20lg（H H2 2/H/H1 1 ）（）（dBdB）这里声压基准这里声压基准P P1 1或波高基准或波高基准H H1 1可以任意选取。可以任意选取。当当H H2 2/H/H1 1=1=1时，时，= 0dB= 0dB，说明两波高相等时，二者的分贝，说明两波高相等时，二者的分贝差为
59、零差为零当当H H2 2/H/H1 1=2=2时，时，= 6dB= 6dB，说明，说明H H2 2为为H H1 1的的2 2倍时，二者波高差倍时，二者波高差6dB6dB。（高）。（高）当当H H2 2/H/H1 1=1/2=1/2时，时，= -6dB= -6dB，说明，说明H H2 2为为H H1 1的的1/21/2倍时，二者倍时，二者波高差还是波高差还是6db6db。（低）。（低）85若若H H2 2/H/H1 1或或P P2 2/P/P1 1取自然对数，则其单位为奈培（取自然对数，则其单位为奈培（NPNP）。）。 = = lnln（P P2 2/P/P1 1）= ln= ln（H H2 2
60、/H/H1 1）（）（NPNP）令：令： P P2 2/P/P1 1 = = e e 则则lnln（P P2 2/P/P1 1）= = lnelne =1=1（NPNP） 20lg20lg（P P2 2/P/P1 1）= = 20lge = 8.68db 20lge = 8.68db 即：即： 1NP1NP = = 8.68db 8.68db 分贝与奈培就是两个同量纲的量之比取对数后的单位。分贝与奈培就是两个同量纲的量之比取对数后的单位。86用分贝值表示回波幅度的相互关系，不仅可以简化运算，用分贝值表示回波幅度的相互关系，不仅可以简化运算，而且在确定基准波高以后，可直接用仪器衰减器的读数表而且
61、在确定基准波高以后，可直接用仪器衰减器的读数表示缺陷波的相对波高。示缺陷波的相对波高。因此，分贝概念的引用对超声检测有很重要的实用价值。因此，分贝概念的引用对超声检测有很重要的实用价值。此外，在超声波探伤对缺陷的定量计算和衰减系数的测定此外，在超声波探伤对缺陷的定量计算和衰减系数的测定中也常常用到分贝。中也常常用到分贝。872.6 2.6 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超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分能量反射回原介质内，称反射波；界面上，一部分能量反射回原介质内，称反射波；另
62、一部分能量透过界面在另一种介质内传播，称透射波。另一部分能量透过界面在另一种介质内传播，称透射波。在界面上声能（声压、声强）的分配和传播方向的变化都在界面上声能（声压、声强）的分配和传播方向的变化都将遵循一定的规律。将遵循一定的规律。 关于垂直入射到平界面上时的反射和透射情况，重点是讨关于垂直入射到平界面上时的反射和透射情况，重点是讨论声能的分配比例。论声能的分配比例。 882.6.12.6.1 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设：入射波的声压为设：入射波的声压为P P0 0，反射波的声压，反射波的声压为为P Pr r、透射波的声压为、透射波的声压为P Pt t，则：，则：
63、 r rP P = P= Pr r / P / P0 0 = = t tP P = P= Pt t / P / P0 0 = =89该公式成立的条件是该公式成立的条件是（1 1）界面两侧总声压相等；）界面两侧总声压相等； 即：即： P P0 0+P+Pr r=P=Pt t 1+r=t1+r=t（2 2）界面两侧质点振动速度幅值相等。）界面两侧质点振动速度幅值相等。 即：即： 90 设：入射声强为设：入射声强为I I0 0，反射声强为，反射声强为I Ir r、透射声强为透射声强为I It t，则：，则： R RI I = I= Ir r / I/ I0 0 = = = = r r2 2 T TI
64、 I = I= It t / I / I0 0 = = = = 1-r1-r2 2 I I = = P33P3391以钢和水的界面为例：以钢和水的界面为例：Z Z水水：0.15100.15106 6g/cmg/cm2 2s Zs Z钢钢：4.5104.5106 6g/cmg/cm2 2ssZ Z空空：0.000 04100.000 04106 6g/cmg/cm2 2ss92水水/ /钢界面的声压反射率：钢界面的声压反射率：r rp p = 0.935= 0.935水水/ /钢界面的声压透射率：钢界面的声压透射率：t tp p = 1.935= 1.935 Z Z1 1Z Z2 2 水水/ /
65、钢界面的声强反射率：钢界面的声强反射率：R Ri i = = 0.8750.875水水/ /钢界面的声强透射率：钢界面的声强透射率：T Ti i = = 0.1250.12593钢钢/ /水界面的声压反射率：水界面的声压反射率：r rp p = -= - 0.9350.935钢钢/ /水界面的声压透射率：水界面的声压透射率：t tp p = 0.065= 0.065 Z Z1 1Z Z2 2钢钢/ /水界面的声强反射率：水界面的声强反射率：R Ri i = = 0.8750.875钢钢/ /水界面的声强透射率：水界面的声强透射率：T Ti i = = 0.1250.12594钢钢/ /空气界面
66、声压反射率：空气界面声压反射率：r rp p - 1 - 1钢钢/ /空气界面声压透射率：空气界面声压透射率：t tp p 0 0 Z Z1 1Z Z2 2 钢钢/ /空气界面声强反射率：空气界面声强反射率：R Ri i = = 1 1钢钢/ /空气界面声强透射率：空气界面声强透射率：T Ti i = = 0 0 Z Z1 1Z Z2 2 952.6.22.6.2 薄层界面反射率与透射率薄层界面反射率与透射率超声波通过一定厚度的异质薄层时，其反射和透射情况与超声波通过一定厚度的异质薄层时，其反射和透射情况与单一平界面不同。计算起来也很复杂。单一平界面不同。计算起来也很复杂。一般来说，超声波通过
67、异质薄层时的声压反射率和透射率一般来说，超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波长之比其波长之比d d2 2/2 2有关。有关。 961.1.均匀介质中的异质薄层（均匀介质中的异质薄层（Z Z1 1Z Z3 3Z Z2 2）：）：（1 1）当）当d d2 2=n=n （n n为整数）时，为整数）时，r r0 0、t t1 1。这说。这说明当明当薄层两侧介质声阻抗相等，且薄层厚度为其半波长的整数薄层两侧介质声阻抗相等，且薄层厚度为其半波长的整数倍时，超声波全透射，几乎无反射，好像不存在异质薄层
68、倍时，超声波全透射，几乎无反射，好像不存在异质薄层一样。这种透声层称为半波透声层。一样。这种透声层称为半波透声层。（2 2）当）当d d2 2= =（2n+12n+1） （n n为整数）时，即异质薄层为整数）时，即异质薄层厚度厚度等于其四分之一波长的奇数倍时，等于其四分之一波长的奇数倍时，声压声压透射率最低，声压透射率最低，声压反射率最高。反射率最高。972.2.薄层两侧介质不同的双界面（薄层两侧介质不同的双界面（Z Z1 1Z Z2 2Z Z3 3）：）：（1 1）当）当d d2 2=n=n （n n为整数）时，即薄层厚度等于为整数）时，即薄层厚度等于半半波长的整数倍时，通过薄层的波长的整数
69、倍时，通过薄层的声强声强透过率与薄层的性质无透过率与薄层的性质无关，好像薄层不存在一样。关，好像薄层不存在一样。（2 2）当）当d d2 2= =（2n+12n+1） （n n为整数），且为整数），且Z Z2 2 = = 时，时，即薄层厚度等于四分之一波长的奇数倍，且薄层声阻抗为即薄层厚度等于四分之一波长的奇数倍，且薄层声阻抗为两侧介质声阻抗的几何平均值时，其两侧介质声阻抗的几何平均值时，其声强声强透过率等于透过率等于1 1 。超声波全透射。超声波全透射。982.6.32.6.3 声压往复透过率：声压往复透过率：在超声波单探头检测中，探头兼作发射和接收。探头发射在超声波单探头检测中，探头兼作发
70、射和接收。探头发射的超声波透过界面进入工件，在固的超声波透过界面进入工件，在固/ /气底面产生全反射后，气底面产生全反射后，再次通过同一界面被探头接收。再次通过同一界面被探头接收。此时探头接收到的回波声压此时探头接收到的回波声压P Pa a与入射声压与入射声压P P0 0之比，称为之比，称为声压往复透过率。声压往复透过率。T Tp p T TP P = = = 1 - r = 1 - r2 2 99声压往复透过率与界面两侧介质的声阻抗有关，与从何种声压往复透过率与界面两侧介质的声阻抗有关，与从何种介质入射到界面无关。界面两侧介质的声阻抗相差越小，介质入射到界面无关。界面两侧介质的声阻抗相差越小
71、，声压往复透过率就越高，反之就越小。声压往复透过率就越高，反之就越小。声压往复透过率高低直接影响检测灵敏度的高低，往复透声压往复透过率高低直接影响检测灵敏度的高低，往复透过率高，检测灵敏度就高。过率高，检测灵敏度就高。1002.72.7 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射超声波倾斜入射到界面时的反射和折射2.7.12.7.1 波型转换与反射、折射定律波型转换与反射、折射定律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。
72、 1011.1.纵波斜入射纵波斜入射Z1Z2LL 根据反射、折射定律：根据反射、折射定律： 同一介质中纵波的声速不变同一介质中纵波的声速不变, ,因此因此 = = 同一介质中纵波的声速大于横波的声速，因此同一介质中纵波的声速大于横波的声速，因此 ， 2.横波斜入射横波斜入射Z1Z2S 已知有机玻璃中纵波声速为：已知有机玻璃中纵波声速为：2730M/S2730M/S；钢中纵波声速为钢中纵波声速为5900M/S5900M/S； 横波声速为横波声速为3230M/S3230M/S水中纵波声速水中纵波声速1480M/S1480M/S 则：第一临界角为则：第一临界角为27.627.6（14.514.5）
73、第二临界角为第二临界角为57.757.7（27.327.3） 第三临界角为第三临界角为33.233.2 1052.7.22.7.2 声压反射率声压反射率超声波反射、折射定律只讨论了各种反射波、折射波的方超声波反射、折射定律只讨论了各种反射波、折射波的方向问题，未涉及声压反射率和透射率问题。向问题，未涉及声压反射率和透射率问题。由于倾斜入射时，声压反射率、透射率不仅与介质的声阻由于倾斜入射时，声压反射率、透射率不仅与介质的声阻抗有关，而且与入射角有关，其理论计算公式十分复杂，抗有关，而且与入射角有关，其理论计算公式十分复杂，因此这里只介绍由理论计算结果绘制的曲线图形。因此这里只介绍由理论计算结果
74、绘制的曲线图形。 1061.1.纵波倾斜入射到钢纵波倾斜入射到钢/ /空气界面，当入射角为空气界面，当入射角为6060左右时，左右时，纵波反射很低，横波反射较高。原因是纵波斜入射，当入纵波反射很低，横波反射较高。原因是纵波斜入射，当入射角为射角为6060左右时，会产生一个较强的变形反射横波。左右时，会产生一个较强的变形反射横波。（此时的横波反射角应为（此时的横波反射角应为28.328.3左右）左右）1072.2.横波倾斜入射到钢横波倾斜入射到钢/ /空气界面的反射空气界面的反射当横波入射角为当横波入射角为3030左右时，横波反射很低，纵波反射较左右时，横波反射很低，纵波反射较高。高。 当横波入
75、射角为当横波入射角为33.233.2时，横波全反射。时，横波全反射。 1082.7.3 2.7.3 声压往复透过率声压往复透过率超声波探伤中，常常采用反射法，超声波往复透过同一检超声波探伤中，常常采用反射法，超声波往复透过同一检测面，因此声压往复透射率更具有实际意义。测面，因此声压往复透射率更具有实际意义。超声波倾斜入射，折射波全反射，探头接收到的回波声压超声波倾斜入射，折射波全反射，探头接收到的回波声压P Pa a与入射波声压与入射波声压P P0 0之比称为声压往复透射率。之比称为声压往复透射率。常用常用T T表示，表示，T=PT=Pa a/ P/ P0 0。109从纵波倾斜入射至水从纵波倾
76、斜入射至水/ /钢界面时的声压往复透射率与入射钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系曲线可见：当纵波入射角小于角的关系曲线可见：当纵波入射角小于14.514.5时，折射纵时，折射纵波的往复透过率不超过波的往复透过率不超过13%13%，折射横波的往复透过率不超，折射横波的往复透过率不超过过6%6%。当纵波入射角在。当纵波入射角在14.527.2714.527.27之间时，钢中没有之间时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，其最高往复透过率不到折射纵波，只有折射横波，其最高往复透过率不到20%20%。实际钢材水浸探伤就属于这种情况。实际钢材水浸探伤就属于这种情况。110从纵波倾斜入射至有机玻璃从纵波倾
77、斜入射至有机玻璃/ /钢界面时往复透过率与入射钢界面时往复透过率与入射角之间的关系曲线可见：当入射角小于角之间的关系曲线可见：当入射角小于27.627.6时，折射纵时，折射纵波的往复透过率小于波的往复透过率小于25%25%，折射横波的往复透过率小于，折射横波的往复透过率小于10%10%。当入射角为。当入射角为27.657.727.657.7时，钢中只有折射横波，没时，钢中只有折射横波，没有折射纵波。其往复透过率最高不足有折射纵波。其往复透过率最高不足30%30%，此时对应的纵，此时对应的纵波入射角约为波入射角约为3030，横波折射角约为，横波折射角约为3737。实际有机玻璃横波探头检测钢材就属
78、于这种情况。实际有机玻璃横波探头检测钢材就属于这种情况。1112.7.42.7.4 端角反射端角反射超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射，在超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射，在端角反射中，超声波经历了两次反射，当不考虑波型转换端角反射中，超声波经历了两次反射，当不考虑波型转换时，二次反射回波与入射波互相平行。即时，二次反射回波与入射波互相平行。即P Pa aPP0 0，且，且+=90+=90。 112回波声压与入射声压之比称为端角反射率。回波声压与入射声压之比称为端角反射率。 T T端端=P=Pa a/P/P0 0纵波入射时，端角反射率都很低，原因是纵波在端角的两纵波入
79、射时，端角反射率都很低，原因是纵波在端角的两次反射中都分离出较强的横波。次反射中都分离出较强的横波。横波入射时，入射角为横波入射时，入射角为3030或或6060附近时，端角反射率最附近时，端角反射率最低。低。当横波入射角（也就是探头的折射角）为当横波入射角（也就是探头的折射角）为35553555时，时，即即K=0.71.43K=0.71.43时，端角反射率达时，端角反射率达100%100%，检测灵敏度较高。，检测灵敏度较高。当横波入射角大于、等于当横波入射角大于、等于5656时，即时，即K K1.51.5，检测灵敏度，检测灵敏度较低。较低。113上图还反映在上图还反映在00或或9090附近时，
80、无论纵波还是横波的端附近时，无论纵波还是横波的端角反射率理论上都很高，但实际上由于入射波、反射波在角反射率理论上都很高，但实际上由于入射波、反射波在边界互相干涉而部分抵消，检测灵敏度并不高。边界互相干涉而部分抵消，检测灵敏度并不高。114横波入射时，入射角横波入射时，入射角S S=30=30或或6060附近时，端角反射率附近时，端角反射率最低。最低。S S在在35355555时端角反射率达时端角反射率达100100，实际工作中，横，实际工作中，横波检测焊缝单面焊根部未焊透的情况就类似于这种情况，波检测焊缝单面焊根部未焊透的情况就类似于这种情况，当横波入射角当横波入射角S S（等于横波探头的折射
81、角（等于横波探头的折射角S S）=35=355555，即，即K=tgS=0.7K=tgS=0.71.431.43时，检测灵敏度最高。时，检测灵敏度最高。当当S S=56=56，即，即K=1.5K=1.5时，检测灵敏度较低，可能引起漏时，检测灵敏度较低，可能引起漏检。检。 1151162.82.8 超声波的聚焦与发散超声波的聚焦与发散超声波是一种频率很高、波长很短的机械波，它与可见光超声波是一种频率很高、波长很短的机械波，它与可见光一样具有聚焦和发散的特性。由于超声波还可能产生波型一样具有聚焦和发散的特性。由于超声波还可能产生波型转换，因此超声波的聚焦与发散更为复杂。为了便于讨转换，因此超声波的
82、聚焦与发散更为复杂。为了便于讨论，这里不考虑波型转换行为。论，这里不考虑波型转换行为。 1171 1、平面波在曲界面上的反射、平面波在曲界面上的反射1182 2、平面波在曲界面上的折射、平面波在曲界面上的折射f f = = （r r为曲率半径）为曲率半径） C C1 1C C2 2119f f = = （r r为曲率半径）为曲率半径） C C1 1C C2 2120 f f = = （r r为曲率半径）为曲率半径） C C1 1C C2 2 121 f f = = （r r为曲率半径）为曲率半径） C C1 1C C2 2 1222.8.42.8.4球面波在曲界面上的反射与折射球面波在曲界面上
83、的反射与折射1.1.球面波在曲界面上的反射球面波在曲界面上的反射球面波入射到曲界面上，其反射波将发生聚焦或发散。凹球面波入射到曲界面上，其反射波将发生聚焦或发散。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。 123距距 离离b b 叫做像距；距离叫做像距；距离 a a 叫做物距。像距、物距和焦距叫做物距。像距、物距和焦距的关系是：的关系是：式中：式中： + + 适用于凹面镜；适用于凹面镜；- - 适用于凸面镜。适用于凸面镜。124球面波在柱面上的反射，在实际检测中具有现实意义。例球面波在柱面上的反射，在实际检测中具有现实意义。例如超声波径向检测大型圆柱形锻件属
84、于这种情况。如超声波径向检测大型圆柱形锻件属于这种情况。凹柱面反射波聚集于像点，使像点处声压趋大。如果像点凹柱面反射波聚集于像点，使像点处声压趋大。如果像点处存在一较小的缺陷，那么经底面反射至缺陷，再从缺陷处存在一较小的缺陷，那么经底面反射至缺陷，再从缺陷反射至底面，最后由底面反射回探头，形成类似反射至底面，最后由底面反射回探头，形成类似W W的反射的反射路径，称为路径，称为W W反射。反射。W W反射时，示波屏上同时出现两个缺陷波，一前一后，一反射时，示波屏上同时出现两个缺陷波，一前一后，一高一低，前者位于底波之前，高度较低，为缺陷直接反射高一低，前者位于底波之前，高度较低，为缺陷直接反射回
85、波，后者位于底波之后，经聚焦放大以后高度较高，为回波，后者位于底波之后，经聚焦放大以后高度较高，为W W反射回波。反射回波。检测时应根据前者对缺陷进行定位和定量。检测时应根据前者对缺陷进行定位和定量。1251262.2.球面波在曲界面上的折射也会发生聚焦和发散。球面波在曲界面上的折射也会发生聚焦和发散。127128实际检测中，水浸检测柱形或球形工件时属于前图实际检测中，水浸检测柱形或球形工件时属于前图a a）的）的情况。由于折射波发散，检测灵敏度很低，为提高检测灵情况。由于折射波发散，检测灵敏度很低，为提高检测灵敏度，需采用聚焦探伤。敏度，需采用聚焦探伤。1292.92.9超声波的衰减超声波的
86、衰减超声波在介质中传播时，随着距离的增加，超声波能量逐超声波在介质中传播时，随着距离的增加，超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减。渐减弱的现象叫做超声波衰减。2.9.12.9.1衰减的原因衰减的原因引起超声波衰减的主要原因是波束扩散、晶粒散射和介质引起超声波衰减的主要原因是波束扩散、晶粒散射和介质吸收。吸收。1.1.扩散衰减扩散衰减超声波在传播过程中，由于波束的扩散，使超声波的能量超声波在传播过程中，由于波束的扩散，使超声波的能量随距离增加而逐渐减弱的现象称为扩散衰减。超声波的扩随距离增加而逐渐减弱的现象称为扩散衰减。超声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状，与介质的性质无关。平面散衰减仅取决于
87、波阵面的形状，与介质的性质无关。平面波波阵面为平面，波束不扩散，不存在扩散衰减。波波阵面为平面，波束不扩散，不存在扩散衰减。130柱面波波阵面为同轴圆柱面。波束向四周扩散，存在扩散柱面波波阵面为同轴圆柱面。波束向四周扩散，存在扩散衰减，衰减，声压与距离的平方根成反比。声压与距离的平方根成反比。球面波波阵面为同心球面波波阵面为同心球面，波束向四面八方扩散，存在扩散衰减，球面，波束向四面八方扩散，存在扩散衰减，声压与距离声压与距离成反比。成反比。2.2.散射衰减散射衰减超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散乱超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起衰减的现象，称为散射衰
88、减。散射衰减与材质的反射引起衰减的现象，称为散射衰减。散射衰减与材质的晶粒度密切相关，当材质晶粒粗大时，散射衰减严重，被晶粒度密切相关，当材质晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头，在示波屏上引散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头，在示波屏上引起林状回波（又叫草状波），使信噪比下降，严重时噪声起林状回波（又叫草状波），使信噪比下降，严重时噪声会湮没缺陷波。会湮没缺陷波。1313.3.吸收衰减吸收衰减超声波在介质中传播时，由于介质中质点间内摩擦（即粘超声波在介质中传播时，由于介质中质点间内摩擦（即粘滞性）和热传导引起超声波的衰减，称为吸收衰减或粘滞滞性）和热传导引起超声
89、波的衰减，称为吸收衰减或粘滞衰减。衰减。除了以上三种衰减外，还有位错引起的衰减，磁畴壁引起除了以上三种衰减外，还有位错引起的衰减，磁畴壁引起的衰减和残余应力引起的衰减等。的衰减和残余应力引起的衰减等。通常所说的介质衰减是指吸收衰减和散射衰减，不包括扩通常所说的介质衰减是指吸收衰减和散射衰减，不包括扩散衰减。散衰减。1322.9.22.9.2 衰减方程与衰减系数衰减方程与衰减系数1.1.衰减方程衰减方程平面波不存在扩散衰减刑，只存在介质衰减，其声压衰减平面波不存在扩散衰减刑，只存在介质衰减，其声压衰减方程为方程为 P Px x=P=P0 0e e-x-x式中式中 P P0 0：波源的起始声压；：
90、波源的起始声压； P Px x：至波源距离为：至波源距离为X X处的声压；处的声压； X X：至波源的距离；：至波源的距离； ：介质衰减系数，单位为：介质衰减系数，单位为NP/mmNP/mm； e e：自然对数的底（：自然对数的底（e=2.718e=2.718）。）。133球面波与柱面波既存在扩散衰减，又存在介质衰减，其衰球面波与柱面波既存在扩散衰减，又存在介质衰减，其衰减方程分别为：减方程分别为： 球面波：球面波： P Px x = = 柱面波：柱面波：P Px x = = 式中：式中： P P1 1 ：至波源距离为单位：至波源距离为单位1 1处的声压。处的声压。 1342.2.衰减系数衰减
91、系数衰减系数衰减系数只考虑了介质的散射和吸收衰减，未涉及扩散只考虑了介质的散射和吸收衰减，未涉及扩散衰减。对于金属材料等固体介质而言，介质衰减系数衰减。对于金属材料等固体介质而言，介质衰减系数等等于散射衰减系数于散射衰减系数s s和吸收衰减系数和吸收衰减系数a a之和。之和。 即：即： = = a a+s s a a = c= c1 1f f 吸收衰减吸收衰减 c c2 2 F dF d3 3 f f4 4 d d s s= c= c3 3 F d fF d f2 2 d d 散射衰减散射衰减 c c4 4 F/d F/d d d 135 式中：式中： f f：超声波频率：超声波频率 d d：
92、介质晶粒直径：介质晶粒直径 ：波长：波长 F F：各向异性系数：各向异性系数 c c1 1、c c2 2、c c3 3、c c4 4：常数：常数136由上述公式可知：由上述公式可知：（1 1）介质的吸收衰减与频率成正比。）介质的吸收衰减与频率成正比。（2 2）介质的散射衰减与）介质的散射衰减与f f（超声波频率）、（超声波频率）、d d（介质晶粒（介质晶粒直径）、直径）、F F（各向异性系数）有关，当（各向异性系数）有关，当d d 时，散射衰时，散射衰减系数与减系数与f f4 4、d d3 3成正比。成正比。在实际探伤中，当介质晶粒较粗大时，若采用较高的频率，在实际探伤中，当介质晶粒较粗大时，
93、若采用较高的频率，将会引起严重衰减，示波屏出现大量草状波，使信噪比明将会引起严重衰减，示波屏出现大量草状波，使信噪比明显下降，超声波穿透能力显著降低。这就是晶粒较大的奥显下降，超声波穿透能力显著降低。这就是晶粒较大的奥氏体钢和一些铸件探伤的困难所在。氏体钢和一些铸件探伤的困难所在。137对于液体介质而言，主要是液体的吸收衰减对于液体介质而言，主要是液体的吸收衰减 = = a a = = 式中：式中： ：介质的粘滞系数：介质的粘滞系数 ：介质的密度：介质的密度 c c：波速：波速一般液体的衰减系数随温度的升高而降低，这是因为温度一般液体的衰减系数随温度的升高而降低，这是因为温度升高，分子热运动加剧，有利于超声波的传播。升高，分子热运动加剧，有利于超声波的传播。1382.9.32.9.3衰减系数的测定衰减系数的测定 当当 T T 3N3N 时：时： = = 当当 T T3N3N 且且n n m=2nm=2n时：时： = = 与与4701347013标准一致。标准一致。 P52 P52 【】 139140141142143
