第2章 超声检测的物理基础

根部内凹
1
2 3
• 底面回波产生变形
2.4 超声波的传播速度
2.4.1 固体介质中的声速 2.4.2 液体、气体介质中的声速 2.4.3 声速的测量
2.4 超声波的传播速度

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，故声速也是常数。

不同的介质，有不同的声速。 超声波波型不同时，声速也不一样。
2.2.2 按波形分类
4.活塞波 实际超声检测换能器（探头）辐射的声波。 特点： （1）既非平面波，也非球面波。 （2）近处(X〈 b=1.64N）接近平面波； （3）足够远处（X≥ 3N)接近球面波,是所 有规则反射体回波声压计算的前提。
2.2.3 按振动的持续时间分类
1.连续波 2.脉冲波

移方向相反，总是指向平衡位置，所以称为回复力。
胡克定律
在弹簧发生弹性形变时，弹簧振子的 回复力F与振子偏离平衡位置的位移x大小 成正比，且方向总是相反，即：
F kx
这个关系在物理学中叫做胡克定律
胡克定律
F kx
式中k是弹簧的倔强系数。 负号表示回复力的方向跟振子离 开平衡位置的位移方向相反。 物体在受到跟位移大小成正比，而 方向总是指向平衡位置的回复力作 用下的振动，叫做谐振动。


表面波R
2.2.1 按波型分类
4.板波（兰姆波）

振动特点：板厚与波长相当的薄板，整板振动。
传播介质：只能在固体中传播。 应用：较广泛，适合于薄板检测。


2.2.2 按波形分类
波形：波阵面的形状。

波阵面：同一时刻，介质中振动相位相同的所有质 点所连成的面。
波前：某一时刻，波动所到达的空间各点所联成的 面。 波线：波的传播方向。
y入 A cos 2 ( ft x ) y反 A cos 2 ( ft x ) y y入 y反 2 A cos(2 x ) cos(2 ft )
2.3.2 驻波

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
x / 2
2.1 机械振动与机械波
2.1.1 机械振动
2.1.2 机械波
2.1.1 机械振动

机械振动：物体（或质点）在某一平衡位置附近作来回 往复的运动。 举例：钟摆的摆动，水上浮标的浮动， 担物行走时扁担的颤动， 在微风中树梢的摇摆， 振动的音叉、锣、鼓等都是机械振动。

振动的分类：周期性振动和非周期性振动 振动的表征参数：振幅A、周期T、频率f
谐振动举例
谐振动的振动方程
y A cos t A : 振幅
y
T
＝2 f ：角频率 ：初始相位
A
t
谐振动的特点
1.位移随时间的变化符合余弦规律。
2.A、f和T保持不变，其f为振动系统的固有频率，
——最简单、最基本的理想的振动。
3.只有弹力和重力做功，机械能守恒。
4.在平衡位置时动能最大（速度最大），势能为0
2 1 2 2
当 n （n为整数）时，A A1 A2 (2n 1) 当 （n为整数）时，A A1 A2 2
2.3.1 波的叠加与干涉
2.3.1 波的叠加与干涉
2.3.2 驻波

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。 驻波是干涉的特例。
结论：声速取决于介质和波型
2.4.1 固体介质中的声速
2.细长棒中的纵波声速
细长棒：棒径d≤λ
CLb E

判断： （1）在同一固体材料中，纵、横波声速之比仅仅与 材料的泊松比σ 有关。（ ？） （2）如材质相同，细钢棒（d≤λ ）与钢锻件中的 声速相同。（ ？）

2.阻尼振动

超声检测的应用
超声检测换能器（探头）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。——宽频窄脉冲
3.受迫振动

定义：物体受到周期性变化的外力作用时产生的振动。
振动方程：

y A cos( Pt ) P：策动力的圆频率
特点： （1）稳定后为谐振动，A不变，f与策动力频率P相同； （2）不符合机械能守恒。

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。
2.3.3惠更斯－菲涅耳原理与波的衍射
当障碍物尺寸Df《 λ时，绕射强，反射弱，易漏检； 当障碍物尺寸Df 》λ时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射。
波的衍射（绕射）
2.3.3 波的衍射
2.3.3 波的衍射
2.3.3惠更斯－菲涅耳原理与波的衍射
第2章 超声检测的物理基础
Chapter2 Physical Foundations for Ultrasonic Testing
目
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9
录 Contents
机械振动与机械波 波的类型 波的叠加、干涉和衍射 超声波的传播速度 超声场的特征值 超声波垂直入射到界面时的反射和透射 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射 超声波的聚焦与发散 超声波的衰减
2.3 波的叠加、干涉衍射
2.3.1 波的叠加与干涉
2.3.2 驻波
2.3.3 惠更斯－菲涅耳原理与 波的衍射
2.3.1 波的叠加与干涉
1.波的叠加原理（波的独立性原理）
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。 几列波相遇后仍保持它们原有的特性（频率、 波长、振幅、传播方向）不变，互不干扰， 好象在各自传播过程中没有遇到其它波一样。
2.4.1 固体介质中的声速
1.无限大固体介质中的声速：
E 1－ 纵波声速：CL ρ (1＋ )(1 2 ) E 1 横波声速：CS 2(1 ) 0.87 1.12 E 1 表面波声速：CR 1 2(1 )
2.4.1 固体介质中的声速
三者之间的关系： cL 2(1 ) 1， 即cL cS cS 1 2 cR 0.87 1.12 1，即cS cR cS 1 cL : cS : cR 1.8 :1: 0.9，即：cL cS cR


波动 振动的传播过程称为波动。 波动分为机械波和电磁波两大类。 机械波的产生与传播过程
1.机械波的产生与传播
机械波： 机械振动在弹性介质中传播形成机械波。 弹性介质： 由以弹性力保持平衡的各个质点构成（固、液、气） 产生机械波的两个条件： （1）要有作机械振动的波源 （2）要有能传播机械振动的弹性介质。 特点： （1）机械振动是产生机械波的根源； （2）质点并不随波前进，只在平衡位置上振动； （3）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。

衍射时差法（TOFD）超声检测技术
发射探头 横向波
接收探头
上端点
下端点
内壁反射信号
根部未焊透
2 3 4
1
注意上下尖端的两个信号
根部未熔合
1 2 3
注意直通波和缺陷信号之间的波形相位转换
侧壁未熔合
1 2 3 4
注意上下尖端的两个信号
气孔
2
1
3
密集型气孔
横向裂纹
1 2 3
在直通波上我们可以看到宽波束在缺陷上的反映。
各种乐器发出的声波独立传播
2.3.1 波的叠加与干涉
2.波的干涉
波的干涉是在特定条件下波的叠加所产生的 现象。 两列频率相同、振动方向相同、相位差相同 或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或抵消的现象。
2.3.1 波的叠加与干涉

质点M的合成
y1 A1 cos (t x1 c) y2 A2 cos (t x2 c) y A cos(t ) 2 A A A 2 A1 A2 cos


纵波波型
2.2.1 按波型分类
2.横波S（切变波、剪切波）

振动特点：质点振动方向与波的传播方向互相垂直 传播介质：只能在固体中传播。


应用：广泛，适合于检测与工件表面倾斜的不连续性。
横波波型
2.2.1 按波型分类
3.表面波R（瑞利波）

振动特点：质点振动轨迹为椭圆， 长轴垂直于波的传播方向 短轴平行于波的传播方向。 传播介质：只能在固体表面传播 作用于物体的深度大约2个波长 在距表面1个波长的距离能量降低到原来的1/25 应用：较广泛，适合于检测工件表面不连续性， 也适用于在役检测，如疲劳裂纹。

3.受迫振动

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。
3.受迫振动

超声检测的应用：
超声探头中的压电晶片在发射超声波时： 在高频电脉冲激励下产生受迫振动；在起 振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用，因 此又是阻尼振动，接受信号时亦然。
2.1.2 机 械 波
1.机械波的产生与传播
（受力为0）；在位移最大位置时势能最大（受力
最大），动能为0（速度为0）。
2.阻尼振动

定义：振幅或能量随时间不断减少的振动。 振动方程：y A0e t cos(t 0 )
02 2 ：阻尼系数
特点： （1）振幅、能量、运动速率随时间不断减小， 直至为0； （2）超声频率范围（高频）周期最终变大，但是 机械振动范畴的阻尼振动周期不变； （3）不符合机械能守恒。

应用： 超声检测探头晶片形成驻波时振动最强。
晶片的频率常数为：N ft c / 2 晶片的厚度为：t / 2