超声波讲稿(相关知识部分)

超声波讲稿（相关知识部分）

前言：

1．什么是超声波：

人耳听不见（人耳可听见16-20000Hz ），即频率大于2万赫兹(2

×104 Hz)的机械波（超声波） 2．工业超声波探伤频率：1-5M Hz

a ．粗晶材料（奥氏体不锈钢，大的锻件，铸件）用1-2 M Hz

b ．细晶材料（厚度不大的钢板、锻件，薄的焊缝）用4-5 M Hz ，

常用5 M Hz

c ．其它材料：2-3 M Hz 常用2.5 M Hz 3．金属材料用高频超声波原因：

a ．指向性好（即Df

C

D 7070==λ

θ）：

－声能集中，可以传播很远，检测深度大。 －距离分辨力好，相邻缺陷分辨率高。

b ．f 大即λ小，检测灵敏度高（可达到

2小

λ）

9.1超声波的发生及其性质： 1、超声波的发生和接收 （1）（机械）振动和波动：

a.振动——是物质在平衡位置附近的往复（周期性）运动。

b.波动——是振动状态或振动能量的传播，不是物质的迁移。 （2）超声波产生的条件：

a.振动源（波源）——晶片振动

b.能传播波的介质——弹性介质

（3）压电效应：

a. 正压电效应: 交变（拉、压）应力——交变电场（接受超声

波）

b.逆压电效应: 交变电场——振动（晶片）（发射超声波）（4）压电晶片：

a.常用的压电晶片：

石英——单晶体、稳定性好、耐高温（550℃）

硫酸锂——单晶体、接收性能好

锆钛酸铅——多晶体、灵敏度高、发射性能好

钛酸钡——多晶体、发射性能好

铌酸锂——单晶体、耐高温（1200℃）

b.单晶直探头常用锆钛酸铅制作（PZT）

双晶探头常用PZT+硫酸锂，高温探头用铌酸锂和石英。

c.晶片参数：频率常数

f

C

N L

t

⋅

=

晶

晶＝δ

2

2、超声波的种类(仅指波型)：

（1）纵波–––振动方向与波传播方向平行

（2）横波–––振动方向与波传播方向垂直（只能在固

体中传播）

（3）表面波–––长轴是横波,短轴是纵波的合成，在表

面下2 λ内传播的椭圆振动（只能在固体中

传播）

在表面下处，振幅减为1/5，能量减为1/25

在表面下2处，振幅减为1/100，能量减为1/10000 （4）板波：充满板内，各种模式的纵、横波

（5）爬波：表面下纵波

－当纵波λ射角在第一临界角（有机斜楔/钢为27°36）附近时产生

－检测深度与（晶片×频率）的乘积大小有关

（6）探头：

a．直探头（纵波）

①阻尼块：

吸收晶片背面的杂波，提高信噪比

②保护膜（按声阻抗Z大力分为硬、软保护膜）

硬保护膜—适用于表面光洁度高的工件

软保护膜—适用于表面粗糙工件

b．斜探头：（直探头+斜楔）

①斜楔（作用有二方面）

波型转换(C

L有机玻璃< C L2件)

表面开槽：减少探头杂波

②K值（折射角的正切函数）：t↗→k↗；斜楔磨损时，磨前k

↘，磨后k↗。

C．双晶探头（双直，双斜）：发射与接收分开

①是一个粗糙的聚焦探头，

②杂波少、盲区小，可检测近表面缺陷。

③近长区长度小（延迟块的使用）

④检测深度取决于晶片的倾角

d. 聚焦探头(线聚焦、点聚焦)

①灵敏度高（聚焦区声能集中－主要参数有

焦点位置、焦拄长度和焦拄宽度）

②声束窄（焦拄宽度小），横向分辨率高

③定位精度高

Δ聚焦探头的焦距总是小于近场长度

3．声速（波速）

（1）常用的声速参数：

C L钢=5900米/秒C S钢=3230米/秒

C L有机=2730米/秒C水=1500米/秒

（2）与声速有关的参数：

a ．与材料种类有关，

ρ（密度）↗→C ↗， E （弹性）↗→C ↗ b ．与波型有关：C L ：C S ：C t =1.8 : 1 : 0.9（对于钢材） c ．与温度（t ↗→c ↘,只有水例外）有关，

与应力(F ↗(拉应力)→c ↗)有关。 与介质尺寸有关。

4．频率、波长、声速相互关系：

C=f λ

（1）λ——质点完成一次全振动波传播的距离。

或者波线上相邻两振动相位相同质点间的距离。 （2）f ——波动过程中，每秒内通过某点波的个数。 （3）C ——波在1秒内传播的距离。 5．超声波的特征量：

（1）声压——超声场中某点瞬间压强与无超声波存在时同一点静压

强之差。

m m c c Af c A P νρρπρω⋅=⋅=⋅⋅=2＝Z V m

即声压 p 与频率f 成正比

（2）声强——垂直于超声波传播方向上，单位时间，单位面积通过

x

λ

图1振动曲线

的声能。

c Z I P p m

m ρ2212

2

=

⋅= 即声强正比于频率f 2

（3）声阻抗——声压的幅值与质点振动速度的幅值的比值 （表示

介质的声学性质）

①与材料的种类有关ρ ②与波型有关C

③与温度有关t ↗→C ↘→Z ↘

Δ质点的振动速度V m ≠波速C Δ质点的振动频率f=波传播的频率f

（4）分贝Δ–––12

122020H H =P P =∆g g λλ（仪器垂直线性好时）

a ．已知波高为H 2=90%和H 1=15%，求H 2/H 1的分贝差Δ？

解：分贝6.151590202012==H H =∆g g λλ b ．已知波高差6db, 求=H H 1

2

？ 解：=H H 1

2

2010∆

， H 2=H 1120

6210

H =⋅

即两波高差一倍

m

m

P Z C

V ρ==