无损检测超声波二级培训教材

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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 用在小球上的弹力。
当小球受到外力作用被拉到O点右侧的A点时，它对平衡 位置的位移方向向右，而所受弹力的方向却向左。 当小球运动到O点左侧时，位移方向向左，而弹力方向却 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 向平衡位置。这个弹力就是使小球振动的回复力。
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（2）兰姆波： 分为对称型（S型）和非对称型（A型）。 对称型兰姆波：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。 非对称型兰姆波： 薄板中心质点作横向振动， 上下表面质点作椭圆运动， 相位相同，不对称。
1 T = f
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振幅：振动物体离开平衡位置的最大距离，称为振动的振 幅，用 A 标示。
1.谐振动：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 动。（P8）
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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。 当小球处于O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。 将小球从平衡位置O向右拉到A点，然后释放，小球将左 右振动。
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2.1 机械振动与机械波 2.1.1 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， 称为机械振动。 振动是自然界最常见的一 种运动形式。
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振动产生的必要条件是：物体一离开平衡位置就会受到回 复力的作用；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 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 且还要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。
1.超声波方向性好：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 到所需物品一样在被检材料中发现缺陷。 2.超声波能量高：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。
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3.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 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。 4.超声波穿透能力强：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 料中其穿透能力可达数米。
CL t 2 2f0
L

CL Nt tf 0 2
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2.1.2 机械波 1.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。
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。
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在介质内部，各质点间以弹性力连接在一起，称为弹性介 质。 在弹性力的作用下，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 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。 产生机械波必须具备以下两个条件： （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。
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纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致.
例如：弹簧波、 声波
特征：具有交替出现的密部和疏部.
2.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（S）或（T）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， 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 受剪切应力，因此横波只能在固体介质中传播，不能在液 体和气体介质中传播。
O -A


x
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（2）周期T和频率f： 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。
波动频率也可定义为波动过程中，任一给定点在1秒钟内 所通过的完整波的个数，与该点振动频率数值相同，单位 为赫兹（Hz）。 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 长。
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。
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弹 簧 振 子 的 振 动
F v
-A
A
x
F
v
F=0 x=0
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谐振动与做匀速圆周运动的质点在 X轴上投影的运动特点 完全一致。 以振幅 A为半径作园，质点M沿圆周作匀速运动，质点M 的水平位移X和时间t的关系可用下式描述：
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UT 第1章 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。
1.1超声检测基础知识 1.1.1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，同一波形在同一介 质中的传播速度是相同的，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 空气等弹性介质传播到耳膜，引起耳膜振动，牵动听觉神 1 经，使人产生听觉。
x A cos(t )
式中： A：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 t的位置和 质点的运动方向，即：表征质点的运动状态； X：某一时刻的水平位移。
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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。 谐振动的振幅、频率和周期保持不变，其频率为振动系统 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。 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。
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这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振 动”。 每经过一定时间后，振动体总是回复到原来的状态（或位 置）的振动称为周期性振动，不具有上述周期性规律的振 动称为非周期性振动。
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振动是往复的运动，振动的快慢常用振动周期和振动频率 两个物理量来描述。振动的强弱用振幅来表征。 周期：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 T 表示。常用单位为秒（s）。 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。 频率：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 f 表示。常用单位是赫兹（Hz）。1Hz=1次/s。 频率和周期互为倒数：
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（3）波速C： 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）。 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 不同。 C = λf 或 λ = C/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。
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 变化来逐渐传递出去的 。
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。
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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。
后面质点重复前面质点的振动状态，有相位落后。
能引起人们听觉的机械波称为声波，其频率为20~20kHz之 间；频率低于20Hz的机械波称为次声波；频率高于20kHz 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0.5~25MHz， 对于钢等金属材料的检测，常用频率为0.5~10MHz。超声 波的特点就是频率高，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。
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1.1.2 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 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：
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1. 声源产生超声波，并通过一定的方式进入工件； 2. 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； 3. 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； 4. 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。 通常用来发现缺陷并对其在来自缺陷的超声信号及其幅度； 2. 回波的传播时间；
3. 超声波通过材料后的能量衰减。
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第2 章
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。
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 基本定律和概念。 如几何声学中的反射、折射定律及波型转换； 物理声学中波的叠加、干涉、衍射等。
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2.2 波的分类 2.2.1按波的类型分类：
1.纵波：介质中质点的振动方向与波的传播方向相互平行 的波，称为纵波（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 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 积的压缩和膨胀，因此液体和气体也可以传播纵波。
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根据胡克定律，弹簧提供的回复力F的大小与小球相对平 衡位置的位移X成正比。 F=-Kx K为弹簧的倔强系数（又称劲度系数或弹性系数---反映弹 簧的软硬程度，它与弹簧的材料性质，截面积和原长度有 关。单位是N/m），负号表示回复力与位移方向相反。
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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。 运动学（kinematics），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) 描述和研究物体位置随 时间的变化规律的力学分支。
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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，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 的缺陷。