超声波探伤的物理基础——(第四节超声平面在平界面上斜入射的行为)
超声波探伤的物理基础——(第三节超声平面波在大平界面上垂直入射的行为)
第一章 超声波探伤的物理基础第三节 超声平面波在大平界面上垂直入射的行为超声波在异质界面上的反射、透射和折射规律是超声波探伤的重要物理基础。
当超声波垂直入射于平面界面时，主要考虑超声波能量经界面反射和透射后的重新分配和声压的变化，此时的分配和变化主要决定于界面两边介质的声阻抗。
一、超声波在单一的平面界面的反射和透射(1) 反射、透射规律的声压声强表示当平面超声波垂直入射于两种声阻抗不同的介质的大平界面上时，反射波以与入射波方向相反的路径返回，且有部分超声波透过界面射入第二介质，见图1–17所示。
平面界面上入射声强为I ，声压为P ；反射声强为I a ，声压为P a ；透射声强为I t ，声压为P t 。
若声束入射一侧介质的声阻抗为Z 1，透射一侧介质声阻抗为Z 2，根据界面上声压连续和振速连续的原则，并令21Z Z m =(称声阻抗比)，就可得到：声压反射系数m1m1Z Z Z Z P P 2112a P +-=+-==γ (1–21a) 声压透射系数m12Z Z Z 2P P 212t P +=+==τ (1–21b) 若把声压看作是单位面积上受的力，那么作用于同一平面的力应符合力的平衡原理，因此，声压变化就可写作t P Pa P =+，等式两边除以P ，得PP P Pa 1t =+即P P 1τ=γ+ (1–22)若把Ia/I 和It/I 分别定义为声强反射率(R)和声强透射率(D)，就可得到：声强反射率22a 1212a P P Z 2P Z 2P I Ia R === (1–23)声强透射率II D t=(1–24) 声强是一种单位能量，作用于同一界面的声强，应满足能量守恒定律，所以声强变化可写作I = Ia+It ，等式两边除以I ，得到图1–17 平面波在大平面上的反射和透射1D R I I I Ia I I t =++= (1–25) 从式(1–23)可知2221122P m 1m 1Z Z Z Z R ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=γ= (1–26) 从式(1–22)和(1–25)可知2221212P )m 1(m4)Z Z (Z Z 41D +=+⋅=γ-= (1–27)(2) 声压往复透过率实际探伤中的探头常兼作发射和接收声波用，并认为透射至工件底面的声压在钢/空气界面上被完全反射后，再次透过界面后被探头所接收，因此，探头接收到的返回声压t P '与入射声压之比，即为声压往复透过率Tp 。
超声波探伤教材
第一章 超声波检测的物理基础
一、波动 (一)振动与波 物体或质点在某一平衡位置附近作往复运
动，这种运动状态就叫做机械振动，简称 振动。如果物体或质点作周期性直线振动， 它离开平衡位置的距离与时间可以用正弦 或余弦函数表示，称为简谐振动。 这是最基本最重要的周期性直线振动。
适用的频率
超声波探伤常用的频率为 0.25MHz~15MHz。
对金属材料一般频率为 0.5~10MHz。
钢结构焊缝常用频率为1~5MHz。 陶瓷常用频率则为2.25~10MHz。 对铸铁、非金属声衰减强烈的粗晶材料，
甚至采用25KHz~0.25MHz 的频率。
(二)超声波的特性之一
T为周期，振子Q在平衡位置附近振动一次所需要的时间；
f为频率，单位时间内振子Q振动次数，与周期互为倒数， 即f=1/T。赫兹（Hz）单位为每秒振动一次1兆赫为1MHz；
（ωt+φ)为相位角，振子Q在振动过程中某一瞬间（t时刻） 所处的位置。在t=0时刻的相位角，称为初始相位；
ω为圆频率，表示在秒内的振动周期数? (每振动一次时间为360度)。
思考
为什么超声波会在工件中衰减？什么是第一、 第二、第三临界角？什么时候纵波入射会产生 横波全反射现象？超声检测底波高度法调节仪 器应满足的条件是什么？为什么超声纵波直探 头在钢中近场长度比水中的短？
横波 振动方向垂直于播向 固体介质
焊缝、钢管探伤
表面波 质点椭圆运动，
长轴垂直播向
固体介质
钢管、薄板探伤
短轴平行播向
板波 对称(S)型
上下表面：椭圆运动
伤
中心：纵向振动
固体介质(波长薄板)薄板薄壁管探
超声波探伤的物理基础
第一章超声波探伤的物理基础By adan超声波探伤是目前应用最广泛的无损探伤方法之一。
超声波是一种机械波，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、绕射及惠更斯原理等。
深入理解几何声学和物理声学中的有关概念，掌握其中的基本定律，对于灵活运用超声波理论去解决实际探伤中的各种问题无疑是十分有益的。
第一节振动与波宇宙间的一切物质，大至宏观天体，小至微观粒子都处于一定的运动状态，振动和波动是物质运动的基本形式一、振动1．振动的一般概念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，称为机械振动。
日常生活中到处可以见到振动现象，如弹簧振子的运动、钟摆的运动和汽缸中活塞运动等都是可以直接觉察到的振动现象。
另外，如固体分子的热运动，一切发声物体的运动以及超声波波源的运动等则是人们难以觉察到的振动现象。
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，它将回到其平衡位置；并且还要越过平衡位置移到相反方向的最大位移位置，然后返回平衡位置。
这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振动”。
振动是，往复、周期性的运动，振动的快慢常用振动周期和振动频率两个物理量来描述。
周期T——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)。
频率f——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。
常用单位为赫兹(H s)，1赫兹表示1秒钟内完成全振动，即1H s=1次/秒。
此外还有千赫(KH z),兆赫(MH z)。
1kH z=103H z,1MH z由周期和频率的定义可知，二者互为倒数(1.1)如某人说话的频率f=1000H z，表示其声带振动为1000次/秒，声带振动周期T=1/f=1/1000=0.001秒。
2.谐振动最简单最基本的直线强动称为谐振动。
超声波探伤的物理基础——(第四节超声平面在平界面上斜入射的行为)
第一章 超声波探伤的物理基础第四节 超声平面在平界面上斜入射的行为超声平面波以一定的倾斜角入射到异质界面上时，就会产生声波的反射和折射、并且遵循反射和折射定律。
在一定条件下，界面上还会产生波型转换现象。
一、斜入射时界面上的反射、折射和波型转换(1) 超声波在固体界面上的反射1. 固体中纵波斜入射于固体——气体界面图1–25中，L α为纵波入射角，1L α为纵波反射角，1S α为横波反射角，其反射定律可用下列数学式表示：1S 1S 1L 1L L L sin C sin C sin C α=α=α (1–34) 因入射纵波L 与反射纵波L 1在同一介质内传播，故它们的声速相同，即1L L C C =，所以1L L α=α。
又因同一介质中纵波声速大于横波声速，即1S 1L C C ＞，所以1S 1L αα＞。
2. 横波斜入射于固体——气体界面图1–26中，S α为横波入射角，1S α为横波反射角，1L α为纵波反射角。
由反射定律可知：1L 1L 1S 1S S S sin C sin C sin C α=α=α (1–35)图1–25 纵波斜入射 图1–26 横波斜入射因入射横波S 与反射横波S 1在同一介质内传播，故它们的声速相同，即1S S C C =，所以1S S α=α。
又因同一介质中1S 1L C C ＞，所以，1S 1L αα＞。
结论：当超声波在固体中以某角度斜入射于异质面上，其入射角等于反射角，纵波反射角大于横波反射角，或者说横波反射声束总是位于纵波反射声束与法线之间。
图(1–27)表示钢及铝材中纵波入射时的横波反射角，也可以看成横波入射时的纵波反射角。
(2) 超声波的折射 1. 纵波斜入射的折射图1–28中L α为第一介质的纵波入射角，L β为第二介质的纵波折射角，S β为第二介质的横波折射角，其折射定律可用下列数学式表示：S2S L 2L L L sin C sin Csin C β=β=α (1–36)图1–27 钢及铝村中纵波入射时的横波反射角(或横波入射时的纵波反射角) 图1–28 纵波斜入射在第二介质中，因2S 2L C C ＞，所以S L sin sin ββ＞，S L ββ＞，横波折射声束总是位于纵波折射声束与法线之间。
超声波探伤幻灯片课件第二章超声波探伤物理基础
黄新超
河南省锅炉压力容器安全检测研究院 2010年4月
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第一章 超声波检测的物理基础
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超声波是一种机械波，是机械振动在介质中 的传播。
该章主要涉及几何声学和物理声学的基本定律
和概念。 几何声学：反射定律、折射定律、波形转换。 物理声学：波的叠加、干涉、衍射等
位置时，它并没有停止，而是越过平衡位置运动到相反方向的最
大位移；然后，再向平衡位置移动。
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振动的表示：可用周期和频率表示振动的快慢； 用振幅表示振动的强弱。
– 周期T 振动物体完成一次全振动所需要的时间, 称为振动周期.单位：秒（S）
– 频率f 振动特物体在单位时间内完成全振动的 次数,称为振动频率.单位：赫兹（Hz）
ω：圆频率， ω=2πf=2π / T φ：初相位，即t=0时质点的相位 ωt+φ：质点在t时刻的相位 简谐振动方程描述了谐振动物体在任意 时刻的位移情况。
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• 阻尼振动
– 在机械系统振动时，由于受到摩擦力或其他阻 力的作用，系统的能量会不断损耗，质量振动 的振幅逐渐减小，以至于振动停止。所以，阻 尼振动是一个比较普遍情况，也称为衰减振动。 (不符合机械能守恒)
– 波动是振动状态的传播过程，也是振动能量的传播 过程。这种能量的传播，不是靠质点的迁移来实现 的，而是由各质点的位移连续变化来逐渐传播出去 的。
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• 机械波的主要物理量 波长 ：λ 单位：mm、m 同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距 离.或者说：沿着波的传播方向，两个相邻的同相 位质点间的距离。
超声波探伤讲义
• 超声波探伤概述 • 超声波探伤设备与工具 • 超声波探伤操作流程 • 超声波探伤结果分析 • 超声波探伤的局限性 • 超声波探伤案例分析
01
超声波探伤概述
定义与特点
定义
超声波探伤是无损检测的一种方 法，利用超声波的物理特性对材 料进行检测，以确定其内部是否 存在缺陷或异常。
特点
根据被检测工件的大小和形状，选择 合适的探头，并确定其频率和焦距。
探伤操作
在被检测工件表面涂抹耦合剂，然后将探头放置在工件 上，确保声学接触良好。
对工件进行全面扫描，观察显示屏上的波形和回波，注 意任何异常现象或回波缺失。
选择合适的扫描速度和增益设置，以便更好地显示缺陷 回波。
根据需要调整扫描速度、增益和其他参数，以便更好地 识别和记录缺陷。
探头、聚焦探头等。
耦合剂
耦合剂是用于将超声波从探头 传递到被检测材料的介质。
耦合剂的作用是消除空气间隙， 减少声能损失，提高检测精度。
常用的耦合剂有水、机油、甘 油等，根据不同的检测材料和 环境选择合适的耦合剂。
试块
试块是用于模拟被检测材料，验证超声波探伤仪和探头的性能和准确性的标准样品。
试块通常由与被检测材料相同或相似的材料制成，具有已知的缺陷类型和位置。
01
02
03
识别方法
通过观察超声波回波信号 的波形、幅度和传播时间 等特征，判断是否存在缺 陷。
识别精度
依赖于超声波探头的性能、 操作人员的技能和经验， 以及检测对象的材料特性 等因素。
识别可靠性
通过多次重复检测和比较 不同探头的检测结果，可 以提高缺陷识别的可靠性。
缺陷定位与定量
定位方法
01
根据超声波传播时间和波速计算缺陷的位置，通常采用自动或
《超声波探伤》理论要点汇总
第一章 超声波探伤的物理基础
超声场的特征值 声阻抗的物理意义 声阻抗随温度变化的关系 声强与频率、声压的函数关系 界面两侧的声波必须符合的两个条件 由Z1、Z2相对大小的4种情况计算出反射率和透射率，得出4个结论 Z1＝Z3≠Z2时异质薄层厚度对反射率和透射率的影响(半波透声层) 超声波频率f对异质薄层的声压反射率和透射率的影响 Z1≠Z2≠Z3时薄层厚度对反射率和透射率的影响(直探头保护膜)
仪 器
定量要求高----垂直线性好、衰减器精度高
的 大型工件----灵敏度余量大、信噪比高、功率强
选 为发现近表面缺陷和区分相邻缺陷----盲区小、分辨力好 择
现场探伤----重量轻、荧光亮度高、抗干扰能力强
第四章 超声波探伤方法和通用技术
第二节 仪器与探头的选择
探头型式的选择----根据缺陷可能出现的位置及方向
双探头法—原理、计算方法、局限性
端部回波峰值法—原理、计算方法、影响测量精度的因素、局限性
横波端角反射法—原理、衡量方法 、局限性
第八节 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射 纵波倾斜入射到钢/空气界面的反射率 横波倾斜入射到钢/空气界面的反射率 纵波倾斜入射水/钢界面时的声压往复透射率(及实际意义) 纵波倾斜有机玻璃/钢界面时的声压往复透射率(及实际意义) 纵波入射时的端角反射率 横波入射时的端角反射率(最高最低时的αS、K值)
第一章 超声波探伤的物理基础
谐振动的特点(3点) 阻尼振动的特点(3点) 受迫振动的特点(4点) 阻尼振动、受迫振动、共振在超声波探伤中的应用 产生机械波必须具备的两个条件 机械波的本质 波长与波源和质点振动的关系 波动频率与振动频率的关系
第一章 超声波探伤的物理基础
超声波探伤所用频率范围 金属检验所用频率范围 超声波用于检测的重要特性(优点) 纵波的受力、形变、质点运动特点、传播介质 横波的受力、形变、质点运动特点、传播介质 表面波的受力、质点运动特点、传播介质、能量传播特点 板波质点运动特点、传播介质 波线与波阵面、波前的空间关系(各向同性介质中) 平面波的形成(3要素) 柱面波的形成(3要素) 球面波的形成(3要素)
超声波检测的物理基础
周期、频率、波长、波速为四个特征量。
令波在一个周期T内所传播的路程为波长，用λ 表示。根据频率f和波速C的 定义，四者关系如下：
C=fλ =λ /T
(1-4)
波动每传播一个波长，波的相位就变化ω λ /C=2π，也即相隔整数倍波
长的各点是作同相位振动的。令k=ω /c=2π/λ ，k称为波数，描述波动的常
2 t T
弹簧振子受力振动后，振子Q离开平衡位置位移量X随时间 t的变化规律可由下列余弦函数（或正弦函数）描述：
X=Acos（2πt/T+φ）
或 X=Acos (ωt+φ)=Asin (ωt+φ+ π/2)
（1-2）
式中，X为t时刻振子Q离开平衡位置的距离；
A为振幅，表示振子Q在振动过程中的最大位移量；
钢板、锻件探伤
横波 振动方向垂直于播向 固体介质
焊缝、钢管探伤
表面波 质点椭圆运动，
长轴垂直播向
固体介质
钢管、薄板探伤
短轴平行播向
板波 对称(S)型
上下表面：椭圆运动
中心：纵向振动
固体介质(波长薄板)薄板薄壁管探伤
非对称(A)型上下表面：椭圆运动 中心：横向振动
主要特征量
质点振动方向与波动传播方向相互垂直的波型称为横波。当固体弹性介质 受到交变的剪切应力作用时，产生剪切变形，介质质点就会产生相应的横 向振动，质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波型称为横波。因 横波是在剪切应力作用下产生的，故也称剪切波或切变波，用S表示。
横波S
图2.2.2
质 点 振 动 方 向
球面波
超声波探伤基础知识
超声波探伤基础知识
超声波探伤是利用超声波在材料中传播和反射的特性来检测材料内部缺陷的一种无损检测技术。
以下是一些超声波探伤的基础知识：
1. 超声波：超声波是频率超过20kHz的机械波，它在材料中
的传播速度跟材料的密度、刚度等物理性质有关。
2. 超声波的传播：超声波在均匀材料中沿直线传播，当遇到界面或缺陷时会发生折射、反射和散射等现象。
3. 超声波的传感器：超声波传感器通常由压电材料制成，其中压电片会产生机械振动，将电能转换为超声波能量。
4. 超声波探头：超声波探头由超声波传感器和库仑耦合剂组成，用于将超声波能量传递到被检测材料中，并接收反射的超声信号。
5. 超声波的传播方式：超声波的常见传播方式包括纵波（沿着传播方向的振动方向与传播方向一致）和横波（沿着传播方向的振动方向与传播方向垂直）。
6. 超声波的缺陷检测：当超声波遇到材料中的缺陷（如裂纹、夹杂、气泡等），它会反射一部分能量回到探头。
通过分析反射信号的幅度、时间和形状等参数，可以判断缺陷的类型、大小和位置。
7. 超声波的图像生成：通过多次探测，将分析得到的超声信号以图像形式展示，可以获得材料内部缺陷的位置和形状信息。
超声波探伤在工业领域广泛应用，可用于检测金属、塑料、陶瓷等材料的缺陷，如焊接质量、母线接头、管道内部等。
它具有无损、快速、准确、可重复性好等优点，成为重要的材料检测技术。
超声波探伤理论知识
• 超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。 一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不 一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反 射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射 式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。
传播能量大，声能损失小，穿透能力强。 • 超声波的分类： • 1、按声波的连续性分为：连续波（简谐波）和脉冲波（冲击波）； • 2、按波动型式（波型）分为：纵波、横波、表面波（瑞利波）、板波（蓝姆波）； • 3、按波传播的形状、波振面的形状（波形）分为：平面波、球面波、柱面波、活塞波。
• 下面分别讲述：
• y=Acos（ωt+φ）
• 式中y表示在任意瞬间t时振动的幅度；A是振幅，是y的最大值；（ωt+φ）是相位角，其中ω为角 频率（角速度），φ为初始位相角（t=0时的相位角）。
• （2）由于声源在介质中振动方向与波在介质中传播方向可以相同也可以不同，这就可产生不同 类型的声波。
• 波的传播方向与质点的运动方向一致，这种波称为纵波。纵波在介质中传播时会产生质点的稠密 部分和稀疏部分，故又称为疏密波。
• （3）声波在无限大且各向同性的介质中传播时（为研究方便，我们假设的理想状态），其形状 （亦称为波形）是根据波阵面的形状来区分的。
• 波阵面是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所联成的面；
• 波前是指某一时刻振动所传到的距离声源最远的各点所联成的面。 • 波线是表示波传播方向的线。 • 在各向同性介质中波线恒垂直于波阵面； • 在任意时刻波前的位置总是确定的，且只能有一个，而波阵面的数目可以是任意多。 • 波阵面为平面的波称为平面波。 • 如不考虑介质吸收波的能量，则声压不随传播距离而变化，即声压为恒量。 • 波源为作谐振动的无限大平面，在各向同性的弹性介质中传播。理想的平面波是不存在的。当声
超声波探伤的物理基础
超声波探伤的物理基础第一节基本知识超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。
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，称为机械振动。
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。
机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。
超声波就是一种机械波。
机械波主要参数有波长、频率和波速。
波长l：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，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，常用单位为米(m)；频率f：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频率，常用单位为赫兹(Hz)；波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，常用单位为米/秒（m/s）。
由上述定义可得：C=l f ，即波长与波速成正比，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。
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。
它们的区别在主要在于频率不同。
频率在20~20000Hz之间的能引起人们听觉的机械波称为声波，频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20000Hz的机械波称为超声波。
次声波、超声波不可闻。
超声探伤所用的频率一般在0.5~10MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为1~5MHz。
超声波波长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛用于无损探伤。
1. 方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米级；超声波象光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，易于在被检材料中发现缺陷。
2. 能量高：由于能量（声强）与频率平方成正比，因此超声波的能量远大于一般声波的能量。
3. 能在界面上产生反射、折射和波型转换：超声波具有几何声学的上一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射、折射和波型转换等。
4. 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，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。
《超声波探伤》自学笔记
特点：波速快，穿透力强，反射或散射敏感性差，可用于粗晶材料。定位方便。
横 波 法
按表 波面 形波 分法
板 波 法
定义：将纵波通过楔块、水等介质倾斜入射至试件探测面，利用波型转换得到 横波进行探伤的方法。又称斜射法。
运用：主要用于管材、焊缝的探伤。其它试件探伤时作为一种有效的辅助手段。
定义：使用表面波进行探伤的方法，称表面波法。 运用：主要用于表面光滑的试件。
共振：当策动力频率P与受迫振动物体固有频率ω0相同时，受迫振动的振幅达到最大值，这种现象称为共振。
二、波动
波动：振动的传播过程，称为波动。
波动的分类
机械波：在弹性力的相互作用下，质点的振动以一定的速度由近到远的传播，形成机械波。 电磁波
4
产生机械波必须具备的两个条件
要有作机械振动的波源。 要有能传播机械振动的弹性介质。
分
类 穿透法：依据脉冲波或连续波穿透试件之后能量变化来判断缺陷情况的一种方法。
共振法：依据试件的共振特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法。
13
定义：使用直探头发射纵波，进行探伤的方法。又称垂直入射法，简称垂直法。
纵 运用：主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的探伤。
波 法
敏感缺陷：平行于探测面的缺陷。
分
交叉式：用于发现焊缝中的横向缺陷。
多探头法：通过增加声束来提高探伤速度或发现各种取向的缺陷。
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直接接触法：探头与试件探测面之间，涂有很薄的耦合剂层，可看作是两者直接接触。
按
接
触
全浸没式
方 式 分
按探伤方式分
喷液式
局部浸没式 满溢式
类
通水式
液浸法
高液层法 按液层厚度分
超声波探伤理论基础
第一章超声波探伤的物理基础第一节波的一般概念１.波介质的一切质点，是以弹性力互相联系着的，某质点在介质内振动，能激起周围的质点振动。
振动是一种很普遍的运动形式，物体在一定位置附近作周期性的往复运动叫作机械振动。
例如：钟摆的来回摆动，活塞的往复运动都是机械振动。
振动在弹性介质内的传播过程称为波动，简称“波”。
（有机械波和电磁波）波是传递能量的一种方式，波在传播振动的同时，也将波源的能量传播出去，即产生新的波源。
例如：超声波探伤就是将探头晶片（波源）振动的能量传递到钢材中去。
产生波动，必须有振源及可传播能量的弹性介质。
2.声波声波是一种机械波，可在气体、液体、固体中传播；根据频率不同，它可分为次声波、可闻波、超声波和特超声波。
(1).次声波. 频率( f ) 低于２０Ｈｚ／秒叫作次声波。
(2).声波. 频率( f ) 大于20Ｈｚ／秒，小于20000Ｈｚ／秒叫作声波（可闻波）。
(3).超声波: 频率( f ) 大于20000Ｈｚ／秒；小于10000ＭＨｚ／秒叫作超声波。
(4).特超声波. 频率( f ) 大于10000ＭＨｚ／秒叫作特超声波。
我们用来探伤的频率在０.５ＭＨｚ／秒～１５ＭＨｚ／秒。
声波的频率越高，越与光学的某些特征（如反射、折射定律）相似。
超声波比可闻波的波长短得多，有相似于光的直线传播的性质，因为它的波长短，就是小缺陷引起的反射也比较大，很容易被发现。
3. 超声波的发射和接收某些材料，如：石英（Ｓｉｏ），硫酸锂（ＬｉＳｏ）；锆钛酸铅（ＰｚＴ－５）等由于它们具有压电性，即在一定方向上施加一定电压时，在其厚度方向上产生伸长或缩短（取决于电压的正负），其伸长或缩短的大小取决于电压的高低，当在二电极上面施加高频交变电压时。
在这种晶体的周围介质就产生高频声波───超声波。
当某种压电材料受到电脉冲时，它的表面会产生振动（这一现象叫做逆压电效应），其振动的频率超过20000Hz时，就产生了超声波，这就是超声波的发射；当某种压电材料受到一定的压力时，会产生电荷（这一现象叫做正压电效应），从而被仪器接收，这就是超声波的接收，超声波的接收是利及压电材料的正压电效应。
第4章超声波探伤
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3．界面的透射、反射、折射和波型转换
超声波从一种介质入射到另一种介质，经过异质界面将产生 以下几种情况：
1. 有良好的指向性 (1)直线性 超声波波长很短(mm级)，它在弹性介质中 能象光波一样沿直线传播，符合几何光学规律。 声速对固定介质是常数，根据传播时间就能求得其传 播距离，这为探伤中缺陷定位提供依据。
(2)束射性 声源发出超声波能集中在一定区域(超声场) 定向辐射。
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(2)束射性
以圆形压电晶片在液体介质以脉冲波形式 发射的纵波超声场(图4-2)为例讨论，这时 的超声场可视为理想声场。分析表明： 1) 超声波的能量主要集中在2θ的锥形区 域内(图a)。θ越小,波束指向性越好,超声 波能量集中,探伤灵敏度高,分辨力高和定 位精确。
超声波是指振动频率大于20kHz以上的，其每秒的振动次数 （频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20kHz），人们将这种 听不见的声波叫做超声波。
超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械 振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量 的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内 沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用 的频率范围在 2~5MHz之间，常用为3~3.5MHz（每秒振动1次为 1Hz，1MHz=106Hz，即每秒振动100万次；可闻波的频率在16－ 20kHZ 之间）。超声波是声波大家族中的一员。
上式表明，波长越短（超声频率越高）， 压电晶片直径（声源尺寸）越大，则声束 指向性越好。
超声波探伤知识讲解60页PPT
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46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
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47、采菊东篱下，悠然见南山。
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48、啸傲东轩下，聊复得此生。
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49、勤学如春起之苗，不见其增，日 有所长 。
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50、环堵萧然，不蔽风日；短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢谢！
超声波检测的物理基础.
从定义中可以看出：周期是时间量，通常单位为秒 (s) ，在超声 波探伤中，则通常使用微秒为单位（μ s）。 单位换算关系为：1s=106 μ s 或 1 μ s=10-6 s 频率的标准单位为赫兹（Hz）,在超声波探伤中通常用兆赫（MHz） 为单位，换算关系为：1MHz=106Hz 或 1Hz=10-6 MHz
在实用上，贝耳这个单位太大，取其十分之一称为分贝， 用符号dB表示。
I1 10 lg (dB) I2
超声波检测的物理基础（二）
2 声压的dB表示 因为I=p2/(2Z)，代入上式中，可得：
I1 p1 10 lg 20 lg (dB) I2 p2
讨论： （1）若p1>p2，则Δ>0；若p1<p2，则Δ<0 （2）无论p1、p2是如何得到的，二者相差的dB数都应按上 式表示或计算。
（3）散射和衍射现象的应用 a) D>>λ时，反射强 b) D<<λ时，衍射强，散射弱。 c) D~λ时，即有反射，又有衍射，且λ 越大（D越小），衍射 越强。 一般认为：能发现的最小缺陷的尺寸约为λ/2。（不绝对） （4）问题：
①频率相同时，横波比纵波探伤灵敏度高，为什么？ ②为使超声波传播的更远些(穿透力强)，应使用哪种波型，频 率如何？ ③与表面光滑工件相比，表面粗糙时，频率如何选择？ ④同种介质，纵波、横波、表面波哪种波型检测灵敏度最高？
超声波检测的物理基础（一）
超声波检测的物理基础（一）
横波与纵波的对比
超声波检测的物理基础（一）
3 表面波（R） （1）定义：质点只在一平面内作椭圆振动，椭圆的长轴垂 直于波的传播方向，短轴平行于传播方向。 （2）传播条件：只在固体介质表面进行传播。(深度一个
超声波检测理论基础
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2.5 超声场的特征值
2.5.4分贝和奈培 分贝的概念 以引起听觉的最弱声强I0=10-16W/cm2为声强标准，在 声学上称为“闻阈”，即f=1000Hz时引起人耳听觉的 声强最小值。 将某一声强I与标准声强I0之比取常用对数得到二者相 差的数量级，称为声强级，声强级的单位为贝尔B， 即 △=lg(I2/ I1) 贝尔（B） 在实际应用过程中，贝尔这个单位太大，常用分贝 （dB）作为声强级的单位。
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1.2.3超声检测方法的分类
1、按原理：脉冲反射法、衍射时差法、穿透法、共 振法 2、按显示方式：A型显示、超声成像显示 3、按波型：纵波法、横波法、表面波法、板波法、 爬波法 4、按探头数目：单探头法、双探头法、多探头法 5、按探头与工件的接触方式：接触法；液浸法、电 磁耦合法 6、按人工干预的程度：手工检测、自动检测
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2.2.2 按波形分类
波线、
(a) 平面波； (b) 柱面波； (c) 球面波
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2.2.2 按波形分类
根据波阵面的形状(波形)，可将超声波分为平 面波、柱面波和球面波等。 平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵 面为同轴圆柱面，球面波的波阵面为同心球面。 当声源是一个点时，在各向同性介质中的波阵 面为以声源为中心的球面。 可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源 的距离成反比。 当声源的尺寸远小于测量点 距声源的距离时，可以把超声波看成是球面波。
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1.2.2超声检测工作原理
原理： 1、声源产生超声波，采用一定方式进入工件 2、超声波在工件中传播，与工件材料和其中缺陷相互作用，传播 方向或特征被改变 3、改变后的超声波通过检测设备被接收，并对其处理分析 4、根据接收的超声波的特征，评估工件本身及其内部是否存在缺 陷及缺陷的特征 通常用来发现缺陷和用来评估的基本信息： 1、是否存在来自缺陷的超声波信号及其幅度 2、入射声波与接收声波之间的传播时间 3、超声波通过材料后能量的衰减
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第一章 超声波探伤的物理基础第四节 超声平面在平界面上斜入射的行为超声平面波以一定的倾斜角入射到异质界面上时，就会产生声波的反射和折射、并且遵循反射和折射定律。
在一定条件下，界面上还会产生波型转换现象。
一、斜入射时界面上的反射、折射和波型转换(1) 超声波在固体界面上的反射1. 固体中纵波斜入射于固体——气体界面图1–25中，L α为纵波入射角，1L α为纵波反射角，1S α为横波反射角，其反射定律可用下列数学式表示：1S 1S 1L 1L L L sin C sin C sin C α=α=α (1–34) 因入射纵波L 与反射纵波L 1在同一介质内传播，故它们的声速相同，即1L L C C =，所以1L L α=α。
又因同一介质中纵波声速大于横波声速，即1S 1L C C ＞，所以1S 1L αα＞。
2. 横波斜入射于固体——气体界面图1–26中，S α为横波入射角，1S α为横波反射角，1L α为纵波反射角。
由反射定律可知：1L 1L 1S 1S S S sin C sin C sin C α=α=α (1–35)图1–25 纵波斜入射 图1–26 横波斜入射因入射横波S 与反射横波S 1在同一介质内传播，故它们的声速相同，即1S S C C =，所以1S S α=α。
又因同一介质中1S 1L C C ＞，所以，1S 1L αα＞。
结论：当超声波在固体中以某角度斜入射于异质面上，其入射角等于反射角，纵波反射角大于横波反射角，或者说横波反射声束总是位于纵波反射声束与法线之间。
图(1–27)表示钢及铝材中纵波入射时的横波反射角，也可以看成横波入射时的纵波反射角。
(2) 超声波的折射 1. 纵波斜入射的折射图1–28中L α为第一介质的纵波入射角，L β为第二介质的纵波折射角，S β为第二介质的横波折射角，其折射定律可用下列数学式表示：S2S L 2L L L sin C sin Csin C β=β=α (1–36)图1–27 钢及铝村中纵波入射时的横波反射角(或横波入射时的纵波反射角) 图1–28 纵波斜入射在第二介质中，因2S 2L C C ＞，所以S L sin sin ββ＞，S L ββ＞，横波折射声束总是位于纵波折射声束与法线之间。
2. 横波斜入射的折射横波在固体中斜入射至固/固、固/液介面时，其折射规律同样符合式(1–36)所示的形式，可写成：L2L 2S 2S S S sin Csin C sin C β=β=α (1–37) (3) 由于气体和液体不能传播波横波，所以不是任何情况下反射波和折射波都有波型的转换，这一点要注意。
图1–29是几种不同情况界面的波型转换，(a) I —固体，II —液体，纵波入射，在II 中没有折射横波；(b) 介质情况同(a)，但是横波入射，在II 中也只有折射的纵波；(c)中I 是液体，II 是固体，纵波入射在介质I 中只有反射纵波；(d)二种介质都是液体，则反射和折射波都是纵波；(e)(f)二种介质都是固体，入射波是纵波及横波，在一般情况下反射波和折射波中既有纵波又有横波。
若声波从固体斜射到空气界面，则在固体中才存在反射纵波和(或)横波。
图1–29 声波的各种反射、折射情况纵波第一临界角1LK α定义如下：纵波射入斜，使固体中L β=90°的纵波入射角就是纵波第一临界角，见图1–30所示，此时2L 2L 1LK L C 90sin C sin C ==α2L L11LK C C sin -=α (1–38) 对于入射角大于纵波第一临界角的所有纵波入射声束均会使纵波不传入第二介质，产生纵波全反射的现象。
(2) 纵波第二临界角纵波第二临界角2LK α定义如下：纵波斜入射，使固体中=βS 90°的纵波入射角就是纵波第二临界角，见图1–31所示。
此时2S 22LK L C 90sin C sin C ==α图1–30 纵波第一临界面 图1–31 横波全反射和第二临界角SL12LK C C sin -=α (1–39) 对于入射角大于纵波第二临界角的所有纵波入射声束，均会使变形横波不传入第二介质，产生横波全反射的现象。
图1–32为有机玻璃/钢(铝)界面入射角和折射角的关系曲线。
常用介质的纵波第一临界和第二临界角见表1–4所列。
图1–32 有机玻璃/钢(铝)界面入射角和折射角的关系曲线10° 20° 30° 40° 50° 60°βc ·βs由表1–4可知，采用有机玻璃透声楔的斜探头进行横波探伤时，要在钢中得到单一横波，其入射角的选择27.2°～56.7°。
(3) 第三临界角横波斜入射于固体/空气界面，αS 为横波射角；1L α为纵波反射角，1S α为横波反射角，此时认为横波在空气中不产生折射现象。
因同一介质中，C S ＜C L ，所以αS ＜1L α。
当入射角αS 达到某一数值时，就可使1L α=90°，产生纵波全反射现象。
定义横波斜入射至固体/空气界面并产生纵波全反射的横波入射角为第三临界角，用符号3SK α表示。
1L 1L 3SK S C 90sin C sin C ==α1L S13SK C C sin -=α (1–40) 常用介质的第三临界角见表1–5所列。
表1–5 常用介质第三临界角三、斜入射时反射系数、折射系数和往复透射率超声波斜入射时，运用反射定律和折射定律可以确定，遇到界面后反射和折射超声波束的传播方向，但不能确定入射波和反射波、折射波之间的声压关系。
实际上，斜入射波尤其是在产生波型转换的情况下，反射波及折射波的声压变化不仅随入射波型的不同而不同，而且还与入射角的大小和界面两侧介质性质有关。
由于理论计算十分复杂，因此实际应用中常以相应的曲线进行分析。
下面仅以几种常用情况加以讨论：(1) 纵波从水斜入射至固体当纵波从水斜入射至固体(如钢或铝)时，随着纵波入射角的变化，反射声压和折射声压迹随之变化，图1–33所示为入射纵波在水/铝界面上的反射和折射。
从图中可见，当纵波在水中的入射角小于13.5°时，纵波在铝中的折射角和声压随水中纵波入射角的增大而很快增中，铝中折射横波比较弱，水中反射纵波声压为入射声压的80%左右。
当入射角达到13.5°(水/铝纵波临界角)后，铝中纵波不存在，只有横波，相应的横波折射角βS 在30°以上，并且随入射角的增大，折射横波声压随之增加。
当L α≥29.2°以后，横波全反射，铝中不再存在折射波，水中纵波反射声压系数为100%，从图中还可以看出，在L α=13.5°时，铝中横波声压几乎为零，而反射声压(纵波)为100%，透射的纵波声压亦为100%，在L α＞13.5°，特别是＞15°到29.2°之间，铝中折射波声压较大，这就是对于水浸横波探伤铝时，选用的纵波入射角必须在13.5°～29.2°之间的原因。
图1–33 入射纵波在水和铝界面上的反射和折射(2) 纵波从有机玻璃斜入射至固体目前，各种斜探头大多以有机玻璃作为透声楔，晶片产生的纵波通过有机玻璃入射到有机玻璃/固体界面(耦合层)，并在耦合层与固体之间接合面上波型转换后，在固体中得到所需要的波型(横波、表面波及板波)。
由于耦合层极薄，运用反向定律、折射定律计算反射角、折射角和分析界面上声压反射系数、透射系数、往复透过率时，可忽略耦合层的影响，只以界面两侧的有机玻璃和固体的声学性质为计算和分析的依据。
纵波斜入射在有机玻璃/钢界面的情况如图1–34所示，从图中可见，有二个临界角，即纵波临界角27.6°和横波临界角(57.8°)，只有当入射角27.6°～57.8°之间时，钢中才能得到纯的横波折射，随着入射角的增大，横波折射角随之增大，折射横波声压平缓地增加。
而往复透射率却随折射角增大而下降。
图1–34 纵波斜入射在有机玻璃/钢界面上的反射和折射规律而在超声波探伤法中，脉冲反射式探伤仪示波屏上的反射回波高代表了发射声波在界面上的回波幅度，这就是我们感兴趣的往复透过率问题。
图1–34所示即为有机玻璃钢/界面的情况。
图中斜入波的往复透过率T P 可由下式计算：2P 1P t t t P pP p P p P T τ⋅τ='⋅='=式中：P 为入射声压；P t 为透射声压；经固体/空气界面100%反射后变为第二介质向第一介质入射的声压。
2P τ为第一介质波向第二介质内透射的声压透射率；1P τ为第二介质返回声波向(a)第一介质内透射的声压透射率。
从图中可看出：1. 有机玻璃与固体工件之间采用耦合剂液态接触比固体接触的横波声压往复透过率高得多；2. 声压往复透过率随入射角L α或折射角S β的不同而有所变化。
有机玻璃/钢界面声压往复透过率一般不超过30%，有机玻璃/铝界面声压透过率高于前者，但最高不超过65%。
(3) 固体/空气界面上的声压反射系数实际工件底面往往就是固体/空气界面，研究固体/空气界面上的声压反射系数对分析工件底面返回声压有实用意义。
图1–35和1–36为入射波在固体/空气界面声压反射系数P γ与入射角L α的关系曲线。
图1–35 纵波入射钢/空气界面声压 图1–36 横波入射钢/空气、钢/水铝/空气、铝/水界面声压反反射系数与αL 的关系曲线 射系数与αL 的关系曲线从图1–35中可以看出：1. 纵波入射角L α=20°～70°(对应的横波反射角S α=10°～30°)范围内，反射横波的声压反射系数据LS γ较大，LS γ＞40%，最高可达60%，此时的横波反射声压很强。
2. 纵波入射角L α=60°～70°范围内反射纵波的声压反射系数LL γ最小，此时LL γ一般不大于20%，纵波反射声压很弱。
图1–36为横波斜入射钢/空气、钢/水、铝/空气、铝/水界面声压反射系数P γ与横波入射角S α的关系曲线。
从图1–36中可以看出：1. 在钢/空气界面，当钢中横波入射角为30°左右时，反射横波的声压反射系数SS γ最低，其值小于15%。
入射角继续增大，横波反射声压就激增，直到33.2℃时横波声压反射系数SSγ=100%，此时纵波反射角L α= 90°，钢中只有横波而无反射纵波，3SK α=33.2°为第三临界角，铝/空气界面的63003080s i n13SK -=α=29.5°。
2. 当横波斜入射于固体/液体界面(如钢/水、铝/水)时，由于一部分声能在液体中折射为纵波传播，故其横波声压反射系数比固体/空气界面小，如图1–36中虚线所示，这种差异在小于第三临界角时并不明显。