第一章-超声检测物理基础
超声检测-物理基础
机械振动
机械波
机械振动——谐振动
振动：质点不停地在平衡位置附近往复运动的状态。 谐振动：质点受到跟位移成正比、方向总是指向平衡位置的回 复力作用下的振动。
振动方程：
y A cos t A : 振幅
＝2 f ：角频率 ：初始相位
机械振动——谐振动
特点： 位移随时间的变化符合余弦规律； 振幅和频率始终保持不变、自由、周期的振 动——最基本、最简单的理想的振动； 固有频率由系统本身决定； 只有弹力或重力做功，机械能守恒。
频谱分析在超声检测中的应用 ——提高超声无损检测分辨率的方法 （《无损检测》 1997（4），P91 ）
远场分辨率：两相距2mm反射体
c d 2f 测得：f 1.4MHz d 2.1mm
频谱分析在超声检测中的应用 ——提高超声无损检测分辨率的方法 （《无损检测》 1997（4），P91 ）
机械波——产生与传播
机械波 机械振动在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所构成。
机械波——产生与传播
产生机械波的条件 机械振动源、弹性介质。 特点： 机械振动是机械波的根源、机械波是机械振动状态的 传播。 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。
超声检测的历史
1964年，焊缝超声检测技术。
70’，裂纹高度测量，结合断裂力学，评估结 构强度和寿命预测。 80’，随着电子技术和计算机的发展，超声检 测自动化和成像技术发展迅速。
超声波的特点
超声波能量高
超声波穿透力强 超声波方向性好
超声检测第一、二、三章
两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒 定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强。而 另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象。产生 干涉的波叫相干波，其波源叫相干源。
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当两列波的波程差等于波长的整数倍时， 二者互相加强，合成幅度达最大值。
当两列波的波程差等于半波长的奇数倍时， 二者互相抵消，合成幅度达最小值。 二、驻波
换； 4）穿透能力强。
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第二节 波的类型
一、根据质点的振动方向分类 1、纵波L（压缩波、疏密波） 质点振动方向与波的传播方向相互平行的波。
纵波传播时，质点受交变拉伸应力作用，质 点之间发生相应伸缩形变，质点疏密相间。
纵波可在固体、气体和液体中传播。 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;液体和气体虽不能承受
波动与振动是相互关联的，振动是波动的根 源，波动是振动形式和振动能量的传播。这种 传播是通过质点的连续位移变化来实现的，质 点并不发生迁移。
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2、波长、频率和波速 波长λ—同一波线上相位相同的相邻两质点 间的距离。或简单地说：介质任一质点完成一 次全振动波的传播距离。 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。与质点振动频率相等。 波速C—波在单位时间内所传播的距离。 λ、f、C之间的关系：
弹性模量和密度有关。
C B
2、声速与温度的关系 除水以外，液体中的声速随温度升高而降低； 水中声速随温度升高而升高。
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三、声速测量 1、超声波探伤仪 a.比较法测量：（已知水中声速） 将探头置于待测试件上，使底波对准某一刻
度，试件中传播时间为： t=2d/C1
将探头置于水中，调节探头位置使水层底面 回波对准同一位置。则水中传播时间为：
《超声检测》课后习题及试题答案
《超声检测》课后综合训练答案第一单元超声检测的物理基础一、名词解释1.声波与电磁波声源体发生振动会引起四周空气振荡，那种振荡方式就是声波。
电磁波是电磁场的一种运动形态。
2.可闻声波与超声波可闻声波就是人可以听见的声波，频率20Hz～20000Hz,高于20000Hz或低于20Hz一般人都听不到。
频率超过20000Hz的声波，称为超声波。
3.连续波与脉冲波波源持续不断振动所辐射的波称为连续波。
波源间歇振动辐射的波称为脉冲波。
4.纵波与横波纵波是质点的振动方向与传播方向同轴的波。
横波是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波，如电磁波、光波等。
5.瑞利波与脉冲波瑞利波也称表面波，是沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波。
（脉冲波见上述）6.波长与声速波长指沿着波的传播方向，两个相邻的振动相位相同的质点之间的距离。
在波动过程中，某一振动状态在单位时间内波传播的距离称为波速。
声波的波速简称声速。
7.声压与声强在超声场中某一质点由于超声波的传播而受到的附加压强称为该处的声压。
声强是指单位时间内垂直通过单位面积的声能。
8.平面波与球面波波阵面为一系列相互平行的平面的波称为平面波。
波阵面为一系列同心球面的波称为球面波。
9.波的叠加与干涉当几列波在空间相遇时，在相遇区域内任一点的振动，为各列波单独存在时在该点引起的振动位移的矢量和，这一规律称为波的叠加。
如果两列频率相同、振动方向相同、相位差恒定的简谐波叠加时，使得空间某些质点的振动始终加强，而另一些质点处的振动始终减弱，这种现象称为波的干涉。
10.反射与折射波传播过程中，当遇到异质界面时，波的传播方向将发生改变。
一部分波从异质界面处返回到第一种介质，称为波的反射。
另一部分波将穿过异质界面继续传播，称为波的折射。
11.反射率与透射率反射波与入射波的声压或声强之比，称为波的反射率。
透射波与入射波的声压或声强之比，称为波的透射率。
12.聚焦与发散波在传播过程中，若果声束横截面越来越小，称为波的聚焦，反之则成为波的发散。
超声波探伤的物理基础-
1 超声检测第一章超声波探伤是目前应用最广泛的方法之一，它的本质是机械波。
质点的机械振动和振动的传播，构成了超声波探伤的物理基础。
其传播过程中所遵循的规律又可以分为几何声学和物理声学两部分。
几何声学是指界面上的反射定律、折射定律和波形转换规律。
物理声学是指叠加、干涉、绕射和惠更斯原理。
超声波探伤过程中，声波在异质界面的行为，将遵循上述的规律。
第一节 振动与波动一 振动 振动包括弹性媒质中的机械振动和电磁场中的电子振动、量子场中的光子振动等。
光亮子的振动有微粒和波动的两重性。
声波的振动即属弹性媒质中的机械振动，(T ①)它是指在弹性媒质中，质点在其平衡位置的附近做具有周期性的往复运动。
2）（T ②）振动常用周期T 和频率f 这两个物理量来描述：2T ——振动物体（或质点）每振动一次所需要的时间（s ）。
F ——单位时间内振动的次数（次/s/Hz 、KHz 、MHz ）。
T = 1/f ，二者互为倒数。
3）简谐振动 (T ③)最简单的、最基本的直线振动称简谐振动，这种振动是无阻尼的、无衰减线性振动 如弹簧的位移服从虎克定律：F = - ky式中：k — 弹性常数[达因/厘米]； y — 位移量； 负号表示弹性力与位移量相反 。
（T ④谐振动方程）y = Acos(ωt+φ)式中：A — 振幅，即最大的水平位移；ω— 园频率，即一秒钟内变化的弧度数，ω= 2πf = 2π/ T ；φ— 初相位，即t = 0 时质点M 的相位； ωt+φ— 质点M 在t 时刻的相位 如书中图1.1所示。
谐振动的方程描述了谐振动物体在任一时刻的位移情况。
谐振动的特点是：物体受到的回复力的大小与位移成正比，其方向总是指向平衡位置。
如弹簧振子的振3动、单摆振动、音叉振动等。
谐振动振幅、频率不变，位能、势能由最大到零互相转变，符合机械能守恒。
（4）（T ③）阻尼振动 谐振动是理想条件下的振动，不考虑阻力，但实际任何振动都有阻力，克服这个阻力就要做功，能量就随时间不断减少。
超声物理基础及图像基础.pptx
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（四）超声波的三个基本物理量
1、超声波的振态
超声波的振态在固体中有纵波 、横波 和表面波三种，而在液体和气
体中只有纵波振态，在超声诊断中应用的是超声纵波。
2、超声波的三个基本物理量
超声波有三个基本物理量，即波长（wave length,λ）,频率（f）和
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2、波长与介质的关系
（1）同一介质 不同频率的超声波，在同一介质内传播时其波长与频率成反比。 1MHz 的 超 声 波 在 人 体 软 组 织 中 传 播 时 ， 其 波 长 为 1.5mm 。 3MHz 的 超 声 波 在 人 体 软 组 织 中 传 播 时 ， 其 波 长 为 0.5mm 。 5MHz 的 超 声 波 在 人 体 软 组 织 中 传 播 时 ， 其 波 长 为 0.3mm ，
标志反向散射的数量和定量参数称为反向散射系数μb，定义为：
μb = 从组织中反向散射的能量
4）
(参考能量) (立体角) (距离)
（1-1-
式中：参考能量等于脉冲的总能量。
所以超声成像的回声来源是：超声波的背向散射及镜面反射。
3．红细胞散射 在研究红细胞运动规律时，反向散射（Back
scattering）是极有用的超声信息。
（a）传播声波的媒质（介 质）的分子 (b) 波长为λ的平面连续 压缩波的压力分布
图1-1-2质点振动传播声波
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(五) 声速、波长与介质的关系
1、声速与介质的关系
（1）.同一介质 不同频率的探头在同一介质中传播时声速基本相同。所以 用不同频率的探头检查肝脏时，声速基本相同。
超声波检测
超声波检测(船舶教材)（幻灯片稿本编写：孟传亨）§1超声波检测物理基础1 机械振动和机械波1.1 机械振动：一个物理量的值在观测时间内不停地经过极大值和极小值的周期变化，这种变化状态称为振动。
如果振动量是个力学量，如位移、角位移等，所作的振动称之为机械振动。
图1－1(教材中的图2－1和图2－2)表示了机械振动的两个示例。
1.1.1两个表征振动的参数：周期T：完成一次全振动所需的时间，常用单位秒(s)。
频率f：单位时间内完成全振动的次数，单位为赫芝(Hz)。
1Hz＝1次/秒＝秒－1；1MHz＝106Hz。
1.1.2振动方程：最简单最基本的直线振动称为谐振动，任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。
描述谐振动质点M位移y与时间t关系的谐振动方程如下：y＝Acos(ωt＋φ) （1－1）式中：y——为振动幅度在任一瞬间时t的数值；A——为振幅，是y的最大值；ω——角频率(角速度)，ω＝2πf；φ——初始相位角，即t＝0时质点M的相位；(ωt＋φ)——质点M在t时刻的相位。
可用图1－2（教材中的图2－6）来进一步说明物体谐振动时，位移是时间的正弦或余弦函数。
1.2 机械波和声波：1.2.1机械波的形成机械振动在介质中的传播称为机械波，机械振动在弹性体中的传播称之为弹性波（声波）。
图1—3（教材中的图2－3）是弹性体的模型，可用来说明机械波的形成。
1.2.2产生机械波的两个条件：1.作机械振动的波源；2.传播振动的介质。
1.2.3超声波如果以频率f来表征声波，并以人的可闻频率为分界线，则可把声波划分为次声波（f＜20Hz）、可闻声波（20Hz≤f≤20kHz）和超声波（f＞20kHz）。
在超声波检测中最常用的频率范围为0.5～10MHz。
1.2.4三个表征波动的参数：频率f：波在单位时间内通过给定点的完整波的个数称为波的波动频率；波长λ：波在一个周期内传播的距离称为波长；波速c：声波在单位时间所传播的距离称为波速。
超声基础知识部分
第一单元超声波检测的物理基础1、机械振动：有些物体在某一固定的位置（即平衡位置）附近作周期性的往复运动，这种运动形式被称为机械振动，简称振动。
2、自由振动：做振动的系统在外力的作用下物体离开平衡位置以后就能自行按其固有频率振动，而不再需要外力的作用，这种不在外力作用下的振动称为自由振动。
3、无阻尼自由振动：理想情况下的自由振动叫无阻尼自由振动。
自由振动时的周期叫固有周期，自由振动时的频率叫固有频率，它们由振动系统自身条件所决定，与振幅无关。
4、简谐振动：最简单最基本的直线无阻尼自由振动称为简谐振动，简称谐振。
5、在周期性外力的作用下产生的振动称为受迫振动，这个周期性的外力称为策动力。
6、机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波。
机械波产生的条件：有机械振动振源和传播振动的弹性介质。
7、波长：在同一波线上两个相邻的振动相位相同的质点之间的距离，称为波长（即一个“波”的长度），用符号λ表示。
波长的常用单位是毫米（mm）或米（m）。
8、频率：单位时间内波动通过某一位置的完整波的数目，称为波动频率，也是质点在单位时间内的振动次数，用符号f表示。
频率的常用单位是赫兹（Hz），即（次）/秒。
波的频率是波源的振动频率，与介质无关。
9、周期：周期在数值上等于频率的倒数，它是波动前进一个波长的距离所需要的时间，用符号T表示。
周期的常用单位有秒（s）。
10、波速：在波动过程中，某一振动状态（即振动相位）在单位时间内所传播的距离叫做波速，用c表示，其常用单位为米/秒（m/s）。
波速的影响因素有：（1）介质的弹性模量和密度；（2）波的类型；（3）传播过程中的温度。
11、惠更斯原理：媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，在其后的任一时刻，这些子波的包迹就决定新的波阵面。
惠更斯原理对任何波动过程都适用，不论是机械波或电磁波，不论这些波动经过的媒质是均匀的或非均匀的。
利用惠更斯原理可以确定波前的几何形状和波的传播方向。
超声基础-物理基础
物理基础第一节声波的定义及分类一、定义物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动，而引起听觉器官有声音感觉的波动则称为声波。
根据声波的传导方向与介质的的振动方向的关系，声波有纵波和横波之分。
二、横波所谓横波是指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波。
人体的骨骼中，不但传播纵波，还传播横波。
三、纵波即介质中质点沿传播方向运动的波。
在纵波通过的区域内，介质各点发生周期性的疏密变化，因此纵波是胀缩波。
理想流体(气体和液体)中声振动传播方向与质点振动方向是平行的，只存在于纵波。
人体中含水70—80％，故除骨路、肺部以外软组织中的声速和密度均接近于水。
目前医用超声的研究和应用主要是纵波传播方式。
第二节超声显像物理基础一、超声波基本物理量1、超声波是声源振动的频率大于20000 Hz的声波。
2、超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（λ），声速（c），它们的关系是：c=f·λ或λ=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质，不同频率的超声波在相同介质中传播时，声速基本相同。
3、相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同，人体软组织中超声波速度总体差异约为5％。
因此目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m/s。
通过该声速可测量软组织的厚度，由于目前超声仪所采用的是脉冲回声法，故该回声测距的公式是：t组织厚度=Ｃ·───2利用超声方法进行测距的误差也是5％左右。
4、声阻抗是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度ρ与声波在该介质中的传播速度c的乘积所决定，即：Z=ρ·c单位为Kg／m2·s。
5．临床常用的超声频率在2～10 MHz之间。
二、超声波的物理性能l、超声波在介质中传播时，遇到不同声阻的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射，反射的能量由反射系数R I=〔（Z2-Z1）/（Z2+Z1）〕2决定。
Z1、Z2为两种介质的特性声阻抗，Z=ρ·c (密度·声速）当Z1=Z2，为均匀介质，则RI＝0，无反射。
第一章-超声波探伤的物理基础
c λf
波动比较： 概念：振动的传播过程称为波动. 波动的分类: 机械波 机械振动在弹性介质中的传播.
波动 电磁波 交变电磁场在空间的传播.
两类波的不同之处:
机械波的传播需要介质,电磁播的传播可不需要介质
相同之处: 能量传播,反射,折射,干涉,衍射
(1 )纵波(L)：介质中质点有振动 方向相对于波的 传播方向互相平行的波。 (2) 横波S(T)： 介质中质点有振动 方向与波的传播 方向互相垂直的波。 当介质表面受到交变应力作用产生 (3) 表面波R： 沿 介质表面传播的波。 (4 )兰姆波 2 根据波阵面的形状分类 （1）平面波: 波阵面为互相平行的平面的波。 表达式： (2) 球面波:
p A cos( ωt kx )
波阵面为同心球面的波
纵波特点：具有交替出现的疏部和密部
横波特点
A 表达式： p cos(ωt kx ) r
(3) 柱面波： 波阵面为同轴圆柱面的波
A cos(ωt kx ) 表达式： p r
(4) 活塞波 3 按振动的持续时间分类 (1 ) 连续波: 波源持续不断地振动所幅射的波 (2 ) 脉冲波: 波振源作瞬态振动所幅射的波
P P P0 ( )ρ0 dρ ρ
dρ ρ ρ0
2
p C ρ1
P C ρ
2
P 2 ρ1 ——状态方程 …① C t t
P p ( ) ρ 0 ρ1 ρ
C ——为声速
(二)连续性方程(ρ 和μ 的关系)
ρ1 ——连续性方程 …② (ρμ ) t
从而可看出10MHZ的分辨率比1MHZ的分辨率要高出一个 数量级。
结论：在超声检测中,为了提高分辨率力,Qm应尽量提高 探测频率。但Qm低会使幅射能量减小，检测灵敏度降 低,故应根据探伤灵敏度和分辨率综合考虑适当选择Qm， 选择适当的Qm晶片和适当和β 值（β =Rm/2m，由阻尼 吸声层决定）。
第一章 超声检测物理基础
第一章超声检测物理基础Chapter 1 Physical Foundations for Ultrasonic Testing本章简要介绍声波的本质、声波的传播、声场、规则反射体回波声压计算和A VG曲线等超声检测的物理基础。
掌握这些基础对正确理解超声波的特性、合理选择超声检测条件、有效解释超声波传播的现象等都极其重要。
1.1声波的本质essence of sound wave1.1.1振动与波vibration & wave波有两种类型：电磁波（如无线电波、X射线、可见光等）和机械波（如声波、水波等）。
声波的本质是机械振动在弹性介质中传导形成的机械波。
声波的产生、传播和接收都离不开机械振动，如人体发声是声带振动的结果；声音从声带传播到人耳，是声带引起空气振动的结果；人能听见声音是因为空气中的振动引起了人耳鼓膜的振动的结果。
所以，声波的实质就是机械振动。
1、机械振动质点不停地在平衡位置附近往复运动的状态称为机械振动。
如钟摆的运动、气缸中活塞的运动等。
(1) 谐振动如图1-1所示的质点——弹簧振动系统，在静止状态下往下轻拉一下装在弹簧上的小质点，松手后质点便在平衡点附近进行往复运动。
如空气阻力为零，则质点——弹簧系统自由振动的位移随时间的变化符合余弦（或正弦）规律：()ωφ(1-1)cos=+y A t式中：y——质点的位移，单位：米（m）A——质点的振幅，单位：米（m）t——时间，单位：秒（s）图1-1 加载弹簧的振动这种位移随时间的变化符合余弦规律的振动称为谐振动。
谐振动是一种周期振动，质点在平衡位置往复运动一次所需的时间称为周期，用T表示，单位为秒（s）；单位时间（即1秒钟）内完成的振动次数称为频率，用f表示，单位为赫兹（Hz）。
二者之间的关系为：1(1-2)Tf谐振动是一种振幅和频率始终保持不变的、自由的、周期振动，因而是最基本、最简单、最理想的机械振动。
其振动频率是由系统本身决定的，称为固有频率。
超声波检测总复习
λ=C/f 波长与频率成反比，与波速成正比。
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⑸、声波、次声波和超声波
①次声波：频率＜20Hz的机械波；
②声波：频率=20～20000Hz的机械波；
T往(1r2)r'
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声压反射率、透射率和声压往复透射 率计算： Ⅱ(458)例题1：不锈钢与碳钢的声阻抗差 约为1%，试计算复合界面上的声压反射 率？ 解：设碳钢的声阻抗Z钢=1，则不锈钢的 声阻抗Z不=1-1%=0.99
rZ 钢 Z 不 10 .9 90 .0 1 0 .00 0 .5 5 % Z 钢 Z 不10 .991 .99
阻抗不同的界面时产生散乱反射引起超声波的衰 减，同时在示波屏上形成草状回波。
③吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介 质中质点间内磨擦（即粘滞性）和热传导引起超 声波的衰减。
通常所说衰减指吸收和散射衰减，不包括扩散 衰减。
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⑵、影响衰减的因素
介质的衰减程度与介质的晶粒尺寸、各向 异性系数和超声波的频率有关。晶粒尺寸越 大、各向异性越强、超声波频率越高，衰减 越大。
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5、波的衍射 波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，
能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象， 称波的衍射或绕射。
波的绕射和障碍物尺寸Df及波长λ的相对大 小有关。当Df＜＜λ时，波的绕射强，当Df＞ ＞λ时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射。 6、超声场的特征值
⑴、声压P 超声场中某点在某一时刻所具有的压强P1与 没有超声波存在时的静压强P0之比称为该点的 声压。
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
超声基础知识.doc1
超声基础知识.doc1第⼀章、超声诊断物理基础第⼀节超声波的概念⼀、超声波的基本概念1、声波的性质超声波是指频率超过⼈⽿听觉范围（20~20000HZ）的⾼频声波，即：频率>20000HZ的机械（振动）波。
超声波不能在真空中传播，超声波的振态在固体中有纵波、横波、表⾯波、瑞利波、板波等多种振态，⽽在液体和⽓体中只有纵波振态，在超声诊断中主要应⽤超声纵波。
2、诊断常⽤的超声频率范围2~10MHZ(1MHZ=106HZ)3、超声波属于声波范畴它具有声波的共同物理性质①⽅式------必须通过弹性介质进⾏传播在液体、⽓体和⼈体软组织中的传播⽅式为纵波(疏密波) 具有反射、折射、衍射、散射特性,以及在不同介质中(空⽓、⽔、软组织、⾻骼)分别具有不同的声速和不同的衰减等②声速------在不同介质中，声速有很⼤差别：空⽓(20℃)344m/s,⽔（37℃）1524m/s,肝1570m/s,脂肪1476m/s,颅⾻3360m/s⼈体软组织的声速平均为1540m/s,与⽔的声速相近。
⾻骼的声速最⾼相当于软组织平均声速的2倍以上⼆、基本物理量声学基本物理量波长、频率、声速及三者的关系λ=С/f 声速：不同介质的声速空⽓(20℃)344m/s、⽔(37℃)1524m/s、肝脏\⾎液1570m/s、脂肪组织1476m/s、颅⾻3360m/s。
⼈体软组织平均声速掌握1540m/s 三、声场（⼀）超声场概念超声场是指发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间。
超声场简称声场，⼜可称为声束。
（⼆）声场特性1、①扫描声束的形状、⼤⼩（粗细）及声束本⾝的能量分布，随所⽤探头的形状、⼤⼩、阵元数及其排列、⼯作频率（超声波长）、有⽆聚焦以及聚焦的⽅式不同⽽有很⼤的不同②声束还受⼈体组织不同程度吸收衰减、反射、折射和散射等影响即超声与⼈体组之间相互作⽤的影响。
2、声束由⼀个⼤的主瓣和⼀些⼩的旁瓣组成超声成像主要依靠探头发射⾼度指向性的主瓣并接收回声；旁瓣的⽅向总有偏差，容易产⽣伪像。
超声波检测理论基础
超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射 (a) 纵波入射； (b) 横波入射
2.7 超声波倾斜入射到界面时的反射和透射
1.纵波斜入射
折射角相对于入射角的大小和折射波声速与入射波声速的比率有关。同时，由于纵波声速总是大于横波声速，因此纵波折射角βL要大于横波折射角βS。
当纵波倾斜入射到界面时，除产生反射纵波和折射纵波外，还会产生反射横波和折射横波，各种反射波和折射波的方向符合反射、折射定律。
2.5 超声场的特征值
在实际应用过程中，超声波的幅度或强度也用相同的方法即分贝表示，
2.5 超声场的特征值
实际检测时，常按此式 计算超声波探伤仪示波 频上任意两个波高的分 贝差。
目前市售的超声波探伤仪，其示波屏上波高与声压成正比，即任意两点的波高之比等于相应的声压之比，二者的分贝差
2.5 超声场的特征值
2011.11
超声波检测
第一章 绪论
5
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1.2超声检测的基础知识
次声波、声波和超声波 机械波是机械振动在弹性介质中的传播。如水波、声波、超声波 声波是在弹性介质中的传播的机械纵波，频率在20~20000Hz 频率低于20Hz的声波不能被人听到，称为次声波 频率高于20000Hz的声波人耳也听不到，称为超声波。探伤用超声波频率在(0.5~10)MHz
超声波的特点
06
04
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超声检测工作原理
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超声检测方法的分类
按原理：脉冲反射法、衍射时差法、穿透法、共振法
按显示方式：A型显示、超声成像显示
03
按波型：纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法
第1章 超声检测的物理基础
➢ 声源：点状球体。
➢ 波动方程： y A cos（t x）
x
c
（1－6）
➢ 质点的振幅与距声源的距离成反比。
• 柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波。
➢ 波源：一无限长的线状直柱。
➢ 波动方程：
y
A cos（t x）
x
c
（1－7）
➢ 质点的振幅与距柱状声源的距离平方根成反比。
• 活塞波：有限尺寸的平面的声源产生的波形，不是单纯的 平面波或球面波。
➢ 声源：一个有限尺寸的平面，声源上各质点作相同频率、 相位和振幅的谐振动。
• 瑞利波：表面波的一种，是在半无限大固体介质与气体或液 体的交界面上产生，并沿界面传播。
➢ 瑞利波传播时，质点沿椭圆轨迹振动，是纵向运动和 横向运动的合成，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短 轴平行于波的传播方向。
➢ 瑞利波传播时随穿透深度增加，质点振动能量下降很 快，穿透深度约为一个波长。
➢ 瑞利波可以沿圆滑曲面（R＞5 λ）传播而没有反射。
一个而波阵面可以有任意多个。 • 根据波阵面的形状（波形），将波动分为平面波、柱面波和
球面波等。
• 平面波：波阵面为相互平行平面的波。
➢ 声源：一个作谐振动的无限大平面。
➢ 波动方程： y Acos（t x）
c
（1－5）
➢ 不考虑介质所吸收的波的能量，质点振动幅度不随距声 源的距离而变化。
• 球面波：波阵面是以声源为中心的同心球面的波。
• 兰姆波：由倾斜入射到薄板中的声波产生的沿薄板延伸方 向传播的一种波型。
➢ 兰姆波传播时，整个板厚内的质点均产生振动，质点振 动方式是纵向振动与横向振动的合成，在不同深度层面 上质点振动幅度和方向是变化的。
超声检测-基本原理
超声波物理基础
传播规律
① 异质界面的垂直入射：当声波从一种介质 （A）进入另一种介质（B）时，传播特性产生变化。 声波在两种不同介质的结合面（界面）上可分为反 射声波与透射声波两种。反射和透射声波的比例， 与组成界面的两种介质声阻抗有关。
超声波物理基础
当入射介质（A）的声阻抗等于或近似另一介质 （B）的声阻抗时，不产生或基本不产生反射波，所 以当超声波垂直入射到两种声阻抗差很小的介质组 成的界面时，几乎全透射，无反射。因此在焊缝探 伤中，若母材与焊缝金属结合面没有任何缺陷，是 不会产生界面回波，这是直探头探伤的原理。
超声波是由压电晶片的逆压电效应产生的。 探伤使用的超声波频率一般为0.5～10MHz，
其中以2～5MHz最为常用。
超声波物理基础
超声波的性质
1、超声波具有良好的指向性； 2、超声波能在弹性介质中传播，不能在
真空中传播； 3、异质界面上的透射、反射、折射和波形
转换 ； 4、具有可穿透物质和在物质中有衰减的
钢结构焊缝超声检测 基本原理
目录
第一章 超声波物理基础 第二章 检测设备与器材 第三章 探伤方法 第四章 检测技术 第五章 超声波检测的优点与局限性
第一章 超声波物理基础
超声波物理基础
什么是超声波
超声波是声波的一种，是机械振动在弹 性介质中传播而形成的波动，通常以其波动 频率 f 和人的可闻频率加以区分超声波与其 它声波种类：
第二章 检测设备与器材
检测设备及器材 超声波探伤仪
检测设备及器材
超声波探伤仪有多种分类方式：
按超声波的连续性可分为脉冲波探伤仪、连续 波探伤仪、调频波探伤仪；按仪器的信号处理方式 可分为模拟型探伤仪和数字型探伤仪；按缺陷显示 方式分为A型显示、B型显示、C型显示和3D型显示 超声波探伤仪，按超声波的通道数目分为单通道和 多通道探伤仪两种。
超声检测习题及答案
一、判断题第一单元（物理基础）1、波动过程中能量传播是靠相邻两质点的相互碰撞来完成的。
（ F ）2、波只能在弹性介质中产生和传播。
（ F ）3、由于机械波是由机械振动产生的，所以波动频率等于振动频率。
（ O ）4、由于机械波是由机械振动产生的，所以波长等于振幅.。
（ F ）5、传声介质的弹性模量越大，密度越小，声速就越高。
（ O ）6、物体作谐振动时，在平衡位置的势能为零。
（ O ）7、一般固体介质中的声速随温度的升高而增大。
（ F ）8、由端角反射率试验结果推断，使用K≥1.5的探头探测单面焊焊缝根部未焊透缺陷，灵敏度较低，可能造成漏检。
（ O ）9、超声波扩散衰减的大小与介质无关。
（ O ）10、超声波的频率越高，传播速度越快。
（ F ）11、介质能传播横波和表面波的必要条件是介质具有切变弹性模量。
（ O ）12、频率相同的纵波，在水中的波长大于在钢中的波长。
（ F ）13、既然水波能在水面传播，那么超声表面波也能在液体表面传播。
（ F ）14、因为超声波是由机械振动产生的，所以超声波在介质中的传播速度即为质点的振动速度。
（ F ）15、如材质相同，细钢棒（直径<λ）与钢锻件中的声速相同。
（ F ）16、在同种固体材料中，纵、横波声速之比为常数。
（ O ）17、不同的固体介质，弹性模量越大，密度越大，则声速越大。
（ F ）18、表面波在介质表面作椭圆振动，椭圆的长轴平行于波的传播方向。
（ F ）19、波的叠加原理说明，几列波在同一介质中传播并相遇时，都可以合成一个波继续传播。
（ F ）20、在超声波传播方向上，单位面积、单位时间通过的超声能量叫声强。
（ F ）21、超声波的能量远大于声波的能量，1MHz的超声波的能量相当于1KHz声波能量的100万倍。
（ O ）22、声压差2倍，则两信号的分贝差为6dB（分贝）。
（ F ）23、材料的声阻抗越大，超声波传播时衰减越大。
（ F ）24、平面波垂直入射到界面上，入射声压等于透射声压和反射声压之和。
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第一章超声检测物理基础Chapter 1 Physical Foundations for Ultrasonic Testing本章简要介绍声波的本质、声波的传播、声场、规则反射体回波声压计算和AVG曲线等超声检测的物理基础。
掌握这些基础对正确理解超声波的特性、合理选择超声检测条件、有效解释超声波传播的现象等都极其重要。
1.1声波的本质essence of sound wave1.1.1振动与波vibration & wave波有两种类型：电磁波（如无线电波、X射线、可见光等）和机械波（如声波、水波等）。
声波的本质是机械振动在弹性介质中传导形成的机械波。
声波的产生、传播和接收都离不开机械振动，如人体发声是声带振动的结果；声音从声带传播到人耳，是声带引起空气振动的结果；人能听见声音是因为空气中的振动引起了人耳鼓膜的振动的结果。
所以，声波的实质就是机械振动。
1、机械振动质点不停地在平衡位置附近往复运动的状态称为机械振动。
如钟摆的运动、气缸中活塞的运动等。
(1) 谐振动如图1-1所示的质点——弹簧振动系统，在静止状态下往下轻拉一下装在弹簧上的小质点，松手后质点便在平衡点附近进行往复运动。
如空气阻力为零，则质点——弹簧系统自由振动的位移随时间的变化符合余弦（或正弦）规律：()ωφ (1-1)cos=+y A t式中：y——质点的位移，单位：米（m）A——质点的振幅，单位：米（m）t——时间，单位：秒（s）图1-1 加载弹簧的振动这种位移随时间的变化符合余弦规律的振动称为谐振动。
谐振动是一种周期振动，质点在平衡位置往复运动一次所需的时间称为周期，用T表示，单位为秒（s）；单位时间（即1秒钟）内完成的振动次数称为频率，用f表示，单位为赫兹（Hz）。
二者之间的关系为：1(1-2)Tf谐振动是一种振幅和频率始终保持不变的、自由的、周期振动，因而是最基本、最简单、最理想的机械振动。
其振动频率是由系统本身决定的，称为固有频率。
如质点——弹簧振动系统的固有频率是由质点的质量和弹簧的弹性决定的。
所有复杂的周期振动都是多个不同频率的谐振动的合成。
(2) 阻尼振动与谐振动不同，实际的振动系统总是存在阻力的。
如上述的质点－弹簧振动系统，由于存在空气阻力，使质点的振幅随时间不断减小直至为零，即振动完全停止，如图1-2所示。
所以，阻尼损耗了振动系统的能量；但阻尼振动也有可用之处，如在制作超声检测用的探头时，在晶片的背面浇注的阻尼块，正是为了增加振动的阻力，使晶片在电脉冲的激励下的振动迅速停止，以缩短超声脉冲宽度，提高检测分辨率。
图1-2 阻尼振动(3) 强迫振动强迫振动是指在周期外力的作用下物体所作的振动。
这种振动的特点是振动系统的振动频率由外力的频率决定；振幅取决于外力频率与系统的固有频率间的差异，二者差异越小，振幅越大，当外力频率等于系统的固有频率时，振幅达到最大值，这种现象称为共振。
系统发生共振时，振动效率最高。
超声检测时，探头在发射和接收超声波过程中，压电晶片所作的振动即为阻尼振动和强迫振动。
发射超声波时，晶片在发射电脉冲的作用下作强迫振动，产生超声波；同时又因阻尼块的影响作阻尼振动，缩短超声脉冲宽度。
当电脉冲的频率与晶片的固有频率越接近时，晶片的电声转换效率越高，二者相同时转换效率最高。
超声检测所使用探头的固有频率各不相同，为使超声检测仪能与不同频率的探头匹配，达到最佳的转换效率，仪器的发射电路所产生的发射电脉冲信号必须有很宽的频带，亦即发射信号的脉冲必须很窄。
2、机械波和声波机械振动在介质中传播形成机械波。
有一种特别的介质，由以弹性力保持平衡的各个质点所构成，称为弹性介质，其简化的模型如图1-3 所示。
当某一质点受到外力作用时，便在其平衡位置附近振动。
因为所有质点都是彼此联系的，该质点的振动会引起周围质点的振动，使机械振动传播出去。
这种在弹性介质中传播的机械振动称为弹性波，即声波。
可见，声波的产生需要两个条件：振动源和弹性介质。
当振动源作谐振动时，所产生的波称为简谐波，这是最简单、最基本的声波。
简谐波在无限大均匀理想介质中传播时，介质中任意一点在任意时刻的位移为：()cos y A t kx ω=- (1-3)式中：y —— 质点的位移，单位：米（m ） A —— 质点的振幅，单位：米（m ）ω —— 角频率，2f ωπ=k —— 波数， 2kc ωπλ==x —— 离振动源的距离，单位：米（m ） 波长是波在一个完整周期内所传播的距离，用λ表示，单位为米（m ）。
如图1-4所示。
图1-4 简谐波的波长示意图相邻两相同振动相位质点间的距离在哪一个周期时间内声波传导的距离称为波长，波长与声波传播速度与振动频率之间的关系为：f c =λ 又 Tf 1= T c ⋅=∴λ (1-4) 式中：λ——波长，单位：米(m)c ——声波传播速度，单位：米/秒(m/s)f ——振动频率，单位：次/秒(Hz)T ——振动周期，单位：秒(s)1.1.2 声波的分类classification of sound wavea b图1-3 弹性体模型1、次声波、可闻声波和超声波根据声波的振动频率，可将声波分为不同的种类。
通常人类可听见的声波的频率范围为20Hz~20kHz，称为可闻声波；频率低于20Hz的声波称为次声波；频率高于20kHz的声波称为超声波。
对人类而言，次声波和超声波均不可闻。
2、波型根据质点的振动方向与声波的传播方向之间的关系，可将声波分为以下不同的波型：(1) 纵波（压力波、压缩波、疏密波）longitudinal wave（compressive wave）波的传播方向与质点的振动方向一致的波称为纵波，如图1-5所示。
当弹性介质受到交变的拉应力和压应力作用时，会产生交替的伸缩变形，从而产生振动并在介质中传播。
在波的传播方向上，质点的密集区和疏松区时交替存在的，所以纵波也称疏密波、压缩波。
图1-5 纵波传播示意图纵波可在气体、液体、固体中传播。
纵波是超声检测中最常用、最基本的波型，在锻件、铸件、板材等的检测中应用广泛，常用于检测与工件表面平行的不连续性。
由于纵波的激励最容易实现，常利用纵波通过波型转换得到所需波型，再进行其他波型的超声检测。
(2) 横波（剪切波）transverse wave(sheer wave)声波的传播方向与质点的振动方向垂直的声波称为横波，如图1-6所示。
横波传播时介质会产生剪切变形，故又称剪切波、切变波。
由于气体和液体中不能传播剪切力，横波不能在气体和液体中传播，只能在固体介质中传播。
横波也是超声检测最常用的波型之一，一般由纵波经波型转换激励出与工件表面成一定角度的横波，所以特别适合于检测与工件表面倾斜的不连续性。
常用于焊缝、管材等结构的检测。
图1-6 横波传播示意图(3) 表面波（瑞利波）surface wave (Rayleigh wave)在半无限大的固体介质的界面及其附近传播的波型统称为表面波。
瑞利波为在半无限大的固体介质与气体或液体介质的界面及其附近传播的波型，所以它是表面波的一种。
瑞利波的传播如图1-7所示。
质点的振动轨迹为椭圆，椭圆的长轴与传播方向垂直；短轴与传播方向一致。
椭圆振动可视为纵向和横向振动的合成，即纵波和横波的合成，所以，瑞利波也只能在固体介质中传播。
图1-7 瑞利波传播示意图超声检测所用的表面波主要是瑞利波。
由于瑞利波传播时随着穿透深度的增加，质点能量迅速衰减，其穿透深度约为一个波长左右，所以，瑞利波被用于检测工件的表面和近表面的不连续性。
瑞利波对表面裂纹尤为敏感，所以在在役检测中应用广泛。
(4) 板波(兰姆波)plate wave（Lamb wave）如果固体物质尺寸进一步受到限制而成为板状，且其板厚与波长相当，则纯表面波不会存在，其结果产生各种类型的板波。
最重要的板波是兰姆波。
兰姆波传播时，整个板厚内的质点都在振动。
兰姆波有两种基本类型：对称型和反对称型。
如图1-8所示。
图1-8 兰姆波a ） 对称型（S 型）b ） 非对称型（A 型）兰姆波在薄板检测中应用广泛。
3、波形所谓波形，是指声波的波阵面的形状。
波阵面是指在同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所构成的面。
(1) 平面波波阵面为平面的声波称为平面波。
一个作谐振动的无限大平面在无限大的的弹性介质中振动所产生的声波为平面波。
如果介质是各向同性、无损耗的，即均匀、理想的，则平面波质点的振幅不随与声源的距离x 的增加而衰减。
理想平面波的波动方程为：()cos y A t kx =-ω (1-5)这种理想的平面波并不存在，当声源的长宽尺寸远大于声波的波长时，该声源所发射的声波可近似看作平面波。
在超声检测中，探头向工件中辐射超声波时，离探头表面附近的区域内的超声波近似为平面波。
(2) 球面波波阵面为球面的声波称为球面波。
当声源为点状球体时，在无限大的弹性介质中振动所产生声波的波阵面是以声源为中心的同心圆球面。
单位面积上的能量会随与声源的距离的增加而减小。
球面波中质点的振幅与距声源的距离x 成反比。
在无限大均匀理想的弹性介质中的球面波的波动方程为： ()cos A y t kx x=-ω (1-6) 当观察点与声源距离远大于点状声源尺寸时，声波可近似看作球面波，所以在超声检测大尺寸工件中，探头所激励的超声波在足够远处近似为球面波。
(3) 柱面波波阵面为柱面的声波称为柱面波。
当声源为一无限长的线状直柱时，在无限大均匀理想的弹性介质中振动所产生声波的波阵面是以声源为中心的同心圆柱面，且柱面波各质点的振幅与距声源的距离x的平方根成反比。
在无限大均匀理想的弹性介质中的柱面波的波动方程为：()y t kx=-ω (1-7)以上三种波形如图1-9所示。
a)b)c)图1-9 a) 平面波 b) 柱面波 c)球面波1－波源 2－波线 3—波阵面 4—波前(4) 活塞波在超声检测中，声源（即产生超声波的探头）尺寸既不能看成很大，也不能看成很小，所以，其产生的超声波既不是平面波也不是球面波，而是介于二者之间的波形，称为活塞波。
在离声源较近处，波阵面较复杂，质点的位移难以简单描绘；在离声源较远处，波阵面为近似球面，质点的位移可近似用球面波的波动方程描绘，使计算极为简单。
这正是超声检测中用计算法进行灵敏度调整和对不连续性进行当量评定的理论基础。
4、连续波与脉冲波如图1-10所示，连续波是质点振动时间为无穷的波，最常见的连续波是正弦波。
脉冲波是质点振动持续时间很短的波，短到只有一到几个周期。
y ya)b)图1-10 连续波与脉冲波 a ）连续波 b ）脉冲波超声检测中应用最广的是脉冲超声波，因为与连续波相比脉冲超声波的瞬间功率高、平均功率低，所以超声波的穿透力强、又不会损害被检对象及探头；脉冲超声波的脉冲宽度窄，所以检测分辨率高。