超声检测原理

在测量方面，许多非声学特性和某些状态参量， 例如液位、流量等都可用超声方法测定。
超声波应用非常广泛。如超声加工和处理，利 用超声能量来改变物质特性和状态，如超声钻孔、 清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。
超声检验与测量之间的关系非常密切，如超声 探伤和超声液位测量，技术原理相仿。
超声检测和超声加工处理之间的区别明显，超 声加工往往着重大功率的连续波超声，而超声检 测则太多使用灵敏度高、功率不大的脉冲波。
当棒的直径与波长相当时称为细棒，细棒中声 波以膨胀形式传播，称为棒波。当棒的直径 d≤0.1λ ( 波长 ) 时，棒波的速度与泊松比无关， 可表示为 E
cd

总之，介质弹性能越好(E和G越大)、密度ρ 越 小，则声波在介质中的传播速度越高。
2-1-3 声场及其特征值
声场特征常用声压、声强和特性阻抗等特征 值来描述。 声压 (p) 是指声传播时，造成介质中某点的压 强，单位为帕斯卡(Pa)，1Pa=1N/m2 声波在介质中传播时，介质中每一点的声压 将随时间和距离的变化而改变。
当两个振幅与频率都相同的相干波，在同一直 线上沿相反方向彼此相向传播时，叠加而成的波 称为驻波，驻波是波的干涉现象的特例。 当在声波传播方向上的介质厚度恰为半波长的 整数倍时就会产生驻波现象。这种驻波在介质的 厚度方向引起共振，这就是所谓共振法超声检测 的基本原理。
(2)波的衍射
波在弹性介质中传 播时，如果遇到障 碍物或其它不连续 的情况，而使波阵 面发生畸变的现象 称为波的衍射。
所以虽然看来脉冲波每个质点的振动没有表示出 同样高度，但它的确是由若干正弦波所组成。
为合成某一脉冲，脉冲宽度愈窄，需要数量愈 多的正弦子波，子波具有与中心频率不同的频 率。根据傅利叶分析，脉冲是由某一频谱范围 内的波构成，脉冲愈窄时频谱愈宽。
叠加波，若符合相干条件 ( 频率相同，传播方 向一致和有一定的相位关系 ) ，则在空间某些地 方振动始终加强，而在另一些地方则始终减弱或 完全消失，这种现象称为波的干涉。
表面波常用符号 R 表示，图中表示的是瞬时 的质点位移状态。表面波传播深度约l～2个波 长，振幅随深度的增加而迅速减小，当深度达 到两个波长时，振幅降至最大振幅的0.37倍
(4) 板波
板状介质受到交 替变化的表面张 力作用，而且板 厚与波长相当， 质点的纵向和横 向振动轨迹也是 椭圆，声场遍布 整个板厚。这种 波称为板波，也 称兰姆波。板波 常用符号 P 表示
c f
声速由介质决定，在各向同性的无限大弹性固 体中，声速可用下式表示
cK
E

式中 E- 介质的正弹性模量， ρ - 介质的密度， K-常数与波型有关。
纵波声速
1 E cL (1 (1 2 ))
横波声速
1 E G cS 2(1 )
式中G-介质切变模量，μ -介质的泊松比。
表面波声速
0.87 1.12 G cB 1
纵波速度在气体中每秒为几百米，在液体中 为1～2km/s，固体中为3～6km/s。 在固体中还有横波，横波的速度约为纵波速 度的一半，表面波速度约为横波速度的0.95
某些物质的密度、声速和特性阻抗见表
θ 角 传播方向
换 能 器
声场
超声检测大多采用脉冲波，而在介绍基本理 论时，一般采用连续波。 这是由于分析脉冲形状非常复杂，而从实际 应用来说，近似用连续波代替脉冲波，但二者 的声场特性上别很大。
由于脉冲波是持续时间很短的波动，所以它 们可能不产生干涉或只产生不完全干涉。
脉冲波中脉冲个数对近场区内的声压分布影 响极大。当脉冲个数小于等于6时，近场区声压 明显变得简单，副瓣数目和尺寸减小。
横波用符号T或S表示。在介质中传播时，仅 使介质各部分产生形变而介质体积不变。
由于液体和气体介质没有剪切弹性，因此不 能传播横波。
(3) 表面波
半无限大弹性介质与气体的交界面，受到交 替变化的表面张力作用时，介质表面质点发生 纵向和横向振动，质点绕其平衡位置作椭圆运 动，并作用于相邻质点而在表面传播，这种波 称为表面波，也称瑞利波。
arcsin / a
式中 D-圆形压电晶片的直径
a-方形晶片边长换 能 器 Nhomakorabea 角 传播方向
声场
也就是说，半扩散角 θ 取决于晶片尺寸和波 长。提高频率和加大晶片尺寸，均可改善超 声的指向性。
换 能 器
θ 角
传播方向
声场
辐射器辐射的超声波能量的 80% 以上集中在主 瓣的声束上，副瓣的能量小，传播距离短，因 此可以认为副瓣束集中在近场区。
研究超声波传播时，可以将弹性介质看成是 相互间由弹性力联系着的无数质点所组成。 当在弹性介质的表面层上施加一个正弦变化的 外力时，由于各质点间有弹性力联系，相邻层 上的质点也将产生振动，一层推动一层，振动 也由近及远地传播。
2-1-1 波动的种类与波型
波的种类是根据质点振动方向和波动传播方 向的关系来区分，可分为纵波、横波、表面波 和板波，如图所示。
探头中心轴线上的声压分布如用平面波理论分 析可得下式
p 2 p0 sin

a x x
2 2

式中a-辐射圆盘半径
检测时测得的信号高度与声压成正比，中心轴 上的声压分布如图所示。
声压分布分为两个区域，即x<N 时，声压p有若 干个周期性的极大值和极小值，称为近声场，N 为近场区长度。
介质 I
界面
介质 II
入射 纵波 L
反射 横波 S1
反射 纵波 L1
当倾斜入射时 除反射波外， 透射波产生干 射，同时伴随 有波型转换。
αL
α S1 α L1
固体介质 I 固体介质 II
β L2 β S2
折射 纵波 L1 折射 横波 S1
超声波以一定倾角 入射固体界面，反 射波和折射波都分 裂成两种波型，除 原有波型的反射和 折射波外，还存在 不同波型的反射波 与折射波。
2-1-4 超声波在异质界面上的 透射、反射和折射
所谓异质界面，是指由两种特性阻抗不同的 介质所构成的界面，如气 /界面、气 /固界面、 液/固界面和不同固体界面等。
介质 I 界面 介质 II
超声波从一种介质传播到另一种介质，相对 于异质界面而言，当垂直入射时只有反射和透 射，波的类型(纵波或横波)不发生变化。
板波与表面波不同，其传播要受到两个界面的 束缚，从而形成对称型(S型，图2-1d)和非对称 型(A型，图2-1e)两种情况。
对称型板波在传播中，质点的振动以板厚为中心 面对称，上下表面上质点振动的相位相反，中心 面上质点的振动方式类似于纵波。
非对称型板波在传播中，上下表面质点振动的相 位相同，质点的振动方式类似于横波。
最大值出现在声程相当于N、N/3、N/6、N/12… 各点，而最小值出现在声程相当于 N/2 、 N/4 、 N/8、N/16…各点。
这种现象，是由于声源上各单一点源辐射到 轴线上同一点的声波的相位差引起的波的干涉 效应造成的。
由于近场区中声压的起伏很大，在近声场中 进行正确检测比较困难。
近场区长度N取决于声源的尺寸和声波波长， 当D/2 >>λ 时，N值可用下式获得
(1) 纵波
当介质受到交替变化的正弦拉--压应力作用 时，质点产生疏密相间的纵向振动，质点振动 方向与波的传播方向一致
纵波常用 L 表示，它在介质中传播时，仅使 介质各部分改变体积而不产生转动。任何弹性 介质 (固体、液体和气体)中都能传播纵波。
(2) 横波
当介质受到交替变化的正弦剪切应力时，质 点产生具有波峰与波谷的横向振动，并在介质 中传播，其振动方向与波的传播方向垂直，这 种波称为横波，也称切变波。
声压与介质密度、波速和频率成正比
p cv
式中 v-质点振动速度
上式中当声压 p 不变时，ρ c 越大，质点振 动速度就越小 ，所以ρ c 被称为介质的特性阻 抗，以 z表示。
超声检测中，可以到观察荧光屏上出现的反 射波高度，该高度与声压 p 成正比。 液体阻抗约为气体的 3000 倍，固体阻抗约为 液体的30倍。
超声加工处理时非常重视一些描述声场强弱的 物理量(如声压、声强、声功率等)的测定。
而超声检测则着重描述介质中超声传播特性的 物理量(如声速、声衰减、声阻抗等)的测定。
超声波是一种机械振动所产生的波。 质点的往复运动称为振动，振动是波动的产 生根源，波动是振动的传播过程。 超声波的产生，依赖于作高频机械振动的声源 和弹性介质的传播 超声波的传播，包括振动过程和能量传播。
D D N 4 4
2 2
2
可见，辐射器的直径 D 愈大、频率愈高 ( 波长 越短)，则近场长度N也就愈长。
当x>N时称为远场区，此时声压随距离增加而下 降，但只有声程大于 3N 后，声压与声程才比较 符合反比关系。因此，习惯上以声程大于 3N 时 为远场区。
远场区的声压分布可由下式计算
惠更斯原理在超 声检测中获得了 广泛应用，不仅 适用于机械波， 同样也适用于电 磁波。它用几何 方法比较广泛地 解决了波的传播 问题。
(3)声速、波长和频率
声速是声波在介质中传播的速度 (c) ，波长是 指声波每振动一次所走过的距离 (λ ) ，频率是 指每秒钟声波振动的次数(f)，三者之间的关系
第二章 超声检测
2-1 超声检测原理
电子线路
探头
始脉冲 缺陷波 底波 缺陷
工件
显示终端
超声检测是一种利用超声波在介质中传播的 性质来判断工件和材料的缺陷和异常。 人耳能听到的声音频率为16Hz～20kHz， 超 声是一种看不见、听不到的弹性波。 超声检测一般为 0.5～ 25MHz，常用频率范围 为 0.5～10MHz。
2-1-2 声波的波动特性
声波的波动特性，主要是指几个波相遇时出 现的干涉、叠加以及衍射现象。