超声波探伤幻灯片课件第二章_超声波探伤物理基础(1)

质点谐振动等效图
图1.1 质点谐振动参考图
• 简谐振动方程 质点的水平位移和时间t的关系式：
y=Acos(ωt+φ) 其中：A：振幅，最大水平位移
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。
• 物质的弹性模型
弹性介质：这种质点间以弹性力联系在一 起的介质称为弹性介质。一般固体、液体、 气体都可视为弹性介质。 机械波的产生：弹性介质中的一个质点的 振动就会引起邻近质点的振动，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。
• §1－1振动
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. 振动产生的必要条件： 一是，物体一旦离开平衡位置，就会受到回复力的作用；二是阻 力足够小。 全振动：物体受到一定力的作用，离开平衡位置，产生一个位移； 该力消失后，在回复力的作用下，将向平衡位置移动，到达平衡 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。
y=Acos(Pt+φ)
其中：A：振幅，最大水平位移
P：策动力的圆频率T
φ：初相位
• §1－2波动
振动的传播过程，成为波动。 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。如 水波、声波、超声波等。 电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。如无线 电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线 等。 超声波是机械波，因此下面只讨论机械波。
• 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。
• 频率 ：f 单位：赫兹（Hz） 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. • 波速 ：C 单位：m/s km/s
波动中,波在单位时间内所传播的距离称为波速.
表面波只能在固体表面传播。表面波的 能量随传播深度的增加而迅速减弱。一般 认为，表面波检测只能发现距工件表面两 倍波长深度范围内的缺陷。
• 各种类型波的比较
波的类型
质点振动特点
传播介质
应用
纵波
质点振动方向平行于波传播方向 固、液、气体介质 钢板、锻件检测等
横波
质点振动方向垂直于波传播方向
固体介质
焊缝、钢管检测等
机械波：是机械振动在弹性介质中的传播过程. 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）能传播机械振动的弹性介质。
– 振动与波动是互相关联的，振动是产生波动的根源， 波动是振动状态的传播。波动中介质各质点并不随 波前进，只是以交变的振动速度在各自的平衡位置 附近往复运动。
– 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。
表面波
质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直波 传播方向，短轴平行于拨传播方向
固体介质
钢管检测等
2、按波ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ形状分类 波的形状（波形）是指波阵面的形状。
波阵面：同一时刻，介质中振动相位相同的所有 质点所联成的面称为波阵面。
当介质质点受到交变正应力作用时，质点之间 产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。这时介质 质点疏密相间，故纵波又称为压缩波或疏密波。
凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵
波。所以，纵波可以在固体、液体和气体中传 播。
横波：介质中质点的振动方向和波的传播方向垂直。 用S 表示
当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产 生切变变形，从而形成横波。只有固体能够承受 剪切应力，液体和气体不能承受剪切应力，因此， 横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体 中传播。
C= λf 或λ=C/f
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。
§2 波的类型
1、根据质点的振动方向分类
根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波 的传播方向的不同,可将波动分为纵波、横波、 表面波和板波等.
纵波：介质中质点的振动方向和波的传播方向平 行。用 L 表示，又称压缩波或疏密波。
• 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)
• 受迫振动
– 由于振动系统内部的阻尼作用，能量逐渐消耗， 因初始激发引起的自由振动，将因为能量逐渐 损耗，振动逐渐减弱，以至运动停止。要维持 振动必须由另一系统不断给以激发，即不断地 补充能量，这种由外加作用维持的振动，称为 强迫振动。 (不符合机械能守恒)
表面波：当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质
表面传播的波。用R表示，表面波是瑞利在1887年首次 提出的，因此，表面波又称瑞利波。
表面波在介质表面传播时，质点作椭圆
运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短
轴平行于波的传播方向。椭圆运动可以视
为纵向振动与横向振动的合成，即纵波和
横波的合成。所以，表面波和横波一样， 只能在固体介质中传播，不能在液体和气 体中传播。
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）
– 振幅A 振动物体离开平衡位置的最大距离。
T 1 f
简谐振动
最简单最基本的直线振动称为谐振.其特 点是物体受到的回复力大小与位移成正比, 其方向总是指向平衡位置.
第一章 超声波探伤的物理基础
黄新超
河南省锅炉压力容器安全检测研究院 2010年4月
第一章 超声波检测的物理基础
超声波是一种机械波，是机械振动在介质中 的传播。
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
§1 振动与波动