超声波探伤幻灯片课件第二章_超声波探伤物理基础(1)

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
பைடு நூலகம்
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
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、按波的形状分类 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。
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。
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
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。
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。
• 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.
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。
• §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。
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.
• 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。
• 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)