超声检测物理基础第二章9
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超声检测第一、二、三章
2、波的干涉
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。
31
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。
12
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。
8
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。
28
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：
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。
28
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：
超声波探伤幻灯片课件第二章超声波探伤物理基础
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
教学ppt
1
第一章 超声波检测的物理基础
教学ppt
2
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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4
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5
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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9
• 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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15
• 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。
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。
超声检测第2章习题-张红霞
2.27 垂直入射到异质界面的超声波束的反射声压和 透射声压：( C) A 与界面两边材料的声速有关 B 与界面两边材料的密度有关 C 与界面两边材料的声阻抗有关 D 与入射声波波型有关 2.28 在液浸探伤中，哪种波会迅速衰减：( C) A 纵波 B 横波 C 表面波 D 切变波 2.29 超声波传播过程中，遇到尺寸与波长相当的障 碍物时，将发生( B) A 只绕射，无反射 B 既反射，又绕射 C 只反射，无绕射 D 以上都可能
第二章 超声检测的物理基础
2.37 一般地说，如果频率相同，则在粗晶材料中穿 透能力最强的振动波型为：( B) A 表面波 B 纵波 C 横波 D 三种波型的穿透力相同 2.38 不同振动频率，而在钢中有最高声速的波型是： ( A) A 0.5MHz的纵波 B 2.5MHz的横波 C 10MHz的爬波 D 5MHz的表面波 2.39 在水/钢界面上，水中入射角为17°，在钢中传 播的主要振动波型为：( B) A 表面波 B 横波 C 纵波 D B和C
第二章 超声检测的物理基础
2.26 超声波的扩散衰减与波型，声程和传声介质、晶 粒度有关。(×) 2.27 对同一材料而言，横波的衰减系数比纵波大得多。 (○) 2.28 界面上入射声束的折射角等于反射角。(×) 2.29 当声束以一定角度入射到不同介质的界面上，会 发生波型转换。(○) 2.30 在同一固体材料中，传播纵、横波时声阻抗不一 样。(○) 2.31 声阻抗是衡量介质声学特性的重要参数，温度变 化对材料的声阻抗无任何影响。(× ) 2.32 超声波垂直入射到平界面时，声强反射率与声强 透射率之和等于1。(○)
第二章 超声检测的物理基础来自第二章 超声检测的物理基础
2.30 在同一固体介质中，当分别传播纵、横波时，它 的声阻抗将是( C) A 一样 B 传播横波时大 C 传播纵波时大 D 无法确定 2.31 超声波垂直入射到异质界面时，反射波与透过波 声能的分配比例取决于( C) A 界面两侧介质的声速 B 界面两侧介质的衰减系数 C 界面两侧介质的声阻抗 D 以上全部 2.32 在同一界面上，声强透射率T与声压反射率r之间 的关系是( B) A T=r2 B T=1－r2 C Ｔ＝1＋r D T=1－r
超声波探伤物理基础
第二章 超声波探伤的物理基础
4、板波 概念：在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板波
根据质点的振动方向又分为SH波和兰姆波。
在表面上下振动的波称为兰姆波，在表面横向振动的波 为SH波 小结：以上4种波除纵波外其它波只能在固体中传播，纵 波可以在固体、液体、气体中传播。
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第二章 超声波探伤的物理基础
波阵面：球面；
特征：波束向四面八方扩散，振幅与距离成反比。 超声波探伤的波源近似活塞振动，在各向同性的介质 中的波叫活塞波，当离源的距离足够大时，活塞波类 似球面波。
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第二章 超声波探伤的物理基础
三、按振动的持续时间分
连续波：波源持续不断的振动，穿透法常采用连续波
脉冲波：短时间的脉冲波，持续时间很短。微秒级。
不同的介质有不同的声速度
超声波波型不同时，介质弹性变形型式不同，声速也不 一样 一 、 固体介质中纵波、横波与表面波声速 1、无限大固体介质中纵波、横波与表面波声速
第二章 超声波探伤的物理基础
纵波1.10
横波1.11
表面波1.12
对于钢材有：CL≈1.8CS ；CR≈0.9CS ；
第二章 超声波探伤的物理基础
如：人能听到的声音就是空气的机械振动
人能听到的声音频率范围是20——20000Hz， 中音一般在1000——1500Hz。 因人而异，每人说话的音频不一样，所以能 区分不同人的声音。 音调、音域；高音、低音不是声音高低，而 是频率高低；声音大小用振幅表示。 如果人说话的频率是1000Hz，即每秒钟声带 振动1000次。
超声波探伤的物理基础
第一章 绪论
1.1 超声检测的定义和作用 1.2 超声检测的发展简史和现状 1.3 超声检测的基础知识
超声检测物理基础第二章PPT课件
按波形分类
按检测方式分类
分为脉冲回声法、衍射时差法、共振 法等，不同的检测方式适用于不同的 检测对象和要求。
分为纵波、横波、表面波等，不同波 形适用于不同的检测目的和介质类型。
超声检测的应用领域
无损检测
对材料和部件进行非破坏性检测，如金属、 复合材料、陶瓷等。
工业检测
在工业生产过程中对产品进行检测，如焊接 质量、材料厚度等。
控制器
控制发射器和接收器的操作， 包括频率、脉冲宽度、增益等 参数的调节。
电源
为整个设备提供电能。
超声检测仪器的分类
按频率分类
可分为低频、中频和高频超声检测仪器。低频仪器主要用于材料厚度和材料内部缺陷的检测，高频仪器主要用于表面 和微观缺陷的检测。
按用途分类
可分为医用、工业用和科研用超声检测仪器。医用仪器主要用于人体内部器官和病变的检测，工业用仪器主要用于各 种材料的无损检测，科研用仪器主要用于科学研究和教学。
超声波的衰减特性
散射衰减
由于介质中存在不均匀分布的小颗粒或气泡等障碍物，超声波在传播过程中会发生散射现 象，导致能量衰减。散射衰减与声波频率的平方成正比。
吸收衰减
超声波在介质中传播时，会与介质发生相互作用，导致能量逐渐减少。吸收衰减与声波频 率和介质性质有关，随着频率的增加而增加。
其他衰减
除了散射衰减和吸收衰减外，超声波在传播过程中还可能受到其他因素的影响，如声波之 间的干涉、衍射等，这些因素也可能导致能量衰减。
利用高频超声波对物体进行微观层面的检测，可观察到物体内部的 细微结构。
05 超声检测标准与规范
国内外超声检测标准概述
国内超声检测标准
我国已经建立了一套完整的超声检测 标准体系，包括通用基础标准、方法 标准和产品标准等，为超声检测技术 的发展和应用提供了指导和规范。
超声检测物理基础第二章1
第二章
超声检测的物理基础
2、描述波动的物理量 波长:沿波的传播方向,两个相邻的、 相位差为 2 的振动质点之间的距离，即一个完整 y 波形的长度。A
O A
x
第二章
超声检测的物理基础
频率: 任一给定点在单位时间内所通过的完整 波的个数, 单位：Hz 波的频率是由波源决定的 波速:波在单位时间内所传播的距离
第二章
超声检测的物理基础
按介质形状分类 1 体波 横波 纵波 2 表面波－瑞利波 3 导波 分管中导波和板中导波 板中导波－板波 Lamb波
第一章
超声检测的物理基础
表面波（瑞利波） 介质表面受到交变应力作用时，产 生沿着固体表面传播的具有纵波和横 波的双重性质的波。 表面质点的运动轨迹为椭圆 振幅随深度的增加迅速减少 用于发现表面缺陷
c f
波速只取决于介质的性质
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二章
超声检测的物理基础
波按频率分类： 次声波：频率小于20Hz 声波：20－20000Hz 超声波：20000Hz以上 超声波的特点 具有良好的方向性 能量高 在界面处产生反射、折射和波型转换 穿透力强
第二章
超声检测的物理基础
超声波的应用 医学上：疾病的诊断和治疗 机械加工：玻璃，金刚石等材料的 加工 焊接：塑料的焊接 材料检测和性能测试
第一章
超声检测的物理基础
地震波
地震发生时，震源区的介质发生急速的 破裂和运动，这种扰动构成一个波源。由于 地球介质的连续性，这种波动就向地球内部 及表层各处传播开去，形成了连续介质中的 弹性波。
由三部分组成：纵波、横波、表面波
第二章 超声检测的物理基础 按波的形状分类 波的形状是指波阵面的形状。 波阵面：同一时刻，振动相位相同所 有点联成的面。 波前：某一时刻，波动所到达的空间 各点所联成的面。 波线：波的传播方向 1 平面波 2 球面波 * 3 柱面波
超声检测物理基础第二章10
s s1 s 2 s3
第十节 超声波的其他传播规律 2 2 液体中的衰减系数 8 f a 主要是吸收衰减 2 c 3 高频液浸检测时，应注意衰减问题 （三）衰减系数的表达方式和测量 x 对 px p0e 1 p 取自然对数，有 ＝ x ln p 单位为奈培/毫米 实际中，常用分贝/毫米
声束扩散、晶粒散射和介质吸收
2 衰减规律和衰减系数 • 衰减规律 平面波 球面波 柱面波
px p0ex
• 衰减系数 有两部分组成： ＝ s a 吸收衰减系数 a
p1 x px e x
px
p1 x e x
a c1 f
第十节 超声波的其他传播规律 固体中散射衰减系数 s 与晶粒尺寸和波长有关 当晶粒尺寸远小于波长时，为瑞利散 3 4 射 s1 c2 Fd f 3 2 当晶粒尺寸与波长相当时 s 2 c3 Fd f 1 当晶粒尺寸远大于波长时 s 3 c4 F d 对超声波检测中使用的脉冲波，频带 宽，可认为是频谱是连续的。 总的散射系数是三种散射系数的和。
第十节 超声波的其他传播规律 二 介质对超声波的吸收
由弹性介质本身的粘滞性和热传导引起的 衰减。 一般说，液体比气体的吸收性小，固体最 小。在工业超声中，几乎不考虑吸收性。
三 超声波的衰减
定义: 超声波在介质中传播时，随着距离增加, 能量逐渐减弱的现象。
第十节 超声波的其他传播规律 1 产生原因
总结
需要掌握的理论知识 机械振动与机械波 固体中波的类型：纵波 横波 表面 波 导波 波的叠加 干涉 衍射 散射 衰减 声波的传播速度 超声场的特征值 波在界面处的传播规律：反射和透 射、折射规律 聚焦与发散
6－
常见材料的衰减系数 钢：0.01 PE材料：0.40
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
6
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
03
05
超声检测工作原理
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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
超声无损检测 第2章 超声检测物理基础
应用 最广泛，适合于检测与工件表面平行的不连续性。
声波的种类 ——按波型分
横波（剪切波）transverse wave (sheer wave)
特点 质点的振动方向与波的传播方向垂直。
应用 广泛，适合于检测与工件表面倾斜的不连续性。
声波的种类 ——按波型分
表面波（瑞利波）surface wave /Rayleigh wave
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） 分析方法：傅立叶变换后作相关处理 远场分辨率：两相距6mm反射体
f c 2d
d c 2f
测得：f 0.47MHz d 6.2mm
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 ）
表面分辨率：距上表面2.5mm深的φ1mm平底孔
声波的叠加、干涉、衍射 Superposition, interference, diffraction
波的叠加与干涉
驻波
惠更斯－菲涅耳原理与波的衍射
波的叠加与干涉
波的叠加原理——独立性原理 几列波在空间某处相遇时，质点的振动是各列波引 起振动的合成。
超声检测原理 ——主要应用的超声特性
速度特性——测量应力、浓度、孔隙率、针孔 度等。
衰减特性——测量晶粒度
谐振特性——测厚、声振检测
频谱特性——定性分析、信号处理。
超声检测优点和限制
超声检测优点： 灵敏度高、穿透力强、材料适应面广、检测速 度快、成本低、对人体无害。
超声检测限制： 存在检测盲区、对形状复杂的工件困难、缺陷 定性定量尚不准、对检测员要求较高。
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。
声波的种类 ——按波型分
横波（剪切波）transverse wave (sheer wave)
特点 质点的振动方向与波的传播方向垂直。
应用 广泛，适合于检测与工件表面倾斜的不连续性。
声波的种类 ——按波型分
表面波（瑞利波）surface wave /Rayleigh wave
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） 分析方法：傅立叶变换后作相关处理 远场分辨率：两相距6mm反射体
f c 2d
d c 2f
测得：f 0.47MHz d 6.2mm
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 ）
表面分辨率：距上表面2.5mm深的φ1mm平底孔
声波的叠加、干涉、衍射 Superposition, interference, diffraction
波的叠加与干涉
驻波
惠更斯－菲涅耳原理与波的衍射
波的叠加与干涉
波的叠加原理——独立性原理 几列波在空间某处相遇时，质点的振动是各列波引 起振动的合成。
超声检测原理 ——主要应用的超声特性
速度特性——测量应力、浓度、孔隙率、针孔 度等。
衰减特性——测量晶粒度
谐振特性——测厚、声振检测
频谱特性——定性分析、信号处理。
超声检测优点和限制
超声检测优点： 灵敏度高、穿透力强、材料适应面广、检测速 度快、成本低、对人体无害。
超声检测限制： 存在检测盲区、对形状复杂的工件困难、缺陷 定性定量尚不准、对检测员要求较高。
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。
《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得物理基础一、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,那种振荡方式就就是声波。
电磁波就是电磁场得一种运动形态。
2、可闻声波与超声波可闻声波就就是人可以听见得声波,频率20Hz～20000Hz,高于20000Hz或低于20Hz一般人都听不到。
频率超过20000Hz得声波,称为超声波。
3、连续波与脉冲波波源持续不断振动所辐射得波称为连续波。
波源间歇振动辐射得波称为脉冲波。
4、纵波与横波纵波就是质点得振动方向与传播方向同轴得波。
横波就是质点得振动方向与波得传播方向相互垂直得波,如电磁波、光波等。
5、瑞利波与脉冲波瑞利波也称表面波,就是沿半无限弹性介质自由表面传播得偏振波。
(脉冲波见上述)6、波长与声速波长指沿着波得传播方向,两个相邻得振动相位相同得质点之间得距离。
在波动过程中,某一振动状态在单位时间内波传播得距离称为波速。
声波得波速简称声速。
7、声压与声强在超声场中某一质点由于超声波得传播而受到得附加压强称为该处得声压。
声强就是指单位时间内垂直通过单位面积得声能。
8、平面波与球面波波阵面为一系列相互平行得平面得波称为平面波。
波阵面为一系列同心球面得波称为球面波。
9、波得叠加与干涉当几列波在空间相遇时,在相遇区域内任一点得振动,为各列波单独存在时在该点引起得振动位移得矢量与,这一规律称为波得叠加。
如果两列频率相同、振动方向相同、相位差恒定得简谐波叠加时,使得空间某些质点得振动始终加强,而另一些质点处得振动始终减弱,这种现象称为波得干涉。
10、反射与折射波传播过程中,当遇到异质界面时,波得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,称为波得反射。
另一部分波将穿过异质界面继续传播,称为波得折射。
11、反射率与透射率反射波与入射波得声压或声强之比,称为波得反射率。
透射波与入射波得声压或声强之比,称为波得透射率。
12、聚焦与发散波在传播过程中,若果声束横截面越来越小,称为波得聚焦,反之则成为波得发散。
医学超声的物理基础
第二章医学超声的物理基础超声波是一种机械波，机械振动与波动是医学超声的物理基础。
它是由弹性介质中的质点受到机械力的作用而发生周期性振动产生的。
依据质点振动方向与波的传播方向的关系，超声波亦有纵波和横波之分。
由超声诊断仪所发射的超声波，在人体组织中是以纵波的方式传播的。
就是因为人体软组织基本无切变弹性，横波在人体组织中不能传播。
§2.1 超声波的一般概念一、机械振动与机械波宇宙中的一切物质，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之一。
物体的机械振动是产生波的源泉，波的频率取决于物体的振动频率。
（一）机械振动物体沿着直线和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。
一切发声物体的运动及超声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，由于弹性作用，它将回到其平衡位置，并且还有越过平衡位置移动到相反方向的最大位移位置，然后再返回平衡位置。
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频率两个物理量来描述。
（二）机械波振动的传播过程，称为波动。
波动分为机械波和电磁波两大类。
机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波。
交变电磁场在空间的传播过程，称为电磁波。
介质包括各种状态的物质，可以是弹性介质（液体、气体或固体）也可以是非弹性媒质；弹性介质传播机械波的机理可用图2-1加以说明。
弹性介质是由许多很小的微粒（称为质点）所组成，质点间由弹性力相互联系着，恰似由小弹簧联系在一起。
当外力F作用于质点A时，A就会离开平衡位置，这时A周围的质点将对A产生弹性力使A回到平衡位置。
当A 回到平衡位置时，具有一定的速度，由于惯性，A不会停在平衡位置，而会继续向前运动，并在相反方向离开平衡位置。
这时A又会受到反向弹性力，使A又回到平衡位置，产生振动。
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
【超声二级取证】第2章超声检测的物理基础
a. 当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时，薄层两侧的各次反射波、 透射波互不干涉； b. 当超声波脉冲宽度相对于薄层较宽时，薄层两侧的各次反射波、 透射波就会互相叠加产生干涉。 • 超声波通过异质薄层的声压反射率和透射率与介质的声阻抗和 薄层声阻抗，以及薄层厚度同其波长之比d2/λ2有关。
1. 均匀介质中的异质薄层（Z1＝Z2≠Z3） 材料中存在的平面状缺陷，如：裂纹、分层、夹杂等。
﹡ 4. 惠更斯原理： 介质中波动传播到的任一点都可以 看作是发射子波的波源，在其后任意时 刻这些子波的包迹就是新的波阵面。 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。 ﹡ 5. 波的散射和衍射 • 衍射：波绕过障碍物的边缘向后传播的现象。 • 散射：通常是指声波遇到障碍物后不再向特定方向而是向各个 不同方向发射声波的现象。 波的衍射和障碍物尺寸D f 及波长λ的相对大小关系： D f＜＜λ，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低； D f＞＞λ，波的反射强，绕射弱，声波几乎全反射。 因此，超声检测灵敏度约为λ/2。
（1－4）
1.2 超声波 1.2.1 超声波的定义 引起听觉的机械波频率范围： 20Hz~20kHz 超声波：频率范围大于 20kHz的机械波 1.2.1 超声波的分类 1. 超声波的波型 纵波（疏密波、压缩波） 横波（剪切波） 表面波（瑞利波） 爬波（临界折射纵波） 兰姆波（自由界面板波） 管中导波
（1—21）
T＋R＝1
t － r＝ 1
• 超声波垂直入射到平界面上时，界面两侧介质声阻抗的差异 决定着反射能量和透射能量的比例。 • 差异越大，反射声能越大，透射声能越小。例：钢与空气的 界面、两侧介质的声阻抗非常接近的情况。 • 例：水/钢界面的反射、透射关系： ① 超声波从钢射向水的情况；
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dB值：6
9.5
12
14
15.56
第九节
超声波的聚焦与发散
三、平面波在曲界面上的反射和折射 反射波和折射波 c1 c 2 方向发生变化 产生会聚和发散 产生条件 与曲率情况有关 与两种介质声速有关 曲率： 凸面 凹面
第九节
超声波的聚焦与发散
1.在弯曲界面上的反射 工件一面为平面，一面为弯曲面 工件置于空气中 平面声波遇到曲面反射镜 凹曲面 p 声波会聚,为球面波 r 当声束较窄时,有 f
第九节
超声波的聚焦与发散
3、水中的圆柱体 球面波入射到凸球面上， 声波在钢中是发散的。 钢柱体中的声压随着离开表面的距离的 增多而急剧下降。探头距钢圆柱表面距 离越远，内部声压下降越大，但声压分 布越趋均匀。
声学检测技术
第二章 超声检测的物理基础 2.9超声波的聚焦和发散(几何超声）
几何声学是用射线的观点研究声学问题的科学。 几何声学的条件是：传声媒质的边界及媒质中的 不均匀性的线度远大于声波波长，而在一个波长的 距离上声波的振幅和方向近乎不变。 在几何声学中，引入射线的概念，射线上每一点 的切线方向与声波的传播方向相同，因而撇开声的 波动性质，而假定声是沿射线传播。 研究内容： 利用超声波直线传播的特点，运用几何作图的方 法讨论界面上超声波传播方向之间的关系以及介质 中的超声波的传播问题。 当研究对象的尺寸远大于波长的情况下，运用几 何作图法进行研究。
超声波的聚焦与发散
3.超声波在两个平面之间的多次反射
对象：大平工件 工件处于空气中 p 声压反射率为1 反射波为球面波 反射波通过的声程 d 相当于无限大介质中所通过的声程 讨论；两个面上多次反射波的声压
前界面（声源处界面）
p1 2d p1 4d p1 6d p1 8d p1 10 d p1 12 d
o
第九节
超声波的聚焦与发散
球面波在水－钢界面上的折射
声轴－垂直入射 其它声线倾斜入射 折射波的延长线交 于声轴线 当折射角较小时，
sin 1 1
1
2
一定范围内的折射 声线近似交于一点
sin 1 sin 2
d1
d2
c1 c2
1 2
c1 c2
d2 d1
水
钢
第九节
超声波的聚焦与发散
四.球面波在曲界面上的反射和折射 f 1.反射波 o 产生会聚和发散 b 声源距离a,像距b， x a 焦距f f 正号对应凹面镜 o 负号对应凸面镜
1 1 a 1 f b
x
a
b
第九节
超声波的聚焦与发散
W反射 圆柱中声波的反射 底柱面相当于凹面镜
a 2r 4 f
2r 3
第九节
超声波的聚焦与发散
p0
凹界面 c1 < c 2 折射波会聚 c1 > c 2 折射波发散
f r 1 c2 c1
px
f
x
p0
px
f
x
第九节
超声波的聚焦与发散
凸界面 c1 > c 2 折射波会聚-聚焦探头 c1 < c 2 折射波发散
f 1 r c2 c1
p0
f
x
px
p0
px
f
x
第九节
0
2
f
r
第九节 超声波的聚焦与发散 凸曲面 声波发散，球（柱）面波 x 当声束较窄时,有
f r
焦点是一个点或一条线
2
o
f r 2
r
第九节
超声波的聚焦与发散
2.在弯曲界面上的折射 弯曲界面后有介质，产生折射波 对于不同的入射点,入射角不同 反射率和折射率不同 折射波产生会聚和发散 界面可视为声的透镜 会聚和发散与界面的凸凹有关,与两边 的声速有关 可分四种情况
第九节 超声波的聚焦与发散 一、声压随距离变化规律 二、 球面波在平界面上的反射和折射 探头辐射的声波在远场是球面波 1.在单一界面上的反射规律
o 平界面像一面镜子 反射波好象是从虚源发出 仍保持球面波的性质 反射特点： 各声线的反射角不同 o 声压反射率也不一样
第九节
超声波的聚焦与发散
2.在单一界面上的折射规律 按照正弦定律确定折射方向 o 折射规律： 各声线的折射角不同 声压折射率与入射角有关 折射波不是严格的球面波
1
p 回＝
p1 2a
r ar
＝
p1 2a
r R
p1 2a
反射声压的大小与内外径之比有关。
第九节
超声波的聚焦与发散
2、中心孔内壁声源的反射波 球面波在凹球面的反射 p 入射波：球面波 p ＝ a 反射波聚焦 圆柱上入射点的返回声压
1
p 回＝
p1 2a
R r
p1 2a
反射声压的大小与内外径之比有关。
1 b 1 a 1 f 2 r
b
焦线位于直径的三分之一 在焦线处,声压很大 对小缺陷灵敏度高
第九节
超声波的聚焦与发散
2.折射波
产生聚焦和发散 与透镜的形状有关 与两种介质声速有关 分四种情况
c1 c 2
第九节
超声波的聚焦与发散
五、在中心孔和圆柱体上的球面波 1、圆柱中的中心孔反射波 球面波在凸界面的反射 p 入射波：球面波 p ＝ a 反射波发散 圆柱上入射点的返回声压 a