超声波检测的物理基础

适用的频率
超声波探伤常用的频率为 0.25MHz~15MHz。 对金属材料一般频率为
0.5~10MHz。 钢结构焊缝常用频率为1~5MHz。 陶瓷常用频率则为2.25~10MHz。 对铸铁、非金属声衰减强烈的粗晶材料，
甚至采用25KHz~0.25MHz 的频率。
(二)超声波的特性之一
1、束射特性 因为超声波频率较高，波长较短，声束指向性较好，可使超声能量向一
个确定的方向集中辐射，所以利用超声波可在被检工件内部发现缺陷， 又便于缺陷定位；
超声波的特性之二
2、反射特性 超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面时会产生反射、透射或折射，
这些现象主要由入射角度和不同介质的声学特性决定。例如超声脉冲反 射法的基本原理就是利用超声波在缺陷与材料间异质界面的反射来发现 缺陷的；
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；
思考
为什么超声波会在工件中衰减？什么是第一、第二、第三临界角？什么时候纵 波入射会产生横波全反射现象？超声检测底波高度法调节仪器应满足的条件是 什么？为什么超声纵波直探头在钢中近场长度比水中的短？

y=Acos（ ωt-- kx）
(1-3)
波动方程的物理意义：
(1)当距离x一定时，位移y仅为时间t的函数。这时波动方程表 示x处振动情况；
(2)当时间t一定时，位移y是距离x的函数。这时波动方程表示 某一时刻同一波线上各质点的位移情况；
(3)当t和x都变化时，波动方程表示在任意时刻波线上任意一点 的位移情况，k= ω /c为波数，波速也称相位速度。
2.2回波声压和分贝差
条件 公式 例示—计算法；试块法 不同规则反射体回波分贝差公式
小结三
2.3超声波探伤仪
模拟式 数字式 测厚仪
2.4换能器与试块
划分
横波、纵波探头（直探头、斜探头） 标准和对比试块（设计、制造和应用） DAC曲线制作和使用 （适用性、可靠性、比较性等方面）
小结四
3、焊缝超声波探伤
探测面准备； 换能器选择； 定位法(水平、垂直、声程定位法)； 定量法(当量法；测长法)； 测长法(半波高度法；端点峰值法)。
4、超声波探伤在钢构检测中的重要性
非破坏性的手段 质量安全的卫士
复习要点一
计算
K2探头查铝焊缝求深度；焊缝UT折射角范围；锻件探伤计算法求缺陷当量；探 头半扩散角；底波高度法调节仪器，求分贝数。
波动传播方向
(三)表面波
当固体介质表面受到交替变化的应力 作用时，质点作相应的纵横向复合振动。这种质点振动所引起的波动传播只 在固体介质表面进行，故称表面波。 换言之，表面波就是当交变的表面张力作 用于固体表面时，产生沿介质表面传播的波。这是著名物理学家瑞利于1887 年首先 提出来的，因此表面波又称为瑞利波。
球面波
(三)柱面波
具有同轴圆柱面状的波阵面的超声波称为柱面波。柱面波可以看成是由具有 类似无限长细长柱体的形状的线源，在各向同性无限大介质中传播所致。
理想的柱面波是不存在的，当线源长度远远大于波长、而其径向尺寸又比波 长小得多时，此柱形源产生的波动可看成柱面波。
柱面波
小结一
1、物理基础
1.1波动方程与超声特点
横波、板波、表面波都可以通过压电晶片产生的纵波在异质界面实现不 同波型的转换。 横波探伤、表面波探伤就是利用这一转换特性的例示。还有反射和折射横 波等。 因此，波型转换的条件是斜入射。但是在钢/水界面，横波无波型转换。
三、超声波的波型
(一)纵波L 质点振动方向与波动传播方向相同或互相平行的波型称为纵波。当弹性介
用物理量。
四、波形
波阵面的形状即波形。波阵面是指波动传播过程中某一瞬时振动相位相同 的所有质点联成的面。某一时刻，最前面的波阵面，也即该时刻波动到达 的空间所有的点的集合称为“波前”，这是波阵面的特例。波动传播方向 称为“波线”。 若按波阵面的形状来区分可把不同波源激发的超声波分为 平面波、活塞波、球面波和柱面波等。
平面波
（二）球面波 具有同心球面状的波阵面的超声波称为球面波。球面波可以看成是点 状球体源在各向同性弹性介质中以相同的速度向四面传播声波所致。
球面波的波源为一点，它的波阵面为球面，见图2.2.7所示。尺寸远 小于波长的点源在各向同性的介质中传播的波可视为球面波。球面波 波束向四面八方扩散，当不考虑介质衰减时，球面波各质点的振幅与 距离成反比。离源的距离越远，点源的辐射面积也越大，单位面积上 的声能（即声强）就越小。即声强与距离平方成反比。

Y=ACOS(2пt/T+ φ)=ACOS(ωt+ φ)
束射性 反射性 传播性 波型转换
1.2超声波传播
波阵面和波形
连续波和脉冲波
驻波 波型 声速 声强 声阻抗
1.3超声波衰减
扩散 散射 吸收
小结二
2.1超声场
圆盘源纵波声场 指向性 (半扩散角，近场长度，非扩散区) 声压反射系数 (斜入射反射/折射—临界角) 入射角等于反射角；纵波反射角大于横波反射角；液体气体无横波
超声波检测的物理基础
第一章 超声波检测的物理基础
一、波动 (一)振动与波 物体或质点在某一平衡位置附近作往复运动，这种运动状态就叫做机械振
动，简称振动。如果物体或质点作周期性直线振动，它离开平衡位置的距 离与时间可以用正弦或余弦函数表示，称为简谐振动。 这是最基本最重要的周期性直线振动。
介质中的瑞利波
图2.2.3
波传播方向
空气
固体介质
表面波检测
表面波通常只能检测距工件表面两倍波长(2λ)深度以内缺陷。超声波纵波倾 斜入射到界面上，且入射角大于第二临界角时，第二介质中既无折射纵波， 又无折射横波，在第二介质表面形成表面波。这是表面波探头的设计原理 和依据。
当瑞利波在传播途中碰到棱边时，若棱边曲率半径R大于5倍波长，表面波 可不受阻拦地完全通过。当R逐渐变小时，部分表面波能量被棱边反射；当 R≤(波长)时，反射能量很大。在超声波探伤中利用这种反射特性来检测工件 表面和近表面的缺陷，以及用来测定表面裂纹深度等。
振幅A、周期T、频率f和相位角（ωt+φ）是描述简谐 振动的基本物理参数。
(二)波动
波动简称波，它是振动或振荡在物体或空间中的传播；振动是产生波动的 根源。
波动是振动的结果，是物质的基本运动形式之一。 波动可分称两大类，一类是机械波，另一类是电磁波。 两者有很大的本质区别，不可混淆。
属及非金属固体工件，自然界中的其他液体和大多数气体等。质点通过相 互间弹性联系，就可将振动能传输到足够远，这就是波动过程。
超声波声波归属于机械振动范畴。因此，产生超声波的条件：(1)要有产生 高频机械振动的声源；

(2)要有传播超声波的弹性介质。
y Acos(t kx)
2、波动方程
描述介质中质点相对于平衡位置的位移随时间变化的方程称为 行波的波动方程。波动方程式也可写成：
二、超声波的特性
(一)声波的种类 超声波是声波的一种，广泛地应用于无损检测中。声波是在弹性介质中传
播的机械波，其种类按频率范围可以分为四类： 次声波频率在20Hz以下，人耳听不到； 声波在20Hz～20KHz之间，人耳可闻； 超声波20KHz～1000MHz，人耳不可闻； 特超声波在1000MHz以上，人耳不可闻。
质受到交替变化的拉伸、压缩应力作用时，就会产生交替变化的伸长和压 缩形变，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又作用于相邻的质点而在介 质中传播，受力质点的间距也会相应产生交替的疏密变化，产生纵波。纵 波也称为“压缩波”或“疏密波”，用L表示。
纵波L
图2.2.1
波动传播方向
质点振动方向

(二)横波S
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

例如钟摆的运动，弹簧振子的运动，以及弦线和一切发声体的运 动等。振动和波动是物质的基本运动状态。振动的类型很多，除 了简谐振动外，还有固有振动、受迫振动、阻尼振动等，这些振 动都是较为复杂的振动，但基础是简谐振动，复杂振动可以通过 傅利叶分析的方法分解为多个简谐振动。所以，在超声检测中， 进行有关振动的分析时，常用弹簧振子Q作为基本分析模型。
区别
机械波是机械振动在弹性介质中引起的波 动过程。例如水波、声波、超声波等。
电磁波则是电磁振荡所产生的变化电场和
变化磁场在物体中或空间(如真空)的传播
过程，如无线电波、红外线、可见光、紫 外线、伦琴射线等。
1、机械波动的条件
机械波的产生除了需要振动波源，还必须有传播波动的弹性介质。弹性介 质是相互间由弹性力连系着的质点所组成的物质，例如超声检测的大量金
超声波的特性之三
3、传播特性 超声波在弹性介质中传播时，质点振动位移小、振速高，强度与频率的
平方成正比，因此，其声压和声强远大于声波，使得超声检测具有很强 的穿透能力。在大多数介质中传输能量损失小，传播距离大，在一些金 属材料中检测范围可达数米；
超声波的特性之四
4、波型转换特性 超声波斜入射在两个声速不同的异质界面上容易实现波型转换。纵波、
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
(四)板波
板波狭义地讲仅指兰姆波。 它是在板厚与波长相当的弹性薄板状固体中传播的声波。 即在板中传播的波既有振动方向与板面垂直的横波(简称SV波)又含有振动
方向与板面平行的纵波(简称P波)。
各种波型的比较
表2.2.1 各种波型的比较
波型 质点振动特点
传播介质
应用
纵波 振动方向平行于播向 固、液、气体
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
T为周期，振子Q在平衡位置附近振动一次所需要的时间；
f为频率，单位时间内振子Q振动次数，与周期互为倒数， 即f=1/T。赫兹（Hz）单位为每秒振动一次1兆赫为1MHz；
（ωt+φ)为相位角，振子Q在振动过程中某一瞬间（t时刻） 所处的位置。在t=0时刻的相位角，称为初始相位；
ω为圆频率，表示在秒内的振动周期数? (每振动一次时间为360度)。
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定义
超声波从声源向四周围传播扩散的过程用波阵面描述。 波线：在无限大且各向同性的介质中振动向各方向传播，其传播方向用波
线表示。 波阵面：同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面。 波前：某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面。
(一)平面波
具有相互平行平面状波阵面的超声波为平面波。平面波可以看成为一 个无限大的平面声源，在各向同性的弹性介质中作简谐振动所传播的 波动。平面波的波阵面与声源平面平行，且沿直线传播时具有良好的 方向性。若无吸收，声压不随距离变化。理想的平面波是不存在的， 但如果声源截面尺寸比它所产生的波长大得多时，该声源发射的声波 可近似地看作是指向一个方向的平面波。若不考虑介质的衰减，平面 波声压不随声源距离的变化而变化 。