超声检测物理基础第二章8PPT课件
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超声成像原理课件
这与脉冲宽度有关（脉冲宽度=脉冲时 间×超声声速=波长），宽，则分辨率下降。 只有当两个障碍物（或病灶）相距大于脉冲 宽度的1/2时，超声才能分别产生两个回声。
2024/6/7
《超声成像原理》PPT课件
38
2、侧向分辨力
指在与声束轴线垂直的 平面上，在探头长轴方向上 的分辨力。能分辨相邻两点 （两个病灶）间的最小距离。
13
超声仪器
探头原理
定义：是将电能转换成超声能，同时将也可将超声能转 换成电能的一种器件。
2024/6/7
2006年6月5日星期一
《超声成像原理》PPT课件
收超声能 超声，转利 声能利换用 。量用成逆
转正超压 换压声电 成电能效 电效发应 能应射将 接将超电
14
14
超声场特性 P171 1、声轴 2、声束 3、束宽 4、近场及特性 5、远场及特性
2024/6/7
《超声成像原理》PPT课件
39
（3）横向分辨率（厚度分辨力）：
指在与声束轴线垂直的 平面上，在探头短轴方向的 分辨力。为与侧向分辨力在 一平面上，是相互垂方向轴 线上的分辨力。
2024/6/7
《超声成像原理》PPT课件
40
谢谢各位
2024/6/7
《超声成像原理》PPT课件
2024/6/7
《超声成像原理》PPT课件
8
超声原理
彩色编码技术是由红、蓝 、绿三种基本颜色组成，当频 移为正时，以红色来表示，而 兰色则表示负的频移。
图像特征
2024/6/7
在显示屏上以不同彩色显示不
《超声成像原理》PPT课同件的血流方向和流速。 P1899
9
超声仪器
探头原理
----压电效应P169
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2、侧向分辨力
指在与声束轴线垂直的 平面上，在探头长轴方向上 的分辨力。能分辨相邻两点 （两个病灶）间的最小距离。
13
超声仪器
探头原理
定义：是将电能转换成超声能，同时将也可将超声能转 换成电能的一种器件。
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收超声能 超声，转利 声能利换用 。量用成逆
转正超压 换压声电 成电能效 电效发应 能应射将 接将超电
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超声场特性 P171 1、声轴 2、声束 3、束宽 4、近场及特性 5、远场及特性
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（3）横向分辨率（厚度分辨力）：
指在与声束轴线垂直的 平面上，在探头短轴方向的 分辨力。为与侧向分辨力在 一平面上，是相互垂方向轴 线上的分辨力。
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超声原理
彩色编码技术是由红、蓝 、绿三种基本颜色组成，当频 移为正时，以红色来表示，而 兰色则表示负的频移。
图像特征
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超声仪器
探头原理
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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。
教学ppt
4
教学ppt
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。
教学ppt
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。
教学ppt
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
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。
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8课件
第八节 超声波倾斜入射到界面
2、全透射 定义：
由此推出入射角为
只有
才会发生全透射。
第八节 超声波倾斜入射到界面
3、掠入射 当声波以 入射时称为掠入射。
由此推出
4、垂直透射 如果
对任意的入射角，都有折射角为零，即折射波总是 垂直于分界面。
第八节 超声波倾斜入射到界面
可以推得
在这种界面上，有纵波反射系数、纵波折射系 数和横波折射系数。
第八节 超声波倾斜入射到界面
六、声压往复透射率 在超声脉冲反射法中，超声波往复透过同
一探测面，研究往复透射率更有意义。 水-钢界面处的声压往复透射率
二、液体－空气界面 边界特点
在空气中，密度极小，忽略不计，并且对于高 频超声，在空气中很难传播，特性阻抗等于0 由声学边界条件：
得到声压为0 速度可取任意值 此时的边界称为自由边界 如海面
第八节 超声波倾斜入射到界面
根据边界条件， 即在x=0处有
对任何Y值都成立，必要条件是各项的指数因子 相等，相位变化等于0或
反射波和折射波的大小、方向不仅与两种介质的特 性阻抗有关，而且与声波的入射角有关。
第八节 超声波倾斜入射到界面
一、任意方向传播的波 沿空间任意方向传播的平面波的表达式为
位置矢 量
波矢量
沿X方向传播的平面波简化为
第八节 超声波倾斜入射到界面
空间任意一点（x,y,z）的质点振动速度表达式为
第八节 超声波倾斜入射到界面
可以推得：反射角等于入射角
反射波与入射波之间存在相位差 在液体中，入射波和反射波叠加形成干涉波.
第八节 超声波倾斜入射到界面
三、液体－液体界面
声波入射到两种液体的
界 面 , 将产生一个反射波和
超声基础知识ppt课件
换能器 监视器
超声的模式
Line 1 Line 2 Line 3 Line 4 Line 5 Line 6 Line 7 Line 8
Line
1 2 3 4 5 6 7 8
3. M模式： M模式中的M表示运动，M模式通过B模式图象来显示一个取样线，然后在以时 间为轴线的波形图上表示其运动状态。通常M模式用于检测心脏及胎儿的心率。 Transducer Transducer Transducer Transducer
•
•
电子扫描方式
探头的许多基元通过电子控制产生扫描波束并且通过延时线对波束进 行聚焦。
－线阵：用于小器官、血管及术中。 －凸阵：也称弯曲线阵，与线阵的区别在于 基元是弯曲的。用于腹部和妇产科。 特点： • 孔径大 • 近场视野宽 • 旁瓣影响小 特点： • 近、远场视野宽
－相控阵： 相控阵方式是通过连续变换延时线来得到产生超声波束的不同角度。主要用于心脏。
记录设备
探头
DSC
数字扫描转换器
录像机
打印机
彩色打印机
存储
硬盘、磁光盘 图象档案管理
1. 聚焦
名词解释
透镜
聚焦
发散
许多超声设备都有调整聚焦的功能，对感兴趣的 区域进行聚焦，从而使图象分辨率更高，图象更清晰。
超声系统的几种聚焦方式： －只在发射端聚焦（接收端：自动聚焦）：保持较高的帧频 －发射和接收端聚焦：可使图象质量更好，但是帧频很低 常用的聚焦方式：分段聚焦；动态聚焦；连续动态聚焦(CDF） 动态接收聚焦
• 压电效应：是指具有压电特性的材料(陶瓷、石英)
在受到外界压力后，在其受压端面产生电压；在其 端面施加交变电信号时，其端面会产生机械振动， 发出声波。
超声的模式
Line 1 Line 2 Line 3 Line 4 Line 5 Line 6 Line 7 Line 8
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3. M模式： M模式中的M表示运动，M模式通过B模式图象来显示一个取样线，然后在以时 间为轴线的波形图上表示其运动状态。通常M模式用于检测心脏及胎儿的心率。 Transducer Transducer Transducer Transducer
•
•
电子扫描方式
探头的许多基元通过电子控制产生扫描波束并且通过延时线对波束进 行聚焦。
－线阵：用于小器官、血管及术中。 －凸阵：也称弯曲线阵，与线阵的区别在于 基元是弯曲的。用于腹部和妇产科。 特点： • 孔径大 • 近场视野宽 • 旁瓣影响小 特点： • 近、远场视野宽
－相控阵： 相控阵方式是通过连续变换延时线来得到产生超声波束的不同角度。主要用于心脏。
记录设备
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数字扫描转换器
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彩色打印机
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硬盘、磁光盘 图象档案管理
1. 聚焦
名词解释
透镜
聚焦
发散
许多超声设备都有调整聚焦的功能，对感兴趣的 区域进行聚焦，从而使图象分辨率更高，图象更清晰。
超声系统的几种聚焦方式： －只在发射端聚焦（接收端：自动聚焦）：保持较高的帧频 －发射和接收端聚焦：可使图象质量更好，但是帧频很低 常用的聚焦方式：分段聚焦；动态聚焦；连续动态聚焦(CDF） 动态接收聚焦
• 压电效应：是指具有压电特性的材料(陶瓷、石英)
在受到外界压力后，在其受压端面产生电压；在其 端面施加交变电信号时，其端面会产生机械振动， 发出声波。
超声诊断物理基础ppt课件
多普勒频移的表达公式为： fd＝fR－f0＝±2Vcosθf0/C。
在公式中fd为多普勒频移， fR为反射频率，f0为入射频 率，V为反射物体运动速度， C为声速，θ为运动方向与入 射波之间的夹角。
20
频谱多普勒的应用
多普勒超声利用活动的目标产生频移，再从频移计算出运 动的速度。其中必须作角度的校正，否则，计算出的流速 全无意义， θ 角必须在60度以下，否则，即使作角度校正 其测值的可信度不高。
上式中由于声速不变，故频率和波长成反比。频率越高， 波长越短，穿透力越差，但分辨力越高，适合于浅表器官 的探查。频率越低，波长越长，分辨力越低，但穿透力越 好，适合于心脏等深部脏器的探查。
频率为单位时间内质点振动的次数，一般以每秒振动次数 表示，以Hz为单位，每秒振动一次为1Hz。
声速为单位时间波动传播的距离，常用单位为m/s。 人体软组织平均声速为：1540m/s，或近似于是1500m/s。 波长为两个相邻振动波峰间的距离，常用单位为m。
12
声波的特性－衍射
衍射：当障碍物的直径等于或 小于λ／2，超声波将绕过该障 碍物而继续前进，反射很少， 这种现象称为衍射或绕射。
13
声阻抗（impedance）
声阻抗（z）——指阻挡声波在介质中传播的力。公式： z = c · ρ c ——声速 ρ——介质的密度 可见声速越快，介质密度越高，声阻 抗越大。 超声波在界面上反射的大小与界面两边介质的声阻抗差及超声波的入 射角有关，人体软组织的声阻抗差异很小，只要有1‰。的声阻抗差， 便可产生反射。 通过接收反射和散射产生的回波，从而获得人体组织各层界面的位置、 形态及组织内部结构的信息，分析其特征及规律，可判断组织或脏器 病变的物理特征（如囊性、实性及囊实混合性），从而作出诊断。
在公式中fd为多普勒频移， fR为反射频率，f0为入射频 率，V为反射物体运动速度， C为声速，θ为运动方向与入 射波之间的夹角。
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频谱多普勒的应用
多普勒超声利用活动的目标产生频移，再从频移计算出运 动的速度。其中必须作角度的校正，否则，计算出的流速 全无意义， θ 角必须在60度以下，否则，即使作角度校正 其测值的可信度不高。
上式中由于声速不变，故频率和波长成反比。频率越高， 波长越短，穿透力越差，但分辨力越高，适合于浅表器官 的探查。频率越低，波长越长，分辨力越低，但穿透力越 好，适合于心脏等深部脏器的探查。
频率为单位时间内质点振动的次数，一般以每秒振动次数 表示，以Hz为单位，每秒振动一次为1Hz。
声速为单位时间波动传播的距离，常用单位为m/s。 人体软组织平均声速为：1540m/s，或近似于是1500m/s。 波长为两个相邻振动波峰间的距离，常用单位为m。
12
声波的特性－衍射
衍射：当障碍物的直径等于或 小于λ／2，超声波将绕过该障 碍物而继续前进，反射很少， 这种现象称为衍射或绕射。
13
声阻抗（impedance）
声阻抗（z）——指阻挡声波在介质中传播的力。公式： z = c · ρ c ——声速 ρ——介质的密度 可见声速越快，介质密度越高，声阻 抗越大。 超声波在界面上反射的大小与界面两边介质的声阻抗差及超声波的入 射角有关，人体软组织的声阻抗差异很小，只要有1‰。的声阻抗差， 便可产生反射。 通过接收反射和散射产生的回波，从而获得人体组织各层界面的位置、 形态及组织内部结构的信息，分析其特征及规律，可判断组织或脏器 病变的物理特征（如囊性、实性及囊实混合性），从而作出诊断。
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。
超声检测物理基础第二章8
P0 e
jk 1 y sin 0
cos r
Pt e
sin r
cos
2c2
Pt e
jk 2 y sin
在x=0平面上任意y值都成立，必要条件是各项 的指数因子相等，即
k 1 sin 0 k 1 sin r k 2 sin
r 0
在这种界面上，有纵波反射系数、纵波折射系 数和横波折射系数。 纵波折射系数为
tl
1 2 2cl
cos l cos
2
2 2 s
2cl
cos l
cos 2 s sin
2
2cs
cos s
2 s
1 c1
cos l
cos 2 s
第八节
超声波倾斜入射到界面
2
讨论几种情况： 1、全反射 全反射的条件：不产生折射波，即
k arcsin
c1 c2 sin
arcsin
2
c1 c2
2
由于这个临界角必须小于 因此临界角存在的条件是
c1 ＜ c 2
，
波由声疏介质进入声密介质
如果 c 2 c1 介质2中总有折射波.
第八节
p 0 P0 e
r
j ( t k 1 x cos 0 k 1 y sin 0 )
0r 液体1 y o
反射波仍在xy平面内传播, 传播方向与x、y轴成
液体2
p r Pr e
90 r j ( t k 1 x cos r k 1 y sin r )
解得
0 r
sin 0 c1 sin c2
超声波检测专业知识PPT课件
8
2.1.2谐振动
定义：物体在 受到跟位移大 小成正比，而 方向总是指向 平衡位置的回 复力作用下的 振动，叫做 谐 振动。
特点：1、回复力与位移成正比而方向相反，总是指向平衡位置。
2、是一种理想化的运动，振动过程中无阻力，所以振动系统机械能守恒。 3、谐振动的振幅、频率和周期保持不变，其频率为振动系统的固有频率， 是最简单、最基本的一种振动，任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成
超声检测通用技术
1
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
2
1. 超声检测的定义和作用
• 指使超声波与试件相互作用，就反射、透 射和散射的波进行研究，对试件进行宏观 缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力 学性能变化的检测和表征，并进而对其特 定应用性进行评价的技术。 在特种设备行业，通常指宏观缺陷检测和 材料厚度测量。
在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用，因此又是阻
尼振动
11
机械波的产生与传播
弹性介质模型
图2.3
12
2.1.4 机械波的产生与传播
• 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。
• 机械波的产生与传播过程
如图2.3所示的固体弹性模型。质点间以弹性力联系在一起的介质称为弹性 介质。（固体、液体、气体）
• 超声探头 晶片后粘贴阻尼块
阻尼振动
10
受迫振动
• 受迫振动：物体受到周期性变化的外力作用时产生的振动。 如缝纫机上缝针的振动，汽缸中活塞的振动和扬声器中纸 膜的振动等。
• 受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间后达到稳定 状态，变为周期性的谐振动。其振动频率与策动力频率相 同，振幅保持不变。
2.1.2谐振动
定义：物体在 受到跟位移大 小成正比，而 方向总是指向 平衡位置的回 复力作用下的 振动，叫做 谐 振动。
特点：1、回复力与位移成正比而方向相反，总是指向平衡位置。
2、是一种理想化的运动，振动过程中无阻力，所以振动系统机械能守恒。 3、谐振动的振幅、频率和周期保持不变，其频率为振动系统的固有频率， 是最简单、最基本的一种振动，任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成
超声检测通用技术
1
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
2
1. 超声检测的定义和作用
• 指使超声波与试件相互作用，就反射、透 射和散射的波进行研究，对试件进行宏观 缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力 学性能变化的检测和表征，并进而对其特 定应用性进行评价的技术。 在特种设备行业，通常指宏观缺陷检测和 材料厚度测量。
在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用，因此又是阻
尼振动
11
机械波的产生与传播
弹性介质模型
图2.3
12
2.1.4 机械波的产生与传播
• 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。
• 机械波的产生与传播过程
如图2.3所示的固体弹性模型。质点间以弹性力联系在一起的介质称为弹性 介质。（固体、液体、气体）
• 超声探头 晶片后粘贴阻尼块
阻尼振动
10
受迫振动
• 受迫振动：物体受到周期性变化的外力作用时产生的振动。 如缝纫机上缝针的振动，汽缸中活塞的振动和扬声器中纸 膜的振动等。
• 受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间后达到稳定 状态，变为周期性的谐振动。其振动频率与策动力频率相 同，振幅保持不变。
超声波检测理论基础培训课件
2/12/2024
超声波检测理论基础
5
1.2.3超声检测方法的分类
1、按原理：脉冲反射法、衍射时差法、穿透法、共 振法
2、按显示方式：A型显示、超声成像显示 3、按波型：纵波法、横波法、表面波法、板波法、
爬波法 4、按探头数目：单探头法、双探头法、多探头法 5、按探头与工件的接触方式：接触法；液浸法、电
3、表面波R：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。
瑞利1887年首提，又称瑞利波。介质表面的质点作椭 圆运动。椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行 于波的传播方向，介质质点的椭圆振动可视为纵波与 横波的合成。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明， 因此表面波又称为瑞利波（Rayleigh wave），常用R 表示。
2/12/2024
超声波检测理论基础
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机械波的主要物理量
1、声速c：单位时间内，超声波在介质中传播的距离； 超声波的速度就是声音的速度,即声在空气(15℃)中
的速度是340米/秒,只不过它们的频率不同而已 ；超 声波在20 ℃的钢中是5 900米/秒;在铝中的传播速度 为5100米/秒。 2、频率f：单位时间内，超声波在介质中任一给定点 所通过完整波的个数； 3、波长λ：声波在传播时，同一波线上相邻两个相位 相同的质点之间的距离；
向平行的波。 压缩波 疏密波 承受压缩或拉伸 应力即可传播
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超声波检测理论基础
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2.2.1 按波型分类
2、横波S：介质中质点的振动方向和波的传 播方向相互垂直的波。
切变波 剪切波 能承受剪切 应力才能传播
2/12/2024ຫໍສະໝຸດ 超声波检测理论基础15
2.2.1 按波型分类
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l ＞ 0l
l 900所对应的纵波入射角。
此时第二介质中只有横波
0l rs rl s l
1
arcsincl1 cl2
第八节 超声波倾斜入射到界面
第二临界角
当 cs2 ＞ cl1 s ＞ l
s 900 讨论
j1 y k si0n j1 y k sirn j2 k y sin
P e P e P e 0
r
t
c1 c 1 o 0 P 0 e s j1 y k s i0n c1 c 1 o rP r e s j1 y k s irn c 2 c 2 o P te js 2 k y s in
c1
cl
cs
r 0
在这种界面上，有纵波反射系数、纵波折射系
数和横波折射系数。
纵波折射系数为
tl 1 2c2o cllsco 22ss2cc 2o 2 c o c slslsssci2 o n 2 2sssc1o c1lsco2ss
第八节 超声波倾斜入射到界面
五、固体－固体界面
在这种界面上，反射波
pPj( e t kcx o k scyo k sczo)s
沿X方向传播的平面波简化为 pPej(tkx)
第八节 超声波倾斜入射到界面
空间任意一点（x,y,z）的质点振动速度表达式为
vx10 p xd t co csp vy10 p yd tco csp
vz10 p zd t co csp
第八节 超声波倾斜入射到界面
在液体2中,仅有折射波，
x
传播方向与x轴夹角为
与y轴夹角为 90
与z轴夹角为 90
0 r
pP ej( t k2xc o k s 2ys tt
in )o
v0
cos0 c
p0
vr
cos r c
pr
vt
cos c
pt
液体1 y
液体2
第八节 超声波倾斜入射到界面
应用声学边界条件：
在x=0处，声压连续,质点振动速度连续， 有
反射波和折射波的大小、方向不仅与两种介质的 特
第八节 超声波倾斜入射到界面
一、任意方向传播的波
沿空间p任意P 方向je ( 传t 播k的r)平面波的k表达n 式k为
n ci o cs j o ck s os 波矢量
位置矢
量 r x iy jzk
k r k n r k c x o k c y s o k c z s o
垂直于分界面。
第八节 超声波倾斜入射到界面
四、液体－固体界面
由于固体中存在横波，声 波在液－固界面上的反射和折 射规律较复杂。
超声检测中的液浸法属于此 种情况。 声学边界条件：
法向应力连续 法向位移连续 切向应力为零
0 r
Ⅰ
Ⅱ
s l
第八节 超声波倾斜入射到界面
可以推得
sin0 sinl sins
2
由于这个临界角必须小于
2
，
因此临界角存在的条件是
c1 ＜ c2
波由声疏介质进入声密介质
如果 c2 c1
介质2中总有折射波.
第八节 超声波倾斜入射到界面
2、全透射
定义： R0
由此推出入射角为
只有
1 ( Z1 )2
0
1
Z2 ( 1 )2
1
2
才会发生全透射。
0 arcsin
1 ( Z1 )2 Z2
第二章 超声检测的物理基础
2.8超声波倾斜入射到界面时的反射和折射
声波在界面处的传播特性： 波型转换、能量重新分配、传播方向重新确定; 在两种固体介质的分界面上，产生两种波: 反射波：返回到原来介质中的波 反射波中有纵波、横波 折射波：透射到另一种介质中的波 折射波中有纵波、横波 研究内容： 反射波的类型和角度，折射波的类型和角度。
第八节 超声波倾斜入射到界面
三、液体－液体界面
声波入射到两种液体的 界面,将产生一个反射波和 一个折射波。 应用声学边界条件：
声压连续,质点法向振动 速度连续
p0pr pt
x
0 r Ⅰ y
o
Ⅱ
v0xvrxvtx
第八节 超声波倾斜入射到界面
液体1中，对于在xy平面内传播的入射波
传播方向与x成
与y轴成 90 0
1 ( 1 )2 2
第八节 超声波倾斜入射到界面
3、掠入射
当声波以 0 90
入射时称为掠入射。
由此推出 rZ Z22ccoo ss00 Z Z11ccooss1tZ2c2o Z 20sco Z10 csos0
4、垂直透射
如果
c2 c1
sin c2 0 sin0 c1
对任意的入射角，都有折射角为零，即折射波总是
0
x
p P e y 与z轴成 0
90
j( t k 1 xc o 0 s k 1 ys i0 n )
0
0
r
o
液体1
反射波仍在xy平面内传播, 传播方向与x、y轴成
液体2
p r r P r9e 0j( p 1t rk 1 x pc 0 o r pk s r1 y s irn )
第八节 超声波倾斜入射到界面
声强反射率R、声强折射T
R(Z Z2 2c co o 0 0ss Z Z1 1c co o s)s2 T(Z2c4Z o2 Zs01 cZo12cs0os)2
RT1
此时，平均声能量流（平均声功率）是守恒 的。
第八节 超声波倾斜入射到界面
讨论几种情况：
1、全反射
全反射的条件：不产生折射波，即
karcccs1 2isnin 2arcccs1 2in
根据边界条件，
即在x=0处有 p1p0pr0
p 1 P 0 e j (t k 1 y si 0 )n P r e j(t k 1 y si r ) e n j 0
对任何Y值都成立，必要条件是各项的指数因子
相等，相位变化等于0或
可以推得：反射角等于入射角
0 r
反射波与入射波之间存在相位差 在液体中，入射波和反射波叠加形成干涉波.
在x=0平面上任意y值都成立，必要条件是各项
的指数因子相等，即
解得
k 1 si0 n k 1 sir n k 2sin
0 r
sin0 sin
c1
c2
Snell定律
第八节 超声波倾斜入射到界面
声压反射率r、折射率t
rZ2cos0Z1cos Z2cos0Z1cos
tZ2c2oZ2s0coZ1s0cos
和折射波中均有纵波和横波
存在。
声学边界条件：
Ⅰ
位移和应力连续
即
Ⅱ
法向位移连续ຫໍສະໝຸດ 切向位移连续法向应力连续
切向应力连续
0l rs rl s l
第八节 超声波倾斜入射到界面
纵波入射
可以推得
sin 0l sin rssin l sin s
cl1
cs1
cl2
cs2
几个角度
第一临界角
当 cl2 ＞ c l1