超声检测物理基础第二章5
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超声检测-物理基础
机械振动
机械波
机械振动——谐振动
振动：质点不停地在平衡位置附近往复运动的状态。 谐振动：质点受到跟位移成正比、方向总是指向平衡位置的回 复力作用下的振动。
振动方程：
y A cos t A : 振幅
＝2 f ：角频率 ：初始相位
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。
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 ）
远场分辨率：两相距2mm反射体
c d 2f 测得：f 1.4MHz d 2.1mm
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 ）
机械波——产生与传播
机械波 机械振动在介质中传播形成机械波。 弹性介质 由以弹性力保持平衡的各个质点所构成。
机械波——产生与传播
产生机械波的条件 机械振动源、弹性介质。 特点： 机械振动是机械波的根源、机械波是机械振动状态的 传播。 机械波的传播不是物质的传播，而是振动状态和能量 的传播。
超声检测的历史
1964年，焊缝超声检测技术。
70’，裂纹高度测量，结合断裂力学，评估结 构强度和寿命预测。 80’，随着电子技术和计算机的发展，超声检 测自动化和成像技术发展迅速。
超声波的特点
超声波能量高
超声波穿透力强 超声波方向性好
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。
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。
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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。
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：
超声检测物理基础第二章4
可求得：
3
g 8g 8(3 2q) g 16(q 1) 0
2
第三节
表面波和导波
方程的求解： 泊松比的值在0-0.5之间，q在0.5-1 之间，方程可求得三个实根：两个大于 1，一个小于1。
cr g cs
对于钢，
0.29
cr 0.919cs
第三节
表面波和导波
1 qg 1 g
2 0.8 48 r 2 0.3 96 r
表面波的衰减特性
2 1 qg c r r 2 1 g cr r
1 对于玻璃，q 3 当 x r
g 0.845
x
e
x
第三节
表面波和导波
(q 2 k 2 ) 2 tan( qd ) 2 tan( pd ) 4k pq
非对称模式
使板在厚度方向弯曲
第三节
表面波和导波
板波的特点： 1.多模式－频率方程有多解 存在多个传播模式 2.声色散 速度随板厚和频率变化的现象 板波的速度 相速度：单一频率的波在波导中的速度
预备知识
标量场的梯度
矢量分析知识
grad ex ey ez x x x 梯度用哈密顿微分算子的表达式为
grad
矢量场的散度 x y z
x y z
div
预备知识
矢量场的旋度
矢量分析知识
xБайду номын сангаас
第三节 设
表面波和导波
cs 2 1 2 q( ) cl 2(1 )
1 qg cr 1 g cr
超声检测物理基础第二章2
xx
yy ,
v u xy yx x y u w xz zx z x w v zy yz y z v u 2 z x y u w 2 y z x w v 2 x y z
第二章
超声检测的物理基础
Txx
小体积元运动分析 作用在小体元上X轴的 合力为
Txx Tyx Tzx Fx ( )dxdydz x y z
根据牛顿第二定律可 建立小体元在x方向的 运动方程 u T T
2 xx
Txx Txx dx x
t 2
x
Tzx y z
第二章
1.应变
超声检测的物理基础
某一点A ,坐标为（x,y,z） 相邻点C，坐标为（x+dx,y+dy,z+dz) 固体产生变形时， A点产生位移，变为 A 位移为(u,v,w) A C点变为 C 位移为（u+du,v+dv,w+dw)。 两点之间的位移差为： A (du,dv,dw)
C
Txx ( xx yy zz ) 2 xx 2 xx T ( ) 2 2 xx yy zz yy yy yy Tzz ( xx yy zz ) 2 zz 2 zz Tyz yz Txy xy Tzx zx
拉梅系数与弹性模量和拍松比的关系 一般材料中常用杨氏模量E 和泊松比 表示弹性性质 T
E
xx
Txx
xz
xx yy
Txy
Txx
杨氏模量（弹性模量）
E (1 )(1 2 )
E 2(1 )
yy ,
v u xy yx x y u w xz zx z x w v zy yz y z v u 2 z x y u w 2 y z x w v 2 x y z
第二章
超声检测的物理基础
Txx
小体积元运动分析 作用在小体元上X轴的 合力为
Txx Tyx Tzx Fx ( )dxdydz x y z
根据牛顿第二定律可 建立小体元在x方向的 运动方程 u T T
2 xx
Txx Txx dx x
t 2
x
Tzx y z
第二章
1.应变
超声检测的物理基础
某一点A ,坐标为（x,y,z） 相邻点C，坐标为（x+dx,y+dy,z+dz) 固体产生变形时， A点产生位移，变为 A 位移为(u,v,w) A C点变为 C 位移为（u+du,v+dv,w+dw)。 两点之间的位移差为： A (du,dv,dw)
C
Txx ( xx yy zz ) 2 xx 2 xx T ( ) 2 2 xx yy zz yy yy yy Tzz ( xx yy zz ) 2 zz 2 zz Tyz yz Txy xy Tzx zx
拉梅系数与弹性模量和拍松比的关系 一般材料中常用杨氏模量E 和泊松比 表示弹性性质 T
E
xx
Txx
xz
xx yy
Txy
Txx
杨氏模量（弹性模量）
E (1 )(1 2 )
E 2(1 )
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。
超声检测物理基础第二章6
第五节
超声场的特征值
二、声阻抗率与媒质的特性阻抗 声阻抗率：声场中某位置的声压与该位置 的质点速度的比值。
Z p v
声阻抗率是表征介质声学性质的重要物理 量。 声场中某位置的声阻抗率可能是复数，反 映了能量的损耗。 kg 声阻抗率的单位： m s
2
第五节
超声场的特征值
介质的特征阻抗 c c 的值对于介质来说，是一定的，称为介 质的特征阻抗或特性阻抗。 p cA sin( t x ) 1.对平面波而言 Z c
第五节
超声场的特征值
通常所说的声压是逾压。 在大多数情况下，声压在一段时间内按照 p 时间的正弦函数变化。 P cos( t ) 声压的幅值 Pa cv 瞬时声压：声场中某一瞬时的声压值 峰值声压：在一定时间内的最大瞬时声压 有效声压：在一定时间内，瞬时声压对时 间取均方根
声学检测技术
第二章
超声检测的物理基础
2.5 超声场的特征值 超声场的概念 存在超声波的空间 超声场具有一定的空间 大小和形状
第五节
超声场的特征值
一、声压 介质中有声波扰动时，质点产生振动, 有 位移、速度等矢量，是时间和空间位置的函 数； 由于声波的扰动，压强、密度等标量，会 随时间和空间变化。 声压容易测量、是标量，处理比较简单， 是声学中最常用的物理量。 介质中没有声波时的压强为 p 0 有声波扰动时的压强为 p ( r , t ) 逾压： p ( r , t ) p ( r , t ) p 0
0 0 a
第二章
超声检测的物理基础
12 2
2.6 声压级与声强级
声强的范围： 10 W / m 10 W / m 人产生的“响度感觉”不是正比于强度的 绝 对值，而是近似与强度的对数成正比。 声压级和声强级：用对数标度来度量声压 和声强。 常用“级”来描述，单位：dB（分贝） x 声学量的级是一个声学量与同类量的基准 L log x 值之比的对数
超声波物理基础
第五节 波速
声波在介质中传播的速度称为波速，又称声速。波速的大小取决于波型和传播介 质特性，其一般表达式为：
波速＝ 弹性率 / 密度＝K E （1—14）
式中：E——正弹性模量；ρ——介质密度；K——与材料泊松比ζ有关的常数。 一、液体的纵波波速 如前所述，液体介质只能传播纵波，其纵波波速为：
y
A x
1 2
cost kx
（1-5）
第三节 声波的波动特性
一、波的叠加
当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各 列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。几 列波相遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向 继续前进，好象在各自的途中没有遇到其他波一样，这就是波的迭加原理，又称 波的独立性原理。 波的迭加现象可以从许多事实观察到，如两石子落水，可以看到两个以石子入水 处为中心的圆形水波的迭加情况和相遇后的传播情况。又如乐队合奏或几个人谈 话，人们可以分辨出各种乐器和各人的声音，这些都可以说明波传播的独立性。 当两个频率相同，振动方向相同、相位相同或相位差恒定的波在介质某点相遇后， 会使一些点处的振动始终加强，而在另一些点处的振动始终减弱或完全抵消，这 种现象称为波的干涉。这两束波称为相干波，波源称为相干波源。
一、波的类型 纵波：介质中质点振动方向与波的传播方向一致的波，一般用L表示， 图1—7。
图1—7 纵波
横波：介质中质点振动方向与波的传播方向向垂直的波，一般用S表 示，图1—8。
图1—8
表面波：当固体弹性介质表面受到交替变化的表面张力作用时，介质表面的质点 就产生相应纵向振动和横向振动，其结果导致质点作这两种振动的合成振动，即 绕其平衡位置作椭圆轨迹的振动，这种振动的传播形成表面波，是一种沿固体表 面传播的波。图1—9。由于液体和气体不能产生剪切应变，故不能传播横波和表 面波，只能传播纵波
超声检测-基本原理
超声波物理基础
传播规律
① 异质界面的垂直入射：当声波从一种介质 （A）进入另一种介质（B）时，传播特性产生变化。 声波在两种不同介质的结合面（界面）上可分为反 射声波与透射声波两种。反射和透射声波的比例， 与组成界面的两种介质声阻抗有关。
超声波物理基础
当入射介质（A）的声阻抗等于或近似另一介质 （B）的声阻抗时，不产生或基本不产生反射波，所 以当超声波垂直入射到两种声阻抗差很小的介质组 成的界面时，几乎全透射，无反射。因此在焊缝探 伤中，若母材与焊缝金属结合面没有任何缺陷，是 不会产生界面回波，这是直探头探伤的原理。
超声波是由压电晶片的逆压电效应产生的。 探伤使用的超声波频率一般为0.5～10MHz，
其中以2～5MHz最为常用。
超声波物理基础
超声波的性质
1、超声波具有良好的指向性； 2、超声波能在弹性介质中传播，不能在
真空中传播； 3、异质界面上的透射、反射、折射和波形
转换 ； 4、具有可穿透物质和在物质中有衰减的
钢结构焊缝超声检测 基本原理
目录
第一章 超声波物理基础 第二章 检测设备与器材 第三章 探伤方法 第四章 检测技术 第五章 超声波检测的优点与局限性
第一章 超声波物理基础
超声波物理基础
什么是超声波
超声波是声波的一种，是机械振动在弹 性介质中传播而形成的波动，通常以其波动 频率 f 和人的可闻频率加以区分超声波与其 它声波种类：
第二章 检测设备与器材
检测设备及器材 超声波探伤仪
检测设备及器材
超声波探伤仪有多种分类方式：
按超声波的连续性可分为脉冲波探伤仪、连续 波探伤仪、调频波探伤仪；按仪器的信号处理方式 可分为模拟型探伤仪和数字型探伤仪；按缺陷显示 方式分为A型显示、B型显示、C型显示和3D型显示 超声波探伤仪，按超声波的通道数目分为单通道和 多通道探伤仪两种。
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2
c0
2
t
2
第四节
声波的传播规律
结论： 叠加性：当几列波同时在介质中传播时， 相遇处质点的振动是各列波引起的振动的合 成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起 位移的矢量和。 独立性：几列波相遇后仍保持自己原有的 频率、波长、振动方向等特性并按原来的传 播方向继续前进。
第四节
声波的传播规律
二. 波的干涉
声学检测技术
第二章
超声检测的物理基础
2.4 波的叠加、干涉、衍射和惠更斯原理 一.波的叠加原理
第四节
声波的传播规律
当两列波同时在介质中传播时， 波列1：
p1
2
1 p1
2
波列2：
p2
2
c0
2
t
2
2
1 p2 c0
2
t
2
叠加：
( p1 p 2 )
2
1 ( p1 p 2 )
2 π r1
2
2 π r1
) )
A
A1 A 2 2 A1 A 2 cos
2
2 1 2π
r2 r1
常量
第四节
振幅
声波的传播规律
A
2 2
A1 A 2 2 A1 A 2 cos r2 r1 相位 2 1 2 π 叠加结果
A1 A 2 A A1 A 2
第四节
声波的传播规律
驻波：波干涉的特例
两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向 传播时相互叠加而成的波
波列1： 波列2：
p i p ia e
j ( t kx )
p r p ra e
j ( t kx )
叠加： p p r p i p ra e
衍 射
水 波 衍 射
第四节
声波的传播规律
波的衍射与障碍物的尺寸和波长的相对大小有关 当缺陷比波长小很多时,波的衍射强,反射弱,缺陷回波 小,容易漏检。 超声波检测的灵敏度约为波长的一半 通常情况下，给定介质和声波频率，灵敏度基本确定 了. 例如：需要检测出钢中0.8mm的缺陷，要用多少频率的 超声波 钢中声速5900m/s，
y 1 p A1 cos( t 1 2 π r1
点P 的两个分振动
y 2 p A 2 cos( t 2 2 π
r2
)
)
第四节
声波的传播规律
P点的振动方程
y p y 1 p y 2 p A cos( t )
tan A1 sin( 1 A1 cos( 1 2 π r1 ) A 2 sin( 2 ) A 2 cos( 2 2 π r2
1. 合振动的振幅（波的强度）在空间各点的分布随 位置而变，但确是稳定的. 2. 2 k π k 0 ,1, 2 ,
A A1 A 2
振动始终加强
( 2 k 1) π
k 0 ,1, 2 ,
振动始终减弱
A A1 A 2
其他
A1 A 2 A A 1 A 2
第四节
声波的传播规律
3 惠更斯原理和波的衍射
介质中波动传播到的各点都可以看成是发射子 波的波源,在其后的任意时刻这些子波的包迹就 决定新的波阵面 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
第四节
声波的传播规律
平面波的波阵面
平 面 波
第四节
声波的传播规律
波的衍射: 波在传播时，若被一个大小接近于或小于波长的物 体阻挡，就绕过这个物体，继续进行；若通过一个大小 近于或小于波长的孔，则以孔为中心，形成环形波向前 传播。
j ( t kx )
p ia e
j ( t kx )
第四节
声波的传播规律
j t
数学处理: p 2 p ra cos kxe
( p ia p ra ) e
j ( t kx )
第一项： 驻波场：各位置的质点都作同相位振动 kx n 声压振幅最大-声压波腹；
2 0 . 8 mm 1 . 6 mm
f c 5 . 9 10 1 .6
6
3 . 8 10 Hz
6
第四节
若 1 2 则有
声波的传播规律
2 π
波程差 r2 r1
3. k
k 0 ,1, 2 ,
振动始终加强
k 0 ,1 , 2 ,
(2 k 1)
A A1 A 2
2
A A1 A 2
振动始终减弱
其他
kx ( 2 n 1 )
声压振幅为零-声压波节； 第二项：沿x方向行进的平面行波。
2
第四节
声波的传播规律
探头晶片的振动
当晶片上加一个电脉冲时，在晶片两个表面上产生 四个声脉冲，两个向外辐射，两个向内辐射。向内辐射 的的声脉冲叠加，当晶片厚度为波长的一半时，产生驻 波，使晶片的振动最强。 即晶片的厚度总为波长的一半。
两列频率相同的波叠 加时，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－ 波的干涉。
第三节
声波的传播规律
r1 p
波的相干条件 频率相同； s1 振动方向相同； 位相相同或位相差恒定。 s2 波源振动
r2
y 1 A1 cos( t 1 )
y 2 A 2 cos( t 2 )
c0
2
t
2
第四节
声波的传播规律
结论： 叠加性：当几列波同时在介质中传播时， 相遇处质点的振动是各列波引起的振动的合 成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起 位移的矢量和。 独立性：几列波相遇后仍保持自己原有的 频率、波长、振动方向等特性并按原来的传 播方向继续前进。
第四节
声波的传播规律
二. 波的干涉
声学检测技术
第二章
超声检测的物理基础
2.4 波的叠加、干涉、衍射和惠更斯原理 一.波的叠加原理
第四节
声波的传播规律
当两列波同时在介质中传播时， 波列1：
p1
2
1 p1
2
波列2：
p2
2
c0
2
t
2
2
1 p2 c0
2
t
2
叠加：
( p1 p 2 )
2
1 ( p1 p 2 )
2 π r1
2
2 π r1
) )
A
A1 A 2 2 A1 A 2 cos
2
2 1 2π
r2 r1
常量
第四节
振幅
声波的传播规律
A
2 2
A1 A 2 2 A1 A 2 cos r2 r1 相位 2 1 2 π 叠加结果
A1 A 2 A A1 A 2
第四节
声波的传播规律
驻波：波干涉的特例
两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向 传播时相互叠加而成的波
波列1： 波列2：
p i p ia e
j ( t kx )
p r p ra e
j ( t kx )
叠加： p p r p i p ra e
衍 射
水 波 衍 射
第四节
声波的传播规律
波的衍射与障碍物的尺寸和波长的相对大小有关 当缺陷比波长小很多时,波的衍射强,反射弱,缺陷回波 小,容易漏检。 超声波检测的灵敏度约为波长的一半 通常情况下，给定介质和声波频率，灵敏度基本确定 了. 例如：需要检测出钢中0.8mm的缺陷，要用多少频率的 超声波 钢中声速5900m/s，
y 1 p A1 cos( t 1 2 π r1
点P 的两个分振动
y 2 p A 2 cos( t 2 2 π
r2
)
)
第四节
声波的传播规律
P点的振动方程
y p y 1 p y 2 p A cos( t )
tan A1 sin( 1 A1 cos( 1 2 π r1 ) A 2 sin( 2 ) A 2 cos( 2 2 π r2
1. 合振动的振幅（波的强度）在空间各点的分布随 位置而变，但确是稳定的. 2. 2 k π k 0 ,1, 2 ,
A A1 A 2
振动始终加强
( 2 k 1) π
k 0 ,1, 2 ,
振动始终减弱
A A1 A 2
其他
A1 A 2 A A 1 A 2
第四节
声波的传播规律
3 惠更斯原理和波的衍射
介质中波动传播到的各点都可以看成是发射子 波的波源,在其后的任意时刻这些子波的包迹就 决定新的波阵面 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
第四节
声波的传播规律
平面波的波阵面
平 面 波
第四节
声波的传播规律
波的衍射: 波在传播时，若被一个大小接近于或小于波长的物 体阻挡，就绕过这个物体，继续进行；若通过一个大小 近于或小于波长的孔，则以孔为中心，形成环形波向前 传播。
j ( t kx )
p ia e
j ( t kx )
第四节
声波的传播规律
j t
数学处理: p 2 p ra cos kxe
( p ia p ra ) e
j ( t kx )
第一项： 驻波场：各位置的质点都作同相位振动 kx n 声压振幅最大-声压波腹；
2 0 . 8 mm 1 . 6 mm
f c 5 . 9 10 1 .6
6
3 . 8 10 Hz
6
第四节
若 1 2 则有
声波的传播规律
2 π
波程差 r2 r1
3. k
k 0 ,1, 2 ,
振动始终加强
k 0 ,1 , 2 ,
(2 k 1)
A A1 A 2
2
A A1 A 2
振动始终减弱
其他
kx ( 2 n 1 )
声压振幅为零-声压波节； 第二项：沿x方向行进的平面行波。
2
第四节
声波的传播规律
探头晶片的振动
当晶片上加一个电脉冲时，在晶片两个表面上产生 四个声脉冲，两个向外辐射，两个向内辐射。向内辐射 的的声脉冲叠加，当晶片厚度为波长的一半时，产生驻 波，使晶片的振动最强。 即晶片的厚度总为波长的一半。
两列频率相同的波叠 加时，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－ 波的干涉。
第三节
声波的传播规律
r1 p
波的相干条件 频率相同； s1 振动方向相同； 位相相同或位相差恒定。 s2 波源振动
r2
y 1 A1 cos( t 1 )
y 2 A 2 cos( t 2 )