超 声 Ⅱ 级 物 理 基 础 练 习 题 答 案

超 声 Ⅱ 级 物 理 基 础 练 习 题 答 案
一．是非题: (是”√”,非”×”)
1．超声波的频率取决于晶片振动的频率。

（ √ ）
2．超声波（指纵波、横波和表面波）在介质中传播的速度与频率成正比。

（×） 纵波,横波和和表面波的声速只与传声材料的种类有关,与频率无关.
3．所有液体（水除外），其声速都随温度的升高而减小。

（√）
通常,液体温度的升高,都会引起声速降低.水的温度在74℃左右时声速最大,低于74℃,则声速随温度升高而增加,高于74℃,则声速随温度升高而降低.
4．在同一固体材料中，传播纵、横波时声阻抗不一样。

（√） Z=ρc, c L >c S ,故Z L >Z S
5．超声波垂直入射到平界面时，反射波与透过波声压之和等于入射波声压。

（×）
声压是力的概念,故平界面两侧声压要符合力的平衡,即 P 入+P 反=P 透
6．超声波垂直入射时，界面两侧声阻抗相差越小，声压往复透过率越低。

（×）
1;0;11122
21122→→-⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+--=-=T z z z z z z r T 则当
7．第二介质中折射的横波平行于界面时的纵波入射角为第一临界角。

（×） 据题意应为第二临界角.
8．有机玻璃/铝界面的第一临界角大于有机玻璃/钢界面的第一临界角，则前者的第二临界角也一定大于后者。

（×）
见书P.24的表2-4,题的前一部分是错的,后一部分是对的,所以总的是错.
此题也可以用第一、第二临界角的公式来分析:2
11211sin sin s l Ⅱl l Ⅰc c
；c c --==αα又
由于铝的c L 〉钢的c L ，故有机玻璃/铝界面的第一临界角小于有机玻璃/钢界面的第一临界角(sin0=0,sin π/2=1.故C L1/C L2的比值越小,角度越小)；
而由于铝的c s <钢的c s ，故有机玻璃/铝界面的第二临界角大于有机玻璃/钢界面的第二临界角(C L1/C S2中的分母越小,则比值就大,第二临界角就大)。

9．探测根部未焊透时，一般不宜选用折射角为60○的斜探头。

（√）
由于折射角是60°的横波，入射到根部未焊透时的入射角是30°，小于钢/空气界面的第三临界角33.2°,故有较强的反射纵波,横波的反射率因此明显降低.不利于检测根部未焊透.当用折射角为45°的横波时, 入射到根部未焊透时的入射角是45°，大于钢/空气界面的第三临界角33.2°,故没有反射纵波,横波的反射率因此最高, 有利于检测根部未焊透.
10．面积相同，频率相同的圆晶片和方晶片，其声束指向角亦相同。

（×） 设方晶片的边长为a,圆晶片的直径为D. 据题意πR 2
=a 2
,a
a D ；a a a R λ
λλθλθπ6256.02707057;56.02
=⋅=====∴圆方又.因
此,方晶片指向性好
二．选择题：
1.超声波通过一定厚度的薄层介质时，若介质两侧的物质声阻抗相等，则薄层厚度为（a ）时，将有最大的声压透过率.(见书P.29当钢板中有分层,其厚度为半波长整数倍,则r=0,t=1) a.1/2波长的整数倍 b.1/4波长的奇数倍 c.1/4波长的整数倍 d.1/8波长的整数倍
2.用入射角度为52°的斜探头探测方钢，下图中哪一个声束路径是正确的？（斜楔为有机玻璃）（d ）
5.70;3230
sin 270052sin ;sin sin 21=∴==ββ
βαs l c c
3.直探头探测具有倾斜底面的钢锻件，下图中哪个声束路径是正确的？（b ）
从(b)图可知,纵波以30°入射角)(l 倾斜入射至试件斜底面,根据反射定律即可算出横波反射角(∠1):
Sin 30°/5900=sin αs /3230;∴αs =15°.即上图的∠1=15°;则∠2=90°－15°=75°;
而∠3=180°－60°－75°=45°;∠4=90°－45°=45°; ∠4是横波在右侧面的入射角,已大于第三临界角,故只有横波全反射;又纵波L 在倾斜底面的反射角等于入射角,也是30°,所以示意图右下角的三角形是正三角形,纵波L 在右侧面的入射角是30°,故在右侧面反射后有反射纵波L 和反射横波S.因此(b)图是对的.
4.超声波试验系统分辨前表面回波与靠近前表面的小缺陷回波的能力（a ） a.主要取决于始脉冲的宽度
b.与被探工件的表面粗糙度无关
c.主要取决于被检零件的厚度
d.用直径较大的探头可以得到改善
5.纵波以20°入射角自水中入射至钢中，下图中哪个声束路径是正确的？（d ）
见书P.24表2-4:水/钢的α1=14.7°,α2=27.7°.图中的水中纵波入射角在第一和第二临
界角之间,则折射到钢中应是纯横波,且在水中只能传播纵波.
6.超声波从水中通过曲表面进入金属工件时，声束在工件中将（d ） a.具有对称型相速度
b.具有入射纵波的相速度
c.不受零件几何形状影响
d.收敛（如果工件表面为凹面）或发散（如果工件表面为凸面）
根据折射定律知:
αββ
α〉∴〉=；c c ；c c l l l l 水钢钢水 sin sin .因此,对照上图就可知,工件表面为凹面,声束收敛;工件表面为凸面,声束发散.
7.直探头探测厚度250mm 和500mm 的两个饼形试件，若后者探测面粗糙且与前者耦合差为5dB ，两者的材质双声程衰减均为0.004dB/mm ，当前者的底面回波调至示波屏满幅的80%时，后者的底面回波应为示波屏满幅的（c ） a.5% b.10% c.20% d.40%
500/底波波幅dB=
250/底波波幅dB －扩散造成的6分贝－耦合差5分贝－材质衰减[(500－250)×0.004]=250/底波波幅dB －12分贝;
即%2010%8010;12lg 202012
2012121
2=⨯=⨯=∴-=--H H dB H H
8.下列哪种方法可增大超声波在粗晶材料中的穿透能力？（b ） a.用直径较小的探头进行检验 b.用频率较低的纵波进行检验 c.将接触法检验改为液浸法检验 d.将纵波检验改为横波检验
9.检验钢材用的60°斜探头,探测铝材时,其折射角(c): a.大于60° b.等于60° c.小于60° d.以上都可能 由折射定律知:
钢铝钢铝钢
钢
铝铝ββββα〈∴〈==；c c ；c c c s s s l sin sin sin 1
10.当超声横波入射至端角时,下面的叙述哪点是错误的?(b)
a.反射横波与入射波平行但方向相反
b.入射角为30°时的反射率最高
c.入射角为45°时的反射率最高
d.入射角为60°时的反射率最低
由于入射到端角部位的入射角是30°，小于钢/空气界面的第三临界角33.2°,故有较强的反射纵波,横波的反射率因此明显降低.当用折射角为45°的横波时, 入射到端角部位的入射角是45°，大于钢/空气界面的第三临界角33.2°,故没有反射纵波,横波的反射率因此最高. 11．在RB-2试块上选择h 2=2h 1两孔调节扫描比例时,如测得的简化水平距离分别为12l l 和,则探头前沿距离为:( C ) A.12l l -; B.
212l l -; C.122l l -; D.122
l l
-
从上图中可知,据题意△oab 与△o ’a ’b ’相似(三条边都平行),故对应边成比例.已知h 2=2h 1,所以两三角形中两条对应的水平边(水平距离)也同样成比例:
01010222)(2l l l l l l +=+=+
1202l l l -=∴
12．在RB-2试块上选择h 2=2h 1两孔调节扫描比例时,如测得的简化水平距离分别为12l l 和,则探头的K 值为多少?( D ) A.1212h h l l k --=
; B.112h l l k -=; C.2
12h l
l k +=; D.以上A 和B. 与11题同理,两三角形的水平边(水平距离)成2:1的比例.故:
010102)(l l l l l l +=+-+ 0112l l l l +=-∴
从图上知,在△o ’a ’b ’中:
k tg h l l ==+β1
1 ∴
1
212112h h l
l k h l l --==-,因此A 和B 都对
13．超声波倾斜入射到异质界面时，可能发生（ D ）
A.反射
B.折射
C.波型转换
D.以上都可能
14．K2斜探头扫描比例调节用(水平1:1)钢制半圆试块的半径尺寸应为(sin β=L/R, R=L/ sin β=30/sin63.4=33.6mm)
A. 33mm;
B. 42.4mm;
C. 66mm;
D.以上均非.
15．超声波倾斜入射至异质界面时，其传播方向的改变主要取决于（ B ） A.界面两侧介质的声阻抗 B. 界面两侧介质的声速 C.界面两侧介质衰减系数 D. 以上全部 (根据折射定律即可判断.)
16．超声波在水/钢界面上的反射角（ B ）
A.等于入射角的1/4
B.等于入射角
C.纵波反射角大于横波反射角
D.以上B 和C
17．检验钢材用的K2斜探头，探测铝材时，其K 值将（ C ）
A.大于2
B.等于2
C.小于2
D.以上都可能 由折射定律得:
2
1sin sin S l c c β
α=
;由于c s 铝<c s 钢,故β铝<β钢;K 铝<K 钢.
18．用水浸聚焦探头局部水浸法检验钢板时，声束进入工件后将（ B ） A.因折射而发散 B.进一步聚焦 C.保持原聚焦状态 D.以上都可能
根据折射定律知:
αββ
α〉∴〉=；c c ；c c l l l l 水钢钢
水 sin sin
19．在探测条件相同的情况下，面积比为2的两个平底孔，其反射波高相差（ A ） A.6 dB B.12 dB C.9 dB D.3 dB
见书P.41公式2-54:dB x F F p x F F p p p D D 62lg 20lg 20lg
202
2
2202
1
2102
1====∆λλφφφφ
20.外径为D ，内径为d 的空心圆柱体，以相同的灵敏度在内壁和外圆探测，如忽略耦合差异，则底波高度比为（ D ） A.1 B.
d
D
C.2)(d D -
D.d D
D
d
x F P P d D x F p P D B D B λλ2:;2:00==
外内外壁探内壁探 d
D
d D D
d d D
P P B B ===22外
内
三．问答计算题：
1．何谓超声场？超声场的特征量有哪些？ 答:充满超声波的空间称为超声场.
超声场的特征量有声压、声强和声阻抗。

声压：超声场中某一点瞬时所具有的压强P 1和没有超声波存在时同一点的静压强P 0之差，称为该点的声压。

声强：在垂直于声波传播方向的平面上，单位面积上单位时间内所通过的声能量。

声阻抗：介质中某点的声压P 与该质点振动速度V 之比.Z=P/V.在数值上Z=ρc
2．什么是波型转换？波型转换的发生与哪些因素有关？ 答：超声波倾斜入射到异质界面时，除产生与入射波同类型的反射波和折射波外，还会产生与入射波不同类型的反射波或折射波，这种现象称为波型转换。

发生波型转换的相关因素有： （1） 只发生在倾斜入射场合；
（2） 与界面两侧介质的状态（液、气、固态）有关； （3） 与界面两侧介质的声速有关； （4） 与入射角大小有关。

3．某耐磨尼龙材料的纵波速度为2200m/s ，如用该材料作斜探头楔块，检验钢焊缝（钢的纵波速度为5900m/s ，横波速度为3230m/s ），试计算第一、第二临界角各为多少？ 解：o l l c c 2259002200sin sin 1211
1===--α o s l c c 9.423230
2200
sin sin 1211
2===--α 答：第一临界角为22°,第二临界角为42.9°.
4．某工件厚T=240㎜，测得第一次底波为屏高的90%，第二次底波为15%，如忽略反射损失，试计算该材料的衰减系数？
解:dB T B B 02.0240
26
)15/90lg(2026)/lg(2021=⋅-=-=
α/mm 答:该材料的衰减系数为0.02dB/mm.
5.用2.5P 20K1.5（2.5MHz,Φ20mm ，tg β=1.5）斜探头,检验T=100mm 钢板对接焊缝，扫描按深度1:1调节，探伤灵敏度为φ3×40-14dB ，探伤中发现一缺陷，深40mm ，波高25dB ，按GB11345-89标准B 级，此缺陷如何评定？（楔中等效横波声程取为10mm ）。

解：设x1，x2分别为孔深d 1=100mm ，d 2=40mm 时的声程： 已知K=1.5，L=10mm
19010)5.1cos(100
cos 111=+=+=
-tg L d x β， 8210)
5.1cos(40
cos 1
212=+=+=
-tg L d x β
同孔径长横孔,深40与深100两孔反射波高dB差为:△dB=30lg(x1/x2)=30lg(190/82)=11dB，设H1为深100的φ3×40长横孔的回波幅度,即H1=14dB;
设H2为深40的φ3×40长横孔的回波幅度
H2回波幅度为：[H2]=[H1]+△dB=14+11=25dB，判废线灵敏度为φ3-4dB，即21dB，缺陷波高25dB，表明缺陷波高已位于距离波幅曲线的III区，按GB11345-89标准的规定，应评定为IV级。