1、超声波检测的物理基础（一）,第一节 振动与波 一、机械振动和机械波 1 机械振动的定义实例以上运动过程中都有相应的物理学规律，即在已知其初始状态后，再经过任意时间 t 以后的状态可以通过计算的方式获得。 物体沿着直线或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 ；如果振动都是余弦函数（或正弦函数）性质的，称为谐振动。,ABC,超声波检测的物理基础（一）,ABC,超声波检测的物理基础（一）,2 描述振动的特征量（物理学描述） （1）振幅（A）-从平衡位置到振动最大位移之间的距离。 （2）周期（T）-质点完成一次全振动所需要的时间。 （3）频率（f）-质点在单位时间内完成全振动的次数。
2、 按照以上的定义，容易看出：频率与周期是互为倒数的，即：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（ s）。 单位换算关系为：1s=106 s 或 1 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,ABC,超声波检测的物理基础（一）,3 机械波和声波及超声波（1）振动在介质中的传播形成波。（2）波动分为电磁波和机械波。（3）波动的周期和频率。（4）电磁波的分类（按频率的不同）。（5）机械波产生的条件: a) 波源(振源) b) 弹性介质,AB
3、C,超声波检测的物理基础（一）,（6）声波是机械波的一种。按频率的不同可以分为：a)可闻声波 20Hz f 20000Hz(频率、音量关系)b)次声波 f20000Hz，工业探伤用频率一般为0.5MHz10MHz从乐器到男人与女人说话的声音讲解频率即音调的概念,ABC,超声波检测的物理基础（一）,4超声波的分类（按时间的连续性） （1）连续波 连续波是指在观察的时间内，超声波是连续不断的。 （2）脉冲波 脉冲波是指在观察时间内，超声波不连续 ，在目前的工业探伤过程中，我们主要采用脉冲波的形式。 5频谱分析-中心频率、峰值、带宽 6振动和波动方程 振动方程：y=Acos(wt+ ) 波动方程：y
4、=Acosw(t-x/u) + ,ABC,超声波检测的物理基础（一）,ABC,超声波检测的物理基础（一）,二、超声波的波型按质点的振动方向与波的传播方向之间的关系，超声波可以分为四种类型。 1 纵波（L） （1）定义：传播方向与质点的运动方向相一致。 （2）传播条件：可以在任何状态下的弹性介质中传播。 （3）实际例子：车轴端面进行穿透探伤检查；钢轨探伤中的0 探头都使用的是纵波。 （4）别名：疏密波、压缩波。,ABC,超声波检测的物理基础（一）,2 横波（T、S） （1）定义：传播方向与质点的运动方向相垂直。 （2）传播条件：只能在固体介质中传播。问题:横波不能在液体中传播，横波探伤时为什么使
5、用耦合剂（液体）；使用不同的耦合剂对最后的折射角是否会产生影响？ （3）实际例子：车轴轮座部位探伤检查；钢轨探伤中的37 探头都使用的是横波。 （4）别名：剪切波、切变波。,ABC,超声波检测的物理基础（一）,ABC,超声波检测的物理基础（一）,横波与纵波的对比,ABC,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。(深度一个波长) （3）实例：表面波可以用来检测车轮踏面的裂纹、剥离、擦伤等缺陷。 （4）别名：瑞利波。,ABC,超声波检测的物理基础（一）,4 板
6、波 （1）定义：薄板中各质点的振动方向平行于板面，而垂直于波的传播方向。 （2）传播条件：只能在薄板中传播。 （3）别名：板波中最主要的一种是蓝姆波。(检测薄板),ABC,超声波检测的物理基础（二）,第二节 超声波的传播特性 一、波长和声速 1 波长,ABC,超声波检测的物理基础（二）,（1）定义：相邻的两个振动相位相同点间的距离。 （2）波长是长度量，探伤中常用的超声波波长大多是毫米数量级。 （3）常用希腊字母表示。 2 声速由于当质点振动一个周期的时间，超声波刚好在介质中传播一个波长的距离，按照运动学定律，超声波在介质中的传播速度可以表示为：,ABC,超声波检测的物理基础（二）,（1）固体
7、介质的声速在固体介质中，可传播各种波型的超声波，但同一介质中波型不同时，其声速的值也不同：,ABC,超声波检测的物理基础（二）,其中： E介质的弹性模量 G介质的切变模量 介质的泊松比 介质的密度 从以上公式中可以看出：a）固体介质中的声速不仅与波型有关，而且与介质的弹性和密度有关。b）在同一固体介质中，CLCTCR （比较过程） 注： ,因此，在频率相同时，C越大，越大。也就是说：波长随声速的变化而变化。（细棒声速、温度、应力、均匀性的影响）,ABC,超声波检测的物理基础（二）,（2）液体和气体介质中的声速 对于液体和气体介质来说，其中只能传播纵波，声速值受温度影响较大，但在某一温度下，其声
8、速亦由材料的弹性和密度决定。 引申问题：超声波以5900m/s的速度在厚度为29.5mm厚的钢板中传播，问超声波穿过钢板需要多少时间？若仪器横坐标每格代表时间1 s，那么，第一次底面回波出现在何处？,ABC,超声波检测的物理基础（二）,二、超声场的特征量有超声波存在的空间叫做超声场。 1 声压-力学量 （1）定义：在有声波传播的介质中，某一点在某一瞬间所具有的压强与没有声波存在时该点的静压强之差称为声压。 （2）声压的单位是帕斯卡（Pa）。 （3）声压通常用符号P表示。 （4）声压是个交变量，可写成，在实用上，比较二个超声波并不需要对每个时间t进行比较，只须用其幅度作比较。因此，通常就把声压幅
9、度简称声压 。 （5）在以上条件下，p=cu（式中为介质密度，c为介质中声速，u为质点振动速度）。推导过程,ABC,超声波检测的物理基础（二）,2 声阻抗 从声压的关系中，变形为：p/u=c 而p/u是有物理意义的，在同样p的作用下，u越大，其比值越小，即介质对波的阻力越小。其结果在数值上等于c。 （1）定义：把p/u或c称为介质的声阻抗 。 （2）声阻抗通常用字母Z表示。 （3）Z的单位为： （4）声阻抗能直接表示介质的声学性质 。,ABC,超声波检测的物理基础（二）,3 声强 声强是能量的概念。 （1）定义：在垂直于声波传播方向上，单位面积上在单位时间内所通过的声能量称为声强度，简称声强（
10、或声的能流密度） 。 （2）声强通常用字母I表示。 （3）I的单位为： （4） （式中p为声压，z为介质的声阻抗）（5） 在同一介质中，声强与声压的平方成正比。,ABC,超声波检测的物理基础（二）,4 声强、声压、回波高度的分贝表示 （1）声强的分贝表示由于声强的变化范围非常大，数量级可以相差很多，用通常数字表示和运算很不方便，并且人耳对声音响度的感觉近似地与声强的对数成正比，于是采用对数来表示这一关系。 声强对数关系的得出过程（声强级）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。,ABC,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
11、，可得：讨论： （1）若p1p2，则0；若p1p2，则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。,ABC,超声波检测的物理基础（二）,3 回波高度的dB表示 对于垂直线性良好的仪器，声压与回波高度成正比，即：按照声压的dB表示的公式可得：,ABC,超声波检测的物理基础（二）,4 实例 欲将一高度为80%的回波调整为40%，应将回波衰减多少dB？ 根据前面的公式：可见，波高每降低一半需衰减 6dB，如欲将60%的波高降为 30%，需要衰减6dB ，从 30%降为15%，也要衰减6dB ， 所以，从60%降为15%需衰 减12dB。,ABC,超声波检测的物理基础（
12、二）,三、超声波的波形 按照波阵面形状的不同，超声波可以进行如下划分： 1 平面波 （1）波阵面的形状：无限大平面； （2）波源的形状： 无限的大平面； （3）各质点振幅为恒量，不随距离变化而变化。 即：声压是恒量,ABC,超声波检测的物理基础（二）,2 球面波 （1）波阵面的形状：球面； （2）波源的形状： 点状/球形； （3）根据球的表面积公式 及声压与声强的关系，可以证明：球面波声压与距离成反比。,ABC,超声波检测的物理基础（二）,3 柱面波 （1）波阵面的形状：同心圆柱面； （2）波源的形状： 直线/圆柱面； （3）根据圆柱的表面积公式 及声压与声强的关系，可以证明：柱面波声压与距离
13、的平方根成反比。,ABC,超声波检测的物理基础（二）,4 活塞波 （1）波阵面的形状：介于平面与球面之间； （2）波源的形状： 既不大也不小的平面状波源； （3）按照惠更斯原理，和波的叠加原理，利用数学理论可以计算出活塞波声源的声场情况，只是情况相当的复杂。 以中心轴线上的变化为例：,ABC,超声波检测的物理基础（二）,四、超声波的波动特性 1 叠加原理相遇时，质点如何振动；相遇后，特性是否发生变化？,ABC,超声波检测的物理基础（二）,2 干涉 干涉的条件： 频率相同 振动方向相同 相位相同（或相位差恒定）,ABC,超声波检测的物理基础（二）,3 驻波 驻波产生的条件：,ABC,超声波检测的
14、物理基础（二）,4 惠更斯原理 内容：波阵面上的每个点都可以被看做子波源，向外发射球面波，经过时间t以后，这些球面波的包络线就是新的波阵面。,ABC,超声波检测的物理基础（二）,5 散射和衍射 (1) 散射现象：超声波经过介质时，其反射波变得杂乱无章。 散射可以发生在工件表面，也可以是在遇到微小障碍物时发生。(漫射),ABC,超声波检测的物理基础（二）,（2）衍射（绕射）超声波能够在障碍物边缘改变方向的现象，其本质可以用惠更斯原理进行解释。,ABC,超声波检测的物理基础（二）,（3）散射和衍射现象的应用a) D时，反射强b) D时，衍射强，散射弱。c) D时，即有反射，又有衍射，且越大（D越小
15、），衍射越强。 一般认为：能发现的最小缺陷的尺寸约为/2。（不绝对） （4）问题： 频率相同时，横波比纵波探伤灵敏度高，为什么？ 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？ 与表面光滑工件相比，表面粗糙时，频率如何选择？ 同种介质，纵波、横波、表面波哪种波型检测灵敏度最高？,ABC,超声波检测的物理基础（三）,第三节 超声平面波在界面上垂直入射的行为 一、单一界面上的反射和透射 1 声压反射率和声压透射率,ABC,超声波检测的物理基础（三）,由以上公式可以推出：声压反射率：声压透射率：（2）对r和t的讨论a)超声波垂直入射时，波型保持不变。b)当以上述公式形式描述时，表示超
16、声波从介质Z1入射到Z1/Z2界面。c)在垂直入射时，r和t只与介质两侧的声阻抗有关。,ABC,超声波检测的物理基础（三）,d)若Z1Z2，则r趋于-1，而t趋于0，即超声波几乎发生全反射，但反射波的相位与入射波相反。在用纵波对车轴进行穿透探伤（0探头监测的轨底回波）时，底面反射波就是在钢/空气（Z1Z2）界面发生的全反射。e)若Z1Z2，则r趋于1，而t趋于2，即超声波几乎发生全反射，反射波的相位与入射波相同 。若使超声波从空气透入工件，则Z1Z2，因此透射能量很低，为使超声波有效透入工件中，需要提高Z1的值，这也是探伤中要使用耦合剂的原因。f)若Z1Z2，可以看出r0而t1后，这时声波几乎
17、没有反射而全部从第I介质透射入第II介质。 结合d)、e)、f)的情况，界面两侧声阻抗相差越大，反射的声压越高；反之，界面两侧声阻抗相差越小，则反射的声压越低。,ABC,超声波检测的物理基础（三）,g)根据公式可以看出：1+r=th)关于r、t的计算 例：超声波从Z1垂直入射到Z2，已知Z1/Z2=0.5，求r、t关于声强的反射率和透射率,ABC,超声波检测的物理基础（三）,二、声压往复透射比数值上等于声强透射率,ABC,超声波检测的物理基础（三）,三、多层界面的反射和透射 1 回波形状 回波形状取决于中间层的厚度厚时 薄时,ABC,超声波检测的物理基础（三）,2 声压往复透射比当 时，中间层
18、越薄，则T越大，即回波高度越高，这在手持探头探伤时有很重要的意义。,ABC,超声波检测的物理基础（四）,第四节 超声平面波在界面上斜入射的行为 一、反射、折射和波型转换 1 波型转换 条件（1）斜入射（2）界面两侧的介质的声速、声阻抗不同。（3）至少有一种介质为固体介质（气体、液体中只能传播纵波）,ABC,超声波检测的物理基础（四）,2反射 （1）各种角、线的名称。 （2）反射定律：,ABC,超声波检测的物理基础（四）,（3）对反射定律的讨论a)同波型的反射角总是等于入射角。b)声速越大，对应的角度也越大。即，横波总比纵波更靠近法线。 注：在090之间，正弦函数为单调的增函数。,ABC,超声波
19、检测的物理基础（四）,ABC,3 折射 （1）折射定律（2）讨论a)反射中声速越大，对应的角度越大的结论仍成立。b)反射-折射定律可以统一表达为：,超声波检测的物理基础（四）,ABC,4 计算 例：用有机玻璃做斜楔，制做探头，为使钢中横波折射角为45，有机玻璃中的入射角应为多少度？此时钢中有纵波吗？（已知：C有=2730m/s，C L钢=5900m/s， CT钢=3230m/s ） 解题关键：角度和声速对应一定要一致。,超声波检测的物理基础（四）,关于是否存在纵波，可以使用临界角计算，也可以使用以下方法：即，按照存在计算，算出则有，出错则无。故此时钢中不存在纵波。,ABC,超声波检测的物理基础
20、（四）,二、临界角 使反射或折射时某一角度达到90时的入射角称为临界角。超声波探伤中，用到的临界角有三个。 1 第一临界角 （1）入射波为纵波 （2）CL2CL1 （3）当L=90时 入射角，记为使折射纵波的折射角等于90时的纵波入射角,ABC,超声波检测的物理基础（四）,2 第二临界角 （1）入射波为纵波 （2）CT2CL1 （3）当T=90时 入射角，记为3 第三临界角 （1）入射波为横波 （2）当L=90时 入射角，记为,ABC,超声波检测的物理基础（四）,4 讨论 （1）当入射角 I时， 第二介质中可能存在 横波和纵波两种波型 （2）当I II时， 第二介质中只可能存在 横波而无纵波。
21、三、斜入射时的声压反射系数和透射系数,ABC,超声波检测的物理基础（四）,四、曲界面上的反射和透射 1 反射 反射波的聚焦与发散只与界面形状有关，而与其它因素无关（凹面聚焦 凸面发散）,ABC,超声波检测的物理基础（四）,2 透射C1C2 凹界面聚焦 发散,ABC,超声波检测的物理基础（四）,C1C2 凸界面发散 聚焦讲解实际运用（车轴横波探伤）,ABC,超声波检测的物理基础（五）,第五节 圆盘声源的声场 一、圆盘声源在声束轴线上的声压分布,ABC,超声波检测的物理基础（五）,利用惠更斯原理，经过数学计算，可得：为了更加容易的了解P随a的变化关系，可描绘其数学图象,ABC,超声波检测的物理基础
22、（五）,1 从图象上可以看出，当a3N时，两图象几乎重合，故复杂的关系在此状态下可以化简，结果为：2 规律：在靠近声源附近，有很多极大值和极小值的变化，在最后一个极大值后，声压随距离的增加而减小。 3 我们把最后一个极大值点到声源的距离称为近场区长度 用符号N表示。,ABC,超声波检测的物理基础（五）,4 讨论： （1）N随D的增加而增大，随f的增加而增大（f=c/） （2）N的大小对探伤结果的影响。 5 对给定的声源和材料，通过讨论我们可以知道，声场中的极大值点和极小值点的数量。也可以精确计算近场区长度（k=0+或1-时a的值） 以N的推导为例：（不要求掌握）,ABC,超声波检测的物理基础,
23、整理：K越大，则a越小，故K=0(取+号)或K=1(取-号)时，为最后一个极大值点。 此时的a值就是近场区长度。考虑到故取,ABC,超声波检测的物理基础（五）,二、指向性 根据叠加原理和干涉的原理，超声波在传播中，不只局限在中心轴线上，而是一个能量不均匀分布的空间。其中，能量主要集中在中心轴线附近，按直角坐标图象可以表示为：,ABC,超声波检测的物理基础（五）,如果按极坐标绘制图象，则可以形象的表示为：可见，在声压为0的指向上和中心轴线之间集中了绝大多数的能量，我们把这个区域成为主声束，P=0与中心轴线间的夹角称为指向角。,ABC,超声波检测的物理基础（五）,1 指向角公式对于圆形声源0=1.
24、22，根据数学上弧度与角度的关系，可以得出：2 讨论 （1）0随D的增加而减小，随f的增加而减小。 （2）0的大小对探伤结果的影响。例题：用2.5MHz，20mm的纵波直探头探测声速为5900m/s的钢材，求钢中的近场区长度和指向角（N、 0 ）,ABC,超声波检测的物理基础（五）,解：3 非扩散区晶片尺寸越大，近场 覆盖范围越大，而远 场覆盖范围越小。,ABC,超声波检测的物理基础（五）,4 活塞波声源声场结构,ABC,超声波检测的物理基础（五）,三、规则形状反射体的反射 1 几点假设 为了方便的以数学形式描述规则反射体的回波声压，做以下几点假设a) 工件是半无限大的，即没有边界的影响。b)
25、 在反射体位置，超声波全反射。c) 声波到达位置的声压值即为回波声压。d) 反射体距声源的距离a3N，且反射体尺寸,ABC,超声波检测的物理基础（五）,2 平底孔 从前面的知识可知， 超声波到达平底孔 时的声压为：平底孔的反射，也相当于一个活塞波源，故 两式合并得：,ABC,超声波检测的物理基础（五）,讨论： （1）P平与d2成正比，与a2成反比。 即a不变，d增加一倍时， P平增加4倍。d不变，a增加一倍时， P平变为原来的1/4。 （2）若有两个平底孔，孔径和声程分别为d1、d2和a1、a2 两者相差的dB数可以表示为：,ABC,超声波检测的物理基础（五）,当a1=a2，d1=2d2时，=
26、12dBd1=d2，a2=2a1时，=12dB （3）在实际探伤中，若以a2、d2做为基准缺陷，a1为发现缺陷的声程，则由上式可以推出缺陷的当量平底孔大小可以用下式求出若以绝对数值或百分数描述波高时， 也可由下式计算,ABC,超声波检测的物理基础（五）,（4）计算 例1：基准缺陷200mm，2，回波高度6dB,若在150mm处发现一缺陷,回波高度16dB，求缺陷的当量平底孔直径。回波高度用dB描述时，可直接求dB差。,ABC,超声波检测的物理基础（五）,例2：基准缺陷200mm，2，回波高度20%,若在150mm处发现一缺陷,回波高度80%，求缺陷的当量平底孔直径。回波高度用%描述时，可以先求
27、，也可使用第二种公式。 方法一：方法二：,ABC,超声波检测的物理基础（五）,3球孔球孔反射具有球面波特性结合后可求出,ABC,超声波检测的物理基础（五）,讨论： （1）P球与d成正比，与a2成反比。 即a不变，d增加一倍时， P球增加2倍。d不变，a增加一倍时， P球变为原来的1/4。 （2）若有两个球孔，孔径和声程分别为d1、d2和a1、a2 两者相差的dB数可以表示为：,ABC,超声波检测的物理基础（五）,当a1=a2，d1=2d2时，=6dBd1=d2，a2=2a1时，=12dB,ABC,超声波检测的物理基础（五）,4长圆柱孔（长横孔）长圆柱孔反射具有 柱面波特性，结合 物理学知识可得
28、：,ABC,超声波检测的物理基础（五）,讨论： （1）P长与 成正比，与 成反比。 即a不变，d增加一倍时， P长增加1.4倍。d不变，a增加一倍时， P长变为原来的1/2.8。 （2）若有两个长圆柱孔，孔径和声程分别为d1、d2和a1、a2两者相差的dB数可以表示为：当a1=a2，d1=2d2时，=3dBd1=d2，a2=2a1时，=9dB,ABC,超声波检测的物理基础（五）,5大平面 由图中的对称性可知讨论： （1）当声程增加1倍时， 大平面回波声压变为原来的1/2。 （2）若有两个大平面，声程分别为a1、a2，则两者相差的dB数可以表示为：若a2=2a1，=6dB,ABC,超声波检测的物
29、理基础（五）,6平底孔与大平面的比较 若有两个回波，1为平底孔（或缺陷），2为大平面，则两者相差的dB数可以表示为：应用一：计算缺陷大小。（第六讲，21题） 应用二：平底回波法确定探伤灵敏度。（第四章）,ABC,超声波检测的物理基础（六）,第六节 超声波在传播过程中的衰减 一、衰减的原因超声波在实际介质传播时，其能量将随距离的增大而逐渐减小，这种现象称为衰减。可见，超声波的传播过程是个能量的传递过程，而非物质的迁移过程。 1扩散衰减 扩散衰减是由波源决定的：平面波声压是恒量，故无扩散衰减。球面波、柱面波声压都随距离的增加而减小。活塞波近场内声压有很多极大值和极小值的变化，在远场，声压随距离的增
30、加而减小。（定性）,ABC,超声波检测的物理基础（六）,2散射衰减 是由介质引起的：表面/内部均能引起散射衰减（结合散射和衍射理论）。尤其是钢材中的晶界。 规律：晶粒越粗大，衰减越严重。频率越高（波长越小），衰减越严重。3吸收衰减 是由介质引起的,ABC,超声波检测的物理基础（六）,二、衰减系数的粗略测定 1 公式的推导 对厚度为T的工件，若第m次底面回波比 第n次底面回波高VdB，则材料的衰减系 数可以表示为：V (m-n) 总衰减量 扩散衰减量,ABC,超声波检测的物理基础（六）,2计算： 例：对厚度为60mm的工件，若第3次底面回波比第5次底面回波高8dB，求材料的衰减系数。（保留三位有效数字）,ABC,超声波检测的物理基础,ABC,讲解板,BACK,
