2016ccs-超聲波培訓(xùn)課件

歡迎參加CCS中南超聲檢測(cè)II級(jí)培訓(xùn)

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概述超聲檢測(cè)的發(fā)展簡(jiǎn)史和現(xiàn)狀超聲檢測(cè)及作用超聲檢測(cè)的工作原理超聲檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)和局限性超聲檢測(cè)的適用范圍1.1超聲檢測(cè)的發(fā)展簡(jiǎn)史和現(xiàn)狀利用聲響來(lái)檢測(cè)物體的好壞（手拍西瓜，敲擊瓷碗、墻壁）利用超聲波來(lái)探查水中物體（發(fā)現(xiàn)冰山、潛水艇等）船舶(潛水艇的應(yīng)用)以及利用超聲波探測(cè)海中的礁石。一戰(zhàn)后發(fā)展起來(lái)的。1808年，測(cè)量了鐵管中的聲速；1826年，Colladon和Sturm在日內(nèi)瓦湖中測(cè)量了水下聲速。1830年，F(xiàn)elixirSavart利用一個(gè)大齒輪產(chǎn)生了24kHz聲音。1880’年代，Jacques-Paul和PierreCurie兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。超聲檢測(cè)的歷史R.A.Fessenden研制了種低頻（0.540~1.1kHz）的活塞聲源，可成功探測(cè)水下冰山。1915年，M.ConstantinChilowsky為探測(cè)潛艇提出方案——聲波測(cè)距，后來(lái)PaulLangevin利用石英壓電換能器可探測(cè)1500米遠(yuǎn)的潛艇。1929年，蘇聯(lián)的S.Y.Sokolov和德國(guó)的Q.Muhlhauser首先提出用超聲波以穿透法來(lái)尋找金屬中隱藏的不連續(xù)性。超聲檢測(cè)的歷史1930’，F(xiàn)irestone使用超聲檢驗(yàn)用脈沖回波儀。1937年，Sokolov創(chuàng)造了一基于壓電效應(yīng)的超聲成像管。20世紀(jì)30年代，超聲脈沖回波被開發(fā)用于潛艇探測(cè).1940年，F(xiàn)loydFirestone提出了采用超聲脈沖反射法的探傷裝置和測(cè)量?jī)x器的專利申請(qǐng)。1947年，通用汽車公司制成了第一臺(tái)超聲共振測(cè)厚儀。超聲檢測(cè)的歷史1948年，DonaldErdman提出了脈沖回波水浸檢驗(yàn)技術(shù)，他首先采用了B掃描超聲檢驗(yàn)。W.P.Mason在1948年和J.Kaiser于1950年從金屬試樣上觀察到聲發(fā)射現(xiàn)象。1955年，電磁聲換能器（EMAT）和激光超聲。1959年，Kroutkromer發(fā)明AVG曲線。

20世紀(jì)60年代，超聲檢測(cè)儀在靈敏度、分辨率和放大器線性等主要性能上取得了突破性進(jìn)展，焊縫檢測(cè)問(wèn)題得到了很好的解決。脈沖回波技術(shù)至今仍是通用性最好、使用最廣泛的一種超聲檢測(cè)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，超聲檢測(cè)發(fā)展為一個(gè)有效而可靠的無(wú)損檢測(cè)手段，并得到了廣泛的工業(yè)應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，英國(guó)人M.G.Silk提出衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)法（TOFD）。TOFD是一種利用超聲波衍射現(xiàn)象、利用缺陷端點(diǎn)的衍射波信號(hào)檢測(cè)或測(cè)定缺陷尺寸的超聲檢測(cè)技術(shù)，近幾年來(lái)在歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家開始廣泛應(yīng)用。超聲檢測(cè)的歷史

20世紀(jì)80年代以來(lái)，超聲波檢測(cè)設(shè)備得到快速發(fā)展，逐漸發(fā)展了自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，配備了自動(dòng)報(bào)警、記錄等裝置，發(fā)展了B型顯示和C型顯示。與此同時(shí)，對(duì)缺陷的定性定量評(píng)價(jià)的研究得到了較大的進(jìn)展，利用超聲波技術(shù)進(jìn)行材料特性評(píng)價(jià)也成為了重要的研究方向。超聲檢測(cè)的歷史隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲檢測(cè)設(shè)備不斷向小型化、智能化方向改進(jìn)，并于20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)了數(shù)字式超聲儀器。目前，數(shù)字式儀器已日益成熟，正逐漸取代模擬式儀器成為主流產(chǎn)品。檢測(cè)技術(shù)也得到飛速發(fā)展，如超生三維成像，導(dǎo)波技術(shù)，電磁超生技術(shù)等。我國(guó)超聲檢測(cè)的發(fā)展歷史1950~1982年起步儀器：汕頭生產(chǎn)8A、8B、8C1982年1990發(fā)展儀器：汕頭生產(chǎn)CTS-22、CTS-23、CTS-26、CTS-33、CTS-361990~至今數(shù)字超聲時(shí)代代表：武漢中科（1988）HS-系列南通友聯(lián)PXUT-系列汕頭超聲CTS-系列北京七星

船舶行業(yè)是我國(guó)最早應(yīng)用超聲檢測(cè)技術(shù)的行業(yè)之一。早期“江南型”A型脈沖式超聲檢測(cè)儀就出自船舶行業(yè)。

專業(yè)隊(duì)伍理論及基礎(chǔ)研究標(biāo)準(zhǔn)超聲儀器差距

1.2超聲檢測(cè)及作用1.超聲檢測(cè)超聲波進(jìn)入物體遇到缺陷時(shí)(反射、折射、散射、波型轉(zhuǎn)換)，一部分聲波會(huì)產(chǎn)生反射，發(fā)射和接收器可對(duì)反射波進(jìn)行分析，就能異常測(cè)出缺陷來(lái)，并且能顯示內(nèi)部缺陷的位置和大小，測(cè)定材料厚度等。通常指對(duì)宏觀缺陷檢測(cè)和材料測(cè)厚。（船舶建造、海洋工程、金屬結(jié)構(gòu)件等）2.超聲檢測(cè)在實(shí)踐中的意義

世界上工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，無(wú)一不把無(wú)損檢測(cè)技術(shù)放在重要的位置，它是現(xiàn)代工業(yè)的基石之一。五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)：射線檢測(cè)（RT）、超聲檢測(cè)（UT）、磁粉檢測(cè)（MT）、滲透檢測(cè)（PT）、渦流（ET).超聲檢測(cè)是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛，使用頻率最高且發(fā)展較快的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一。實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制，節(jié)約原材料、改進(jìn)工藝、降低成本、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要手段，也是設(shè)備維護(hù)、保證設(shè)備安全運(yùn)行中不可或缺的重要手段之一。船舶建造、海洋工程、金屬結(jié)構(gòu)件等相關(guān)要求、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備制造，安裝，改造或定檢等提出要求。1.3超聲檢測(cè)的工作原理

超聲波檢測(cè)主要是基于超聲波在工件中的傳播特性，如在遇到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)的界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，聲波通過(guò)材料時(shí)能量會(huì)損失等，以脈沖反射法為例，其原理如下：1）聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進(jìn)入工件；2）超聲波在工件中傳播，遇到聲阻抗有差異的界面或缺陷時(shí)部分聲波被反射，反射回來(lái)的超聲波被檢測(cè)設(shè)備接收3）超聲波探傷儀把接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，以一定的方式顯示出來(lái)；4）通過(guò)分析回波信號(hào)的幅度和位置等信息，從而得到被檢工件中有無(wú)缺陷、缺陷的位置、大小等信息。TFB被檢工件超聲波探傷儀探頭脈沖反射法為例聲源產(chǎn)生的脈沖波進(jìn)入到試件中——超聲波在試件中以一定方向和速度向前傳播——遇到兩側(cè)聲阻抗有差異的界面時(shí)部分聲波被反射——檢測(cè)設(shè)備接收和顯示——分析聲波幅度和位置等信息，評(píng)估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。0246810通常用來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷和分析的基本信息：

1）是否存在缺陷的回波信號(hào)及其幅度；2）入射聲波與接收聲波之間的傳播時(shí)間；3）超聲波通過(guò)材料以后能量的衰減。1.4超聲檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)和局限性

1.超聲檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)1）適用于金屬、非金屬和復(fù)合材料等多種制件的無(wú)損檢測(cè)；2）穿透能力強(qiáng)，可對(duì)較大厚度范圍內(nèi)的工件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)；3）缺陷定位較準(zhǔn)確；4）對(duì)面積型缺陷的檢出率較高；5）靈敏度高，可檢測(cè)工件內(nèi)部很小的缺陷；6）檢測(cè)成本低、速度快，7）設(shè)備輕便，現(xiàn)場(chǎng)使用方便等8）對(duì)人體及環(huán)境無(wú)害2.超聲波檢測(cè)的局限性1）對(duì)缺陷的定性、定量仍需要作進(jìn)一步研究，定性及定量仍然存在困難；2）對(duì)具有復(fù)雜形狀或不規(guī)則外型的工件進(jìn)行超聲波檢測(cè)有困難；3）缺陷的取向、位置和形狀對(duì)檢測(cè)結(jié)果有影響；4）工件材質(zhì)、晶粒度對(duì)檢測(cè)有較大影響，影響超聲波的衰減；5）A型脈沖反射法檢測(cè)結(jié)果是波形顯示，不直觀，模擬超聲波探傷儀對(duì)檢測(cè)結(jié)果無(wú)直接見證記錄。1.5超聲檢測(cè)的適用范圍超聲波檢測(cè)的適用范圍非常廣，在船舶、軍工產(chǎn)品、航空和航天、電力、石油、鋼鐵、建筑、交通運(yùn)輸、海洋工程、食品、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。從以下幾個(gè)方面講，就可以說(shuō)明:工件材料：金屬、非金屬和復(fù)合材料等制造工藝：鍛件、鑄件、焊接件、膠結(jié)件等工件形狀：板材、棒材、管材等工件尺寸：厚度小至1mm，大至幾米；缺陷部位：既可以是表面缺陷，又可以是內(nèi)部缺陷。

在船舶行業(yè)及海洋工程中，超聲檢測(cè)是常用的無(wú)損檢測(cè)手段之一，主要用于船體結(jié)構(gòu)焊縫、板材、棒材、鍛件、鑄件的檢測(cè)，也用于船用鍋爐、船用壓力容器及主機(jī)、錨機(jī)、發(fā)電機(jī)、起重機(jī)等機(jī)械類產(chǎn)品的檢測(cè)。

超聲檢測(cè)在船舶行業(yè)的典型應(yīng)用典型應(yīng)用原材料、零部件鋼板、鋼鍛件、鋁及鋁合金板材、鈦及鈦合金板材、復(fù)合板、無(wú)縫鋼管、鋼螺栓、坯件、鍛件、棒材、鑄件等。焊接接頭鋼制對(duì)接接頭（包括管座角焊縫、T型焊接接頭，支撐件和結(jié)構(gòu)件）鈦及鈦合金、鋁及鋁合金對(duì)接接頭、T、K、Y管節(jié)點(diǎn)焊縫。在用設(shè)備

原材料、零部件、對(duì)接接頭等應(yīng)用脈沖回波探傷法通常用于鍛件、焊縫及鑄件等的檢測(cè)?？砂l(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部較小的裂紋、夾渣、縮孔、未焊透等缺陷。被探測(cè)物要求形狀較簡(jiǎn)單，并有一定的表面光潔度。為了成批地快速檢查管材、棒材、鋼板等型材，可采用配備有機(jī)械傳送、自動(dòng)報(bào)警、標(biāo)記和分選裝置的超聲探傷系統(tǒng)。除探傷外，超聲波還可用于測(cè)定材料的厚度,使用較廣泛的是數(shù)字式超聲測(cè)厚儀,其原理與脈沖回波探傷法相同，可用來(lái)測(cè)定化工管道、船體鋼板等易腐蝕物件的厚度。此外，穿透式超聲法在檢驗(yàn)纖維增強(qiáng)塑料和蜂窩結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用也已日益廣泛。超聲全息成象技術(shù)也在某些方面得到應(yīng)用。第二章超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)

超聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播。該章主要涉及幾何聲學(xué)和物理聲學(xué)的基本定律和概念。幾何聲學(xué)：反射定律、折射定律、波形轉(zhuǎn)換。物理聲學(xué)：波的疊加、干涉、衍射等2.1機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波

機(jī)械振動(dòng)機(jī)械波2.1.1機(jī)械振動(dòng)

一.機(jī)械振動(dòng)的概念機(jī)械振動(dòng)：質(zhì)點(diǎn)不停地在平衡位置附近往復(fù)周期性的運(yùn)動(dòng)。

振動(dòng)方程：

機(jī)械振動(dòng)

物體（或物體的一部分）在某一中心位置兩側(cè)所做的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，就叫做機(jī)械振動(dòng)。鐘擺的擺動(dòng)，水上浮標(biāo)的浮動(dòng)，擔(dān)物行走時(shí)扁擔(dān)的顫動(dòng)，在微風(fēng)中樹梢的搖擺，振動(dòng)的音叉、鑼、鼓、琴弦等都是機(jī)械振動(dòng)。比如：振動(dòng)的基本概念振動(dòng)產(chǎn)生的必要條件：物體一離開平衡位置就會(huì)受到回復(fù)力的作用；阻力要足夠小。振動(dòng)的過(guò)程物體（或質(zhì)點(diǎn)）在受到一定力的作用下，將離開平衡位置，產(chǎn)生一個(gè)位移；該力消失后，在回復(fù)力作用下，它將向平衡位置運(yùn)動(dòng)，并且還要越過(guò)平衡位置移動(dòng)到相反方向的最大位移位置，然后再向平衡位置運(yùn)動(dòng)。這樣一個(gè)完整運(yùn)動(dòng)過(guò)程稱為一個(gè)“循環(huán)”或叫一次“全振動(dòng)”。振動(dòng)的分類周期性振動(dòng)：每經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，振動(dòng)體總是回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)（或位置）的振動(dòng)非周期性振動(dòng)：不具有上述周期性規(guī)律的振動(dòng)二.描述機(jī)械振動(dòng)的物理量（1）振動(dòng)周期T振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)完成一次全振動(dòng)所需的時(shí)間,稱為振動(dòng)周期.單位：秒（s）或微秒（ｕｓ）是描述質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)快慢的物理量（2）振動(dòng)頻率f

振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)完成全振動(dòng)的次數(shù),稱為振動(dòng)頻率.單位：赫茲（Hz）千赫（kHz），兆赫（MHz）周期和頻率互為倒數(shù)關(guān)系，即T＝1/f也是描述質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)快慢的物理量

例如：人說(shuō)話的頻率為200Hz，則聲帶的振動(dòng)周期為：T＝1/200＝0.005s

(3)振幅A振動(dòng)物體離開平衡位置的最大距離，叫做振動(dòng)的振幅，用A表示。三.

諧振動(dòng)1.定義：在沒(méi)有任何阻力影響的情況下，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅和頻率始終保持不變的振動(dòng)。（動(dòng)力學(xué)）可定義為位移隨時(shí)間的變化符合余弦（或正弦）規(guī)律的振動(dòng)（運(yùn)動(dòng)學(xué)）兩種諧振動(dòng)的定義是一致的，只是定義的角度不同下圖為彈簧振子的諧振動(dòng)。振子以O(shè)點(diǎn)為中心在水平桿方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。振子由A點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A’點(diǎn)，由A’點(diǎn)再經(jīng)過(guò)O點(diǎn)回到A點(diǎn)，且OA等于OA’，此后振子不停地重復(fù)這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)。例如：彈簧振子2.簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程諧振動(dòng)與做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)在Y軸上投影的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)完全一致，如圖2-3所示。以振幅A為半徑作圓，質(zhì)點(diǎn)M沿圓周作勻速運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)M的水平位移y和時(shí)間t的關(guān)系可用下式描述（諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程）：y=Acos(ωt+φ)其中：A：振幅，最大水平位移

ω：圓頻率，ω=2πf=2π/T

φ：初相位，即t=0時(shí)質(zhì)點(diǎn)的相位

ωt+φ：質(zhì)點(diǎn)在t時(shí)刻的相位簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程描述了諧振動(dòng)物體在任意時(shí)刻的位移情況。

質(zhì)點(diǎn)諧振動(dòng)等效圖彈簧振子的運(yùn)動(dòng)可以用振動(dòng)圖像直觀地表示出來(lái)，如圖2-2所示。以橫軸表示時(shí)間，縱軸表示質(zhì)點(diǎn)位移，則振動(dòng)圖像表示了振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移隨時(shí)間變化的規(guī)律。3）特點(diǎn)：（1）是物體受到的回復(fù)力大小與位移成正比,其方向總是指向平衡位置（2）是一種理想化的運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)過(guò)程中無(wú)阻力（只有彈性力和重力做功），所以振動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械能守恒?？偰芰勘３植蛔儭?/p>

平衡位置：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大，動(dòng)能最大，勢(shì)能最小（0）；位移最大位置：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為0，動(dòng)能最?。?），勢(shì)能最大；（3）振幅、頻率和周期保持不變，其頻率為固有頻率，（4）最簡(jiǎn)單最基本的直線振動(dòng)，

任何復(fù)雜的振動(dòng)都可以視為多個(gè)諧振動(dòng)的合成。

四.阻尼振動(dòng)諧振動(dòng)是理想條件下的振動(dòng)，即不考慮摩擦和其它阻力的影響。任何實(shí)際物體的振動(dòng)，總要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振動(dòng)物體的能量不斷減少。同時(shí)，由于在振動(dòng)傳播過(guò)程中，伴隨著能量的傳播，也使振動(dòng)物體的能量不斷地減少。定義：振幅或能量隨時(shí)間不斷減少的振動(dòng)。振動(dòng)方程特點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)的振幅隨時(shí)間不斷減小，直至為零；不符合機(jī)械能守恒。

機(jī)械振動(dòng)——阻尼振動(dòng)在超聲檢測(cè)的應(yīng)用超聲檢測(cè)換能器設(shè)計(jì)：晶片澆注背襯，使振動(dòng)迅速停止，縮短脈沖寬度，提高檢測(cè)分辨率。五.受迫振動(dòng)定義：在周期外力的作用下物體所作的振動(dòng)。

例：縫紉機(jī)上縫針的振動(dòng)，鐘擺的擺動(dòng)，汽缸中的活塞的振動(dòng)動(dòng)和揚(yáng)聲器中紙膜的振動(dòng)等。振動(dòng)方程y=Acos（Pt+φ）A——受迫振動(dòng)的振幅；P——策動(dòng)力的圓頻率；

φ——受迫振動(dòng)的初相位特點(diǎn)：受迫振動(dòng)剛開始時(shí)情況很復(fù)雜，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后為諧振動(dòng)，振幅不變，頻率與策動(dòng)力相同;不符合機(jī)械能守恒。機(jī)械振動(dòng)——受迫振動(dòng)共振當(dāng)策動(dòng)力的頻率與其固有頻率相同時(shí)，振幅達(dá)到最大的現(xiàn)象。超聲檢測(cè)的應(yīng)用超聲探頭中的壓電晶片在發(fā)射超聲波時(shí)：在高頻電脈沖激勵(lì)下產(chǎn)生受迫振動(dòng)；在起振后受到晶片背面吸收塊的阻尼作用，因此又是阻尼振動(dòng)壓電晶片在接收超聲波時(shí)：同樣產(chǎn)生受迫振動(dòng)和阻尼振動(dòng)。2.1.2機(jī)械波一.機(jī)械波產(chǎn)生與傳播波動(dòng)是振動(dòng)的傳播過(guò)程;是振動(dòng)能量的傳播。波動(dòng)分為機(jī)械波和電磁波兩大類。

機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程。如水波、聲波、超聲波等。

電磁波是交變電磁場(chǎng)在空間的傳播過(guò)程。如無(wú)線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等。

超聲波是機(jī)械波，因此下面只討論機(jī)械波。彈性波、聲波在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)。簡(jiǎn)諧波最簡(jiǎn)單的機(jī)械波，當(dāng)振動(dòng)源作諧振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的波。

a.如圖2-5所示的固體彈性模型。質(zhì)點(diǎn)間以小彈簧連接在一起，這種質(zhì)點(diǎn)間以彈性力連接在一起的介質(zhì)稱為彈性介質(zhì)。一般固體、液體、氣體都可視為彈性介質(zhì)。b、當(dāng)外力F作用于質(zhì)點(diǎn)A時(shí)，A就會(huì)離開平衡位置，這時(shí)A周圍的質(zhì)點(diǎn)將對(duì)A產(chǎn)生彈性力使A回到平衡位置。當(dāng)A回到平衡位置時(shí)，具有一定的速度，由于慣性A不會(huì)停在平衡位置，而會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，并沿相反方向離開平衡位置，這時(shí)A又會(huì)受到反向彈性力，使A又回到平衡位置，這樣質(zhì)點(diǎn)A在平衡位置來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)。與此同時(shí)，A周圍的質(zhì)點(diǎn)也會(huì)受到大小相等方向相反的彈性力的作用，使它們離開平衡位置，并在各自的平衡位置附近振動(dòng)。這樣彈性介質(zhì)中一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)就會(huì)引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，于是振動(dòng)就以一定的速度由近及遠(yuǎn)地傳播開來(lái)，從而就形成了機(jī)械波。c、液體和氣體不能用上述彈性力的模型來(lái)描述，其彈性波是在受到壓力時(shí)體積的收縮和膨脹產(chǎn)生的。機(jī)械波的產(chǎn)生：彈性介質(zhì)中的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)就會(huì)引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，于是振動(dòng)就以一定的速度由近及遠(yuǎn)地向各個(gè)方向傳播開來(lái)，從而就形成了機(jī)械波。

機(jī)械波：是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程.產(chǎn)生機(jī)械波必須具備以下兩個(gè)條件:1）要有作機(jī)械振動(dòng)的波源；2）能傳播機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)。機(jī)械波特點(diǎn)：（1）振動(dòng)與波動(dòng)是互相關(guān)聯(lián)的，振動(dòng)是產(chǎn)生波動(dòng)的根源，波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播。波動(dòng)中介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)并不隨波前進(jìn)，只是以交變的振動(dòng)速度在各自的平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)。（2）波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播過(guò)程，也是振動(dòng)能量的傳播過(guò)程。這種能量的傳播，不是靠質(zhì)點(diǎn)的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是由各質(zhì)點(diǎn)的位移連續(xù)變化來(lái)逐漸傳播出去的。二.波動(dòng)方程質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方程波動(dòng)方程當(dāng)振動(dòng)從O點(diǎn)傳播到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)開始振動(dòng)，由于振動(dòng)從O點(diǎn)傳播到B點(diǎn)需要時(shí)間x/c秒，因此B點(diǎn)的振動(dòng)滯后于O點(diǎn)x/c秒。即B點(diǎn)在t時(shí)刻的位移等于O點(diǎn)在（t-x/c）時(shí)刻的位移：y=Acosω（t-x/c）=Acos（ωt-Kx）式中：K——波數(shù)，K=ω/c=2π/λ；x——B至O點(diǎn)的距離。上式就是波動(dòng)方程，描述了波動(dòng)過(guò)程中波線上任意一點(diǎn)（x）在任意時(shí)刻的位移（y）情況。三.機(jī)械波的重要物理量

周期：

T單位：秒（s）

在波動(dòng)過(guò)程中，任意質(zhì)點(diǎn)完成一個(gè)完整波的傳播過(guò)程所需要的時(shí)間稱為周期。

頻率

：f單位：赫茲（Hz）波動(dòng)過(guò)程中,任一給定點(diǎn)在1秒鐘內(nèi)所通過(guò)的完整波的個(gè)數(shù)。周期是頻率的倒數(shù),單位:秒(S)

波長(zhǎng)：λ單位：mm、m同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離.或者說(shuō)：沿著波的傳播方向，兩個(gè)相鄰的同相位質(zhì)點(diǎn)間的距離。波速：C單位：m/skm/s波動(dòng)中,波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離稱為波速.P12例1

三者的關(guān)系：C=λf或λ=C/f波長(zhǎng)與波速成正比，與頻率成反比。當(dāng)頻率一定時(shí)，波速愈大，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)；當(dāng)波速一定時(shí)，頻率愈低，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)。2.2超聲波的特性和超聲場(chǎng)的特征量

2.2.1超聲波及其特性一.次聲波、聲波、超聲波

次聲波、聲波、超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，同一波型在同一介質(zhì)中傳播的速度相同，它們的區(qū)別在于頻率不同。次聲波：f<20Hz可聞聲波：能引起人們聽覺的機(jī)械波20Hz<f<20kHz

超聲波：f>20kHz超聲波和次聲波，人是聽不到的。超聲檢測(cè)所用的頻率一般在0.5~25MHz之間，對(duì)鋼等金屬材料的檢驗(yàn)，常用的頻率為0.5~10MHz。如2.5M、5M二.超聲波的特性1）方向性好像光波一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射

2）能量高超聲波的能力（聲強(qiáng)）與頻率的平方成正比。

3）能在界面上產(chǎn)生反射、折射、衍射和波形轉(zhuǎn)換

4）穿透能力強(qiáng)超聲波在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時(shí)，能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，在一些金屬材料中穿透能力可達(dá)數(shù)米，這是其它檢測(cè)方法無(wú)法比擬的。超聲檢測(cè)原理

——主要應(yīng)用的超聲特性反射特性——利用異質(zhì)界面超聲波反射回波檢測(cè)不連續(xù)性。折射特性——利用異質(zhì)界面超聲波折射，檢測(cè)傾斜不連續(xù)性；斜角探頭制作。衍射特性——利用超聲波在裂紋尖端衍射，測(cè)量裂紋高度、檢測(cè)不連續(xù)性——TOFD技術(shù)。二.超聲場(chǎng)的特征值超聲場(chǎng)：充滿超聲波的空間或超聲振動(dòng)所波及的部分介質(zhì)。超聲場(chǎng)具有一定的形狀和大小，只有當(dāng)缺陷位于超聲場(chǎng)內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。超聲場(chǎng)的特征值主要有：聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。1.聲壓定義：介質(zhì)中有聲波和沒(méi)有聲波傳導(dǎo)時(shí)某點(diǎn)的壓強(qiáng)之差。

帕斯卡（Pa）、微帕斯卡（μPa）1Pa=1N/m21Pa=106μPa結(jié)論：超聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲壓隨時(shí)間和該點(diǎn)至波源的距離按正弦函數(shù)周期性地變化。聲壓的幅值與介質(zhì)的密度、波速和頻率成正比。因?yàn)槌暡ǖ穆晧汉芨撸ㄅc聲波相比）。聲壓是一個(gè)矢量，有方向，表示力的概念。超聲檢測(cè)中的應(yīng)用超聲檢測(cè)儀器顯示的信號(hào)幅度的本質(zhì)就是聲壓P。示波屏上的波高與聲壓成正比。就缺陷而論，聲壓值反映缺陷的大小。

經(jīng)推導(dǎo)得：

聲壓幅值：P=ρcωA=ρcu=Zuu=ωA=2πfA。

質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度μ和波速c不同！

2.聲阻抗定義聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)的聲壓與該點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比。

Z=P/u=ρcu/u=ρc

單位：Kg/m2.s意義：表達(dá)材料聲學(xué)特性。在同一聲壓下，Z增加，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度u下降。因此聲阻抗可理解為介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。這類似于電學(xué)中的歐姆定律I=U/R，電壓一定，電阻增加，電流減小。應(yīng)用：超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上反射和透射取決于聲阻抗。聲阻抗的大小等于介質(zhì)的密度與波速的乘積。一般材料的聲阻抗隨溫度升高而降低。因?yàn)槎鄶?shù)材料密度和聲速隨溫度增加而減小3.聲強(qiáng)I1、單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的的聲能稱為聲強(qiáng)，用I表示，單位是瓦/厘米2（W/cm2）或焦耳/厘米2·秒（J/cm2·s）。2、平面波的聲強(qiáng)：結(jié)論a、單位體積元內(nèi)的總能量周期性變化，時(shí)而最大，時(shí)而為零。超聲波的能量是一層一層地傳播出去的；體積元的動(dòng)能和勢(shì)能同時(shí)最大，同時(shí)為零（單獨(dú)的振動(dòng)系統(tǒng)符合機(jī)械能守恒，只受重力或彈性力作用，動(dòng)能與勢(shì)能之和等于常數(shù)。而這里的質(zhì)點(diǎn)除受到彈性力外，還受到質(zhì)點(diǎn)間摩擦力，因此不符合機(jī)械能守恒）b、聲強(qiáng)與頻率的平方成正比，而超聲波的頻率遠(yuǎn)大于可聞聲波。因此超聲波聲強(qiáng)遠(yuǎn)大于可聞聲波。（這決定超聲波可用于檢測(cè)）c、在同一介質(zhì)中，超聲波的聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比與聲阻抗成反比。大炮的聲強(qiáng)，已經(jīng)震耳欲聾，超聲波的聲強(qiáng)可達(dá)，比大炮的聲強(qiáng)高出，9個(gè)數(shù)量級(jí)！2.2.3

幅度的分貝表示在生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，所遇到的聲強(qiáng)數(shù)量級(jí)往往相差懸殊，如引起聽覺的聲強(qiáng)范圍，最大值和最小值相差12個(gè)數(shù)量級(jí)。顯然采用絕對(duì)量來(lái)度量是不方便的，但如果對(duì)其比值（相對(duì)量）取對(duì)數(shù)來(lái)比較計(jì)算則可大大簡(jiǎn)化運(yùn)算。分貝就是兩個(gè)同量綱的量之比取常用對(duì)數(shù)后的結(jié)果。用分貝值表示反射波幅度的相互關(guān)系，不僅可以簡(jiǎn)化運(yùn)算，而且在確定基準(zhǔn)波高以后，可直接用儀器衰減器的讀數(shù)表示缺陷波相對(duì)波高。因此，分貝概念的引用對(duì)超聲檢測(cè)有很重要的實(shí)用價(jià)值。如果對(duì)聲壓取自然對(duì)數(shù)，則單位就是奈培所以1NP=8.68dB在超聲波檢測(cè)中，當(dāng)超聲波探傷儀的垂直線性較好時(shí)，儀器示波屏上的波高與回波聲壓成正比。這時(shí)有△=20lgP2/P1＝20lgH2/H1（dB）這里聲壓基準(zhǔn)P1或波高基準(zhǔn)H1可以任意選取。當(dāng)H2/H1＝1時(shí)，△＝0dB，說(shuō)明兩波高相等時(shí)，二者的分貝差為零。當(dāng)H2/H1＝2時(shí)，△＝6dB，說(shuō)明H2為H1的兩倍時(shí)，H2比H1高6dB。當(dāng)H2/H1＝1/2時(shí)，△＝－6dB，說(shuō)明H2為H1的1/2時(shí)，H2比H1低6dB。分貝用于表示兩個(gè)相差很大的量之比顯得很方便，特別是在超聲波檢測(cè)中應(yīng)用更廣泛。例如示波屏上兩波高的比較就常常用dB表示。例1：示波屏上一波高為80%，另一波高為20%，問(wèn)前者比后者高多少dB？解：△＝20lgH2/H1＝20lg80/20＝12（dB）答：前者比后者高12dB。例2：示波屏上有A、B、C三個(gè)波，其中A波比B波高3dB，C波比B波低3dB，已知B波高為50%，求A、C各為多少？解：由已知得△＝20lgA/B＝3；lgA/B=0.15；A/B=1.41；A=1.41B＝1.41×50＝70.6%又△＝20lgC/B＝－3；lgC/B=－0.15；C/B=１／1.41;C=B/1.41=50/1.41=35.4%答：A、C分別為70.6%和35.4%。P18例1例22.3超聲波的分類原理：脈沖反射法、衍射時(shí)差法（TOFD）、穿透法、共振法波型(振動(dòng)模式)：縱波、橫波、表面波、板波（S,A型）、爬波波形:平面波柱面波球面波耦合方式：直接法、液浸法、電磁耦合法顯示方法：按探頭個(gè)數(shù)：?jiǎn)?、雙、多按人工干預(yù)程度：手工檢測(cè)、自動(dòng)檢測(cè)按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分:連續(xù)波、脈沖波2.3.1

根據(jù)波型分類根據(jù)波動(dòng)傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向相對(duì)于波的傳播方向的不同,可將波動(dòng)分為縱波、橫波、表面波和板波等.一.

縱波：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向平行。用L表示，又稱壓縮波或疏密波。當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變正應(yīng)力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波。這時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)疏密相間，故縱波又稱為壓縮波或疏密波。

凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。所以，縱波可以在固體、液體和氣體中傳播。應(yīng)用最廣泛，適合于檢測(cè)與工件表面平行的不連續(xù)性。二.橫波：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直。用S表示

當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生切變變形，從而形成橫波。又稱剪切波。只有固體能夠承受剪切應(yīng)力，液體和氣體不能承受剪切應(yīng)力，因此，橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體中傳播。應(yīng)用廣泛，適合于檢測(cè)與工件表面傾斜的不連續(xù)性。橫波聲速約為縱波聲速的一半。三.表面波：當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?。用R表示，表面波是瑞利在1887年首次提出的，因此，表面波又稱瑞利波。

表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長(zhǎng)軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運(yùn)動(dòng)可以視為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的合成，即縱波和橫波的合成。所以，表面波和橫波一樣，只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體中傳播。表面波只能在固體表面?zhèn)鞑ァ１砻娌ǖ哪芰侩S傳播深度的增加而迅速減弱。一般認(rèn)為，表面波檢測(cè)只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)的缺陷。

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡為橢圓棱角邊的曲率半徑R≦λ時(shí)，反射能量很大，故對(duì)表面裂紋具有很高的靈敏度。當(dāng)棱角邊的曲率半徑R>5λ時(shí)，瑞利波可以沿反射圓滑曲面順利傳播而沒(méi)有反射。四.板波:在板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)牟景逯袀鞑サ牟?，稱為板波.根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。（1）SH波：SH波是水平偏振的橫波在簿板中傳播的波。簿板中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當(dāng)于固體介質(zhì)表面中的橫波。圖5-40質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與界面的關(guān)系a）SH波b）蘭姆波1—質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向；2—縱波成分；3—橫波成分；4—波動(dòng)前進(jìn)方向；5—板（2）蘭姆波：蘭姆波又分為對(duì)稱型（S型）和非對(duì)稱型（A型）對(duì)稱型（S型）：簿板中心質(zhì)點(diǎn)作縱向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)相位相反并對(duì)稱于中心。非對(duì)稱型（A型）：簿板中心質(zhì)點(diǎn)作橫向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、相位相同，不對(duì)稱。特點(diǎn)：整板振動(dòng)。振動(dòng)方式為縱向和橫向振動(dòng)的合成。不同的深度層面上，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)幅度和方向是變化的。

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓形，應(yīng)用：較廣泛，薄板或薄管的分層、裂紋以及復(fù)合材料的結(jié)合狀態(tài)檢測(cè)。各種類型波的比較波的類型質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)特點(diǎn)傳播介質(zhì)應(yīng)用縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行于波傳播方向固、液、氣體鋼板、鍛件檢測(cè)等橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于波傳播方向固體、特別粘的薄液層焊縫、鋼管檢測(cè)等表面波質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng),橢圓長(zhǎng)軸垂直波傳播方向,短軸平行于波傳播方向固體表面，且固體的厚度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)鋼管檢測(cè)等板波對(duì)稱型（S型）上下表面：橢圓運(yùn)動(dòng)，中心：縱向振動(dòng)固體介質(zhì)（厚度為幾個(gè)波長(zhǎng)的的薄板）<6mm）非對(duì)稱型（A型）上下表面：橢圓運(yùn)動(dòng)，中心：橫向振動(dòng)2.3.2根據(jù)波陣面的形狀分類波的形狀（波形）是指波陣面的形狀。

波陣面：同一時(shí)刻，介質(zhì)中振動(dòng)相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)所聯(lián)成的面稱為波陣面。

波前：某一時(shí)刻，波動(dòng)所到達(dá)的空間各點(diǎn)聯(lián)成的面積稱為波前。

波線：波的傳播方向稱為為波線。由以上定義可知，波前是最前面的波陣面。任意時(shí)刻，波前只有一個(gè)，而波陣面卻有很多。在各向同性的介質(zhì)中，波線恒垂直于波陣面或波前。據(jù)波陣面形狀不同，可以把不同波源發(fā)出的波分為平面波、柱面波和球面波。1.平面波波陣面為互相平行的平面的波稱為平面波。平面波的波源為一個(gè)平面。

尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的平面波源在各向同性的均勻介質(zhì)中輻射的波可視為平面波。平面波波束不擴(kuò)散，平面波各質(zhì)點(diǎn)振幅是一個(gè)常數(shù)，不隨距離而變化。在無(wú)窮大均勻彈性理想介質(zhì)中，振幅不衰減應(yīng)用：直探頭輻射的聲波在晶片附近近似平面波.2.柱面波波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波的波源為一條線

。長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的線狀波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為柱面波。柱面波波束向四周擴(kuò)散，柱面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離平方根成反比。3.球面波波陣面為同心圓的波稱為球面波。球面波的波源為一點(diǎn)。波動(dòng)方程y=A/xcosω（t-x/c）尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的點(diǎn)波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為球面波。球面波波束向四面八方擴(kuò)散，球面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離成反比。實(shí)際應(yīng)用的超聲波探頭中的波源近似活塞振動(dòng)，在各向同性的介質(zhì)中輻射的波稱為活塞波。當(dāng)距離源的距離足夠大時(shí)，活塞波類似于球面波。應(yīng)用超聲換能器輻射聲波

在足夠遠(yuǎn)處近似球面波；所有規(guī)則反射體回波聲壓計(jì)算的前提。4.活塞波實(shí)際超聲檢測(cè)換能器輻射的聲波。特點(diǎn)既非平面波，也非球面波。

近處接近平面波；遠(yuǎn)處接近球面波。

2.3.3按振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類根據(jù)波源振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，將波動(dòng)分為連續(xù)波和脈沖波。1.連續(xù)波波源持續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波稱為連續(xù)波。超聲波穿透法檢測(cè)常采用連續(xù)波。2.

脈沖波波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短（通常是微秒數(shù)量級(jí)），間歇輻射的波稱為脈沖波。目前超聲波檢測(cè)中廣泛采用的就是脈沖波。脈沖波——強(qiáng)度高、靈敏度高、脈沖窄、頻帶寬、分辨率高，應(yīng)用廣泛。a、一個(gè)脈沖波可以分解為多個(gè)不同頻率的諧振波的疊加。將復(fù)雜振動(dòng)分解為諧振動(dòng)的方法，稱為頻譜分析。圖2-16所示為1MHz脈沖波可由三個(gè)具有不同頻率的正弦連續(xù)波合成。圖2-16由0.85、1、1.21MHz的正弦波合成的1MHz脈沖波b、圖2-17所示為頻譜分析結(jié)果的示意圖。我們關(guān)心的頻譜特征量主要有峰值頻率fp、頻帶寬度（-6dB帶寬或-3dB帶寬）和中心頻率fc。峰值頻率fp為幅度峰值所對(duì)應(yīng)的頻率值。頻帶寬度=f1-fu（峰值頻率fp下降-6dB或-3dB時(shí)的兩點(diǎn)頻率值f1和fu之間的頻率范圍）。脈沖（時(shí)間）越短，則頻帶越寬。中心頻率fc=（f1+fu）/2<算術(shù)平均值>。2.4

超聲波的傳播速度a、超聲波在介質(zhì)中的傳播速度是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的重要參數(shù)。b、超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)。對(duì)特定的介質(zhì)，彈性模量和密度為常數(shù)，故聲速也是常數(shù)。不同的介質(zhì)，有不同的聲速。c、超聲波波型不同時(shí)，介質(zhì)彈性變形型式不同，聲速也不一樣。超聲波的傳播速度與下列因素有關(guān)：1）介質(zhì)：彈性模量、密度、彈性變形形式、尺寸大小、均勻性等2）超聲波的波型：如縱波、橫波與表面波等3）超聲波本身的性質(zhì)：C=λf4）溫度:一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低。

2.4.1縱波、橫波、表面波在固體中的聲速

一.無(wú)限大固體介質(zhì)中的聲速無(wú)限大固體介質(zhì)是相對(duì)于波長(zhǎng)而言的，當(dāng)介質(zhì)的尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，就可以視為無(wú)限大介質(zhì)。（1）在無(wú)限大的固體介質(zhì)中，縱波聲速為：（2）在無(wú)限大的固體介質(zhì)中，橫波聲速為：

（3）在無(wú)限大的固體介質(zhì)中，表面波聲速為：

式中：E——介質(zhì)的楊氏彈性模量；G——介質(zhì)的剪切楊氏彈性模量；

ρ——介質(zhì)的密度；σ——介質(zhì)的泊松比，所有固體介質(zhì)的泊松比都在0～0.5之間。（4）由以上三式可知：a、固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有關(guān)，不同的介質(zhì)，聲速不同；介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。b、聲速還與波的類型有關(guān)，在同一固體介質(zhì)中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并且相互之間有以下關(guān)系：即CL>CS即CS>CR所示：CL>CS>CRc、這表明，在同一種固體材料中，縱波聲速大于橫波聲速，橫波聲速又大于表面波聲速。對(duì)于鋼材，σ≈0.28，CL≈1.8CS，CR≈0.9CS，即CL：CS：CR=1.8：1：0.9。二、細(xì)長(zhǎng)棒中的縱波聲速：在細(xì)長(zhǎng)棒中（棒徑d≤λ）軸向傳播的縱波聲速與無(wú)限大介質(zhì)中縱波聲速不同，細(xì)長(zhǎng)棒中的縱波聲速為：a、常用固體的密度、聲速與聲阻抗（見表2-3）3、固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)溫度、應(yīng)力、均勻性有關(guān)。（1）一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低（T↑→c↓）。a、純鐵中的聲速與溫度的關(guān)系如下：T℃）26100200300Cs32293185315430772.4.2液體、氣體介質(zhì)中縱波聲速B:液體、氣體介質(zhì)的容變彈性模量，表示產(chǎn)生單位容積相對(duì)變化量所需的壓強(qiáng)；ρ：液體、氣體介質(zhì)的密度幾乎除水以外的所有液體當(dāng)溫度升高時(shí)，容變彈性模量減小，聲速降低。水是溫度在74攝氏度左右時(shí)聲速達(dá)最大值。2.4.3蘭姆波聲速（1）蘭姆波分為對(duì)稱型（S）和非對(duì)稱型（A）兩類。由于蘭姆波傳播時(shí)受到上下界面的影響，因此其聲速與縱波、橫波、表面波不同，它不僅與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，而且與板厚、頻率等有關(guān)。對(duì)于特定的板厚和頻率組合，還可有多個(gè)對(duì)稱型和非對(duì)稱型的振動(dòng)模式，每個(gè)模式具有不同的波速。（特點(diǎn)：頻散波——速度與頻率、板厚有關(guān)）（2）蘭姆波聲速分為相速度和群速度。a、相速度Cp（相位傳播的速度）是振動(dòng)相位傳播的速度，是對(duì)單一頻率連續(xù)諧振波定義的傳播速度，b、群速度Cg（包絡(luò)的傳播速度）是指多個(gè)相差不多的頻率的波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)互相合成后的包絡(luò)線的傳播速度。（3）蘭姆波聲速CP與f·d、Cs、Cl有關(guān)。對(duì)于確定的介質(zhì)，Cs、Cl為定值，因此Cp僅是f·d的函數(shù)。對(duì)于某一個(gè)Cp值對(duì)應(yīng)有無(wú)數(shù)個(gè)f·d值。a、當(dāng)f·d一定時(shí)，不同類型的蘭姆波相速度Cp不同b、當(dāng)f·d一定時(shí)，不同類型的蘭姆波群速度Cg不同在實(shí)際超聲檢測(cè)中，若是頻率單一的連續(xù)波，那么蘭姆波就是相速度；若是脈沖波則是群速度。蘭姆波的相速度和群速度均是隨頻率、板厚、蘭姆波模式三個(gè)因素而變化的。2.4.4影響超聲波傳播速度的因素波的類型、傳聲介質(zhì)、介質(zhì)的均勻性(溫度、應(yīng)力的變化時(shí)，介質(zhì)的密度、彈性性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化）1.傳聲介質(zhì)和波的類型對(duì)波速變化的影響

1）固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有關(guān)，不同的介質(zhì)聲速不同；介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。2）聲速與波的類型有關(guān)，在同一種固體介質(zhì)中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并存在如下關(guān)系：CL>CS>CR這表明：在同一種固體材料中，縱波聲速大于橫波聲速，橫波聲速又大于表面波聲速。對(duì)于鋼材:CL:CS:CR=1.8:1:0.9

2.材料的不均勻性引起的聲速變化及對(duì)檢測(cè)的影響固體材料組織均勻性對(duì)聲速的影響在鑄鐵中表現(xiàn)較為突出。表面——冷卻速度快、晶粒細(xì)、速度大；中心——冷卻速度慢、晶粒粗、速度小。奧氏體不銹鋼等粗晶材料的信噪比對(duì)超聲檢測(cè)有影響，鑄鐵中石墨含量和尺寸對(duì)聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。3、固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)溫度、應(yīng)力、均勻性有關(guān)。（1）一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低幾乎除水以外的所有液體，當(dāng)溫度升高時(shí)，容變彈性模量減小，聲速降低（T↑→c↓）。唯有水例外，溫度在74℃左右時(shí)聲速達(dá)最大值，當(dāng)溫度低于74℃時(shí)，聲速隨溫度升高而增加；當(dāng)溫度高于74℃時(shí)，聲速隨溫度升高而降低。CL=1557-0.0245（74—t）2有機(jī)玻璃、聚乙烯中的聲速與溫度的關(guān)系如圖2-24所示（2）固體介質(zhì)的應(yīng)力狀況對(duì)聲速有一定的影響：當(dāng)應(yīng)力方向與波的傳播方向一致時(shí)，若應(yīng)力為壓縮應(yīng)力，則應(yīng)力作用會(huì)使工件彈性增加，這時(shí)聲速加快（σ↑→c↑）。反之，若應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，則聲速減慢（σ↑→c↓）。當(dāng)應(yīng)力與波的傳播方向不一致時(shí)，波動(dòng)過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡將受應(yīng)力干擾，使波的傳播方向產(chǎn)生偏離。圖2-24高分子物質(zhì)聲速隨溫度的變化

2.5超聲波的傳播2.5.1超聲波的波動(dòng)特性一。波的疊加（1）當(dāng)幾列波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，如果在空間某處相遇，則相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是各列波引起振動(dòng)的合成，在任意時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)的位移是各列波引起位移的矢量和。幾列波相遇后仍保持自己原有的頻率、波長(zhǎng)、振動(dòng)方向等特性并按原來(lái)的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，好象在各自的途中沒(méi)有遇到其他波一樣，這就是波的疊加原理，又稱波的獨(dú)立性原理。如：人們可以分辨出各種樂(lè)器和每個(gè)人的聲音。二.

波的干涉原理：兩列頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時(shí)，介質(zhì)中某些地方的振動(dòng)互相加強(qiáng)，而另一些地方的振動(dòng)互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波叫相干波。波的干涉是一種特殊狀態(tài)下的波的疊加。波的疊加原理是波的干涉現(xiàn)象的基礎(chǔ)，波的干涉是波動(dòng)的重要特征。在超聲檢測(cè)中，由于波的干涉，使超聲波源附近（近場(chǎng)區(qū)）出現(xiàn)聲壓極大極小值。如圖所示，現(xiàn)在討論在空間某點(diǎn)M發(fā)生干涉加強(qiáng)或減弱的條件。點(diǎn)波源S1、S2在M點(diǎn)引起的振動(dòng)為：y1=A1cosω（t-x1/c）y2=A2cosω（t-x2/c）質(zhì)點(diǎn)M的合振動(dòng)為：y=Acos（ωt+φ）其振幅：式中A1、A2——S1、S2分別在M點(diǎn)引起的振幅；A——M點(diǎn)的合振幅；λ——波長(zhǎng)；δ——波程差，δ=X2-X1。結(jié)論：a、當(dāng)δ=nλ（n為整數(shù)）時(shí)，A=A1+A2。這說(shuō)明當(dāng)兩相干波的波程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，二者互相加強(qiáng)，合振幅達(dá)最大值。b、當(dāng)δ=（2n+1）λ/2（n為整數(shù)）時(shí)，A=|A1—A2|。這說(shuō)明當(dāng)兩相干波的波程差等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，二者互相抵消，合振幅達(dá)最小值。若A1=A2，則A=0，即二者完全抵消。三.駐波與共振兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播時(shí)互相疊加而成的波，稱為駐波.如連續(xù)波的反射波和入射波互相迭加（全反射）就會(huì)形成駐波。另外脈沖波在薄層中的反射也會(huì)形成駐波。駐波是波動(dòng)干涉的特例。駐波形成的示例圖2-19設(shè)入射波和反射波的波動(dòng)方程分別為：y入=Acos2π（ft-x/λ）y反=Acos2π（ft+x/λ）則駐波的波動(dòng)方程為：y=y入+y反=2Acos（2πx/λ）cos（2πft）式中振幅為：2Acos（2πx/λ）圖2-19相對(duì)傳播的兩列波形成的駐波4、駐波的3個(gè)特點(diǎn)（1）x值滿足|cos（2x/λ）|=0的那些點(diǎn)，振幅恒為0，這些點(diǎn)始終靜止不動(dòng)，稱為波節(jié)。x值滿足|cos（2x/λ）|=1的那些點(diǎn)，振幅最大為2A，稱為波腹。波線上其余各點(diǎn)的振幅在0~2A之間。（2）波線上波節(jié)和波腹的位置是特定的。相鄰兩波節(jié)的間距為λ/2；相鄰兩波腹的間距也為λ/2。所以相鄰波節(jié)與波腹的距離為λ/4。（3）只有當(dāng)弦線長(zhǎng)度等于半波長(zhǎng)λ/2的整數(shù)倍時(shí)，才能形成駐波。這是探頭晶片設(shè)計(jì)依據(jù)，即晶片的厚度一般為λ/2。（4）形成駐波時(shí)，在界面處產(chǎn)生波節(jié)還是波腹，與兩種介質(zhì)的疏密程度有關(guān)。當(dāng)波從波疏介質(zhì)垂直入射到波密介質(zhì)，在界面處產(chǎn)生波節(jié)（如垂直入射到水/鋼界面）；反之，則在界面處產(chǎn)生波腹（如垂直入射到鋼/水界面）。（在超聲檢測(cè)的應(yīng)用：超聲檢測(cè)探頭晶片形成駐波時(shí)振動(dòng)最強(qiáng)）（晶片的頻率常數(shù)為N=ft=c/2。晶片的厚度為t=λ/2。）四.惠更斯原理如果介質(zhì)是連續(xù)的，那么介質(zhì)中任何質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都將引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，因此波動(dòng)中任何質(zhì)點(diǎn)都可以看作是新的波源。據(jù)此惠更斯于1690年提出了著名的惠更斯原理：介質(zhì)中波動(dòng)傳播到的各點(diǎn)都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其后任意時(shí)刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。利用惠更斯原理可以確定波前的幾何形狀和波的傳播方向?？梢越忉尣ǖ姆瓷洹⒄凵浼把苌涞痊F(xiàn)象。五.超聲波的衍射和繞射定義：波在傳播過(guò)程中遇到與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)恼系K物時(shí)，能繞過(guò)障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象，稱為波的衍射或波的繞射。波的衍射現(xiàn)象是衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)（TOFD）的物理基礎(chǔ)。2、波的衍射（1）如圖2-22所示，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，若遇到缺陷AB，據(jù)惠更斯－菲涅耳原理，缺陷邊緣A、B可以看作是發(fā)射子波的波源，使波的傳播方向改變，從而使缺陷背后的聲影縮小，反射波降低。波的繞射和障礙物尺寸Df及波長(zhǎng)λ的相對(duì)大小有關(guān)。當(dāng)Df《λ時(shí)，波的繞射強(qiáng)，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢。超聲檢測(cè)靈敏度約為λ/2，這是一個(gè)重要原因。當(dāng)Df》λ時(shí)，反射強(qiáng)，繞射弱，聲波幾乎全反射。（靈敏度受檢測(cè)系統(tǒng)、耦合、工件性質(zhì)、不連續(xù)性性質(zhì)、檢測(cè)頻率的影響。）圖2-22波的衍射圖2-23缺陷處的超聲波衍射現(xiàn)象（2）如圖2-23所示，平面波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到缺陷AB，據(jù)惠更斯－菲涅耳原理，缺陷邊緣A、B可以看作是發(fā)射子波的波源，聲波向各個(gè)方向衍射，從而使衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)成為可能。（3）波的衍射對(duì)檢測(cè)既有利又不利。由于波的繞射，使超聲波產(chǎn)生晶粒繞射順利地在介質(zhì)中傳播（有利：超聲波可在晶粒中傳播）；由于波的衍射，可以采用衍射波檢測(cè)缺陷，這是有利的。但同時(shí)由于波的繞射，使一些小缺陷回波顯著下降，以致造成漏檢，這又是不利的。（應(yīng)用：利用衍射波檢測(cè)缺陷——TOFD技術(shù)；微小缺陷的檢測(cè)。）2.5.2超聲波垂直入射到界面時(shí)的反射與透射一.單一平界面的反射與透射P0(I0)Z1Z2Pr(Ir)Pt(It)第一介質(zhì)第二介質(zhì)聲壓反射率：r=Pr/P0聲壓透射率：t=Pt/P0界面兩側(cè)的聲波必須滿足以下兩個(gè)條件：1）界面兩側(cè)的總聲壓相等Pr＋P0＝

Pt

2）界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值相等μ0–μr=μt由μ＝P/Z

(P0-Pr)/Z1=

Pt/Z2由以上兩個(gè)條件可得：1＋r=t(1-r)/Z1=t/Z2

聲強(qiáng)反射率：R==r=()聲強(qiáng)透射率：T==t–r=1T+R=1下面討論幾種常見界面上聲壓和聲強(qiáng)的反射和透射情況IrI022Z2-Z1Z1+Z2ItI04Z1Z2(Z1+Z2)2單一平界面的反射率與透射率

單一平界面的反射率與透射率超聲波垂直入射到某一界面時(shí)的聲強(qiáng)反射率與透射率與從何種介質(zhì)入射無(wú)關(guān)。單一平界面的反射率與透射率

（4）當(dāng)Z1>>Z2如鋼/空氣鋼/空氣界面：r≈-1t≈0t–r=1R≈1T≈0R+T=1表明：當(dāng)入射波聲阻抗遠(yuǎn)大于透射波介質(zhì)聲阻抗時(shí)，聲壓反射率趨于－1，透射率趨于0，聲壓幾乎全反射，無(wú)透射。應(yīng)用：探傷中，探頭與工件間如不施加耦合劑，則形成固/氣界面，超聲波無(wú)法進(jìn)入工件。

超聲檢測(cè)裂紋、分層等內(nèi)含空氣內(nèi)的缺陷時(shí)靈敏度很高（5）當(dāng)Z1≈Z2如鋼板和焊縫r≈0t≈1R≈0T≈1超聲波垂直入射的聲阻抗相差很近的界面時(shí)，幾乎全透射，無(wú)反射。

在焊縫探傷中，母材和填充焊縫金屬，聲阻抗非常接近，若沒(méi)有任何缺陷，是不會(huì)產(chǎn)生界面回波的。以上討論的超聲波縱波垂直入射到第一平界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射率和透射率公式同樣適用于橫波入射的情況，但必須注意的是在橫波入射到固體/液體或固體/氣體界面上，橫波全反射。因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。例：超聲波垂直入射至水/鋼界面，已知水的聲速CL1=1500m/s,密度為1000kg/m3，鋼中聲速CL2=5900m/s,Cs2=3230m/s,密度為7800kg/m3，試計(jì)算界面聲壓反射率r、聲壓透射率t、聲強(qiáng)反射率R和聲強(qiáng)透射率T？解：根據(jù)聲阻抗定義：Z=ρc水的聲阻抗：Z1=ρ1cL1=1000kg/m3×1500m/s＝鋼的聲阻抗：Z2=ρ2cL2

=7800kg/m3×5900m/s＝二.聲壓往復(fù)透射率Tp在超聲波單探頭檢測(cè)中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。探頭發(fā)出的超聲波透過(guò)界面進(jìn)入工件，在固/氣界面產(chǎn)生全反射后再次通過(guò)同一界面被探頭接收。這時(shí)探頭接收到的回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比，稱為聲壓往復(fù)透射率P0PtPtPaZ1Z2Z空氣=0

1、往復(fù)透射率高，探傷靈敏度高，反之，探傷靈敏度低。2、聲壓往復(fù)透射率與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，與從何種介質(zhì)入射到界面無(wú)關(guān)。3、界面兩側(cè)的介質(zhì)聲阻抗相差愈小，聲壓往復(fù)透射率就愈高，反之就愈低。

P39例2界面波和底波2.5.3

超聲波斜入射到平界面時(shí)的反射與折射一.超聲波傾斜入射到平界面上的現(xiàn)象反射折射波型轉(zhuǎn)換：當(dāng)超聲波斜入射的界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射外，還會(huì)產(chǎn)生不同類型的反射和折射。幾何光學(xué)三定律：1、在均勻介質(zhì)中光線沿直線傳播；2、入射角＝反射角；入射線、反射線、折射線在同一平面內(nèi)；3、入射角α和折射角β滿足：n:折射率LαLS有機(jī)玻璃晶片鋼縱波入射Z1Z2LαL根據(jù)反射、折射定律：（斯涅爾定律）

同一介質(zhì)中縱波的聲速不變,因此=同一介質(zhì)中縱波的聲速大于橫波的聲速，因此>,>

第一臨界角：

當(dāng)CL2>CL1時(shí)，βL>αL,隨著αL增大,βL也增大，當(dāng)βL＝90°時(shí)，所對(duì)應(yīng)的縱波入射角,α1第二臨界角：

（1）當(dāng)縱波入射角小于第一臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中既有縱波又有橫波；（2）當(dāng)縱波入射角介于第一臨界角和第二臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中只有橫波，沒(méi)有縱波，這就是常用橫波斜探頭的制作原理。（3）當(dāng)縱波入射角大于等于第二臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中即沒(méi)有縱波也沒(méi)有橫波，這是其介質(zhì)的表面存在表面波，這就是常用表面波探頭的制作原理。例如，縱波傾斜入射到有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)，有機(jī)玻璃中：CL1=2730m/s，鋼中CL2=5900m/s，CS2=3230m/s。則第一、二臨界角分別為：由此可見有機(jī)玻璃橫波探頭αL=27.6°～57.7°，有機(jī)玻璃表面波探頭αL≥57.7°橫波入射Z1Z2S橫波入射反射、折射定律第三臨界角：當(dāng)橫波入射角增大到一定程度，反射縱波沿著界面?zhèn)鞑?，這時(shí)所對(duì)應(yīng)當(dāng)橫波入射角為第三臨界角。當(dāng)橫波入射角大于等于第三臨界角時(shí)，第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒(méi)有反射縱波，即橫波全反射。

例：對(duì)鋼/空氣界面＝5900m/s,=3230m/s,

=33.2當(dāng)時(shí)，鋼中橫波全反射。二.聲壓反射率超聲波反射、折射定律只討論了各種反射波、折射波的方向問(wèn)題，未涉及聲壓反射率和透射率問(wèn)題。由于傾斜入射時(shí)，聲壓反射率、透射率不僅與介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，而且與入射角有關(guān)，其理論計(jì)算公式十分復(fù)雜，因此這里只介紹由理論計(jì)算結(jié)果繪制的曲線圖形。1、縱波斜入射到鋼/空氣界面的反射如圖所示，當(dāng)縱波傾斜入射到鋼/空氣界面時(shí)，縱波聲壓反射率rLL與橫波聲壓反率rLS隨入射角αL而變化。當(dāng)αL=60°左右時(shí)，rLL很低，rLS很高。原因是縱波傾斜入射，當(dāng)αL=60°左右時(shí)產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的變型反射橫波。鋼空氣LL'S'αLrLSrLL20406080αLrLL0.21.00.40.80.6rLS2、橫波斜入射到鋼/空氣界面的反射如圖所示，橫波傾斜入射到鋼/空氣界面，橫波聲壓反射率rSS與縱波聲壓反射率rSL隨入射角而變化。當(dāng)=30°左右時(shí)，rSS很低，rSL較高。當(dāng)≥33.2°（αⅢ）時(shí)，rSS=100％，即鋼種橫波全反射。鋼空氣SL'S'αS20406080αsrSS0.21.00.40.80.6rSLrSSrSL33.2αⅢ三.斜入射時(shí)的聲壓往復(fù)透射率

βPtPtP0Paα

聲壓往復(fù)透射率：超聲波傾斜入射，折射波全反射，探頭接收到的回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比。超聲波探傷中，常用的是反射法，超聲波往復(fù)通過(guò)同一探測(cè)面，因此，聲壓往復(fù)透射率才具有實(shí)際意義。1.水/鋼界面聲壓往復(fù)透射率下圖為縱波傾斜入射至水/鋼界面時(shí)的聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系曲線。當(dāng)縱波入射角αL＜14.5°（αⅠ）時(shí)，折射縱波的往復(fù)透射率TLL不超過(guò)13%，折射橫波的往復(fù)透射率TLS小于6％。當(dāng)αL=14.5～27.27°（αⅡ）時(shí)，鋼中沒(méi)有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波的往復(fù)透射率TLS最高不到20％。實(shí)際檢測(cè)中水浸檢測(cè)鋼材就屬于這種情況。對(duì)水/鋼界面：透射率較低，靈敏度較低——采用聚焦技術(shù)。2.有機(jī)玻璃/鋼界面上的聲壓往復(fù)透射率下圖為縱波傾斜入射至有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)往復(fù)透射率與入射角之間的關(guān)系曲線。當(dāng)αL＜27.6°（αⅠ）時(shí)，折射縱波的往復(fù)透射率TLL不超過(guò)小于25％，折射橫波的往復(fù)透射率TLS小于10％。當(dāng)αL=27.6°～57.7°（αⅡ）時(shí)，鋼中只有折射橫波，無(wú)折射縱波。折射橫波的往復(fù)透射率TLS最高不超過(guò)30％。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的αL≈30，βS≈37°。實(shí)際檢測(cè)中有機(jī)玻璃橫波探頭檢測(cè)鋼材就屬于這種情況。橫波折射角βS：45°～70°

2.5.4端角反射端角反射：超聲波在兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射叫做端角反射。

P0Paαβ橫波斜探頭1.未發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，入射波平行反射波，方向相反，α+β＝90°

橫波折射角為45°左右的聲束入射到端角就屬這種情況

2.發(fā)生波型轉(zhuǎn)換的二.端角反射率：回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比.T端＝Pa/P0常見鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率縱波入射時(shí)，端角反射率都很低，這是因?yàn)榭v波在端角的兩次反射中分離出較強(qiáng)的橫波。橫波入射時(shí)，入射角αS=30°或60°附近時(shí)，端角反射率最低。αS在35°～55°時(shí)端角反射率達(dá)100％，實(shí)際工作中，橫波檢測(cè)焊縫單面焊根部未焊透的情況就類似于這種情況，當(dāng)橫波入射角αS（等于橫波探頭的折射角βS）=35°～55°，即K=tgβS=0.7～1.43時(shí)，檢測(cè)靈敏度最高。當(dāng)βS=56°，即K=1.5時(shí)，檢測(cè)靈敏度較低，可能引起漏檢。在檢測(cè)垂直于表面的裂紋、未焊透等缺陷時(shí)，應(yīng)避免選用縱波斜探頭或折射角為60°的橫波探頭

超聲波是一種頻率很高波長(zhǎng)很短的機(jī)械波，當(dāng)超聲波入射到曲界面上時(shí)，與可見光入射到曲界面上的情況相似，具有聚焦和發(fā)散的特性。而且，由于超聲波在界面上會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，因此超聲波的聚焦與發(fā)散更為復(fù)雜。為了便于討論，這里不考慮波型轉(zhuǎn)換存在。超聲波在遇到曲界面時(shí)的聚集與發(fā)散，與入射波的波形，曲界面兩側(cè)的聲速等因素有關(guān)，存在多種可能性。下面就超聲波檢測(cè)中經(jīng)常遇到的情況，作簡(jiǎn)單的介紹。2.5.5超聲波入射到曲界面上的反射、透射1、平面波在曲界面上的反射當(dāng)平面波入射到曲界面上時(shí)，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散。平面波束與曲界面上各入射的法線成不同的夾角：入射角為0oC的聲束沿原方向返回，稱為聲軸，其余聲線的反射則隨著距聲軸距離的增大，反射角逐漸增大。當(dāng)曲界面為凹球面時(shí)，反射線匯聚于一個(gè)焦點(diǎn)上；當(dāng)曲界面為凹圓柱面時(shí)，反射線匯聚于一條焦線上。此時(shí)，焦距為：式中：r—曲界面的曲率半徑mm。平面波在曲界面上的反射與折射

——反射入射到球面時(shí)——反射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波，或聚焦、或發(fā)散，聲壓：式中：f——焦距，f=r/2r——曲率半徑

＋——用于發(fā)散，－——用于聚焦平面波在曲界面上的反射與折射

——反射入射到柱面時(shí)——反射波可視為從聚焦軸線發(fā)出的柱面波，或聚焦、或發(fā)散，聲壓：在超聲檢測(cè)中的應(yīng)用球形或柱形氣孔平面波在曲界面上的反射與折射

——折射影響聚焦或發(fā)散的因素：曲面的凹凸、聲速。a)c1<c2b)c1>c2c)c1>c2d)c1<c2平面波入射到曲面上時(shí)，其折射波也將聚焦和發(fā)散，這時(shí)聚焦和發(fā)散不僅僅與曲面的凹凸有關(guān)，而且，與界面兩側(cè)介質(zhì)的波速有關(guān)。對(duì)于凹面，當(dāng)C1＜C2時(shí)聚焦，當(dāng)C1＞C2時(shí)發(fā)散；

對(duì)于凸面，當(dāng)C1＞C2時(shí)聚焦，當(dāng)C1＜C2時(shí)發(fā)散。實(shí)際檢測(cè)用的水浸聚焦探頭就是根據(jù)平面波入射到C1>C2的凸透鏡上，折射波發(fā)生聚焦的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)的，這樣可以提高檢測(cè)靈敏度。

焦距F＝r/1-(C2/C1)C1為透鏡材料的聲速C2為水的聲速

應(yīng)用：水浸超聲檢測(cè)棒材－聚集探頭2.6.1超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，超聲能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波衰減。2.6.1衰減的原因擴(kuò)散衰減、散射衰減、吸收衰減

擴(kuò)散衰減－聲束的擴(kuò)散，使超聲波的能量隨距離增加而減弱的現(xiàn)象。超聲波的擴(kuò)散衰減僅取決與波振面的形狀，與介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。

平面波：不存在衰減；

球面波：球面波的波振面為同心球面，聲束向四面八方擴(kuò)散，存在擴(kuò)散衰減，聲壓與距離成反比。

柱面波：波振面為同軸圓柱面，聲束向四周擴(kuò)散，存在擴(kuò)散衰減，聲壓與距離的平方根成反比。散射衰減：

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射而引起的衰減現(xiàn)象。散射衰減與介質(zhì)的晶粒密切相關(guān)－晶粒散射。當(dāng)材質(zhì)晶粒度大時(shí)，散射衰減嚴(yán)重，被散射的超聲波沿復(fù)雜的路徑傳到探頭，在示波屏上引起林狀回波（又稱草波）使信噪比下降，嚴(yán)重時(shí)噪聲湮沒(méi)缺陷波。吸收衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)引起超聲波的衰減。

介質(zhì)衰減通常是指吸收衰減和散射衰減，而不包括擴(kuò)散衰減。2.6.2衰減規(guī)律和衰減系數(shù)1、衰減方程平面波：P0波源的起始聲壓PX至波源距離為x處的聲壓X至波源的距離α介質(zhì)衰減系數(shù)球面波：柱面波：二.衰減系數(shù)衰減吸收只考慮介質(zhì)的散射和吸收衰減，未涉及擴(kuò)散，對(duì)固體介質(zhì)而言：α＝αs＋αa吸收衰減系數(shù)：αa=c1f

d<λ散射衰減系數(shù)：αs＝

d≈λ

d>λ

d：介質(zhì)的晶粒直徑F：各項(xiàng)異性系數(shù)c1、c2、c3、c4常數(shù)由以上公式可知：（1）介質(zhì)的吸收系數(shù)與頻率成正比；（2）介質(zhì)的散射系數(shù)與f、d、F有關(guān)。

在實(shí)際探傷中，當(dāng)介質(zhì)的晶粒較粗大時(shí)，若采用較高的頻率，將會(huì)引起嚴(yán)重衰減，示波屏出現(xiàn)大量草波，使信噪比明顯下降，超聲波的穿透能力也顯著下降。這就是晶粒粗大的奧氏體鋼和一些鑄件探傷的困難所在。

粗晶材料----較低的頻率（晶粒細(xì)化的熱處理）2.6.3衰減系數(shù)的測(cè)定衰減系數(shù)的測(cè)量△dB=α△x一.薄板工件衰減系數(shù)的測(cè)定對(duì)于厚度較小，上下底面平行，表面光潔的薄板工件或試塊，可用直探頭放在薄板表面，使聲波在上下表面往復(fù)反射，在示波屏上出現(xiàn)多次底波，由于介質(zhì)的衰減和反射損失，使底波高度依次減小，如圖所示，介質(zhì)的衰減系數(shù)按下面公式計(jì)算：式中:m、n為底波的反射次數(shù);Bm、Bn第m、n次底波高度；δ為反射損失，每次反射損失約為（0.5~1)dB；X為薄板的厚度。。α＝[20lgBm/Bn-20lgn/m-(n-m)δ]/2(n-m)xdB/mmxBmBnT薄板工件衰減系數(shù)的測(cè)定厚板工件衰減系數(shù)的測(cè)定2、厚板或粗圓柱體的衰減系數(shù)的測(cè)定對(duì)于厚度大于200mm的厚板或粗圓柱體類工件，可根據(jù)第一、二次底波B1、B2的高度，按照下面公式計(jì)算：式中：B1、B2第一、二次底波的高度；

δ：反射損失；6：擴(kuò)散衰減引起的分貝差；x：工件厚度xB1B2T要求工件兩表面平行、光潔；傳播距離在未擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，無(wú)擴(kuò)散衰減P52例

超聲波探頭（波源）發(fā)射的超聲場(chǎng)具有特殊的結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)缺陷位于超聲場(chǎng)內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。。2.7超聲波發(fā)射聲場(chǎng)圓盤聲源輻射的縱波聲場(chǎng)

——聲軸線上的聲壓分布圓盤聲源輻射的縱波聲場(chǎng)

——聲軸線上的聲壓分布理論計(jì)算仿真P－波源軸線上任意一點(diǎn)聲壓；P0－波源的起始聲壓；FS

－波源面積；Rs–波源半徑λ

－波長(zhǎng)；x

－軸線上Q點(diǎn)至波源的距離。圓盤源軸線上的聲壓與距離成反比，與波源面積成正比。近場(chǎng)區(qū)：波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大極小值的區(qū)域，成為超聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)定量是不利的，處于聲壓極小值處的較大缺陷回波可能較低，而處于聲壓極大值處的較小缺陷回波可能較高，這樣就容易引起誤判，甚至漏檢，近場(chǎng)區(qū)聲壓分布不均勻,容易引起誤判，甚至漏檢，所以，應(yīng)盡量避免近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)。波源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值至波源的距離稱為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度,用N表示.在近場(chǎng)內(nèi)內(nèi)，聲束不擴(kuò)散。最后一個(gè)聲壓極小值距聲源的距離為0.5NP/