第一章-超声检测物理基础

《超声检测》课后综合训练答案第一单元超声检测的物理基础一、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，那种振荡方式就是声波。

电磁波是电磁场的一种运动形态。

2.可闻声波与超声波可闻声波就是人可以听见的声波，频率20Hz～20000Hz,高于20000Hz或低于20Hz一般人都听不到。

频率超过20000Hz的声波，称为超声波。

3.连续波与脉冲波波源持续不断振动所辐射的波称为连续波。

波源间歇振动辐射的波称为脉冲波。

4.纵波与横波纵波是质点的振动方向与传播方向同轴的波。

横波是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波，如电磁波、光波等。

5.瑞利波与脉冲波瑞利波也称表面波，是沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波。

（脉冲波见上述）6.波长与声速波长指沿着波的传播方向，两个相邻的振动相位相同的质点之间的距离。

在波动过程中，某一振动状态在单位时间内波传播的距离称为波速。

声波的波速简称声速。

7.声压与声强在超声场中某一质点由于超声波的传播而受到的附加压强称为该处的声压。

声强是指单位时间内垂直通过单位面积的声能。

8.平面波与球面波波阵面为一系列相互平行的平面的波称为平面波。

波阵面为一系列同心球面的波称为球面波。

9.波的叠加与干涉当几列波在空间相遇时，在相遇区域内任一点的振动，为各列波单独存在时在该点引起的振动位移的矢量和，这一规律称为波的叠加。

如果两列频率相同、振动方向相同、相位差恒定的简谐波叠加时，使得空间某些质点的振动始终加强，而另一些质点处的振动始终减弱，这种现象称为波的干涉。

10.反射与折射波传播过程中，当遇到异质界面时，波的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，称为波的反射。

另一部分波将穿过异质界面继续传播，称为波的折射。

11.反射率与透射率反射波与入射波的声压或声强之比，称为波的反射率。

透射波与入射波的声压或声强之比，称为波的透射率。

12.聚焦与发散波在传播过程中，若果声束横截面越来越小，称为波的聚焦，反之则成为波的发散。

1 超声检测第一章超声波探伤是目前应用最广泛的方法之一，它的本质是机械波。

质点的机械振动和振动的传播，构成了超声波探伤的物理基础。

其传播过程中所遵循的规律又可以分为几何声学和物理声学两部分。

几何声学是指界面上的反射定律、折射定律和波形转换规律。

物理声学是指叠加、干涉、绕射和惠更斯原理。

超声波探伤过程中，声波在异质界面的行为，将遵循上述的规律。

第一节 振动与波动一 振动 振动包括弹性媒质中的机械振动和电磁场中的电子振动、量子场中的光子振动等。

光亮子的振动有微粒和波动的两重性。

声波的振动即属弹性媒质中的机械振动，(T ①)它是指在弹性媒质中，质点在其平衡位置的附近做具有周期性的往复运动。

2）（T ②）振动常用周期T 和频率f 这两个物理量来描述：2T ——振动物体（或质点）每振动一次所需要的时间（s ）。

F ——单位时间内振动的次数（次/s/Hz 、KHz 、MHz ）。

T = 1/f ，二者互为倒数。

3）简谐振动 (T ③)最简单的、最基本的直线振动称简谐振动，这种振动是无阻尼的、无衰减线性振动 如弹簧的位移服从虎克定律：F = - ky式中：k — 弹性常数[达因/厘米]； y — 位移量； 负号表示弹性力与位移量相反 。

（T ④谐振动方程）y = Acos(ωt+φ)式中：A — 振幅，即最大的水平位移；ω— 园频率，即一秒钟内变化的弧度数，ω= 2πf = 2π/ T ；φ— 初相位，即t = 0 时质点M 的相位； ωt+φ— 质点M 在t 时刻的相位 如书中图1.1所示。

谐振动的方程描述了谐振动物体在任一时刻的位移情况。

谐振动的特点是：物体受到的回复力的大小与位移成正比，其方向总是指向平衡位置。

如弹簧振子的振3动、单摆振动、音叉振动等。

谐振动振幅、频率不变，位能、势能由最大到零互相转变，符合机械能守恒。

（4）（T ③）阻尼振动 谐振动是理想条件下的振动，不考虑阻力，但实际任何振动都有阻力，克服这个阻力就要做功，能量就随时间不断减少。

超声波检测(船舶教材)（幻灯片稿本编写：孟传亨）§1超声波检测物理基础1 机械振动和机械波1.1 机械振动：一个物理量的值在观测时间内不停地经过极大值和极小值的周期变化，这种变化状态称为振动。

如果振动量是个力学量，如位移、角位移等，所作的振动称之为机械振动。

图1－1(教材中的图2－1和图2－2)表示了机械振动的两个示例。

1.1.1两个表征振动的参数：周期T：完成一次全振动所需的时间，常用单位秒(s)。

频率f：单位时间内完成全振动的次数，单位为赫芝(Hz)。

1Hz＝1次/秒＝秒－1；1MHz＝106Hz。

1.1.2振动方程：最简单最基本的直线振动称为谐振动，任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。

描述谐振动质点M位移y与时间t关系的谐振动方程如下：y＝Acos(ωt＋φ) （1－1）式中：y——为振动幅度在任一瞬间时t的数值；A——为振幅，是y的最大值；ω——角频率(角速度)，ω＝2πf；φ——初始相位角，即t＝0时质点M的相位；(ωt＋φ)——质点M在t时刻的相位。

可用图1－2（教材中的图2－6）来进一步说明物体谐振动时，位移是时间的正弦或余弦函数。

1.2 机械波和声波：1.2.1机械波的形成机械振动在介质中的传播称为机械波，机械振动在弹性体中的传播称之为弹性波（声波）。

图1—3（教材中的图2－3）是弹性体的模型，可用来说明机械波的形成。

1.2.2产生机械波的两个条件：1.作机械振动的波源；2.传播振动的介质。

1.2.3超声波如果以频率f来表征声波，并以人的可闻频率为分界线，则可把声波划分为次声波（f＜20Hz）、可闻声波（20Hz≤f≤20kHz）和超声波（f＞20kHz）。

在超声波检测中最常用的频率范围为0.5～10MHz。

1.2.4三个表征波动的参数：频率f：波在单位时间内通过给定点的完整波的个数称为波的波动频率；波长λ：波在一个周期内传播的距离称为波长；波速c：声波在单位时间所传播的距离称为波速。

第一单元超声波检测的物理基础1、机械振动：有些物体在某一固定的位置（即平衡位置）附近作周期性的往复运动，这种运动形式被称为机械振动，简称振动。

2、自由振动：做振动的系统在外力的作用下物体离开平衡位置以后就能自行按其固有频率振动，而不再需要外力的作用，这种不在外力作用下的振动称为自由振动。

3、无阻尼自由振动：理想情况下的自由振动叫无阻尼自由振动。

自由振动时的周期叫固有周期，自由振动时的频率叫固有频率，它们由振动系统自身条件所决定，与振幅无关。

4、简谐振动：最简单最基本的直线无阻尼自由振动称为简谐振动，简称谐振。

5、在周期性外力的作用下产生的振动称为受迫振动，这个周期性的外力称为策动力。

6、机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波。

机械波产生的条件：有机械振动振源和传播振动的弹性介质。

7、波长：在同一波线上两个相邻的振动相位相同的质点之间的距离，称为波长（即一个“波”的长度），用符号λ表示。

波长的常用单位是毫米（mm）或米（m）。

8、频率：单位时间内波动通过某一位置的完整波的数目，称为波动频率，也是质点在单位时间内的振动次数，用符号f表示。

频率的常用单位是赫兹（Hz），即（次）/秒。

波的频率是波源的振动频率，与介质无关。

9、周期：周期在数值上等于频率的倒数，它是波动前进一个波长的距离所需要的时间，用符号T表示。

周期的常用单位有秒（s）。

10、波速：在波动过程中，某一振动状态（即振动相位）在单位时间内所传播的距离叫做波速，用c表示，其常用单位为米/秒（m/s）。

波速的影响因素有：（1）介质的弹性模量和密度；（2）波的类型；（3）传播过程中的温度。

11、惠更斯原理：媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，在其后的任一时刻，这些子波的包迹就决定新的波阵面。

惠更斯原理对任何波动过程都适用，不论是机械波或电磁波，不论这些波动经过的媒质是均匀的或非均匀的。

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。

物理基础第一节声波的定义及分类一、定义物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动，而引起听觉器官有声音感觉的波动则称为声波。

根据声波的传导方向与介质的的振动方向的关系，声波有纵波和横波之分。

二、横波所谓横波是指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波。

人体的骨骼中，不但传播纵波，还传播横波。

三、纵波即介质中质点沿传播方向运动的波。

在纵波通过的区域内，介质各点发生周期性的疏密变化，因此纵波是胀缩波。

理想流体(气体和液体)中声振动传播方向与质点振动方向是平行的，只存在于纵波。

人体中含水70—80％，故除骨路、肺部以外软组织中的声速和密度均接近于水。

目前医用超声的研究和应用主要是纵波传播方式。

第二节超声显像物理基础一、超声波基本物理量1、超声波是声源振动的频率大于20000 Hz的声波。

2、超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（λ），声速（c），它们的关系是：c=f·λ或λ=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质，不同频率的超声波在相同介质中传播时，声速基本相同。

3、相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同，人体软组织中超声波速度总体差异约为5％。

因此目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m/s。

通过该声速可测量软组织的厚度，由于目前超声仪所采用的是脉冲回声法，故该回声测距的公式是：t组织厚度=Ｃ·───2利用超声方法进行测距的误差也是5％左右。

4、声阻抗是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度ρ与声波在该介质中的传播速度c的乘积所决定，即：Z=ρ·c单位为Kg／m2·s。

5．临床常用的超声频率在2～10 MHz之间。

二、超声波的物理性能l、超声波在介质中传播时，遇到不同声阻的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射，反射的能量由反射系数R I=〔（Z2-Z1）/（Z2+Z1）〕2决定。

Z1、Z2为两种介质的特性声阻抗，Z=ρ·c (密度·声速）当Z1=Z2，为均匀介质，则RI＝0，无反射。

第一章超声检测物理基础Chapter 1 Physical Foundations for Ultrasonic Testing本章简要介绍声波的本质、声波的传播、声场、规则反射体回波声压计算和A VG曲线等超声检测的物理基础。

掌握这些基础对正确理解超声波的特性、合理选择超声检测条件、有效解释超声波传播的现象等都极其重要。

1.1声波的本质essence of sound wave1.1.1振动与波vibration & wave波有两种类型：电磁波（如无线电波、X射线、可见光等）和机械波（如声波、水波等）。

声波的本质是机械振动在弹性介质中传导形成的机械波。

声波的产生、传播和接收都离不开机械振动，如人体发声是声带振动的结果；声音从声带传播到人耳，是声带引起空气振动的结果；人能听见声音是因为空气中的振动引起了人耳鼓膜的振动的结果。

所以，声波的实质就是机械振动。

1、机械振动质点不停地在平衡位置附近往复运动的状态称为机械振动。

如钟摆的运动、气缸中活塞的运动等。

(1) 谐振动如图1-1所示的质点——弹簧振动系统，在静止状态下往下轻拉一下装在弹簧上的小质点，松手后质点便在平衡点附近进行往复运动。

如空气阻力为零，则质点——弹簧系统自由振动的位移随时间的变化符合余弦（或正弦）规律：()ωφ(1-1)cos=+y A t式中：y——质点的位移，单位：米（m）A——质点的振幅，单位：米（m）t——时间，单位：秒（s）图1-1 加载弹簧的振动这种位移随时间的变化符合余弦规律的振动称为谐振动。

谐振动是一种周期振动，质点在平衡位置往复运动一次所需的时间称为周期，用T表示，单位为秒（s）；单位时间（即1秒钟）内完成的振动次数称为频率，用f表示，单位为赫兹（Hz）。

二者之间的关系为：1(1-2)Tf谐振动是一种振幅和频率始终保持不变的、自由的、周期振动，因而是最基本、最简单、最理想的机械振动。

其振动频率是由系统本身决定的，称为固有频率。

超声基础知识.doc1第⼀章、超声诊断物理基础第⼀节超声波的概念⼀、超声波的基本概念1、声波的性质超声波是指频率超过⼈⽿听觉范围（20~20000HZ）的⾼频声波，即：频率>20000HZ的机械（振动）波。

超声波不能在真空中传播，超声波的振态在固体中有纵波、横波、表⾯波、瑞利波、板波等多种振态，⽽在液体和⽓体中只有纵波振态，在超声诊断中主要应⽤超声纵波。

2、诊断常⽤的超声频率范围2~10MHZ(1MHZ=106HZ)3、超声波属于声波范畴它具有声波的共同物理性质①⽅式------必须通过弹性介质进⾏传播在液体、⽓体和⼈体软组织中的传播⽅式为纵波(疏密波) 具有反射、折射、衍射、散射特性,以及在不同介质中(空⽓、⽔、软组织、⾻骼)分别具有不同的声速和不同的衰减等②声速------在不同介质中，声速有很⼤差别：空⽓(20℃)344m/s,⽔（37℃）1524m/s,肝1570m/s,脂肪1476m/s,颅⾻3360m/s⼈体软组织的声速平均为1540m/s,与⽔的声速相近。

⾻骼的声速最⾼相当于软组织平均声速的2倍以上⼆、基本物理量声学基本物理量波长、频率、声速及三者的关系λ=С/f 声速：不同介质的声速空⽓(20℃)344m/s、⽔(37℃)1524m/s、肝脏\⾎液1570m/s、脂肪组织1476m/s、颅⾻3360m/s。

⼈体软组织平均声速掌握1540m/s 三、声场（⼀）超声场概念超声场是指发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间。

超声场简称声场，⼜可称为声束。

（⼆）声场特性1、①扫描声束的形状、⼤⼩（粗细）及声束本⾝的能量分布，随所⽤探头的形状、⼤⼩、阵元数及其排列、⼯作频率（超声波长）、有⽆聚焦以及聚焦的⽅式不同⽽有很⼤的不同②声束还受⼈体组织不同程度吸收衰减、反射、折射和散射等影响即超声与⼈体组之间相互作⽤的影响。

2、声束由⼀个⼤的主瓣和⼀些⼩的旁瓣组成超声成像主要依靠探头发射⾼度指向性的主瓣并接收回声；旁瓣的⽅向总有偏差，容易产⽣伪像。

一、判断题第一单元（物理基础）1、波动过程中能量传播是靠相邻两质点的相互碰撞来完成的。

（ F ）2、波只能在弹性介质中产生和传播。

（ F ）3、由于机械波是由机械振动产生的，所以波动频率等于振动频率。

（ O ）4、由于机械波是由机械振动产生的，所以波长等于振幅.。

（ F ）5、传声介质的弹性模量越大，密度越小，声速就越高。

（ O ）6、物体作谐振动时，在平衡位置的势能为零。

（ O ）7、一般固体介质中的声速随温度的升高而增大。

（ F ）8、由端角反射率试验结果推断，使用K≥1.5的探头探测单面焊焊缝根部未焊透缺陷，灵敏度较低，可能造成漏检。

（ O ）9、超声波扩散衰减的大小与介质无关。

（ O ）10、超声波的频率越高，传播速度越快。

（ F ）11、介质能传播横波和表面波的必要条件是介质具有切变弹性模量。

（ O ）12、频率相同的纵波，在水中的波长大于在钢中的波长。

（ F ）13、既然水波能在水面传播，那么超声表面波也能在液体表面传播。

（ F ）14、因为超声波是由机械振动产生的，所以超声波在介质中的传播速度即为质点的振动速度。

（ F ）15、如材质相同，细钢棒（直径<λ）与钢锻件中的声速相同。

（ F ）16、在同种固体材料中，纵、横波声速之比为常数。

（ O ）17、不同的固体介质，弹性模量越大，密度越大，则声速越大。

（ F ）18、表面波在介质表面作椭圆振动，椭圆的长轴平行于波的传播方向。

（ F ）19、波的叠加原理说明，几列波在同一介质中传播并相遇时，都可以合成一个波继续传播。

（ F ）20、在超声波传播方向上，单位面积、单位时间通过的超声能量叫声强。

（ F ）21、超声波的能量远大于声波的能量，1MHz的超声波的能量相当于1KHz声波能量的100万倍。

（ O ）22、声压差2倍，则两信号的分贝差为6dB（分贝）。

（ F ）23、材料的声阻抗越大，超声波传播时衰减越大。

（ F ）24、平面波垂直入射到界面上，入射声压等于透射声压和反射声压之和。