超声基础知识部分

1 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。

12、波的衍射：波在传播过程中遇到障碍物时，能绕过障碍物的边缘，在障碍物的阴影区内继续传播的现象，称为波的衍射。波的衍射与障碍物的尺寸和与波长的相对大小有关。当狭缝宽度小于波长时，衍射效果显著。在超声波检测中，如果缺陷尺寸远小于波长，由于波的衍射较强，反射回波强度较弱，缺陷回波很低，容易漏检。超声波检测的灵敏度约为λ/2，这是一个很重要的原因。

13、波传播的独立性作用原理：几列波在空间传播时，无论是否相遇，都将保持各自原有的(频率、波长、振动方向、传播方向)传播，并不会因其它波的存在而改变，这一规律称为波传播的独立作用原理。

14、波的干涉：两列频率相同、振动方向相同、相位差恒定的简谐波的叠加使空间某些点处的振动始终加强，而另一些点处的振动始终减弱，呈现规律性分布，这种现象称为干涉现象。能产生干涉现象的波称为相干波，相应的波源称为相干波源。同频率、同振动方向、恒相位差称为相干条件。

15、驻波：当两列振幅相同的相干波在同一条直线上相向传播时互相迭加而形成的波，称为驻波。驻波是波动干涉的特例。驻波是分段的振动，相邻段振动相位相反。相邻波腹或波节的距离为2，相邻波腹与波节的距离为4。设计超声波探头时，为了在晶片中形成驻波，须将晶片厚度设计成2。 2 16、纵波：介质质点的振动方向与波的传播方向相互平行的波，称为纵波。又称为压缩波或疏密波。纵波可以在固体、液体、气体介质中传播。

17、横波：介质质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波，称为横波。也称为切变波。横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。（只有固体介质才能承受剪切应力，液体和气体介质不能承受剪切应力）。

18、表面波：交变的应力作用于介质的表面，产生沿介质表面传播的波，称为表面波。又叫瑞利波。它只能在固体表面传播。表面波的能量随传播深度的增加而迅速减弱。当传播深度超过波长的两倍时，质点的振幅已经很小了，因此，在实际的检测中认为表面波只能发现距工件表面两倍波长深度范围内的缺陷。

19、板波：当板厚、频率和波速之间满足一定的关系时，将在一个板厚与波长相当的薄板中产生另一种波动形式，那就是板波。又称为莱姆波。

20、平面波：波阵面为一系列相互平行的平面的波称为平面波。理想的平面波是不存在的，尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的均匀介质中辐射的波可近似地看作指向一个方向的平面波。

21、柱面波：波阵面为一系列同轴圆柱面的波称为柱面波。柱面波的波源为一条线。

22、球面波：波阵面为一系列同心球面的波称为球面波。球面波的波源为一点。当一个点波源的尺寸远小于波长，其振动在无限大各向同性的均匀介质中传播时，则波动从中心向各个方向同样的传播，形成的波近似为球面波。

23、活塞波：当一个小的片状波源沿着刚性壁作简谐振动，且其表面各质点具有相同的振动相位和振幅，则在无限大各向同性的弹性介质中辐射的波称为活塞波。当距离波源足够远时，活塞波类似于球面波。

24、波的形状：是指波阵面的形状，简称波形。

25、波阵面：波动由波源发出后，在无限大且各向同性的弹性介质中传播时在同一时刻，介质中振动相位相同的所有质点连接成的面称为波阵面。

26、波前：处于最前面的波阵面称为波前。

27、波线：沿波的传播方向假想的一条射线称为波线。

29、连续波：波源持续不断的振动所辐射的波称为连续波，通常用于穿透法超声检测。

30、脉冲波：波源间歇性振动，振动持续时间通常是微秒数量级，在介质中间歇性辐射的波称为脉冲波，脉冲波通常用于反射法超声检测。

31、超声波：频率高于20000Hz的声波叫做超声波。

32、次声波：频率低于20Hz的声波叫做次声波。

33、听阈：频率大约为20Hz～20000Hz的振动才能引起听觉，称为听阈。

34、超声波的特点：方向性好、能量高、穿透力强、在界面上反射、折射和波型转换。

35、超声波在介质中的穿透距离与材料加工情况、制造工序有关。内部组织细小的材料透声性好。粗晶材料、多孔材料透声性差。一般同一组织材料低频率超声波穿透力更强。

36、声压：在超声场中某一位置的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，用符号P表示。超声波的频率远大于一般可闻声波，因此超声波的声压也远大于可闻声波的声压。cAfcAPm2

37、声强：单位时间、单位面积上垂直通过的声波能量，用 3 符号I表示。aaZPZcAI221212222

超声波的频率远大于一般可闻声波，因此超声波的声强也远大于可闻声波的声强。

38、声阻抗：指超声场中某一点的声压P与该处质点的振动速度之比，用符号aZ表示。cccAPZa

39、近场区：声源附近出现一系列声压极大值和极小值的区域称为近场区，又叫菲涅耳（Fresnel）区。0202022044FRDDNx，声压为最后一个极小值时Nx5.0。

40、实际超声检测时为何要避免在近场区探伤？

在超声波检测中，当位于声压极小值处的较大缺陷反射回来的信号可能较弱，显示屏上的回波高度较低，而位于声压极大值处的较小缺陷反射回来的信号可能较强，显示屏上的回波高度较高，这样就容易引起误判，甚至漏检，因此应可能避免在近场区检测。

41、远场区：近场区N点以后的区域称为远场区，又叫富兰赫费尔（Franhofer）区。在远场区声源轴线上的声压随距离的增加单调减小。当x＞N3时，轴线上活塞波的声压实际上可以用球面波的声压公式来近似计算。当x≥43320DN时，xFPxDPP002004

42、声束的指向性：从声源发出的超声波能量集中在一定区 4 域内，以束状向前传播，这种现象称为声束的指向性。声束指向性的好坏用声束边缘线与其中心线之间的夹角来反映。的大小反映了声束能量集中的程度。

图1-27 圆盘声源声束指向性

43、为什么超声检测缺陷时要求找到最高回波？

在声源轴线上至声源的距离x＞N的同一横截面上各点的声压是不同的，以声源轴线上的声压最高。因此在实际超声波检测中，要求以声束轴线垂直于缺陷时的回波幅度来定量缺陷就是这个原因。因为这时反射回来的信号最强，仪器显示屏上回波最高。

44、半扩散角：超声波的能量主要集中在2θ0范围内。因此常取y=3.83时的θ0作为声束的边缘界限，称θ0为声束的半扩散角或指向角，也称为第一零值发散角。0070D 5 在2θ0角度范围内的声束称为主声束，在2θ0角度以外出现的多个且一个比一个峰值小的声束称为副声束。

45、声束指向性与近场区的关系如何？

指向角越小，超声波能量越集中，检测灵敏度越高。同时声束方向性好有利于准确定位缺陷。增大声源的直径、提高波的频率，从而减小声束的半扩散角，有利于改善波的指向性。但是从近场区的角度看，增大声源的直径、提高波的频率将使近场区长度增加，对检测不利。一般在实际检测中，在保证检测灵敏度的前提下尽量减小近场区长度。

46、声束未扩散区与扩散区：超声波是以一定的角度向外扩散出去的，但是在距离声源较近的范围内由于存在着很多副声束，声场整体形状象一个与声源同直径的圆柱，即未扩散区。当距离较远时只有一个主声束，其整体形状是以声束指向角为扩散角的圆锥，即扩散区。NDb64.144.220

47、圆盘源纵波声场的声压分布：在Nx的近场区内，声压除了存在很多极大值和极小值点外，声束轴线上还存在着声压值为零的截面，如Nox5.的截面处。在Nx的远场区内，各截面总是中心声压最高，偏离中心轴线的声压逐渐降低。在实际检测中测定探头声束偏离和斜探头的K值时，规定距离应大于2N就是这个原因。

48、矩形声源纵波声场的半扩散角：

在ZOX平面内声束半扩散角为： 6 bb2572arcsin0

在YOX平面内声束半扩散角为：

aa2572arcsin0

矩形声源声束

49、理想声场与实际声场：在均匀无吸收的液体介质中，声源做连续活塞振动时，产生的超声波声场就是一种理想化声场。但是实际超声检测中往往采用脉冲波，且多数为固体介质，辐射的是脉冲波，称为实际声场。

图1-35 实际声场和理想声场的声压比较

50、无限大固体介质：当固体介质的尺寸远大于超声波波长、从界面上反射的回波可以忽略时，就可以视为无限大介质。 7 51、固体介质中的声速：与介质的弹性模量和介质的密度等因素有关；介质的弹性模量越大，密度越小，则声速越大。

52、不同波型声速比较：在同一种固体介质中，Lc＞Sc＞Rc。

53、入射波、反射波、折射波：第一种介质入射到界面处的超声波称为入射波；子波源向第一种介质中辐射的波称为反射波；子波源向第二种介质中辐射的波称为透射波或折射波。

54、平界面的声压反射率：界面上反射波的声压Pr与入射波的声压P0之比称为界面的声压反射率，用符号r表示，即0PPrr。12120ZZZZPPrr

55、平界面的声压透射率：界面上透射波的声压Pt与入射波的声压P0之比称为界面的声压透射率，用符号t表示，即0PPtt。12202ZZZPPtt

56、界面的声强反射率：界面上反射波的声强Ir与入射波的声强I0之比称为界面的声强反射率，用符号R表示。212120ZZZZIIRr