超声波探伤的物理基本(第四节超声平面在平界面上斜入射的行为)

超声波探伤
第一章 超声波检测的物理基础
一、波动 (一)振动与波 物体或质点在某一平衡位置附近作往复运
动，这种运动状态就叫做机械振动，简称 振动。如果物体或质点作周期性直线振动， 它离开平衡位置的距离与时间可以用正弦 或余弦函数表示，称为简谐振动。 这是最基本最重要的周期性直线振动。
适用的频率
超声波探伤常用的频率为 0.25MHz~15MHz。
对金属材料一般频率为 0.5~10MHz。
钢结构焊缝常用频率为1~5MHz。 陶瓷常用频率则为2.25~10MHz。 对铸铁、非金属声衰减强烈的粗晶材料，
甚至采用25KHz~0.25MHz 的频率。
(二)超声波的特性之一
T为周期，振子Q在平衡位置附近振动一次所需要的时间；
f为频率，单位时间内振子Q振动次数，与周期互为倒数， 即f=1/T。赫兹（Hz）单位为每秒振动一次1兆赫为1MHz；
（ωt+φ)为相位角，振子Q在振动过程中某一瞬间（t时刻） 所处的位置。在t=0时刻的相位角，称为初始相位；
ω为圆频率，表示在秒内的振动周期数? (每振动一次时间为360度)。
思考
为什么超声波会在工件中衰减？什么是第一、 第二、第三临界角？什么时候纵波入射会产生 横波全反射现象？超声检测底波高度法调节仪 器应满足的条件是什么？为什么超声纵波直探 头在钢中近场长度比水中的短？
横波 振动方向垂直于播向 固体介质
焊缝、钢管探伤
表面波 质点椭圆运动，

长轴垂直播向
固体介质
钢管、薄板探伤

短轴平行播向
板波 对称(S)型

上下表面：椭圆运动

伤
中心：纵向振动
固体介质(波长薄板)薄板薄壁管探

第一章 超声波探伤的物理基础第四节 超声平面在平界面上斜入射的行为超声平面波以一定的倾斜角入射到异质界面上时，就会产生声波的反射和折射、并且遵循反射和折射定律。

在一定条件下，界面上还会产生波型转换现象。

一、斜入射时界面上的反射、折射和波型转换(1) 超声波在固体界面上的反射1. 固体中纵波斜入射于固体——气体界面图1–25中，L α为纵波入射角，1L α为纵波反射角，1S α为横波反射角，其反射定律可用下列数学式表示：1S 1S 1L 1L L L sin C sin C sin C α=α=α (1–34) 因入射纵波L 与反射纵波L 1在同一介质内传播，故它们的声速相同，即1L L C C =，所以1L L α=α。

又因同一介质中纵波声速大于横波声速，即1S 1L C C ＞，所以1S 1L αα＞。

2. 横波斜入射于固体——气体界面图1–26中，S α为横波入射角，1S α为横波反射角，1L α为纵波反射角。

由反射定律可知：1L 1L 1S 1S S S sin C sin C sin C α=α=α (1–35)图1–25 纵波斜入射 图1–26 横波斜入射因入射横波S 与反射横波S 1在同一介质内传播，故它们的声速相同，即1S S C C =，所以1S S α=α。

又因同一介质中1S 1L C C ＞，所以，1S 1L αα＞。

结论：当超声波在固体中以某角度斜入射于异质面上，其入射角等于反射角，纵波反射角大于横波反射角，或者说横波反射声束总是位于纵波反射声束与法线之间。

图(1–27)表示钢及铝材中纵波入射时的横波反射角，也可以看成横波入射时的纵波反射角。

(2) 超声波的折射 1. 纵波斜入射的折射图1–28中L α为第一介质的纵波入射角，L β为第二介质的纵波折射角，S β为第二介质的横波折射角，其折射定律可用下列数学式表示：S2S L 2L L L sin C sin Csin C β=β=α (1–36)图1–27 钢及铝村中纵波入射时的横波反射角(或横波入射时的纵波反射角) 图1–28 纵波斜入射在第二介质中，因2S 2L C C ＞，所以S L sin sin ββ＞，S L ββ＞，横波折射声束总是位于纵波折射声束与法线之间。

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。

第一章超声波探伤的物理基础By adan超声波探伤是目前应用最广泛的无损探伤方法之一。

超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。

超声波探伤中，主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概念。

如几何声学中的反射、折射定律及波型转换，物理声学中波的叠加、干涉、绕射及惠更斯原理等。

深入理解几何声学和物理声学中的有关概念，掌握其中的基本定律，对于灵活运用超声波理论去解决实际探伤中的各种问题无疑是十分有益的。

第一节振动与波宇宙间的一切物质，大至宏观天体，小至微观粒子都处于一定的运动状态，振动和波动是物质运动的基本形式一、振动1．振动的一般概念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。

日常生活中到处可以见到振动现象，如弹簧振子的运动、钟摆的运动和汽缸中活塞运动等都是可以直接觉察到的振动现象。

另外，如固体分子的热运动，一切发声物体的运动以及超声波波源的运动等则是人们难以觉察到的振动现象。

物体(或质点)受到一定力的作用，将离开平衡位置，产生一个位移，该力消失后，它将回到其平衡位置；并且还要越过平衡位置移到相反方向的最大位移位置，然后返回平衡位置。

这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振动”。

振动是，往复、周期性的运动，振动的快慢常用振动周期和振动频率两个物理量来描述。

周期T——振动物体完成一次全振动所需要的时间，称为振动周期，用T表示。

常用单位为秒(s)。

频率f——振动物体在单位时间内完成全振动的次数，称为振动频率，用f表示。

常用单位为赫兹(H s)，1赫兹表示1秒钟内完成全振动，即1H s=1次/秒。

此外还有千赫(KH z),兆赫(MH z)。

1kH z=103H z,1MH z由周期和频率的定义可知，二者互为倒数(1.1)如某人说话的频率f=1000H z，表示其声带振动为1000次/秒，声带振动周期T=1/f=1/1000=0.001秒。

2.谐振动最简单最基本的直线强动称为谐振动。

第一章 超声波探伤的物理基础
黄新超
河南省锅炉压力容器安全检测研究院 2010年4月
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第一章 超声波检测的物理基础
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超声波是一种机械波，是机械振动在介质中 的传播。
该章主要涉及几何声学和物理声学的基本定律
和概念。 几何声学：反射定律、折射定律、波形转换。 物理声学：波的叠加、干涉、衍射等
位置时，它并没有停止，而是越过平衡位置运动到相反方向的最
大位移；然后，再向平衡位置移动。
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振动的表示：可用周期和频率表示振动的快慢； 用振幅表示振动的强弱。
– 周期T 振动物体完成一次全振动所需要的时间, 称为振动周期.单位：秒（S）
– 频率f 振动特物体在单位时间内完成全振动的 次数,称为振动频率.单位：赫兹（Hz）
ω：圆频率， ω=2πf=2π / T φ：初相位，即t=0时质点的相位 ωt+φ：质点在t时刻的相位 简谐振动方程描述了谐振动物体在任意 时刻的位移情况。
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• 阻尼振动
– 在机械系统振动时，由于受到摩擦力或其他阻 力的作用，系统的能量会不断损耗，质量振动 的振幅逐渐减小，以至于振动停止。所以，阻 尼振动是一个比较普遍情况，也称为衰减振动。 (不符合机械能守恒)
– 波动是振动状态的传播过程，也是振动能量的传播 过程。这种能量的传播，不是靠质点的迁移来实现 的，而是由各质点的位移连续变化来逐渐传播出去 的。
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• 机械波的主要物理量 波长 ：λ 单位：mm、m 同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距 离.或者说：沿着波的传播方向，两个相邻的同相 位质点间的距离。

c λf
波动比较： 概念：振动的传播过程称为波动. 波动的分类: 机械波 机械振动在弹性介质中的传播.
波动 电磁波 交变电磁场在空间的传播.
两类波的不同之处:
机械波的传播需要介质,电磁播的传播可不需要介质
相同之处: 能量传播,反射,折射,干涉,衍射
(1 )纵波(L)：介质中质点有振动 方向相对于波的 传播方向互相平行的波。 (2) 横波S(T)： 介质中质点有振动 方向与波的传播 方向互相垂直的波。 当介质表面受到交变应力作用产生 (3) 表面波R： 沿 介质表面传播的波。 (4 )兰姆波 2 根据波阵面的形状分类 （1）平面波: 波阵面为互相平行的平面的波。 表达式： (2) 球面波:
p A cos( ωt kx )
波阵面为同心球面的波
纵波特点：具有交替出现的疏部和密部
横波特点
A 表达式： p cos(ωt kx ) r
(3) 柱面波： 波阵面为同轴圆柱面的波
A cos(ωt kx ) 表达式： p r
(4) 活塞波 3 按振动的持续时间分类 (1 ) 连续波: 波源持续不断地振动所幅射的波 (2 ) 脉冲波: 波振源作瞬态振动所幅射的波
P P P0 ( )ρ0 dρ ρ
dρ ρ ρ0
2
p C ρ1
P C ρ
2
P 2 ρ1 ——状态方程 …① C t t
P p ( ) ρ 0 ρ1 ρ
C ——为声速
(二)连续性方程(ρ 和μ 的关系)
ρ1 ——连续性方程 …② (ρμ ) t
从而可看出10MHZ的分辨率比1MHZ的分辨率要高出一个 数量级。
结论：在超声检测中,为了提高分辨率力,Qm应尽量提高 探测频率。但Qm低会使幅射能量减小，检测灵敏度降 低,故应根据探伤灵敏度和分辨率综合考虑适当选择Qm， 选择适当的Qm晶片和适当和β 值（β =Rm/2m，由阻尼 吸声层决定）。

（1）第一临界角αⅠ： βL = 90°
α1 = arcsin
cL1 cL2
c
L1 （2）第二临界角αⅡ： βS = 90° αII = arcsin c S2
图2—41 临界角示意图
2.7.1 波型转换与反射、折射定律 波型转换与反射、
由αⅠ 和αⅡ 的定义可知： ① αL < αⅠ 时，第二介质中既有折射纵波L″又有折射横 波S″。 ② αL αⅠ ～αⅡ 时，第二介质中只有折射横波S″，没有折射 纵波L″，这就是常用横波探头制作和横波检测的原理。 ③ αL ≥αⅡ 时，第二介质中既无折射纵波L″，又无折射横 波S″。这时在其介质的表面存在表面波R，这就是常用表 面波探头的制作原理。 例如，纵波倾斜入射到有机玻璃/钢界面时，有机玻璃中 cL1=2730m/s，水中cL1=1480m/s，钢中：cL2=5900m/s， cS2=3230m/s。则第一、二临界角分别为：
′ ′ sin α L sin α L sin α S sin β L sin β S = = = = cL1 cL1 cS1 cL 2 cS 2
2.7.1 波型转换与反射、折射定律 波型转换与反射、
′ 由于在同一介质中纵波波速不变，因此 αL =αL 。又由于在同一介质 中纵波波速大于横波波速，因此 αL >αs , βL > βS ′ ′
图4—47端角反射示意图
2.7.4 端角反射
图2—48 端角反射率与入射角的关系 • 图2—48(b)是横波入射端角的情况，入射角等于30°或60°附近时， 端角反射率最低。入射角在35°～55°之间时，端角反射率达100％。 也就是说，横波斜探头的折射角βS为35°～55°（K＝tgβS＝0.7～ 1.43）之间时，探测类似端角的缺陷（例如焊缝中的未焊透）灵敏度 较高，βS＞55°（K＞1.5）灵敏度较低。

超声波探伤理论知识
• 超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。 一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不 一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反 射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射 式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。
传播能量大，声能损失小，穿透能力强。 • 超声波的分类： • 1、按声波的连续性分为：连续波（简谐波）和脉冲波（冲击波）； • 2、按波动型式（波型）分为：纵波、横波、表面波（瑞利波）、板波（蓝姆波）； • 3、按波传播的形状、波振面的形状（波形）分为：平面波、球面波、柱面波、活塞波。
• 下面分别讲述：
• y=Acos（ωt+φ）
• 式中y表示在任意瞬间t时振动的幅度；A是振幅，是y的最大值；（ωt+φ）是相位角，其中ω为角 频率（角速度），φ为初始位相角（t=0时的相位角）。
• （2）由于声源在介质中振动方向与波在介质中传播方向可以相同也可以不同，这就可产生不同 类型的声波。
• 波的传播方向与质点的运动方向一致，这种波称为纵波。纵波在介质中传播时会产生质点的稠密 部分和稀疏部分，故又称为疏密波。
• （3）声波在无限大且各向同性的介质中传播时（为研究方便，我们假设的理想状态），其形状 （亦称为波形）是根据波阵面的形状来区分的。
• 波阵面是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所联成的面；
• 波前是指某一时刻振动所传到的距离声源最远的各点所联成的面。 • 波线是表示波传播方向的线。 • 在各向同性介质中波线恒垂直于波阵面； • 在任意时刻波前的位置总是确定的，且只能有一个，而波阵面的数目可以是任意多。 • 波阵面为平面的波称为平面波。 • 如不考虑介质吸收波的能量，则声压不随传播距离而变化，即声压为恒量。 • 波源为作谐振动的无限大平面，在各向同性的弹性介质中传播。理想的平面波是不存在的。当声

第一章 超声波探伤的物理基础第四节 超声平面在平界面上斜入射的行为超声平面波以一定的倾斜角入射到异质界面上时，就会产生声波的反射和折射、并且遵循反射和折射定律。

在一定条件下，界面上还会产生波型转换现象。

一、斜入射时界面上的反射、折射和波型转换(1) 超声波在固体界面上的反射1. 固体中纵波斜入射于固体——气体界面图1–25中，L α为纵波入射角，1L α为纵波反射角，1S α为横波反射角，其反射定律可用下列数学式表示：1S 1S 1L 1L L L sin C sin C sin C α=α=α (1–34) 因入射纵波L 与反射纵波L 1在同一介质内传播，故它们的声速相同，即1L L C C =，所以1L L α=α。

又因同一介质中纵波声速大于横波声速，即1S 1L C C ＞，所以1S 1L αα＞。

2. 横波斜入射于固体——气体界面图1–26中，S α为横波入射角，1S α为横波反射角，1L α为纵波反射角。

由反射定律可知：1L 1L 1S 1S S S sin C sin C sin C α=α=α (1–35)图1–25 纵波斜入射 图1–26 横波斜入射因入射横波S 与反射横波S 1在同一介质内传播，故它们的声速相同，即1S S C C =，所以1S S α=α。

又因同一介质中1S 1L C C ＞，所以，1S 1L αα＞。

结论：当超声波在固体中以某角度斜入射于异质面上，其入射角等于反射角，纵波反射角大于横波反射角，或者说横波反射声束总是位于纵波反射声束与法线之间。

图(1–27)表示钢及铝材中纵波入射时的横波反射角，也可以看成横波入射时的纵波反射角。

(2) 超声波的折射 1. 纵波斜入射的折射图1–28中L α为第一介质的纵波入射角，L β为第二介质的纵波折射角，S β为第二介质的横波折射角，其折射定律可用下列数学式表示：S2S L 2L L L sin C sin Csin C β=β=α (1–36)图1–27 钢及铝村中纵波入射时的横波反射角(或横波入射时的纵波反射角) 图1–28 纵波斜入射在第二介质中，因2S 2L C C ＞，所以S L sin sin ββ＞，S L ββ＞，横波折射声束总是位于纵波折射声束与法线之间。

些点始终静止不动，称为波节。而有些点 振动得到最大幅度的增大。振幅最大，称 为波腹。波线上其余各点的振幅在0和2A 之间。可见，驻波波线上各点似乎在作分 段振动。
3）传播介质：固体表面传播。
4、板波：在板厚与波长相当的薄板中传播的波。 根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和 兰姆波。 1)SH波：水平偏振的横波在薄板中传播的波。 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，相当于固体介质表面中的横波。
2)兰姆波：兰姆波又分为对称型(S型)和非对 称型(A型)。
2）现象举例：石子落水， 乐队合奏或几个人 谈话。
y 1A 1co(t sx 1c )
2、波的干涉：
1）定义：两列频率相同，振动方向相同，位相相同或 位相差恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加 强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象。 产生干涉现象的波叫相干波，其波源称为相干波源。
这表明，在同一种固体材料中，纵波声速大 于横波声速，横波声速又大于表面波声速。
（3）对于钢材，σ≈0.28，CL≈1.8Cs， CR≈0.9Cs，即CL :Cs: CR≈1.8:1: 0.9。
2、细长棒中的纵波声速CLb 在细长棒中(棒径d≤λ)轴向传播的纵
波声速与无限大介质中纵波声速不同，细 长棒中的纵波声速为：。
3、声速与温度、应力、均匀性的关系 1）一般固体中的声速随介质温度升高而降低。
2）固体介质的应力状况对声速有一定的影响， 一般应力增加，声速增加，但增加缓慢。
3）固体材料组织均匀性对声速的影响在铸铁 中表现较为突出。铸铁表面与中心，由于冷却速 度不同而具有不同的组织，表面冷却快，晶粒细， 声速大；中心冷却慢，晶粒粗，声速小。此外， 铸铁中石墨含量和尺寸对声速也有影响，石墨含 量和尺寸增加，声速减少。

超声波探伤的物理基础第一节基本知识超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。

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。

振动的传播过程，称为波动。

波动分为机械波和电磁波两大类。

机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。

超声波就是一种机械波。

机械波主要参数有波长、频率和波速。

波长l：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长，波源或介质中任意一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离，常用单位为米(m)；频率f：波动过程中，任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数称为频率，常用单位为赫兹(Hz)；波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，常用单位为米/秒（m/s）。

由上述定义可得：C=l f ，即波长与波速成正比，与频率成反比；当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。

次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。

它们的区别在主要在于频率不同。

频率在20~20000Hz之间的能引起人们听觉的机械波称为声波，频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20000Hz的机械波称为超声波。

次声波、超声波不可闻。

超声探伤所用的频率一般在0.5~10MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为1~5MHz。

超声波波长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛用于无损探伤。

1. 方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米级；超声波象光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，易于在被检材料中发现缺陷。

2. 能量高：由于能量（声强）与频率平方成正比，因此超声波的能量远大于一般声波的能量。

3. 能在界面上产生反射、折射和波型转换：超声波具有几何声学的上一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射、折射和波型转换等。

4. 穿透能力强：超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。

特点：表面波在固体表面传播，其能量随传播深度的增 加而迅速减弱。当传播深度超过2倍波长时质点的振幅就 很小了。因此表面波只能发现距工件表面2倍波长以内的 缺陷。
第二章 超声波探伤的物理基础
4、板波
概念：在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板波 根据质点的振动方向又分为SH波和兰姆波。 在表面上下振动的波称为兰姆波，在表面横向振动的波 为SH波 小结：以上4种波除纵波外其它波只能在固体中传播，纵 波可以在固体、液体、气体中传播。
A型脉冲反射法超声波探伤，就是利用缺陷处反射回来的 声波大小来评价缺陷的。缺陷越大或说反射面越大，反 射回波就越强。
第二章 超声波探伤的物理基础
A型脉冲反射式超声波探伤
在实际工作中是先用标准反射体（试块）确定基准波高， 根据不同的深度基准反射体的回波高度可以画出一条与 深度相关的基准曲线（距离——波幅曲线或距离——分 贝曲线），调整好基准波后按标准要求进行工件探测， 根据缺陷回波的大小与基准波高进行比较，来判定缺陷 当量大小，判定缺陷是否超标
谐振振动方程的推导
质点作均速圆周运动时，其水平方向的投影是一种水平方 向的谐振动。
谐振动方程： y=Acos（ωt+φ），其中 y——时间t时的位移； A——振幅（最大位移） ω——圆频率，即1秒钟内变 化的弧度数，ω=2πf=2π/T
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第二章 超声波探伤的物理基础
3.阻尼振动
如上所述，谐振动是理想条件下的振动,即不考虑磨擦和 其它阻力的影响。
但是，任何实际物体的振动总要受到阻力的作用。
由于克服阻力做功，振动物体的能量不断减少。其振幅 随能量的减少而减小，这种振幅随时间不断减小的振动 称为阻尼振动。阻尼振动演示
阻尼振动方程：y=Ae-βtcos（ωt+φ） β——阻尼系数

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（μ s）。 单位换算关系为：1s=106 μ s 或 1 μ 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
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。
I1 10 lg (dB) I2
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，可得：
I1 p1 10 lg 20 lg (dB) I2 p2
讨论： （1）若p1>p2，则Δ>0；若p1<p2，则Δ<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。
（3）散射和衍射现象的应用 a) D>>λ时，反射强 b) D<<λ时，衍射强，散射弱。 c) D~λ时，即有反射，又有衍射，且λ 越大（D越小），衍射 越强。 一般认为：能发现的最小缺陷的尺寸约为λ/2。（不绝对） （4）问题：
①频率相同时，横波比纵波探伤灵敏度高，为什么？ ②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？ ③与表面光滑工件相比，表面粗糙时，频率如何选择？ ④同种介质，纵波、横波、表面波哪种波型检测灵敏度最高？
超声波检测的物理基础（一）
超声波检测的物理基础（一）
横波与纵波的对比
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

超声波探伤检测物理基础1.1超声波检测原理利用超声波在缺陷界面的反射来进行对缺陷的定位、定量和定性。

1.2超声波的产生和接受产生：逆压电效应：使用高频电压作用于压电晶片，使之产生高频的机械振动。

接收：压电效应：将机械振动作用于压电晶片产生电荷，以电能的形式进入仪器。

1.3超声波的特征1.3.1 频率高f＞20KHz,检测使用范围为0.3MHz～10MHz,常用1～5MHz，可作为直线传播，可使用几何光学的理论，讨论反射、透射等实际问题。

1.3.2 波长短如c=5900m/s，2.5MHz，λ=2.36mm。

属于毫米波，超声波传播距离长，探测厚度大，大大超过X-ray，穿透能力强1.3.3 具有波形转换的能力可以使用纵波检测还可以使用于横波检测, 讨论波形的传播路径。

1.3.4 检测灵敏度高可检测的最小缺陷为波长的一半。

1.4超声波检测方法1.4.1 穿透法一收一发探头，两平行面检测，会漏检（缺陷距底面距离大于声影长度）。

1.4.2 共振法连续波，用于测厚。

δ=nλ/2,n共振次数。

c=fλ, δ=c(f n-f n-1)/2。

探头晶片厚度的计算压电晶片的晶片厚度T为其传播波长一半时即产生共振，此时，在晶片厚度方向的两个面得到最大振幅，晶片中心为共振的驻点。

通常把晶片材料的频率f和厚度T的乘积称为频率常数Nt，若:T= λ/ 2 ,则：Nt＝f·T ＝C/2式中：C为晶片材料中的纵波声速。

由式可知，频率越高, 晶片越薄，制作越困难，且Nt小的晶片材料不宜用于制作高频探头。

1.4.3 脉冲反射法（A型为主）向工件中发射脉冲，脉冲遇到界面产生反射，根据反射信号来确定缺陷的存在，完成定位、定量和定性。

2超声波的一般概念2.1机械振动与机械波2.1.1 机械振动定义：物体在一定位置附近作来回重复的运动，称为振动。

简谐振动表达式物体在弹性力作用下发生的谐振动规律可用下是式表示：x＝Acos（ωt＋φ)谐振动的运动方程式表示位移x与时间t的关系式。

由于金属介质中能够通过不同传播速度的不同波型. 因此，对金属(焊缝)进行探伤时必须选定所需超声波类 型(通常选择横波)，否则，会使回波信号发生混乱和得 不到正确的探伤结果。同时，探伤中通常把空气介质作 真空处理，即认为超声波不能通过空气进行传播。
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3．界面的透射、反射、折射和波型转换
超声波从一种介质入射到另一种介质，经过异质界面将产生 以下几种情况：
1. 有良好的指向性 (1)直线性 超声波波长很短(mm级)，它在弹性介质中 能象光波一样沿直线传播，符合几何光学规律。 声速对固定介质是常数，根据传播时间就能求得其传 播距离，这为探伤中缺陷定位提供依据。
(2)束射性 声源发出超声波能集中在一定区域(超声场) 定向辐射。
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(2)束射性
以圆形压电晶片在液体介质以脉冲波形式 发射的纵波超声场(图4-2)为例讨论，这时 的超声场可视为理想声场。分析表明： 1) 超声波的能量主要集中在2θ的锥形区 域内(图a)。θ越小,波束指向性越好,超声 波能量集中,探伤灵敏度高,分辨力高和定 位精确。
超声波是指振动频率大于20kHz以上的，其每秒的振动次数 （频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20kHz），人们将这种 听不见的声波叫做超声波。
超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械 振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量 的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内 沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用 的频率范围在 2~5MHz之间，常用为3~3.5MHz（每秒振动1次为 1Hz，1MHz=106Hz，即每秒振动100万次；可闻波的频率在16－ 20kHZ 之间）。超声波是声波大家族中的一员。
上式表明，波长越短（超声频率越高）， 压电晶片直径（声源尺寸）越大，则声束 指向性越好。

2、波长λ、波速C、频率ƒ 波长：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离。 频率：波动过程中，任一给定点在1秒内能通过的完整波的个数。 波速：波动在弹性介质中，单位时间内所传播的距离。 三者关系C=λ·ƒ
3、次声波、声波和超声波 次声波：频率低于20HZ的机械波 声波：频率在20—20000HZ的机械波 超声波：频率高于20KHZ的机械波
b按缺陷显示方式分类：A型显示探伤仪、B型显示探伤仪、C型显示探伤仪。 •A型探伤仪：A型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间，纵坐标代表反射波的幅度。 •B型探伤仪：B型显示是一种图象显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹，纵坐标是靠电 子扫描来代表波的传播时间，因而可以直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。 •C型探伤仪：C型显示也是一种图象显示，探伤仪荧光屏的横坐标与纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的 位置。当探头在工件表面移动时，荧光屏上便显示出工件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷深度。
第二临界角：超声波倾斜入射到界面上，若第二介质中的横波波速Cs2大于是第一界质中的纵波波速CL1，即 Cs2> CL1，则横波折射角βs大于纵波入射角αL，随着αL增加，βs也增加，当αL增加到一定程度时βs=90°，这时 所对应纵波入射角为第二临界角。
第三临界角：超声波倾斜入射到界面上，（若第二介质中的横波声速C）在第一介质中产生反射纵波和横波，由 于在同一介质中，纵波声速CL1恒大于横波声速Cs1，所以纵波反射角γL恒大于横波入射角αS，即γL>αS， 随着αS 增加γL也增加，当αS增加到一定角度时，γL=90°，这时横波入射角称为第三临界角。
•同步电路：又称触发电路，它每秒产生十至千个脉冲，用来触发探伤仪其它电路（扫描电路、发射电路等），使 之步调一致，有条不紊地工作。 •扫描电路：又称时基电路，用来产生锯齿波电压，加在示波管水平偏转板上使示波管荧光屏上的光点沿水平方向 作等速移动，产生一条水平扫描线（即时基线），（深度粗调、微调，扫描延迟，都是扫描电路的控制旅钮）。 •发射电路：利用闸流管或可控硅的开关，它产生几百伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头，激励压电晶片 振动，使之发射超声波。

超声波探伤的物理基础――(第三节超声平面波在大平界面上垂直入第一章超声波探伤的物理基础第三节超声平面波在大平界面上垂直入射的行为超声波在异质界面上的散射、反射和偏折规律就是超声波熔接的关键物理基础。

当超声波横向入射光于平面界面时，主要考量超声波能量经界面散射和反射后的重新分配和声压的变化，此时的分配和变化主要同意于界面两边介质的声阻抗。

一、超声波在单一的平面界面的散射和反射(1)反射、透射规律的声压声强表示当平面超声波横向入射光于两种声阻抗相同的介质的大平界面上时，反射波以与入射波方向恰好相反的路径回到，且存有部分超声波借由界面射入第二介质，见到图1c17右图。

平面界面上入射光声强为i，声压为p；散射声强为ia，声压为pa；反射声强为it，声压为pt。

若声一束入射光一侧介质的声阻抗为z1，反射一侧介质声阻抗为z2，根据界面上声压连续和振速连续的原则，并令m?得到：声压反射系数ppaz2z11m(1c21a)pz1z21mpt2z22(1c21b)pz1z21mz1(称声阻抗比)，就可z2声压透射系数p若把声压看做就是单位面积上为的力，那么促进作用于同一平面的力应合乎力的均衡原理，因此，声压变化就可以文学创作p?pa?pt，等式两边除以p，得papt1??pp即图1c17平面波在大平面上的反射和透射1??p??p(1c22)若把ia/i和it/i分别定义为声强反射率(r)和声强透射率(d)，就可以获得：声强反射率pa2ia2z1pa2r??2?2(1c23)pip2z1声强透射率d?it(1c24)i声强就是一种单位能量，促进作用于同一界面的声强，应当满足用户能量守恒定律，所以声强变化可以文学创作i=ia+it，等式两边除以i，获得iiait??iii(1c25)r?d?1从式(1c23)可知22?z2?z1??1?mr??2p??1?m?(1c26)z?z??2??1从式(1c22)和(1c25)所述d?1??2p?4z1?z24m?(1c27)(z1?z2)2(1?m)2(2)声压往复借由率为实际探伤中的探头常兼作发射和接收声波用，并认为透射至工件底面的声压在钢/空气界面上被完全反射后，再次透过界面后被探头所接收，因此，探头接收到的返回声压pt?与入射声压之比，即为声压往复透过率tp。