《超聲波探傷教材》word版

1、教學(xué)引入超聲波探傷是目前應(yīng)用最廣泛的無損探傷方法之一。 超聲波是一種機(jī)械波，機(jī)械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎(chǔ)。這也是我們開始一段時間要討論的主要內(nèi)容，深入理解幾何聲學(xué)和物理聲學(xué)中的有關(guān)概念，掌握其中的基本定律，對于靈活運(yùn)用超聲波理論去解決實(shí)際探傷中的各種問題無疑是十分有益的。我們今天開始討論振動和波動。機(jī)械振動：物體沿直線或曲線在某一平衡位置附近作往復(fù)周期性的運(yùn)動。波動：振動的傳播過程新課內(nèi)容第一節(jié) 振動與波 一、振動 1、振動的一般概念 1）定義：物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復(fù)周期性的運(yùn)動，稱為機(jī)械振動。2）例子：直接覺察彈簧振子、鐘擺和汽缸中活塞運(yùn)動。難以覺察固體分子的熱運(yùn)

2、動，一切發(fā)聲物體的運(yùn)動以及超聲波波源的運(yùn)動。3）描述： （1）周期T振動物體完成一次全振動所需要的時間，稱為振動周期，用T表示。常用單位為秒(s)。（2）頻率f振動物體在單位時間內(nèi)完成全振動的次數(shù)，稱為振動頻率，用f表示。常用單位為赫茲(Hz)。 2、諧振動 1）定義：最簡單最基本的直線振動稱為諧振動。2）特點(diǎn)：（1）回復(fù)力大小與位移成正比，方向總指向平衡位置。（2）振幅不變，為自由振動，其頻率為固有頻率。（3）物體做諧振動時，只有彈性力或重力做功，其它力不做功，符合機(jī)械能守恒的條件，因此諧振物體的能量遵守機(jī)械能守恒。在平衡位置時動能最大勢能為零，在位移最大位置時勢能最大動能為零，其總能量保持

3、不變。 3、阻尼振動1）定義：振幅或能量隨時間不斷減少的振動。2）振動方程式： y=Ae-tcs(t+) 阻尼系數(shù)；阻尼振動的圓頻率， 為物體的固有頻率。 3）特點(diǎn)：振幅不斷減少，而周期卻不變。阻尼振動受到阻力作用，不符合機(jī)械能守恒。4、受迫振動1）定義：物體受周期性變化的外力作用時產(chǎn)生的振動。 2）特點(diǎn)：受迫振動剛開始時情況很復(fù)雜，經(jīng)過一段時間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變?yōu)橹芷谛缘闹C振動。其振動頻率與策動力頻率相同，振幅保持不變。受迫振動物體受到策動力作用，不符合機(jī)械能守恒。 3）共振：受迫振動的振幅與策動力的頻率有關(guān)，當(dāng)策動力頻率P與受迫振動物體固有頻率w。相同時，受迫振動的振幅達(dá)最大值。這種現(xiàn)象稱

4、為共振。 4）共振在超聲的應(yīng)用：設(shè)計探頭中的壓電晶片時，應(yīng)使高頻電脈沖的頻率等于壓電晶片的固有頻率；從而產(chǎn)生共振，這時壓電晶片的電聲能量轉(zhuǎn)換效率最高。 二、波動 1、機(jī)械波的產(chǎn)生與傳播 1）定義：振動的傳播過程。波動分為機(jī)械波和電磁波。 （1）機(jī)械波是機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程。如水波、聲波、超聲波等。 （2）電磁波是交變電磁場在空間的傳播過程。如無線電波、紅外線、可見光、紫外線、又射線、y射線等。 2）產(chǎn)生機(jī)械波的條件： （1）要有作機(jī)械振動的波源 （2）有能傳播機(jī)械振動的彈性介質(zhì)3）特點(diǎn)：（1）振動與波動是互相關(guān)聯(lián)的，振動是產(chǎn)生波動的根源，波動是振動狀態(tài)的傳播。波動中介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)并不隨波

5、前進(jìn)，只是以交交的振動速度在各自的平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動。 （2）波動是振動狀態(tài)的傳播過程，也是振動能量的傳播過程。但這種能量的傳播，不是靠物質(zhì)的遷移來實(shí)現(xiàn)的，也不是靠相鄰質(zhì)點(diǎn)的彈性碰撞來完成的，而是由各質(zhì)點(diǎn)的位移連續(xù)變化來逐漸傳遞出去的，猶如人們傳遞磚塊一樣。 2、波長、頻率和波速 1）波長：同一波線上相鄰兩振動相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離，用表示。常用單位為毫米(mm)或米(m)。 2）頻率f：波動中，任一點(diǎn)在1秒內(nèi)所通過的完整波個數(shù)。波動頻率在數(shù)值上同振動頻率，單位為赫茲(HZ)。 3）波速C：波動中，波在單位時間內(nèi)所傳播的距離，用C表示。常用單位為米/秒(m/s)或千米/秒(km/s)。 4）

6、三者關(guān)系： C=f或=C/f 由上式可知，波長與波速成正比，與頻率成反比。當(dāng)頻率一定時，波速愈大，波長就愈長；當(dāng)波速一定時，頻率愈低，波長就愈長。三、次聲波、聲波和超聲波 1、次聲、聲波和超聲波的劃分 相同點(diǎn)：次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，在同一介質(zhì)中的傳播速度相同。區(qū)分點(diǎn)：頻率 1）能引起聽覺的機(jī)械波稱為聲波，頻率在20-20000Hz之間。2）頻率低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波。3）頻率高于20000Hz的機(jī)械波稱為超聲波。 2、超聲波的應(yīng)用 超聲探傷所用的頻率一般在0.5-10MHz之間，對鋼等金屬材料的檢驗(yàn)，常用的頻率為1-5MHz。超聲波波長很短，由此決定了超聲波

7、具有一些重要特性，使其能廣泛用于無損探傷。 (1)超聲波方向性好：超聲波是頻率很高、波長很短的機(jī)械波，在無損探傷中使用的波長為毫米數(shù)量級。超聲波像光波一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射。 (2)越聲波能量高：超聲波探傷頻率遠(yuǎn)高于聲波，而能量(聲強(qiáng))與頻率平方成正比。因此超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的能量。 (3)能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換；在超聲波探傷中。特別是在超聲波脈沖反射法探傷中，利用了超聲波具有幾何聲學(xué)的一些特點(diǎn)。 (4)超聲波穿透能力強(qiáng)：超聲波傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)。在一些金屬材料中其穿透能力可達(dá)數(shù)米。這是其他探傷手段所無法比擬的。 超聲波除用于無損探傷外，還可以用

8、于機(jī)械加工，如加工紅寶石、金剛石、陶瓷石英、玻璃等硬度特別高的材料；可以用于焊接，如焊接鈦、釷、锝等難焊金屬。此外，在化學(xué)工業(yè)上可利用超聲波作催化劑，在農(nóng)業(yè)上可利用超聲波促進(jìn)種子發(fā)芽，在醫(yī)學(xué)上可利用超聲波進(jìn)行診斷、消毒等。 3、次聲波的應(yīng)用 次聲波的頻率很低，波長很長，繞射能力強(qiáng)，傳播衰減小、距離遠(yuǎn)。在大自然的許多活動中伴隨著次聲波的發(fā)生，例如地震、火箭起飛等。次聲波近似平面波，沿著與地球表面平行的方向傳播。課堂小結(jié)振動的含義；振動的快慢的描述的物理量。波動定義；產(chǎn)生機(jī)械波的條件；，C，f關(guān)系。超聲波的特點(diǎn)和應(yīng)用。本次課的知識是我們后面學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，要求大家搞清楚相關(guān)的概念，課后認(rèn)真完成作業(yè)。作

9、業(yè)：1、2、6、7知識回顧1、提問振動的一般概念，振動快慢的描述物理量。2、什么是波動頻率、波速和波長？三者有何關(guān)系？3、什么是超聲波？它的特性及應(yīng)用？教學(xué)引入上次課我們討論了機(jī)械波按頻率的劃分：次聲波，超聲波，聲波及波動的概念，重點(diǎn)講了聲波，在實(shí)際中，由于產(chǎn)生方法、傳播情況等條件的區(qū)別，有很多不同的類型，這些不同的波在實(shí)際應(yīng)用中也有著不同的特點(diǎn)和作用，比如說聲速，這堂課我們就先來討論波的類型。新課內(nèi)容第二節(jié) 波的類型一、據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動方向分類 根據(jù)波動傳播時介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動方向相對于波的傳播方向的不同，可將波動分為縱波、橫波、表面波和板波等。1、縱波L（壓縮波，疏密波）1）定義：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動

10、方向與波的傳播方向互相平行的波。 2）特點(diǎn)：當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變拉壓應(yīng)力作用時，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波。這時介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)疏密相間，故縱波又稱為壓縮波或疏密波。3）傳播介質(zhì)：固體，液體，氣體介質(zhì) 2、橫波S(T)（切變波）1）介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波。2）特點(diǎn)：當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力作用時，產(chǎn)生切變形變，從而形成橫波。3）傳播介質(zhì)：固體介質(zhì) 3、表面波R（瑞利）1）定義：當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用對，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ā?）特點(diǎn)：表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r，介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動，橢圓長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)動可視為縱向振動與

11、橫向振動的合成，即縱波與橫波的合成。表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱。當(dāng)傳播深度超過兩倍波長時，質(zhì)點(diǎn)的振幅就已經(jīng)很小了。因此，一般認(rèn)為，表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長深度內(nèi)的缺陷。3）傳播介質(zhì)：固體表面?zhèn)鞑ァ?、板波：在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟?。根?jù)質(zhì)點(diǎn)的振動方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。 1)SH波：水平偏振的橫波在薄板中傳播的波。薄板中各質(zhì)點(diǎn)的振動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。 2)蘭姆波：蘭姆波又分為對稱型(S型)和非對稱型(A型)。 （1）對稱型(S波)蘭姆波的特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作縱向振動，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動、振動相位相反并對

12、稱于中心。（2）非對稱型(A型)蘭姆波特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作橫向振動，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動、相位相同，不對稱。二、按波的形狀分類1有關(guān)概念：1）波的形狀(波形)是指波陣面的形狀。 2）波陣面：同一時刻，介質(zhì)中振動相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)所聯(lián)成的面稱為波陣面， 3）波前：某一時刻，波動所到達(dá)的空間各點(diǎn)所聯(lián)成的面稱為波前。 4）波線：波的傳播方向稱為波線。2、分類：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。平面波的波源為一平面。尺寸遠(yuǎn)大于波長的剛性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)振幅是一個常數(shù)，不隨距離而變化。 2）柱面波；波陣面

13、為同軸圓柱面的波。柱面波的波源為一條線。長度遠(yuǎn)大于波長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)的振幅與娩離平方根成反比。 3）球面波：波陣面為同心球面的波稱。球面波的波源為一點(diǎn)。尺寸遠(yuǎn)小于波長的點(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。 三、按振動的持續(xù)時間分類 1、連續(xù)波：波源持續(xù)不斷地振動所輻射的波。超聲波穿透法探傷常采用連續(xù)波。 2、脈沖波：波源振動持續(xù)時間很短(通常是微秒數(shù)量級，1微秒=10-6秒)，間歇輻射的波。目前超聲波探傷中廣泛采用的就是脈沖波。 課堂小結(jié)：本次課的內(nèi)容不多，

14、主要討論了不同情況下的波的類型，希望大家重點(diǎn)注意橫波、縱波和表面波的特點(diǎn)和區(qū)別，這將是我們在后面的實(shí)際探傷內(nèi)容的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。以下是各種類型波的比較歸納圖：波的類型質(zhì)點(diǎn)振動特點(diǎn)傳播介質(zhì)應(yīng) 用縱 波質(zhì)點(diǎn)振動方向平行于波傳播方向固、液、氣體介質(zhì)鋼板、鍛件探傷等橫 波質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于波傳播方向固體介質(zhì)焊縫、鋼管探傷等表面波質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動，橢圓長軸垂直波傳播方向，短軸平行于波傳播方向固體介質(zhì)鋼管探傷等板 波對稱型(S型)上下表面：橢圓運(yùn)動, 中心：縱向振動固體介質(zhì)(厚度與波長相當(dāng)?shù)谋“?薄板、薄壁鋼管等(6mm)非對稱型(A型)上下表面；橢圓運(yùn)動，中心：橫向振動 知識回顧1、縱波、橫波、表面波和板波的定

15、義?2、上題各波型的特點(diǎn)及各波型傳播的介質(zhì)？教學(xué)引入超聲波、次聲波和聲波的實(shí)質(zhì)一樣，都是機(jī)械波。它們在同一介質(zhì)中的傳播速度相同。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。超聲波波型不同時，介質(zhì)彈性變形型式不同聲速也不一樣。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)。新課內(nèi)容第三節(jié) 超聲波的傳播速度一、固體介質(zhì)中的縱波、橫波與表面波聲速 1、固體介質(zhì)不僅能傳播縱波，而且可以傳播橫波和表面波等，但它們的聲速是不相同的。此外介質(zhì)尺寸的大小對聲速也有一定的影響，無限大介質(zhì)與細(xì)長棒中的聲速也不一樣。 2、無

16、限大固體介質(zhì)中的聲速1）在無限大的固體介質(zhì)中（無限大固體介質(zhì)是相對于波長而言的，當(dāng)介質(zhì)的尺寸遠(yuǎn)大于波長時，就可以視為無限大介質(zhì)。）縱波聲速為： 橫波聲速為： 表面波聲速為：其中E介質(zhì)的楊氏彈性模量，等于介質(zhì)承受的拉應(yīng)力F/S與相對伸長L/L之比. G介質(zhì)的切變彈性模量，等于介質(zhì)承受的切應(yīng)力Q/S與切應(yīng)變r之比. 介質(zhì)的密度，等于介質(zhì)的質(zhì)量M與其體積V之比，即=M/V 介質(zhì)的泊松比，等于介質(zhì)橫向相對縮短1=d/d與縱向相對伸長=L/L之比即=1/由以上三式可知： （1）固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性橫量等有關(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）聲速還與波

17、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：CLCSCR 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。 （3）對于鋼材，0.28，CL1.8Cs，CR0.9Cs，即CL :Cs: CR1.8:1: 0.9。 2、細(xì)長棒中的縱波聲速CLb 在細(xì)長棒中(棒徑d)軸向傳播的縱波聲速與無限大介質(zhì)中縱波聲速不同，細(xì)長棒中的縱波聲速為： 3、聲速與溫度、應(yīng)力、均勻性的關(guān)系 1）一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低。2）固體介質(zhì)的應(yīng)力狀況對聲速有一定的影響，一般應(yīng)力增加，聲速增加，但增加緩慢。3）固體材料組織均勻性對聲速的影響在鑄鐵

18、中表現(xiàn)較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快，晶粒細(xì)，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。此外，鑄鐵中石墨含量和尺寸對聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。二、板波聲速 1、由于板波傳播時受到上下板面的影響，因此板波聲速與縱波、橫波、表面波不同，它不僅與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，而且與板厚、頻率等有關(guān)。只有當(dāng)板厚、頻率、聲速之間滿足一定關(guān)系時，板波才能順利傳播。2、板波聲速分為相速度和群速度。1）相速度是指單一頻率的聲波在介質(zhì)中的傳播速度。2）群速度是指多個相差不多的頻率的波在同一介質(zhì)中傳播時互相合成后的包絡(luò)線的傳播速度。 3、板波聲速Cp與fd、CS、CL有關(guān)。對于

19、確定的介質(zhì)，CS、CL為定值，因此Cp僅是fd的函數(shù)。對于某一個Cp值對應(yīng)有無數(shù)個df值。 4、實(shí)際探傷中，若是頻率單一的連續(xù)波，那么板波聲速就是相速度；若是脈沖波，那么板波聲速就是群速度。 三、液體、氣體介質(zhì)中的聲速 1、液體、氣體中聲速公式1）由于液體和氣體只能承受壓應(yīng)力，不能承受剪切應(yīng)力，因此液體和氣體介質(zhì)中只能傳播縱波，不能傳播橫波和表面波。液體和氣體中的縱波波速為： SKIPIF 1 0 2）由公式可知，液體、氣體介質(zhì)中的縱波聲速與其容變彈性模量和密度有關(guān)，介質(zhì)的容變彈性模量愈大、密度愈小，聲速就愈大。 2、液體介質(zhì)中的聲速與溫度的關(guān)系1）幾乎除水以外的所有液體，當(dāng)溫度升高時，容變彈

20、性模量減小，聲速降低。2）水溫度在74左右時聲速達(dá)最大值，當(dāng)溫度低于74時，聲速隨溫度升高而增加；當(dāng)溫度高于74時，聲速隨溫度升高而降低。 課堂小結(jié)：本次我們討論了不同介質(zhì)中的聲速問題，在學(xué)習(xí)時大家首先要注意介質(zhì)對不同類型波的傳導(dǎo)，然后再注意聲速的大小及影響因素?？v波，橫波，表面波的波速都和頻率沒有關(guān)系，而板波的頻率卻是和頻率又關(guān)系的，這點(diǎn)大家一點(diǎn)要分清楚。作業(yè)：11知識回顧1、無限大固體介質(zhì)中的聲速（縱波，橫波，表面波）公式？與何物理量有關(guān)？縱波，橫波，表面波在同一固體材料中的大小關(guān)系？2、細(xì)長棒中的縱波聲速？3、固體介質(zhì)中聲速與溫度、應(yīng)力、均勻性的關(guān)系？液體、氣體介質(zhì)中聲速與溫度的關(guān)系？教

21、學(xué)引入在實(shí)際生活中，常常有多個波同存的現(xiàn)象，那這些波在共存的時候，它們相互間會有什么影響，又會出現(xiàn)什么效果，這是我們這節(jié)課將要討論的內(nèi)容。新課內(nèi)容：第四節(jié) 波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理 一、波的迭加與干涉1、波的迭加原理（波的獨(dú)立性原理）：1）定義：當(dāng)幾列波在同一介質(zhì)中傳播時，如果在空間某處相遇，則相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動是各列波引起振動的合成，在任意時刻該質(zhì)點(diǎn)的位移是各列波引起位移的矢量和。相遇后仍保持自己原有的頻率、波長、振動方向等特性并按原來的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣。2）現(xiàn)象舉例：石子落水， 樂隊(duì)合奏或幾個人談話。 2、波的干涉：1）定義：兩列頻率相同，振動方向

22、相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時，介質(zhì)中某些地方的振動互相加強(qiáng)，而另一些地方的振動互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象。產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波叫相干波，其波源稱為相干波源。 2）如圖1.20所示，點(diǎn)波源S1、S2在M點(diǎn)引起的振動為： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 質(zhì)點(diǎn)M的合振動為 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 由上可知： (1)當(dāng)nn為整數(shù))時，A=A1+A2。這說明當(dāng)兩相干波的波程差等于波長的整數(shù)倍時，二者互相加強(qiáng)，合振幅達(dá)最大值。 (2)當(dāng)=(2n+1)/2(n為整數(shù))時，A=A1-A2。這說明當(dāng)兩相干波的波程差等于半波長的奇數(shù)倍時，二者互相抵消，合振幅達(dá)最小值。若A1=A2

23、，則A=0，即二者完全抵消。 二、駐波 1、定義：兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播時互相迭加而成的波，稱為駐波。2、波腹、波節(jié)駐波迭加時，有的點(diǎn)振幅恒為0，即這些點(diǎn)始終靜止不動，稱為波節(jié)。而有些點(diǎn)振動得到最大幅度的增大。振幅最大，稱為波腹。波線上其余各點(diǎn)的振幅在0和2A之間?？梢?，駐波波線上各點(diǎn)似乎在作分段振動。 三、惠更斯原理和波的衍射 1、惠更斯原理：波動中任何質(zhì)點(diǎn)都可以看作是新的波源。 2、波的衍射(繞射) 1）定義：波在傳播過程中遇到與波長相當(dāng)?shù)恼系K物時，能繞過障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象。2）特點(diǎn)：波的衍射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

24、的繞射和障礙物尺寸 SKIPIF 1 0 及波長的相對大小有關(guān)，當(dāng) SKIPIF 1 0 時，波的繞射強(qiáng)，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢。超聲探傷靈敏度約為/2，這是一個重要原因。當(dāng) SKIPIF 1 時反射強(qiáng)，繞射弱，聲波幾乎全反射。3）對探傷的利和弊：有利：使超聲波產(chǎn)生晶粒繞射順利地在介質(zhì)中傳播。不利：使一些小缺陷回波顯著下降，以致造成漏檢。課堂小結(jié)：波的疊加和干涉是常見的物理現(xiàn)象，對我們的探傷也有一定指導(dǎo)意義，學(xué)習(xí)時能夠用它來解釋惠更斯原理及波的衍射現(xiàn)象。在課程結(jié)尾的部分提到了靈敏度的概念，這個概念的理解對我們以后的學(xué)習(xí)非常重要。作業(yè)：14、15、16知識回顧：1、什么是波的迭加原理?什

25、么是坡的干涉現(xiàn)象？2、如何利用惠更斯原理理解解釋波的繞射？3、波的繞射對超聲波探傷影響如何?教學(xué)引入充滿超聲波的空間或超聲振動所波及的部分介質(zhì)，叫超聲場。超聲場具有一定的空間大小和形狀，只有當(dāng)缺陷位于超聲場內(nèi)時，才有可能被發(fā)現(xiàn)。描述超聲場的特征值(即物理量)主要有聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。今天我們來討論這些特征。新課內(nèi)容第五節(jié) 超聲場的特征值一、聲壓P 1、定義：超聲場中某一點(diǎn)在某一時刻所具有的壓強(qiáng) SKIPIF 1 0 與沒有超聲波存在時的靜態(tài)壓強(qiáng) SKIPIF 1 0 之差，稱為該點(diǎn)的聲壓，用 SKIPIF 1 0 表示。 SKIPIF 1 0 2、單位：帕斯卡(Pa)，微帕斯卡(Pa)1Pa=

26、1N/m2 1Pa=106Pa3、表達(dá)式： SKIPIF 1 0 4、特點(diǎn)：聲壓的幅值與介質(zhì)密度、波速和頻率成正比。 5、超聲波探傷儀示波屏上的波高與聲壓成正比。二、聲阻抗Z 1、定義：超聲場中任一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動速度之比稱為聲阻抗，常用Z表示。Z=p/u=cu/u=c 2、單位：克/厘米2秒(g/cm2s)或千克/米2(kg/m2s)。 3、特點(diǎn)：聲阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的重要物理量。超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。4、相關(guān)量：材料的聲阻抗與溫度有關(guān)，一般材料的聲阻抗隨溫度升高而降低。這是因?yàn)槁曌杩筞=C，而大多數(shù)材料的密度和聲速C隨溫度增加而減

27、少。三、聲強(qiáng)I1、定義：單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)，常用I表示。2、單位：瓦/厘米2(W/cm2)或焦耳/厘米2秒(J/cm2s)。 3、當(dāng)超聲波傳播到介質(zhì)中某處時，該處原來靜止不動的質(zhì)點(diǎn)開始振動。因而具有動能。同時該處介質(zhì)產(chǎn)生彈性變形，因而也具有彈性位能，其總能量為二者之和。 4、經(jīng)推導(dǎo)可知平均聲強(qiáng)為： SKIPIF 1 0 由以上公式可知： 1)超聲波傳播過程中，單位體積元所具有的總能量周期性地變化，時而達(dá)最大，時而為零。這說明體積元在不斷地接收和放出能量，超聲波的能量是一層接一層地傳播出去的。體積元的動能和勢能同時最大，同時為0，這與單獨(dú)的振動系統(tǒng)完全不同，單獨(dú)的振動系統(tǒng)符

28、臺機(jī)械能守恒，動能最大時勢能為0，勢能最大時動能為0，動能與勢能之和等于常數(shù)。這是因?yàn)闄C(jī)械能守恒的條件是系統(tǒng)只受到重力或彈性力作用。而這里介質(zhì)中質(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。 2)由于超聲波的聲強(qiáng)與頻率平方成正比，而超聲波的頻率遠(yuǎn)大于可聞聲波。因此超聲波的聲強(qiáng)也遠(yuǎn)大于可聞聲波的聲強(qiáng)。這是超聲波能用于探傷的重要原因。例如，大炮的聲強(qiáng)為10-4瓦/厘米2，已震耳欲聾，而超聲波的聲強(qiáng)可達(dá)105瓦/厘米2，等于大炮聲強(qiáng)的109倍，又如一個600瓦/厘米2超聲波發(fā)生器，10分鐘可燒開一壺水，其能量相當(dāng)于700萬人集中在一起講話1.5小時所釋放出來的能量總和。(3)在同一介

29、質(zhì)中，超聲波的聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比。課堂小結(jié)：本節(jié)課講的超聲場的特征值，聲壓，聲強(qiáng)，聲阻抗，都是我們以后經(jīng)常接觸到的名詞，對于前兩項(xiàng)經(jīng)過微分，積分推導(dǎo)出公式的過程，不要求大家掌握，但希望大家在三者概念理解的基礎(chǔ)上靈活運(yùn)用在以后的學(xué)習(xí)當(dāng)中。作業(yè)：17、18、19、20 知識回顧： 1、什么是超聲場?描述超聲場的物理量有哪些? 2、什么是聲壓?聲壓的常用單位是什么? 3、什么是聲強(qiáng)?聲強(qiáng)的常用單位是什么?聲強(qiáng)與哪些因素有關(guān)?4、什么是聲阻抗?聲阻抗的常用單位是什么?聲阻抗與哪些因素有關(guān)?教學(xué)引入：在我們以后的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中，我們經(jīng)常會碰到一些衡量聲強(qiáng)的單位，這些單位相互之間有密切聯(lián)系，各有各的用處

30、，理解這些單位的概念，是我們必有掌握基本知識。如引起聽覺的聲強(qiáng)最大值與最小值相差12個數(shù)量級，顯然采用絕對量來度量是不方便的，于是我們引進(jìn)對其比值取對數(shù)的計算，分貝，奈培就是取對數(shù)后的單位。 新課內(nèi)容：第六節(jié) 分貝與奈培 一、分貝與奈培的概念 1、產(chǎn)生的背景：生產(chǎn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，聲強(qiáng)數(shù)量級往往相差懸殊，如引起聽覺的聲強(qiáng)范圍為 SKIPIF 1 0 ，最大值與最小值相差12個數(shù)量級。顯然采用絕對量來度量是不方便的,但如果對其比值(相對量)取對數(shù)來比較計算則可大大簡化運(yùn)算。分貝與奈培就是兩個同量綱的量之比取對數(shù)后的單位。 2、通常規(guī)定引起聽覺的最弱聲強(qiáng)為 SKIPIF 1 0 作為聲強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，另一聲強(qiáng)

31、 SKIPIF 1 0 與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng) SKIPIF 1 0 之比的常用對數(shù)稱為聲強(qiáng)級，單位為貝爾(BeL)。 SKIPIF 1 0 (BeL) 3、實(shí)際應(yīng)用貝爾太大，故常取1/10貝爾即分貝(dB)來作單位。 SKIPIF 1 0 (dB) 4、通常說某處的噪聲為多少分貝，就是以10-16瓦/厘米2為標(biāo)準(zhǔn)利用上式計算得到的。 各種聲音的分貝數(shù)大致如下： 引起聽覺的聲強(qiáng) SKIPIF 1 0 0 dB 樹葉沙沙聲 SKIPIF 1 0 10 dB 耳語 SKIPIF 1 0 20 dB 談話 SKIPIF 1 0 50 dB 大炮聲 SKIPIF 1 0 100 dB 超聲波 SKIPIF 1 0

32、 200 dB 、在超聲波探傷中，當(dāng)超聲波探傷儀的垂直線性較好時，儀器示波屏上的波高與聲壓成正比。這時有 SKIPIF 1 0 (dB) 注：這里聲壓基準(zhǔn)P1或波高基準(zhǔn)H1可以任意選取。 1）當(dāng) SKIPIF 1 0 時，0dB，說明兩波高相等時，二者的分貝差為零 2）當(dāng) SKIPIF 1 0 時，6dB，說明H2為H1的2倍時，H2比H1，高6dB。 3）當(dāng) SKIPIF 1 0 時，-6dB，說明H2為H1的l/2時，H2比H1低6dB。 4）常用聲壓（波高比）對應(yīng)的dB值列于下表。P2/P1或H2/H1104211/21/41/10dB201260-6-12-20 6、對 SKIPIF

33、1 0 或 SKIPIF 1 0 取自然對數(shù)，則其單位為奈培（NP） SKIPIF 1 0 （NP） 7、單位轉(zhuǎn)換：1NP=8.68dB 1dB=0.115NP二、分貝與奈培的應(yīng)用 用分貝值表示回波幅度的相互關(guān)系，不僅可以簡化運(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)表示缺陷渡榴對波高。因此，分貝概念的引用對超聲探傷有很重要的實(shí)用價值。例1，示波屏上一波高為80mm，另一波高為20mm，問前者比后者高多少dB？ 解：=20lgH2/H1=20lg80/20=12 (dB) 答：前者比后者高12dB。例2，示波上有A、B、C三個波，其中A波比B波高3dB，已知B波高為50mm，求A、

34、C各為多少mm? 解：由已知得=20lgA/B=3 A=100.15，B=70.6(mm) 又=20lgC/B=-3 C=10-0.15B=35.4(mm) 答：A、C分別為70.6mm和35.4mm。課堂小結(jié)：分貝和奈培是我們超聲波探傷中常用的單位，這一點(diǎn)大家要注意，同時也要掌握它們在超聲中的計算方法，注意找到兩個單位之間的聯(lián)系。超聲波的波高與聲壓成正比，這個知識點(diǎn)的理解及運(yùn)用在我們以后學(xué)習(xí)規(guī)則體反射聲壓中也得以應(yīng)用，所以，希望大家對于上課講解的兩道例題的同類型題目，課后自己再多加練習(xí)。作業(yè)：21知識回顧： 1、什么是分貝和奈培?二者有何關(guān)系?2、平常說某人講話的聲音為50dB是相對什么而言

35、的?教學(xué)引入：從我們常見的光到鏡面的反射引出超聲波入射到界面時的反射，并且還能發(fā)生透射或者折射。本次課先討論超聲波垂直入射到平界面上時的反射和透射情況，重點(diǎn)是聲能的分配比例。超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)內(nèi)，稱反射波；另一部分能量透過界面在另一種介質(zhì)內(nèi)傳播，稱透射波。在界面上聲能(聲壓、聲強(qiáng))的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規(guī)律。新課內(nèi)容：第七節(jié) 超聲波垂直入射到界面時的反射和透射（一）一、單一平界面的反射率與透射率1、當(dāng)超聲波垂直入射到光滑平界面時，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射

36、波，如教材圖1.26所示。2、反射波與透射波的聲壓(或聲強(qiáng))是按一定規(guī)律分配的。這個分配比例由聲壓反射率(或聲強(qiáng)反射率)和透射率(或聲強(qiáng)透射率)來表示。 3、設(shè)入射波的聲壓為 SKIPIF 1 0 (聲強(qiáng)為 SKIPIF 1 0 ),反射波的電壓為 SKIPIF 1 0 (聲強(qiáng)為 SKIPIF 1 0 )透射波的聲壓為 SKIPIF 1 0 (聲強(qiáng)為 SKIPIF 1 0 ). 1）界面上反射波聲壓 SKIPIF 1 0 與入射波聲壓 SKIPIF 1 0 之比稱為界面的聲壓反射率，用r表示，即 SKIPIF 1 0 。 2）界面上透射波聲壓 SKIPIF 1 0 與入射波聲壓 SKIPIF

37、1 0 之比稱為界面的聲壓反射率，用t表示，即 SKIPIF 1 0 。 4、在界面兩側(cè)的聲波，必須符合下列兩個條件： 1)界面兩側(cè)的總聲壓相等，即 SKIPIF 1 0 。 2)界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動速度幅值相等，即 SKIPIF 1 0 5、由上述兩邊界條件和聲壓反射率，透射率定義得： SKIPIF 1 0 解上述聯(lián)立方程得聲壓反射率r和透射率t分別為 SKIPIF 1 0 6、界面上反射波聲強(qiáng) SKIPIF 1 0 與入射波聲強(qiáng) SKIPIF 1 0 之比稱為聲強(qiáng)反射率，用R表示。 SKIPIF 1 0 7、界面上透射波聲強(qiáng)It與入射波聲強(qiáng)Io之比稱為強(qiáng)透射率，用T表示。 SKIPIF 1 0

38、 8、以上各式說明超聲波垂直入射到平界面上時，聲壓或聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。由以上幾式可以導(dǎo)出： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 二、幾種常見界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射和透射情況討論。 1、當(dāng) SKIPIF 1 0 時，反射波聲壓 SKIPIF 1 0 與入射波聲壓 SKIPIF 1 0 同相位。界面上反射波與入射波疊加類似駐波，合成聲壓振幅增大為 SKIPIF 1 0 例如超聲波平面波垂直入射到水/鋼界面，如圖1.27所示。 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 ，則： SKIPIF 1 1，似乎違反能量守恒，其實(shí)不然，因?yàn)槁晧菏橇Φ母拍疃χ粫胶?o

39、+r=Pt)不會守恒，只有能量才會守恒。事實(shí)上，從聲強(qiáng)方面看，這里R+T=0.875+0.125=1，說明符合能量守恒。 2、當(dāng) SKIPIF 1 0 時， 即反射波聲壓 SKIPIF 1 0 與入射波聲壓 SKIPIF 1 0 相位相反，反射波與入射波合成聲壓振幅減小。例如超聲波平面波垂直入射到鋼/水界面。如圖1.28所示。 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 ，則： SKIPIF 1 0 以上計算表明，超聲波垂直入射到鋼/水界面時，聲壓透射率很低，聲壓反射率很高。聲強(qiáng)反射率與透射率與超聲波垂直入射到水/鋼界面相同。由此可見-超聲波垂直入射到某界面時的聲強(qiáng)反射率與透射率與從何種介

40、質(zhì)入射無關(guān)。3、當(dāng) SKIPIF 1 0 時，(如鋼/空氣界面)， SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 ，則： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 計算表明，當(dāng)入射波介質(zhì)聲阻抗遠(yuǎn)大于透射波介質(zhì)聲阻抗時，聲壓反射率趨于-1，透射率趨于0，即聲壓幾乎全反射，無透射，只是反射波聲壓與入射波聲壓有180相位變化。 探傷中，探頭和工件間如不施加耦合劑，則形成固(晶片)/氣界面，超聲波將無法進(jìn)入工件。4、當(dāng) SKIPIF 1 0 時，即界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗近似相等時。如鋼的淬火部分與非淬火部分及普通碳鋼焊縫的母材與填充金屬之間的聲阻抗相差很小，一般為1%左右。設(shè) SKIPIF 1 0

41、， SKIPIF 1 0 ，則： SKIPIF 1 0 這說明超聲波垂直入射到兩種聲阻抗相差很小的介質(zhì)組成的界面時,幾乎全透射，無反射。因此在焊縫探傷中，若母材與填充金屬結(jié)合面沒有任何缺陷，是不會產(chǎn)生界面回波的。 5、以上討論的超聲波垂直到單一平界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射率和透射率公式同樣適用于橫波入射的情況，但必須注意的是在固體/液體或固體/氣體界面界上，橫波全反射。因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。課堂小結(jié)：超聲波的反射和透射是我們實(shí)際探傷中主要應(yīng)用，因此內(nèi)容很重要，大家一定要認(rèn)真理解反射和透射的原理，掌握不同界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射和透射情況，為我們會面討論探傷中的超聲波打下基礎(chǔ)。作業(yè)：22，2

42、3知識回顧1、界面兩邊聲波必須滿足什么條件？2、聲強(qiáng)，聲壓透射率，反射率的公式？3、探頭與工件間不施加耦合劑會出現(xiàn)什么情況？教學(xué)引入：超聲波探傷時，經(jīng)常遇到耦合層和缺陷薄層等問題，這些都可歸結(jié)為超聲波在薄層界面的反射和透射問題。此時，超聲波是由聲阻抗為Zl的第一介質(zhì)入射到Z1和Z2界面，然后通過聲阻抗為Z2的第二介質(zhì)薄層射到Z2和Z3界面，最后進(jìn)入聲阻抗為Z3的第三介質(zhì)。今天我們來討論這種薄層界面的反射率與透射率。新課內(nèi)容：第七節(jié) 超聲波垂直入射到界面時的反射和透射（二）一、薄層介面的反射與透射情況1、超聲波通過一定厚度的異質(zhì)薄層時，反射和透射情況與單一的平界面不同。異質(zhì)薄層很薄，進(jìn)入薄層內(nèi)的

43、超聲波會在薄層兩側(cè)界面引起多次反射和透射，形成一系列的反射波和透射波，如圖1.29(a)所示。1）當(dāng)超聲波脈沖寬度相對于薄層較窄時，薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波互不干涉。2）當(dāng)脈沖寬度相對于薄層較寬時，薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波互相疊加產(chǎn)生干涉。2、超聲波通過異質(zhì)薄層時的聲壓反射率和透射率不僅與介質(zhì)聲阻抗和薄層聲阻抗有關(guān)，而且與薄層厚度同其波長之比 SKIPIF 1 0 有關(guān)。 3、均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層( SKIPIF 1 0 ) 1）對于 SKIPIF 1 0 ，即均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層，其聲壓反射率與透射率為： SKIPIF 1 0 2）由以上公式可知：（1）當(dāng) SKIPIF 1 0 (n

44、為整數(shù))時，r0，t1。這說明當(dāng)薄層兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗相等，薄層厚度為其半波長的整數(shù)倍時，超聲波全透射，幾乎無反射(r0)，好象不存在異質(zhì)薄層一樣。這種透聲層常稱為半波透聲層。（2） SKIPIF 1 0 (n為整數(shù))時，即異質(zhì)薄層厚度等于其四分之一波長的奇數(shù)倍時，聲壓透射率最低，聲壓反射率最高。圖1.30和圖1.31分別表示在鋼和鋁中存在一個充滿空氣或水的縫隙時的聲壓反射率和聲壓透射率。由圖1.31可知： 當(dāng)f=1MHz時，鋼中厚度為d=10-5毫米的氣隙幾乎能100%反射。兩塊緊貼在一起的十分精密的塊規(guī)之間隙也有10-5毫米?？梢姵暡▽μ綔y含有氣體介質(zhì)的裂紋等缺陷的靈敏度是很高的。當(dāng)材料中的

45、氣隙或水隙厚度一定時，頻率增加，聲壓反射率也隨著增加。例如對于鋼中的氣隙d=10-7毫米時，f=1MHz,r=20%，f=5MHz，r=60%?？梢娞岣叱暡ㄌ絺l率對于提高探傷靈敏度是有利的。 4、薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面 1）對于 SKIPIF 1 0 ，即非均勻介質(zhì)中的薄層，例如晶片一保護(hù)膜一工件，其聲強(qiáng)透射率為： SKIPIF 1 0 2）由上式可知：（1） SKIPIF 1 0 (n為整數(shù))時 SKIPIF 1 0 即超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層時，若薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍，則通過薄層的聲強(qiáng)透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān)，好象不存在薄層一樣。（2） SKIPIF 1 0 (n

46、為整數(shù))時 SKIPIF 1 0 表明超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層，若薄層厚度等于 SKIPIF 1 0 的奇數(shù)倍，薄層聲阻抗為其兩側(cè)介質(zhì)聲阻幾何平均值時，即 SKIPIF 1 0 ，其聲強(qiáng)透射率等于1，超聲波全透射。這對于直探頭保護(hù)膜的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。 二、聲壓往復(fù)透射率1、在超聲波單探頭探傷中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。2、探頭投的超聲波透過界面進(jìn)入工件，在固/氣底面產(chǎn)生全反射后再次通過同一界面被探頭接收，如圖1.32所示。這時探頭接收到的回波聲壓 SKIPIF 1 0 與入射波聲壓 SKIPIF 1 0 之比，稱為聲壓往復(fù)透射率 SKIPIF 1 0 。 SKIPIF

47、 1 0 3、分析公式可知超聲波垂直入射時，在底面全反射的務(wù)件下聲壓往復(fù)透射率與聲強(qiáng)透射率在數(shù)值上相等。 例如用PZT-5晶片( SKIPIF 1 0 )對鋼制工件( SKIPIF 1 0 )探傷時，若耦合劑中聲壓全透射，鋼制工件底面聲壓全反射，則其聲壓往復(fù)透射率為： SKIPIF 1 0 又如水浸法探傷鋼制工件時，水中聲阻抗 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 ，鋼中聲阻抗 SKIPIF 1 0 ，若底面全反射，則超聲波在水/鋼界面的聲壓往復(fù)透射率為： SKIPIF 1 0 4、由公式可知聲壓往復(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)入射到界面無關(guān)。界面兩側(cè)分質(zhì)的聲阻抗相差愈

48、小，聲壓往復(fù)透射率就愈高，反之就愈低。5、往復(fù)透射率高低直接影響探傷靈敏度高低，往復(fù)透射率高，探傷靈敏度高。反之，探傷靈敏度低。作業(yè)：23、24、25、26、42知識回顧: 1、怎么理解超聲波探測含有氣體介質(zhì)的裂紋等缺陷的靈敏度很高？ 2、直探頭保護(hù)膜厚度應(yīng)考慮什么因素？教學(xué)引入： 前面我們一直在討論超聲波垂直射向界面時的反射和透射，那么超聲波傾斜入射到界面時會出現(xiàn)什么情況呢？今天我們來討論相關(guān)的知識。新課內(nèi)容：第八節(jié) 超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射一、波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律 1、波型轉(zhuǎn)換：當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會產(chǎn)生不同類型的反射和折射波。 2、縱

49、波斜入射當(dāng)縱波L傾斜入射到固/固界面時，除產(chǎn)生反射縱波L和折射縱波L外，還會產(chǎn)生反射橫波S和折射橫波S如圖所示。各種反射波和折射波方向符合反射、折射定律： SKIPIF 1 0 （1）由于同一介質(zhì)中縱波波速不變，因此 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 。又由于在同一介質(zhì)中縱波波速大雨橫波波速，因此 SKIPIF 1 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 。1）第一臨界角 SKIPIF 1 0 :由(1)式可以看出， SKIPIF 1 0 當(dāng) SKIPIF 1 0 時， SKIPIF 1 0 ，隨著 SKIPIF 1 0 加， SKIPIF 1 0

50、也增加，當(dāng) SKIPIF 1 0 增加到一定程度時， SKIPIF 1 0 =90，這時所對應(yīng)的縱波入射角稱為第一臨界角，用 SKIPIF 1 0 表示。 SKIPIF 1 0 2）第二臨界角 SKIPIF 1 0 ：由(1)式可得 SKIPIF 1 0 當(dāng) SKIPIF 1 0 時， SKIPIF 1 0 ，隨著 SKIPIF 1 0 增加， SKIPIF 1 0 也增加，當(dāng) SKIPIF 1 0 增加到一定程度時， SKIPIF 1 0 =90，這時所對應(yīng)的縱波入射角稱為第二臨界角，用 SKIPIF 1 0 表示。 SKIPIF 1 0 3）由 SKIPIF 1 0 和 SKIPIF 1

51、0 的定義可知： （1）當(dāng) SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 時，第二介質(zhì)中即有折射縱波L又有折射橫波S。 （2）當(dāng) SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 - SKIPIF 1 0 時，第二介質(zhì)中只有折射橫波S沒有折射縱波L這就是常用橫波探頭的制作原理。 （3）當(dāng) SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 時，第二介質(zhì)中既無折射縱波L”，又無折射橫波S。這時在其介質(zhì)的表面存在表面波R，這就是常用表面波探頭的制作原理。4）例，縱波傾斜入射到有機(jī)玻璃/鋼界面時。有機(jī)玻璃中: SKIPIF 1 0 =273m/s,鋼中： SKIPIF 1 0 =5900m/s， SKIPIF

52、1 0 =323Om/s。則第一、二臨界角分別為： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 由此可見有機(jī)玻璃橫波探頭 SKIPIF 1 0 ，有機(jī)玻璃表面波探頭 SKIPIF 1 0 3、橫波入射1）當(dāng)橫波傾斜入射到圍/固界面時，同樣會產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，如圖所示。各反射、折射波的方向符合反射、折射定律： SKIPIF 1 0 2）橫波傾斜入射時，同樣存在第一、二臨界角，由于在實(shí)際探傷中無多大實(shí)際意義，故這里不再討論，這里只討論第三臨界角 SKIPIF 1 0 。 由上式得 SKIPIF 1 0 ， 隨 SKIPIF 1 0 增加， SKIPIF 1 0 也增加，當(dāng) SKIPIF 1 0 增加到

53、一定程度時， SKIPIF 1 0 =90，這時所對應(yīng)的橫波入射角稱為第三臨界角，用 SKIPIF 1 0 表示。 SKIPIF 1 0 當(dāng) SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 時，第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒有反射縱波，即橫波全反射。 3）對于鋼： SKIPIF 1 0 =5900m/S， SKIPIF 1 0 =3230m/s SKIPIF 1 0 當(dāng)as332時，鋼中橫波全反射。二、聲壓反射率 1、超聲波反射、折射定律只討論了各種反射波、折射波的方向問題，未涉及聲壓反射率和透射率問題。由于傾斜入射時，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)，其理論計算公式十分復(fù)雜

54、，這里只介紹由理論計算結(jié)果繪制的曲線圖形。 2、縱波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射 如教材31頁圖1.35所示，當(dāng)縱波傾斜入射到鋼/空氣界面時，縱波聲壓反射率 SKIPIF 1 0 與橫波聲壓反射率 SKIPIF 1 0 隨入射角 SKIPIF 1 0 而變化。當(dāng) SKIPIF 1 0 =60左右時， SKIPIF 1 0 很低， SKIPIF 1 0 較高。原因是縱波傾斜入射，當(dāng) SKIPIF 1 0 =60左右時產(chǎn)生一個較強(qiáng)的變型反射橫波。 3、橫波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射 如教材31頁圖1.36所示，橫波傾斜入射到鋼/空氣界面橫波聲壓反射率 SKIPIF 1 0 ，與縱波聲壓反射率 S

55、KIPIF 1 0 隨入射角as而變化。當(dāng) SKIPIF 1 0 =30時， SKIPIF 1 0 很低， SKIPIF 1 0 較高。當(dāng)as33.2(a)時， SKIPIF 1 0 =100%,即鋼中橫波全反射。三、聲壓往復(fù)透射率 1、超聲波探傷中，常常采用反射法探傷，超聲波往復(fù)透過同一探側(cè)面，因此聲壓往復(fù)透射率更具有實(shí)際意義。 2、如教材31頁圖1.37所示，超聲波傾斜入射，折射波全反射，探頭按收到的回波聲壓 SKIPIF 1 0 與入射波聲壓 SKIPIF 1 0 之比稱為聲壓往復(fù)透射率，常用表表示， SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 。 3、圖1.38為縱波傾斜入射至水/鋼界

56、面時的聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系曲線。當(dāng)縱波入射角 SKIPIF 1 0 14.5( SKIPIF 1 0 )時，折射縱波的往復(fù)透射率 SKIPIF 1 0 不超過13%，折射橫波的往復(fù)透射率 SKIPIF 1 0 小于6%。當(dāng) SKIPIF 1 0 ( SKIPIF 1 0 )時，鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波的往復(fù)透射率 SKIPIF 1 0 最高不到20%。實(shí)際探傷中水浸探傷鋼材就屬于這種情況。 4、圖1.39為縱波傾斜入射至有機(jī)玻璃/鋼界面對往復(fù)透射率與入射角之間的關(guān)系曲線。當(dāng) SKIPIF 1 0 27.6( SKIPIF 1 0 )時，折射縱波的往復(fù)透射率 SKIPI

57、F 1 0 小于25%，折射橫波的往復(fù)透射率 SKIPIF 1 0 小于10%。當(dāng) SKIPIF 1 0 =27-57( SKIPIF 1 0 )時，鋼中只有折射橫波，無折射縱波。折射橫波的往復(fù)透射率最高不超過30%，這時所對應(yīng)的 SKIPIF 1 0 30， SKIPIF 1 0 37。實(shí)際探傷中有機(jī)玻璃橫波探頭探傷鋼材就屬于這種情況。 四、端角反射 1、超聲波在兩個平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射叫做端角反射，如圖1.40。在端角反射中，超聲波經(jīng)歷了兩次反射，當(dāng)不考慮波型轉(zhuǎn)按時，二次反射回波與入射波互相平行，即 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 且a+=90。 圖1.40 端角反射 2、回

58、波聲壓 SKIPIF 1 0 與入射波聲壓 SKIPIF 1 0 之比稱為端角反射率用T端表示。T端= SKIPIF 1 0 3、教材33頁圖1.41為鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率。1）由圖1.4l(a)可知，縱波入射時，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。 2）由圖1.41(b)可知，橫波入射時，入射角 SKIPIF 1 0 =30或60附近時，端角反射率最低， SKIPIF 1 0 =35-55時，端角反射率可達(dá)100%。實(shí)際工作中，橫波探傷焊縫單面焊根部未焊透或襲紋的情況就類似于這種情況，當(dāng)橫波入角 SKIPIF 1 0 （等于橫波探頭的折射角 SKIPI

59、F 1 0 ）=35-55，即K=tgs=0.7-1.43時，探傷靈敏度較高。當(dāng) SKIPIF 1 0 56，即K1.5時，探傷靈敏度較低，可能引起漏檢。 3）從圖1.38還可以看出， SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）在0或90附近時，無論是縱波還是橫波端角反射率理論上都很高，但實(shí)際上由于入射波、反射波在邊界互相干涉而抵消，因此實(shí)際上這時探測靈敏度不高。 作業(yè)：27、29、43、44、45、46知識回顧 1、縱波斜入射時的第一、二臨界角分別表示什么臨界狀態(tài)？2、求有機(jī)玻璃的第三臨界角。教學(xué)引入超聲波是一種頻率很高波長很短的機(jī)械波，它與可見光一樣具有聚焦和發(fā)散的特性。由于超聲波

60、還可能產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，因此超聲波的聚焦與發(fā)散更為復(fù)雜。今天我們就來討論這一方面的知識，為了便于討論，這里不考慮波型轉(zhuǎn)換行為。新課內(nèi)容第九節(jié) 超聲波的聚焦與發(fā)散 一、聲壓距離公式 對于平面波，波束不擴(kuò)散，而是互相平行，因此聲壓不隨距離而變化。球面波與柱面波的波束擴(kuò)散，其聲壓與距離有關(guān)。 1、球面波聲壓距離公式球面波的波陣面為同心球面，球面波聲場中的某處質(zhì)點(diǎn)的振幅與該點(diǎn)至波源的距離成反比，而聲壓又與振幅成正比，因此球面波的聲壓與距離成反比。 SKIPIF 1 0 2、柱面波聲壓距離公式 柱面波的波陣面為同軸柱面，柱面波聲場中某處質(zhì)點(diǎn)的振幅與該點(diǎn)至波源的距離的平方根成反比，而聲壓與振幅成正比，因此柱面