鋼結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)第一、二、三章課件

11鋼結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)

廖紹懷

華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院2013年04月11鋼結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)廖紹懷華中科技大學(xué)土木工程與力2第一篇無損檢測(cè)概論一、無損檢測(cè)的定義

無損檢測(cè)技術(shù)(Non-DestructiveTesting,簡稱NDT)是第二次世界大戰(zhàn)后迅速發(fā)展起來的一門新興的、多學(xué)科綜合應(yīng)用的工程科學(xué)。此項(xiàng)技術(shù)是在不改變及損傷被檢對(duì)象的各種性能(其中包括物理性能、化學(xué)性能、幾何形狀、表面狀態(tài)等)的前提下，采用多種適用的方法對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，以確定其質(zhì)量，即確定該被檢對(duì)象的實(shí)際使用性能是否能滿足事先設(shè)計(jì)的需要，以及確定其某些特性，如幾何尺寸、所使用的材料、表面狀況、均勻性、密度等。2第一篇無損檢測(cè)概論3二金屬探傷五種無損檢測(cè)方法無損檢測(cè)技術(shù)基本原理能檢測(cè)出的缺陷磁粉檢測(cè)(MT)*MagneticTesting磁場作用表面及近表面缺陷滲透檢測(cè)(PT)PenetrantTesting毛細(xì)管作用表面開口缺陷渦流檢測(cè)(ET)EddyTesting電磁感應(yīng)作用表面及近表面缺陷，壓力容器超聲波檢測(cè)(UT)*UltrasonicTesting超聲波反射原理內(nèi)部缺陷，對(duì)面積型缺陷(如裂紋、未熔合)較敏感射線照測(cè)(RT)RadiographyTesting射線衰減原理內(nèi)部缺陷，對(duì)體積型缺陷(如氣孔、夾渣)較敏感3二金屬探傷五種無損檢測(cè)方法無損檢測(cè)技術(shù)基本原理能4三、無損檢測(cè)五大常規(guī)手段的應(yīng)用范圍及性能對(duì)比4三、無損檢測(cè)五大常規(guī)手段的應(yīng)用范圍及性能對(duì)比5金屬探傷五種無損檢測(cè)方法性能對(duì)比（續(xù)）5金屬探傷五種無損檢測(cè)方法性能對(duì)比（續(xù)）6四、常用無損檢測(cè)方法的識(shí)別界限6四、常用無損檢測(cè)方法的識(shí)別界限7五、射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)對(duì)不同類型清晰的檢出能力7五、射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)對(duì)不同類型清晰的檢出能力8無損檢測(cè)人員的級(jí)別分為：Ⅰ級(jí)(初級(jí))---培訓(xùn)4周，通過理論考試、實(shí)際操作考試，取得證書后能進(jìn)行檢測(cè)，但不能編寫檢測(cè)報(bào)告(不負(fù)責(zé)檢測(cè)結(jié)果的評(píng)定)。Ⅱ級(jí)(中級(jí))---培訓(xùn)4周，通過理論考試、實(shí)際操作考試，取得證書后既能進(jìn)行檢測(cè)，又能編寫檢測(cè)報(bào)告。Ⅲ級(jí)(高級(jí))---培訓(xùn)2周，通過理論(含專門技術(shù)、通用技術(shù))考試、編制工藝考試，能檢測(cè)、編寫檢測(cè)報(bào)告還能解釋標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。證書有效期:4年(5年)六、無損檢測(cè)人員的資質(zhì)8無損檢測(cè)人員的級(jí)別分為：六、無損檢測(cè)人員的9國家質(zhì)監(jiān)總局Ⅱ級(jí)證書機(jī)械部Ⅱ級(jí)證書、Ⅲ級(jí)證書9國家質(zhì)監(jiān)總局Ⅱ級(jí)證書機(jī)械部Ⅱ級(jí)證書、Ⅲ級(jí)證書1010第二篇超聲波檢測(cè)第一章超聲波檢測(cè)的物理基礎(chǔ)

1010第二篇超聲波檢測(cè)第一章超聲波檢測(cè)的物理11一、振動(dòng)

1、振動(dòng)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(dòng)，稱為機(jī)械振動(dòng)。

2）例子：直接覺察——彈簧振子、鐘擺和汽缸中活塞運(yùn)動(dòng)。難以覺察——固體分子的熱運(yùn)動(dòng)，一切發(fā)聲物體的運(yùn)動(dòng)以及超聲波波源的運(yùn)動(dòng)。

3）描述：（1）周期T——振動(dòng)物體完成一次全振動(dòng)所需要的時(shí)間，稱為振動(dòng)周期，用T表示。常用單位為秒(s)。（2）頻率f——振動(dòng)物體在單位時(shí)間內(nèi)完成全振動(dòng)的次數(shù)，稱為振動(dòng)頻率，用f表示。常用單位為赫茲(Hz)。第一節(jié)振動(dòng)與波動(dòng)11一、振動(dòng)第一節(jié)振動(dòng)與波動(dòng)122、諧振動(dòng)1）定義：最簡單最基本的直線振動(dòng)稱為諧振動(dòng)。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(dòng)，其頻率為固有頻率。（3）物體做諧振動(dòng)時(shí)，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(shí)動(dòng)能最大勢(shì)能為零，在位移最大位置時(shí)勢(shì)能最大動(dòng)能為零，其總能量保持不變。3）諧振動(dòng)方程

122、諧振動(dòng)133、阻尼振動(dòng)

1）定義：振幅或能量隨時(shí)間不斷減少的振動(dòng)。

2）特點(diǎn)：振幅不斷減少，而周期卻不變。阻尼振動(dòng)受到阻力作用，不符合機(jī)械能守恒。133、阻尼振動(dòng)144、受迫振動(dòng)

1）定義：物體受周期性變化的外力作用時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。

2）特點(diǎn)：受迫振動(dòng)剛開始時(shí)情況很復(fù)雜，經(jīng)過一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變?yōu)橹芷谛缘闹C振動(dòng)。其振動(dòng)頻率與策動(dòng)力頻率相同，振幅保持不變。受迫振動(dòng)物體受到策動(dòng)力作用，不符合機(jī)械能守恒。

3）共振：受迫振動(dòng)的振幅與策動(dòng)力的頻率有關(guān)，當(dāng)策動(dòng)力頻率P與受迫振動(dòng)物體固有頻率w。相同時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅達(dá)最大值。這種現(xiàn)象稱為共振。

4）共振在超聲的應(yīng)用：設(shè)計(jì)探頭中的壓電晶片時(shí)，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(shí)壓電晶片的電聲能量轉(zhuǎn)換效率最高。144、受迫振動(dòng)15二、波動(dòng)

1、機(jī)械波和電磁波①機(jī)械波：機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過程。超聲波是機(jī)械波。②電磁波：電磁振蕩在空間的傳播過程。X射線屬于電磁波.③產(chǎn)生機(jī)械波必須具備兩個(gè)條件：

a.要有作機(jī)械振動(dòng)的波源；

b.要有能傳播機(jī)械波的彈性介質(zhì)。波動(dòng)的機(jī)理可以用物質(zhì)的彈性模型來說明。

15二、波動(dòng)16彈性介質(zhì)是由彈性力相聯(lián)系的質(zhì)點(diǎn)組成的。當(dāng)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)受到外力作用時(shí)，該質(zhì)點(diǎn)便圍繞其平衡位置往復(fù)振動(dòng)。由于質(zhì)點(diǎn)間以彈性力相聯(lián)系，該質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)會(huì)引起相鄰質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，而相鄰質(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)就由近及遠(yuǎn)地傳播開去。波動(dòng)與振動(dòng)是相互關(guān)聯(lián)的，振動(dòng)是波動(dòng)的根源，波動(dòng)是振動(dòng)形式和振動(dòng)能量的傳播。這種傳播是通過質(zhì)點(diǎn)的連續(xù)位移變化來實(shí)現(xiàn)的，質(zhì)點(diǎn)并不發(fā)生遷移。

16彈性介質(zhì)是由彈性力相聯(lián)系的質(zhì)點(diǎn)組成的。當(dāng)一個(gè)17

2、波長、頻率和波速1）波長λ：同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離，用λ表示。常用單位為毫米(mm)或米(m)。2）頻率f：波動(dòng)中，任一點(diǎn)在1秒內(nèi)所通過的完整波個(gè)數(shù)。波動(dòng)頻率在數(shù)值上同振動(dòng)頻率，單位為赫茲(HZ)。3）波速C：波動(dòng)中，波在單位時(shí)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）三者關(guān)系：C=λf或λ=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(shí)，波速愈大，波長就愈長；當(dāng)波速一定時(shí)，頻率愈低，波長就愈長。172、波長、頻率和波速18

例題1:已知鋼中的縱波聲速為5900m/s，橫波聲速為3230m/s。試求2.5MHz的聲波在鋼中的縱波和橫波波長。解:18例題1:已知鋼中的縱波聲速為5919

3、波動(dòng)方程

波動(dòng)方程描述波線各質(zhì)點(diǎn)在任一時(shí)刻的位移情況。

193、波動(dòng)方程20三、聲波、超聲波和次聲波1、次聲波、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。

不同點(diǎn)：頻率

聲波—f=20Hz～20000Hz,能引起聽覺。次聲波—f＜20Hz的機(jī)械波。

超聲波—f＞20000Hz的機(jī)械波。

20三、聲波、超聲波和次聲波212、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(duì)鋼等金屬材料的檢驗(yàn)，常用的頻率為1~5MHz。

(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(jí)。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。

(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。

(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)。

212、超聲波的應(yīng)用

超聲探傷所用的頻率一般在0.5223、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(dòng)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。223、次聲波的應(yīng)用23(一)、根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類1、縱波L（壓縮波、疏密波）

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向相互平行的波。

縱波傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)受交變拉伸應(yīng)力作用，質(zhì)點(diǎn)之間發(fā)生相應(yīng)伸縮形變，質(zhì)點(diǎn)疏密相間?？v波可在固體、氣體和液體中傳播。

固體介質(zhì)能承受拉伸或壓縮應(yīng)力,因此固體介質(zhì)可以傳播縱波;液體和氣體雖不能承受拉伸和壓縮應(yīng)力,但能承受壓應(yīng)力產(chǎn)生的容積變化,因此液體和氣體也能傳播縱波.

第二節(jié)波的類型23(一)、根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類242、橫波S（T）（切變波）

1）介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)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(shí)，產(chǎn)生切變形變，從而形成橫波。3）傳播介質(zhì)：固體介質(zhì)

液體和氣體不能承受剪切應(yīng)力,所以不能傳播橫波.242、橫波S（T）（切變波）253、表面波R（瑞利）1）定義：當(dāng)介質(zhì)表面受到拉伸和交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿固體表面?zhèn)鞑サ牟ā?）特點(diǎn)：表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，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(dòng)可視為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)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(shí)，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?53、表面波R（瑞利）262627

4、板波在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟ǚQ為板波。

（1）SH波：水平偏振的橫波在薄板中的傳播。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行于板面而垂直于波的傳播方向。

274、板波28

（2）、蘭姆波①、對(duì)稱型蘭姆波（S型）：薄板中心層質(zhì)點(diǎn)作縱向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓振動(dòng)，相位相反并對(duì)稱于中心。②、非對(duì)稱型蘭姆波（A型）：薄板中心質(zhì)點(diǎn)作垂直振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓振動(dòng)，相位相同不對(duì)稱。28（2）、蘭姆波29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、氣體介質(zhì)鋼板、鍛件探傷等橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(dòng)，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(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)(厚度與波長相當(dāng)?shù)谋“?薄板、薄壁鋼管等(δ<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)29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30二、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(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。3）波前：某一時(shí)刻，波動(dòng)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。30二、按波的形狀分類311)、平面波：波陣面為平面的波。波源為一平面。各質(zhì)點(diǎn)振幅為常數(shù)，不隨距離而變化。波動(dòng)方程為：2、分類：平面波、柱面波和球面波。

2）柱面波：波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波的波源為一直線，其波束向四周擴(kuò)散，各質(zhì)點(diǎn)的振幅與離波源距離的平方根成反比。波動(dòng)方程：

311)、平面波：波陣面為平面的波。2、分類：平面波、柱32

3）球面波：波陣面為同心球面的波稱為球面波。球面波的波源為一點(diǎn)，其波束向四面八方擴(kuò)散。各質(zhì)點(diǎn)的振幅與離波源的距離成反比。波動(dòng)方程：323）球面波：波陣面為同心球面的波稱為球面波。33三、按振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類1、連續(xù)波

波源持續(xù)不斷地振動(dòng)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(dòng)持續(xù)時(shí)間很短(通常是微秒數(shù)量級(jí)，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。33三、按振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類34一、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(duì)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(duì)于波長而言的，當(dāng)介質(zhì)的尺寸遠(yuǎn)大于波長時(shí)，就可以視為無限大介質(zhì)。）第三節(jié)超聲波的傳播速度34一、固體介質(zhì)中的縱波、橫波與表面波聲速第三節(jié)超聲波的傳35

由上三式可知：

（1）固體介質(zhì)的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有關(guān)，不同介質(zhì)聲速不同；介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小，聲速愈大。（2）聲速還與波型有關(guān)，在同一介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波的聲速各不相同。它們之間的關(guān)系是：CL＞CS＞CR在鋼中：CL：CS：CR≈1.8：1：0.92、細(xì)長棒（棒徑d≤λ）中的聲速在細(xì)長棒中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：35由上三式可知：363、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(duì)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(duì)聲速的影響在鑄鐵中表現(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(duì)聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。363、聲速與溫度、應(yīng)力、均勻性的關(guān)系37

3、聲速與溫度、應(yīng)力和組織均勻性關(guān)系（1）一般固體介質(zhì)中的聲速隨溫度升高而降低；（2）介質(zhì)中應(yīng)力增加，聲速增加，但增加緩慢；（3）晶粒細(xì)，聲速大，晶粒粗，聲速小。（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(duì)聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。）二、板波的聲速

板波傳播時(shí)受上下板面的影響，所以其聲速不僅與介質(zhì)有關(guān)，而且與板厚和頻率有關(guān)。板波的相速度：指單一頻率的聲波在介質(zhì)中的傳播速度。板波的群速度：指多個(gè)頻率相近的波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)互相合成后的包絡(luò)線傳播速度。373、聲速與溫度、應(yīng)力和組織均勻性關(guān)38二、板波聲速1、由于板波傳播時(shí)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(shí)，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(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、板波聲速Cp與f·d、CS、CL有關(guān)。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。38二、板波聲速393940三、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：

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(shí)，容變彈性模量減小，聲速降低。2）水溫度在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。40三、液體、氣體介質(zhì)中的聲速41三、聲速測(cè)量

1、超聲波探傷儀

a.比較法測(cè)量：（已知水中聲速）將探頭置于待測(cè)試件上，使底波對(duì)準(zhǔn)某一刻度，試件中傳播時(shí)間為：

t=2d/C1

將探頭置于水中，調(diào)節(jié)探頭位置使水層底面回波對(duì)準(zhǔn)同一位置。則水中傳播時(shí)間為：

t=2b/C2

則試件聲速為：

C1=C2·b/d41三、聲速測(cè)量42

b.示波器測(cè)量用示波器測(cè)出聲波在試件中的傳播時(shí)間t，則聲速為:C=2d/t42b.示波器測(cè)量43一、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(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。相遇后仍保持自己原有的頻率、波長、振動(dòng)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(gè)人談話。第四節(jié)波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理43一、波的迭加與干涉第四節(jié)波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原442、波的干涉：1）定義：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。產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波叫相干波，其波源稱為相干波源。2）如圖所示，點(diǎn)波源S1、S2在M點(diǎn)引起的振動(dòng)為：442、波的干涉：45質(zhì)點(diǎn)M的合振動(dòng)為：由上可知：(1)當(dāng)σ＝nλ（n為整數(shù))時(shí)，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(shí)，二者互相加強(qiáng)，合振幅達(dá)最大值。(2)當(dāng)σ=(2n+1)λ/2(n為整數(shù))時(shí)，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(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。45質(zhì)點(diǎn)M的合振動(dòng)為：46二、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(shí)互相迭加而成的波，稱為駐波。2、波腹、波節(jié)駐波迭加時(shí)，有的點(diǎn)振幅恒為0，即這些點(diǎn)始終靜止不動(dòng)，稱為波節(jié)。而有些點(diǎn)振動(dòng)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?？梢姡v波波線上各點(diǎn)似乎在作分段振動(dòng)。46二、駐波47三、惠更斯原理和波的衍射

1、惠更斯原理介質(zhì)中波動(dòng)傳播到的各點(diǎn)都可看作是發(fā)射子波的波源，在其后的任意時(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。47三、惠更斯原理和波的衍射48

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(shí)，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；波的繞射和障礙物尺寸及波長λ的相對(duì)大小有關(guān)，當(dāng)<<λ時(shí)，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λ/2，這是一個(gè)重要原因。當(dāng)>>λ時(shí)．反射強(qiáng)，繞射弱，聲波幾乎全反射。3）對(duì)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。4849一、聲壓P1、定義：超聲場中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的壓強(qiáng)與沒有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)之差，稱為該點(diǎn)的聲壓，用表示。2、單位：帕斯卡(Pa)，微帕斯卡(μPa)1Pa=1N/m21Pa=106μPa3、表達(dá)式：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。第五節(jié)超聲場的特征值49一、聲壓P第五節(jié)超聲場的特征值50二、聲阻抗Z1、定義：超聲場中任意一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比稱為聲阻抗。常用Z表示。

Z=P/u=ρcu/u=ρc

聲阻抗的大小等于介質(zhì)密度和聲速的乘積。2、單位：克/厘米2?秒(g/cm2?s)或千克/米2?(kg/m2?s)。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=ρC，而大多數(shù)材料的密度ρ和聲速C隨溫度增加而減少。50二、聲阻抗Z51二、聲阻抗Z

超聲場中任意一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比稱為聲阻抗。

Z=P/u=ρcu/u=ρc

聲阻抗的大小等于介質(zhì)密度和聲速的乘積。三、聲強(qiáng)I

單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)。

在同一介質(zhì)中，超聲波的聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比。51二、聲阻抗Z52三、聲強(qiáng)I1、定義：單位時(shí)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/cm2?s)。3、當(dāng)超聲波傳播到介質(zhì)中某處時(shí)，該處原來靜止不動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)開始振動(dòng)。因而具有動(dòng)能。同時(shí)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。52三、聲強(qiáng)I534、經(jīng)推導(dǎo)可知平均聲強(qiáng)為：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(shí)而達(dá)最大，時(shí)而為零。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)。(3)在同一介質(zhì)中，超聲波的聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比。534、經(jīng)推導(dǎo)可知平均聲強(qiáng)為：54第六節(jié)分貝與奈培一、分貝與奈培概念

1、分貝：聲強(qiáng)級(jí)單位。標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I1=10-16W/cm2

以聲強(qiáng)與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)之比的常用對(duì)數(shù)作為聲強(qiáng)級(jí)單位。

54第六節(jié)分貝與奈培一、分貝與奈培概念553、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。

(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(jì)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)10-16瓦/厘米20dB樹葉沙沙聲10-15瓦/厘米210dB耳語10-14瓦/厘米220dB談話10-11瓦/厘米250dB大炮聲10-6瓦/厘米2100dB超聲波10+4瓦/厘米2200dB553、實(shí)際應(yīng)用貝爾太大，故常取1/10貝爾即分貝(dB)來56５、在超聲波探傷中，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聲壓成正比。這時(shí)有(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)時(shí)，△＝0dB，說明兩波高相等時(shí)，二者的分貝差為零2）當(dāng)時(shí)，△＝6dB，說明H2為H1的2倍時(shí)，H2比H1，高6dB。3）當(dāng)時(shí)，△＝-6dB，說明H2為H1的l/2時(shí)，H2比H1低6dB。56５、在超聲波探傷中，當(dāng)超聲波探傷儀的垂直線性較好時(shí)，儀器57P2/P1或H2/H1104211/21/41/10dB201260-6-12-204）常用聲壓（波高比）對(duì)應(yīng)的dB值列于下表。

6、奈培（NP）聲壓比的自然對(duì)數(shù)：

1NP=8.86dB1dB=0.115NP57P2/P1或104211/21/41/10dB2012658二、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(duì)波高。因此，分貝概念的引用對(duì)超聲探傷有很重要的實(shí)用價(jià)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。58二、分貝與奈培的應(yīng)用59例2，示波上有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50mm，求A、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=10-0.15?B=35.4(mm)答：A、C分別為70.6mm和35.4mm。59例2，示波上有A、B、C三個(gè)波，其中A波比B波高3dB，60第七節(jié)超聲波垂直入射到界面時(shí)的反射和透射一、單一平界面的反射和透射1、反射波和透射波

反射波：在界面反射回原介質(zhì)內(nèi)的波。透射波：透過界面在另一介質(zhì)中傳播的波。2、反射波與透射波聲壓(聲強(qiáng))是按一定規(guī)律分配的。由聲壓反射率(聲強(qiáng)反射率)和透射率(聲強(qiáng)透射率)來表示。

60第七節(jié)超聲波垂直入射到界面時(shí)的反射和透射一、單一平界613、設(shè)入射波的聲壓為P0(聲強(qiáng)為I0),反射波的電壓為Pr(聲強(qiáng)為Ir,透射波的聲壓為Pt(聲強(qiáng)為It).4、在界面兩側(cè)的聲波，必須符合下列兩個(gè)條件：

1)界面兩側(cè)的總聲壓相等，即P0+Pr=Pt。

2)界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值相等，即5、由上述兩邊界條件和聲壓反射率，透射率定義得：

解上述聯(lián)立方程得聲壓反射率r和透射率t分別為613、設(shè)入射波的聲壓為P0(聲強(qiáng)為I0),反射波的電壓為P62

6、聲強(qiáng)反射率和聲強(qiáng)透射率聲強(qiáng)反射率：反射波聲強(qiáng)與入射波聲強(qiáng)之比：聲強(qiáng)透射率：透射波聲強(qiáng)與入射波聲強(qiáng)之比：7、以上各式說明超聲波垂直入射到平界面上時(shí)，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)。

可以看出：T+R=1；t-r=1626、聲強(qiáng)反射率和聲強(qiáng)透射率63

8、討論：⑴、當(dāng)Z2＞Z1時(shí)，r＞0，反射波與入射波同相位，兩波疊加，在界面上聲壓振幅增大為P0+Pr。如平面波在水/鋼界面的反射和透射：

638、討論：64⑵、當(dāng)Z1＞Z2時(shí)，r＜0，反射波與入射波相位相反，兩波疊加，在界面上聲壓振幅減小為P0-∣Pr∣。如平面波在鋼/水界面的反射和透射：64⑵、當(dāng)Z1＞Z2時(shí)，r＜0，反射波與入65

⑶、當(dāng)Z1＞＞Z2時(shí)，r=-1,t≈0.如鋼/空氣界面。聲波幾乎全反射，無透射。

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。⑷、當(dāng)Z1≈Z2時(shí)，r≈0,t=1.鋼/鋼界面。聲波幾乎全透射，無反射。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,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(huì)產(chǎn)生界面回波的。結(jié)論：超聲波垂直入射到平界面時(shí)，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),與從何種介質(zhì)入射無關(guān)。聲阻抗相差越大，聲壓反射率越大，聲壓透射率越低；聲阻抗越接近，聲壓反射率越低，聲壓透射率越大。65⑶、當(dāng)Z1＞＞Z2時(shí)，r=-1,t≈66

例題4、不銹鋼與碳鋼的聲阻抗差約為1%，試計(jì)算復(fù)合界面上的聲壓反射率？解：設(shè)碳鋼的聲阻抗Z鋼=1，則不銹鋼的聲阻抗Z不=1-1%=0.99

66例題4、不銹鋼與碳鋼的聲阻抗差約為1%，試計(jì)67二、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(shí)，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)的超聲波會(huì)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(duì)于薄層較窄時(shí)，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(duì)于薄層較寬時(shí)，薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波互相疊加產(chǎn)生干涉。

67二、薄層介面的反射與透射情況682、超聲波通過異質(zhì)薄層時(shí)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有關(guān)。

3、均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層(Z1＝Z3≠Z2)1）對(duì)于Z1=Z3≠Z2，即均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層，其聲壓反射率與透射率為：

式中：d2-薄層厚度；

λ2-薄層中的波長

m=Z1/Z2682、超聲波通過異質(zhì)薄層時(shí)的聲壓反射率和透射率不僅與介質(zhì)聲692）由以上公式可知：（1）當(dāng)(n為整數(shù))時(shí)，r≈0，t≈1。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(shí)，超聲波全透射，幾乎無反射(r≈0)，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）當(dāng)(n為整數(shù))時(shí)，即異質(zhì)薄層厚度等于其四分之一波長的奇數(shù)倍時(shí)，聲壓透射率最低，聲壓反射率最高。692）由以上公式可知：704、薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面

1）對(duì)于，即非均勻介質(zhì)中的薄層，例如晶片--保護(hù)膜--工件，其聲強(qiáng)透射率為：

2）由上式可知：（1）超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層時(shí)，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）表明超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層，若薄層厚度等于的奇數(shù)倍，薄層聲阻抗為其兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗幾何平均值時(shí)，即，其聲強(qiáng)透射率等于1，超聲波全透射。這對(duì)于直探頭保護(hù)膜的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。704、薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面71二、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(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T

。71二、聲壓往復(fù)透射率72

在底面全反射的情況下，聲壓往復(fù)透射率：與聲強(qiáng)透射率數(shù)值相等。若底面反射率為則聲壓往復(fù)透射率為：

72在底面全反射的情況下，聲壓往復(fù)透射733、分析公式可知超聲波垂直入射時(shí)，在底面全反射的條件下聲壓往復(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()對(duì)鋼制工件()探傷時(shí)，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：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。733、分析公式可知超聲波垂直入射時(shí)，在底面全反射的條件下聲74

例題5、、已知鈦和鋼的聲阻抗差約為40%。若從鋼一側(cè)探測(cè)鈦/鋼復(fù)合板，求復(fù)合層回波與底面回波的分貝差。解：74例題5、、已知鈦和鋼的聲阻抗差約為475第八節(jié)超聲波斜入射到界面的反射和折射一、反射、折射和波型轉(zhuǎn)換

75第八節(jié)超聲波斜入射到界面的反射和折射一、反射、折射和76

1、反射和反射波：超聲波斜入射至界面時(shí)，一部分聲波返回原介質(zhì)中，改變方向傳播，稱為反射，該聲波稱反射波。

2、折射和折射波：超聲波斜入射至界面時(shí)，一部分聲波進(jìn)入第二種介質(zhì)，改變方向繼續(xù)傳播，稱為折射，該聲波稱為折射波。

3、波型轉(zhuǎn)換：超聲波斜入射至界面時(shí)，除產(chǎn)生同種波型的反射和折射波外，不產(chǎn)生不同類型的反射和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。761、反射和反射波：77

4、反射、折射定律（斯奈爾定律）

超聲波斜入射到界面時(shí)，其產(chǎn)生的反射波、折射波和入射波的角度之間存在下列關(guān)系（反射折射定律）：（1）縱波斜入射（2）橫波斜入射

774、反射、折射定律（斯奈爾定律）78

斯奈爾定律可簡化為下式表示：由公式得知：超聲波斜入射至平界面時(shí)，其反射角、折射角的大小只與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速有關(guān)。聲速大則角大，聲速小則度小，聲速相等則角度相等。

5、臨界角78斯奈爾定律可簡化為下式表示：79（1）第一臨界角αⅠ（縱波斜入射時(shí)，縱波折射角等于900時(shí)的入射角）（2）第二臨界角αⅡ（縱波斜入射時(shí)，橫波折射角等于900時(shí)的入射角）（3）第三臨界角αⅢ

（橫波斜入射時(shí)，縱波反射角等于900時(shí)的入射角）79（1）第一臨界角αⅠ（縱波斜入射時(shí)，縱波折射角等80例，縱波傾斜入射到有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)。有機(jī)玻璃中:CL=2730m/s,鋼中：CL=5900m/s，CS=323Om/s。則第一、二臨界角分別為：

由此可見有機(jī)玻璃橫波探頭，有機(jī)玻璃表面波探頭80例，縱波傾斜入射到有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)。有機(jī)玻璃中:C81

例題4、采用鋼焊縫探傷用的K=1斜探頭（CL1=2700m/s,鋼CS=3200m/s）,檢驗(yàn)?zāi)撤N硬質(zhì)合焊縫（CS=3800m/s），其實(shí)際K值為多大？解：K=1tgβ1=1∴β1=45O

根據(jù)折射定律：∴K2=tg=tg57.1o=1.581例題4、采用鋼焊縫探傷用的K=1斜探82二、斜入射的聲壓反射率斜入射時(shí)的聲壓反射率和透射率不僅與介質(zhì)聲阻抗有關(guān)，而且與入射角有關(guān)。1、縱波斜入射到鋼/空氣界面的聲壓反射率：縱波聲壓反射率rLL與橫波聲壓反射率rLS隨入射角而變化。當(dāng)αL=60°左右時(shí)，rLL很低，rLS較高。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。82二、斜入射的聲壓反射率83

2、橫波斜入射到鋼/空氣界面的聲壓反射率：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aS而變化。當(dāng)aS=30°時(shí)，rSS很低，rSL較高。當(dāng)aS≥33.2°(a)時(shí)，rSS=100%,即鋼中橫波全反射

832、橫波斜入射到鋼/空氣界面的聲壓反射率：84三、聲壓往復(fù)透射率超聲波傾斜入射，折射波全反射，探頭按收到的回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比稱為聲壓往復(fù)透射率，常用T表示，T=Pa/P0。

縱波斜入射到水/鋼界面：當(dāng)縱波入射角αL＜14.5°(αⅠ)時(shí)，折射縱波的往復(fù)透射率不超過13%，折射橫波的往復(fù)透射率小于6%。當(dāng)αL=14.5-27.27°(αⅡ)時(shí)，鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波的往復(fù)透射率最高不到20%。實(shí)際探傷中水浸探傷鋼材就屬于這種情況。84三、聲壓往復(fù)透射率85縱波斜入射到有機(jī)玻璃/鋼界面的聲壓往復(fù)透射率：

當(dāng)αL<27.6°(αⅠ)時(shí)，折射縱波的往復(fù)透射率小于25%，折射橫波的往復(fù)透射率小于10%。當(dāng)αL=27°-57°(αⅡ)時(shí)，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(shí)所對(duì)應(yīng)的αL≈30°，βS≈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。85縱波斜入射到有機(jī)玻璃/鋼界面的聲壓往復(fù)透射率：86四、端角反射超聲波在兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射叫端角反射。

回波聲壓與入射波聲壓之比稱為端角反射率用T端表示。86四、端角反射回波聲壓與入射波聲壓之比稱為端角反射率用T端87

1）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。2）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=35°-55°時(shí)，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)橫波入射角αS=35°-55°，即K=tgβs=0.7-1.43時(shí)，探傷靈敏度較高。當(dāng)βs≥56°，即K≥1.5時(shí)，探傷靈敏度較低，可能引起漏檢。3）αL（αS

）在0或90°附近時(shí)，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(shí)探測(cè)靈敏度不高。鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率87鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率88回波聲壓與入射波聲壓之比稱為端角反射率用T端表示。1）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。2）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=35°-55°時(shí)，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)橫波入射角αS=35°-55°，即K=tgβs=0.7-1.43時(shí)，探傷靈敏度較高。當(dāng)βs≥56°，即K≥1.5時(shí)，探傷靈敏度較低，可能引起漏檢。3）αL（αS

）在0或90°附近時(shí)，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(shí)探測(cè)靈敏度不高。88回波聲壓與入射波聲壓之比稱為端角反射率用T端表示。89第九節(jié)超聲波的聚焦與發(fā)散一、聲壓距離公式

1、平面波波束不擴(kuò)散，聲壓不隨距離變化。

2、球面波：聲壓與距離成反比。

3、柱面波：聲壓與距離的平方根成反比。

89第九節(jié)超聲波的聚焦與發(fā)散一、聲壓距離公式90二、球面波在平界面的反射與折射

1、球面波在單一平界面上的反射：反射波仍為球面波且波源與入射源對(duì)稱。

反射波聲壓為：

2、單一平界面上的折射球面波入射到平界面時(shí)，其折射波不再是嚴(yán)格的球面波了。例如球面波入射到水鋼界面時(shí)，其折射波更加發(fā)散。

90二、球面波在平界面的反射與折射91三、平面波在曲界面上的反射平面波入射到凹曲面時(shí)，其反射波聚焦；入射到凸曲面時(shí)，其反射波發(fā)散。91三、平面波在曲界面上的反射92

（1）、平面波入射到球面時(shí)。反射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波，其軸線上的聲壓為：92（1）、平面波入射到球面時(shí)。反射波可視93

（2）平面波入射到柱面時(shí)，反射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波，在曲面軸線上距曲面頂點(diǎn)x處的反射波聲壓為：

93（2）平面波入射到柱面時(shí)，反射波可視為從94（3）平面波在曲界面上的折射平面波透過曲界面后也發(fā)生聚焦或發(fā)散，折射波的聚焦還是發(fā)散與曲面凹凸有關(guān)，還與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速有關(guān)。94（3）平面波在曲界面上的折射95

曲面為凹面，當(dāng)C1＜C2時(shí)，透射波聚焦；當(dāng)C1＞C2時(shí)，透射波發(fā)散。曲面為凸面，當(dāng)C1＜C2時(shí)，透射波發(fā)散；當(dāng)C1＞C2時(shí)，透射波聚焦。平面波入射至球面時(shí)，其折射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波，曲面軸線上距頂點(diǎn)x處的折射波聲壓為：

95曲面為凹面，當(dāng)C1＜C2時(shí)，透射96

平面波入射至柱面時(shí)，透射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波，軸線上x處的折射波聲壓公式為：96平面波入射至柱面時(shí)，透射波可視為從97四、球面波在曲界面上的反射和折射

1、球面波在曲界面上的反射

球面波入射到凹曲面時(shí)，其反射波聚焦；入射到凸曲面時(shí)，其反射波發(fā)散。97四、球面波在曲界面上的反射和折射98

（1）球面波在球面上的反射波可視為從像點(diǎn)發(fā)出的球面波，軸線上距頂點(diǎn)x處的反射波聲壓為：實(shí)際探傷中，至波源距離較遠(yuǎn)的球形氣孔缺陷就屬于球面波在凹球面上的反射，由于反射波進(jìn)一步發(fā)散，因此其回波較低。這就是超聲波探傷氣孔靈敏度低的原因所在。98（1）球面波在球面上的反射波可視為從99

（2）球面波在柱面上的反射波，既不是單純的球面波，也不是單純的柱面波，而是近似兩個(gè)不同的柱面波的迭加。軸線上x處的反射波聲壓為：

球面波在柱面上的反射，在實(shí)際探傷中具有現(xiàn)實(shí)意義。例如超聲波徑向探傷大型圓柱形鍛件屬于這種情況。凹柱面反射波聚集于像點(diǎn)，使像點(diǎn)處的聲壓趨于很大。如果像點(diǎn)處存在一較小的缺陷，那么經(jīng)底面反射至缺陷，再從缺陷反射至底面，最后由底商反射回到探頭；形成路徑似“W”的反射稱為W反射。W反射時(shí)，示波屏上同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)缺陷波，一前一后，一高一低，前者位于底波B1之前，高度較低，為缺陷直接反射。后者位于B1之后，高度較高，為w反射。探傷時(shí)應(yīng)根據(jù)前者來對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。

99（2）球面波在柱面上的反射波，既不是單100曲面為凹面，當(dāng)C1＜C2時(shí)，透射波聚焦；當(dāng)C1＞C2時(shí)，透射波發(fā)散。曲面為凸面，當(dāng)C1＜C2時(shí)，透射波發(fā)散；當(dāng)C1＞C2時(shí)，透射波聚焦。100曲面為凹面，當(dāng)C1＜C2時(shí)，透射波聚焦；101

球面波入射到球面和柱面時(shí)，軸線上距頂點(diǎn)x處的折射波聲壓分別為：實(shí)際探傷中，水浸探傷柱形或球形工件就屬于這種情況。由于折射波發(fā)散，因此探傷靈敏敏度很低，為了提高探傷靈敏度，常常采用聚焦探傷。2、球面波在曲界面上的折射

球面波透過曲界面后也發(fā)生聚焦或發(fā)散，折射波的聚焦還是發(fā)散與曲面凹凸有關(guān)，還與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速有關(guān)。101球面波入射到球面和柱面時(shí)，軸線上距頂102第十節(jié)超聲波的衰減一、衰減及產(chǎn)生原因衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)隨距離增加能量逐漸減弱的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：

1、擴(kuò)散衰減：超聲波傳播過程中，由于波束的擴(kuò)散使超聲波的能量隨距離增加而逐漸減弱。平面波不擴(kuò)散。柱面波聲壓與距離平方根成反比；球面波聲壓與距離成反比。102第十節(jié)超聲波的衰減一、衰減及產(chǎn)生原因103

2、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時(shí)產(chǎn)生散亂反射引起超聲波的衰減，同時(shí)在示波屏上形成草狀回波。1032、散射衰減：超聲波在介質(zhì)中傳104

3、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)磨擦（即粘滯性）和熱傳導(dǎo)引起超聲波的衰減。通常所說衰減指吸收和散射衰減，不包括擴(kuò)散衰減。

介質(zhì)的衰減與介質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)，因此在實(shí)際工作中有時(shí)根據(jù)底波的次數(shù)來衡量材料衰減情況，從而判定材料晶粒度大小，缺陷密集程度、石墨含量以及水中泥沙含量等。二、衰減方程和衰減系數(shù)1、衰減方程

1043、吸收衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播105

2、衰減系數(shù)

介質(zhì)的衰減程度與介質(zhì)的晶粒尺寸、各向異性系數(shù)和超聲波的頻率有關(guān)。晶粒尺寸越大、各向異性越強(qiáng)、超聲波頻率越高，衰減越大。

1052、衰減系數(shù)106三、衰減系數(shù)的測(cè)定1、薄板工件衰減系數(shù)的測(cè)定對(duì)于厚度較小，上下底面互相平行，表面光潔的薄板工件。可用直探頭波在薄板表面，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)衰減和反射損失，使底波高度依次減少。其介質(zhì)衰減系數(shù)按下式計(jì)算

1061072、厚板或粗圓柱體衰減系數(shù)的測(cè)定對(duì)于厚度大于200mm的板材或軸類零件，可根據(jù)第一、二次底波、高度來測(cè)試衰減系數(shù)。、高度差由擴(kuò)散衰減、介質(zhì)衰減、反射損失引起。這時(shí)介質(zhì)衰減系數(shù)按下式計(jì)算：

3、例如某工件厚度χ=500mm，測(cè)得B1=80%，B2=20%，反射損失δ=0.5dB，則工件的衰減系數(shù)為

107108108第二章超聲波發(fā)射聲場與

規(guī)則反射體的回波聲壓

108108第二章超聲波發(fā)射聲場與109第一節(jié)縱波發(fā)射聲場一、圓盤波源輻射的縱波聲場1、波源軸線上聲壓分布1）在不考慮介質(zhì)衰減的條件下，液體介質(zhì)中圓盤源上一點(diǎn)波源輻射的球面波在波源軸線上Q點(diǎn)引起的聲壓為2）根據(jù)波的迭加原理，作活塞振動(dòng)的圓盤波源各點(diǎn)波源在軸線上Q點(diǎn)引起的聲壓可以線性迭加，所以對(duì)整個(gè)波源面積積分就可以得到波源軸線上的任意一點(diǎn)聲壓為其聲壓幅值為109第一節(jié)縱波發(fā)射聲場一、圓盤波源輻射的縱波聲場1103）經(jīng)適當(dāng)簡化可知，當(dāng)時(shí)，，圓盤源軸線上的聲壓與距離成反比，與波源面積成正比。其聲壓隨距離變化的情況如圖。1103）經(jīng)適當(dāng)簡化可知，當(dāng)時(shí)1114）近場區(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，稱為超聲場的近場區(qū)，又叫菲涅耳區(qū)。（1）近場區(qū)聲壓分布不均，是由于波源各點(diǎn)至軸線上某點(diǎn)的距離不同，存在波程差，互相迭加時(shí)存在位相差而互相干涉，使某些地方聲壓互相加強(qiáng)，另一些地方互相減弱，于是就出現(xiàn)聲壓極大極小值的點(diǎn)。（2）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區(qū)長度，用N表示。經(jīng)推導(dǎo)后可知可見近場區(qū)長度與波源面積成正比，與波長成反比。（3）近場區(qū)探傷定量是不利的，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，因此應(yīng)盡可能避免在近場區(qū)探傷定量。1114）近場區(qū)：波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極1125)遠(yuǎn)場區(qū)：波源軸線上至波源的距離x>N的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場區(qū)，又叫富瑯和費(fèi)區(qū)。遠(yuǎn)場區(qū)軸線上的聲壓隨距離增加單調(diào)減少。當(dāng)x>3N時(shí)，聲壓與距離成反比，近似球面波的規(guī)律，。這是因?yàn)榫嚯xχ足夠大時(shí)，波源各點(diǎn)至軸線上某一點(diǎn)的波程差很小，引起的相位差也很小，這樣干涉現(xiàn)象可略去不計(jì)。所以遠(yuǎn)場區(qū)軸線上不會(huì)出現(xiàn)聲壓極大極小值。當(dāng)x＞3N時(shí)，聲壓與距離成反比，聲波可視為球面波。1125)遠(yuǎn)場區(qū)：波源軸線上至波源的距離x>N的區(qū)域稱為遠(yuǎn)113

2、波束指向性與半擴(kuò)散角（1）半擴(kuò)散角：在遠(yuǎn)場區(qū)，在聲束橫截面上各點(diǎn)的聲壓是不同的。聲束軸線上聲壓最高，偏離軸線聲壓逐漸降低。聲束橫截面上偏離軸線的第一個(gè)聲壓零值點(diǎn)與波源連線和中心軸線的夾角稱半擴(kuò)散角。

對(duì)于圓形晶片發(fā)射的縱波聲場，半擴(kuò)散角：

1132、波束指向性與半擴(kuò)散角114

對(duì)于圓形晶片發(fā)射的縱波聲場，半擴(kuò)散角：（2）波束指向性：以確定的擴(kuò)散角向固定方向輻射超聲波的特性稱為波束指向性。

半擴(kuò)散角越小，指向性就越好。

114對(duì)于圓形晶片發(fā)射的縱波聲場，半擴(kuò)散115

3、波束未擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)超聲波源輻射的超聲波是以特定角度向外擴(kuò)散出去的。但不是從聲源開始擴(kuò)散，而是存在一個(gè)未擴(kuò)散區(qū)b：

b≈1.64N

未擴(kuò)散區(qū)內(nèi)波束不擴(kuò)散，不存在擴(kuò)散衰減。離聲源距離大于b的區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)，聲束存在擴(kuò)散衰減。1153、波束未擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)116

對(duì)于圓形晶片發(fā)射的縱波聲場，半擴(kuò)散角：（2）波束指向性：以確定的擴(kuò)散角向固定方向輻射超聲波的特性稱為波束指向性。

半擴(kuò)散角越小，指向性就越好。

116對(duì)于圓形晶片發(fā)射的縱波聲場，半擴(kuò)散117

4、超聲場截面聲壓分布聲束橫截面上聲壓分布是起伏的，也存在最大和最小點(diǎn)。但近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)不同。近場區(qū)聲壓起伏較大，且聲壓最大值可出現(xiàn)在中心軸線上，而偏離軸線聲壓較高。遠(yuǎn)場區(qū)中心軸線上聲壓最高，偏離中心軸線逐漸降低，擴(kuò)散角之外聲壓幾乎為零。1174、超聲場截面聲壓分布118

討論：晶片直徑、聲波波長（頻率）與近場長度、波束指向性的關(guān)系：由：

1、晶片直徑大、波長短（頻率高），近場長度大，半擴(kuò)散角小，指向性好；

2、晶片直徑小、波長大（頻率低），近場長度小，半擴(kuò)散角大，指向性差。所以近場長的探頭指向性好，近場短的探頭指向性差。118討論：晶片直徑、聲波波長（頻率）與119二、矩形波源輻射的縱波聲場

1、聲束軸線上的聲壓：

2、半擴(kuò)散角

3、近場區(qū)長度

119二、矩形波源輻射的縱波聲場120二、近場區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布1、公式只適用均勻介質(zhì)。實(shí)際探傷中，有時(shí)近場區(qū)分布在兩種不同的介質(zhì)中，如圖所示的水浸探傷，超聲波是先進(jìn)入水，然后再進(jìn)入鋼中。當(dāng)水層厚度較小時(shí),近場區(qū)就會(huì)分布在水、鋼兩種介質(zhì)中，設(shè)水層厚度為L，則鋼中剩余近場區(qū)長度N為2、例：用2.5MHz、φ14mm縱波直探頭水浸探傷鋼板，已知水層厚度為20mm，鋼中CL=5900m/s，水中CL=1480m/s。求鋼中近場區(qū)長度N。解：鋼中縱波波長鋼中近場區(qū)長度N：120二、近場區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布121四、實(shí)際聲場與理想聲場比較遠(yuǎn)場區(qū)基本一致，近場區(qū)差別較大。實(shí)際聲場在近場也存在極大極小值，但其極值點(diǎn)少且波動(dòng)幅度小。其原因是：121四、實(shí)際聲場與理想聲場比較122

1、理想聲場是連續(xù)波，而實(shí)際聲場是脈沖波。脈沖波持續(xù)時(shí)間短波源各點(diǎn)輻射的聲波在聲場中產(chǎn)生不完全干涉或不產(chǎn)生干涉。

2、脈沖波可視為許多不同頻率的正弦波、余弦波組成，每種頻率決定一個(gè)聲場，每個(gè)聲場的極值點(diǎn)不同，互相迭加后總的聲壓趨于均勻。

3、實(shí)際聲場的聲源是非均勻激發(fā)，產(chǎn)生的干涉要小于均勻激發(fā)的理想聲源。

4、理想聲源是針對(duì)液體介質(zhì)的，實(shí)際聲源是固體介質(zhì)。液體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)在各個(gè)方向上是相同的。而固體介質(zhì)中各方向上的壓強(qiáng)不同，因此迭加干涉要小于液體介質(zhì)。1221、理想聲場是連續(xù)波，而實(shí)際聲123第二節(jié)橫波發(fā)射聲場一、假想橫波波源橫波探頭發(fā)射的聲場是由第一介質(zhì)中的縱波聲場和第二介質(zhì)中的橫波聲場兩部分組成，兩部分聲場是折斷的。123第二節(jié)橫波發(fā)射聲場一、假想橫波波源124

當(dāng)實(shí)際波源為圓形時(shí)，其假想波源為橢圓形，其長軸等于實(shí)際波源直徑DS，短軸為：二、橫波聲場的結(jié)構(gòu)

1、聲束軸線上的聲壓（x≥3N)2、近場區(qū)長度

124當(dāng)實(shí)際波源為圓形時(shí)，其假想波源為橢125

第二介質(zhì)中的近場長度

3、半擴(kuò)散角

125第二介質(zhì)中的近場長度126126127

例題5、試計(jì)算2.5P13×10K1.5斜探頭在鋼中的近場長度（已知鋼中CL2=5900m/s，CS2=3200m/s；有機(jī)玻璃楔塊中CL1=2700m/s，聲程L1=15mm）。解：127例題5、試計(jì)算2.5P13×10K128第三節(jié)聚焦探頭發(fā)射聲場一、聚焦聲場的形成

128第三節(jié)聚焦探頭發(fā)射聲場一、聚焦聲場的形成129

液浸聚焦探頭利用平面波入射到C1＞C2的凸透鏡上，其折射波聚集的原理制成，凸透鏡為球面時(shí)為點(diǎn)聚集，凸透鏡為柱面時(shí)為線聚眾聚集。接觸聚集探頭在透鏡前加一個(gè)楔塊，凸透鏡聲速C1大于楔塊聲速C2。二、聚集聲場的特點(diǎn)和應(yīng)用

1、聚集探頭聲束軸線上的聲壓設(shè)x＞R，焦距F＞R的條件129液浸聚焦探頭利用平面波入射到C1130

F愈小，聚集效果愈好；焦距大于近場長度，聲束沒有聚集作用，焦距應(yīng)選在近場長以內(nèi)。130131

2、焦柱幾何尺寸

3、聚集探頭的應(yīng)用

a.聲束尺寸小，信噪比高，用于粗晶材料如鑄鋼件、奧氏體鋼焊縫探傷等；

b.焦點(diǎn)尺寸小，分辨力高，靈敏度高，用于缺陷尺寸測(cè)量。缺點(diǎn)是聲束尺寸小，掃查范圍小，檢測(cè)效率低。1312、焦柱幾何尺寸132第四節(jié)規(guī)則反射體的回波聲壓一、平底孔回波聲壓平底孔回波聲壓與面積成正比，與距離平方成反比。

任意二平底孔的回波分貝差為：

132第四節(jié)規(guī)則反射體的回波聲壓一、平底孔回波聲壓133

平底孔直徑一定，距離增加一倍，平底孔回波降低12dB；平底孔距離一定，孔徑增加一倍，平底孔回波升高12dB.133134二、長橫孔回波聲壓

長橫孔回波聲壓與長橫直徑平方根成正比，與距離的三分之二次方成反比。

任意二平底孔的回波分貝差為：134二、長橫孔回波聲壓135

長橫孔直徑一定，距離增加一倍，回波降低9dB；長橫孔距離一定，孔徑增加一倍，回波升高3dB.135136三、短橫孔回波聲壓

短橫孔回波聲壓與短橫孔長度，與直徑的平方根成正比，與距離的平方成反比。

任意短橫孔的回波分貝差為：

136三、短橫孔回波聲壓137

短橫孔直徑和長度一定，距離增加一倍，回波降低12dB；短橫孔直徑和距離一定，長度增加一倍，回波升高6dB；短橫孔長度和距離一定，直徑增加一倍，回波升高3dB.137138四、球孔回波聲壓球孔回波聲壓與球孔的直徑成正比，與距離平方成反比。

任意二球孔的回波分貝差為：

138四、球孔回波聲壓139

球孔直徑一定，距離增加一倍，平底孔回波降低12dB；平底孔距離一定，孔徑增加一倍，平底孔回波升高6dB.139140五、大平底面回波聲壓大平底面的回波聲壓與距離成反比。

兩個(gè)距離不同的大平底面的回波分貝差為：

140五、大平底面回波聲壓141

大平底面距離增加一倍，回波降低6dB。六、圓柱曲面的回波聲壓

1、實(shí)心圓柱體，與大平底面相同141142

大平底面距離增加一倍，回波降低6dB。六、圓柱曲面的回波聲壓

1、實(shí)心圓柱體，與大平底面相同142143

2、空心圓柱體（1）外圓面探傷回波聲壓小于同距離大平底。

（2）內(nèi)圓面探傷回波聲壓大于同距離大平底。1432、空心圓柱體144反射體回波聲壓差Δ12大平底面-6dB----平底孔-12dB+12dB--球孔-12dB+6dB--長橫孔-9dB+3dB--短橫孔-12dB+3dB+6dB144反射體回波聲壓大平底面-6dB----平底孔-12dB145第五節(jié)AVG曲線一、通用AVG曲線

1、AVG曲線是描述規(guī)則反射體的距離、波幅和當(dāng)量大小之間關(guān)系的曲線。

145第五節(jié)AVG曲線一、通用AVG曲線146146147

2、AVG曲線的繪制

1472、AVG曲線的繪制148

以橫座標(biāo)表示lgA,縱座標(biāo)表示V，由上述公式繪制曲線，即得x≥3N的曲線。

x＜3N的曲線通過實(shí)測(cè)繪制。

3、AVG曲線的用途：（1）調(diào)節(jié)探傷靈敏度（2）確定缺陷當(dāng)量。148以橫座標(biāo)表示lgA,縱座標(biāo)表示V，1493、曲線應(yīng)用：用來調(diào)整探傷靈敏度和對(duì)缺陷進(jìn)行定量。例：用2.5MHz,φ20mm直探頭探測(cè)厚為400mm鋼制餅形鍛件，已知鋼中CL=5900m/s。探傷中在170mm處發(fā)現(xiàn)一缺陷，其回波比底波低10dB。(1)如何利用底波調(diào)整φ2平底孔