超聲波探傷專題知識講座

超聲波探傷主講：唐海波超聲波探傷專題知識講座第1頁目錄第一章超聲波探傷物理基礎第二章超聲波發(fā)射聲場與規(guī)則反射體回波聲壓第三章儀器、探頭和試塊超聲波探傷專題知識講座第2頁第一章超聲波探傷物理基礎第一節(jié)振動與波動第二節(jié)波類型第三節(jié)超聲波傳輸速度第四節(jié)波迭加、干涉、衍射和惠更斯原理第五節(jié)超聲場特征值第六節(jié)分貝與奈培第七節(jié)超聲波垂直入射到界面時反射和透射第八節(jié)超聲波傾斜入射到界面時反射和透射第九節(jié)超聲波聚焦與發(fā)散第十節(jié)超聲波衰減超聲波探傷專題知識講座第3頁第一節(jié)振動與波動一、振動1、振動普通概念1）定義：物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復周期性運動，稱為機械振動。2）例子：直接覺察——彈簧振子、鐘擺和汽缸中活塞運動。難以覺察——固體分子熱運動，一切發(fā)聲物體運動以及超聲波波源運動。3）描述：（1）周期T——振動物體完成一次全振動所需要時間，稱為振動周期，用T表示。慣用單位為秒(s)。（2）頻率f——振動物體在單位時間內完成全振動次數，稱為振動頻率，用f表示。慣用單位為赫茲(Hz)。超聲波探傷專題知識講座第4頁2、諧振動1）定義：最簡單最基本直線振動稱為諧振動。2）特點：（1）回復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，符合機械能守恒條件，所以諧振物體能量恪守機械能守恒。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，其總能量保持不變。3、阻尼振動1）定義：振幅或能量隨時間不停降低振動。2）特點：振幅不停降低，而周期卻不變。阻尼振動受到阻力作用，不符合機械能守恒。超聲波探傷專題知識講座第5頁4、受迫振動1）定義：物體受周期性改變外力作用時產生振動。2）特點：受迫振動剛開始時情況很復雜，經過一段時間后到達穩(wěn)定狀態(tài)，變?yōu)橹芷谛灾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，不符合機械能守恒。3）共振：受迫振動振幅與策動力頻率相關，當策動力頻率P與受迫振動物體固有頻率w。相同時，受迫振動振幅達最大值。這種現象稱為共振。4）共振在超聲應用：設計探頭中壓電晶片時，應使高頻電脈沖頻率等于壓電晶片固有頻率；從而產生共振，這時壓電晶片電聲能量轉換效率最高。超聲波探傷專題知識講座第6頁二、波動1、機械波產生與傳輸1）定義：振動傳輸過程。波動分為機械波和電磁波。（1）機械波是機械振動在彈性介質中傳輸過程。如水波、聲波、超聲波等。（2）電磁波是交變電磁場在空間傳輸過程。如無線電波、紅外線、可見光、紫外線、又射線、y射線等。2）產生機械波條件：（1）要有作機械振動波源（2）有能傳輸機械振動彈性介質。超聲波探傷專題知識講座第7頁3）特點：（1）振動與波動是相互關聯，振動是產生波動根源，波動是振動狀態(tài)傳輸。波動中介質各質點并不隨波前進，只是以交交振動速度在各自平衡位置附近往復運動。（2）波動是振動狀態(tài)傳輸過程，也是振動能量傳輸過程。但這種能量傳輸，不是靠物質遷移來實現，也不是靠相鄰質點彈性碰撞來完成，而是由各質點位移連續(xù)改變來逐步傳遞出去，如同人們傳遞磚塊一樣。超聲波探傷專題知識講座第8頁2、波長、頻率和波速1）波長λ：同一波線上相鄰兩振動相位相同質點間距離，用λ表示。慣用單位為毫米(mm)或米(m)。2）頻率f：波動中，任一點在1秒內所經過完整波個數。波動頻率在數值上同振動頻率，單位為赫茲(HZ)。3）波速C：波動中，波在單位時間內所傳輸距離，用C表示。慣用單位為米/秒(m/s)或千米/秒(km/s)。4）三者關系：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。當頻率一定時，波速愈大，波長就愈長；當波速一定時，頻率愈低，波長就愈長。超聲波探傷專題知識講座第9頁三、次聲波、聲波和超聲波1、次聲、聲波和超聲波劃分相同點：次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質中傳輸機械波，在同一介質中傳輸速度相同。不一樣點：頻率1）能引發(fā)聽覺機械波稱為聲波，頻率在20-0Hz之間。2）頻率低于20Hz機械波稱為次聲波。3）頻率高于0Hz機械波稱為超聲波。超聲波探傷專題知識講座第10頁2、超聲波應用超聲探傷所用頻率普通在0.5-10MHz之間，對鋼等金屬材料檢驗，慣用頻率為1-5MHz。(1)超聲波方向性好：超聲波是頻率很高、波長很短機械波，在無損探傷中使用波長為毫米數量級。超聲波像光波一樣含有良好方向性，能夠定向發(fā)射。(2)越聲波能量高：超聲波探傷頻率遠高于聲波，而能量(聲強)與頻率平方成正比。(3)能在界面上產生反射、折射和波型轉換；在超聲波探傷中。(4)超聲波穿透能力強：超聲波傳輸能量損失小，傳輸距離大，穿透能力強。超聲波探傷專題知識講座第11頁3、次聲波應用次聲波頻率很低，波長很長，繞射能力強，傳輸衰減小、距離遠。在大自然許多活動中伴伴隨次聲波發(fā)生，比如地震、火箭起飛等。次聲波近似平面波，沿著與地球表面平行方向傳輸。超聲波探傷專題知識講座第12頁第二節(jié)波類型一、據質點振動方向分類依據波動傳輸時介質質點振動方向相對于波傳輸方向不一樣，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：介質中質點振動方向與波傳輸方向相互平行波。2）特點：當介質質點受到交變拉壓應力作用時，質點之間產生對應伸縮形變，從而形成縱波。這時介質質點疏密相間，故縱波又稱為壓縮波或疏密波。3）傳輸介質：固體，液體，氣體介質超聲波探傷專題知識講座第13頁2、橫波S(T)（切變波）1）介質中質點振動方向與波傳輸方向相互垂直波。2）特點：當介質質點受到交變剪切應力作用時，產生切變形變，從而形成橫波。3）傳輸介質：固體介質超聲波探傷專題知識講座第14頁3、表面波R（瑞利）1）定義：當介質表面受到交變應力作用對，產生沿介質表面?zhèn)鬏敳ā?）特點：表面波在介質表面?zhèn)鬏敃r，介質表面質點作橢圓運動，橢圓長軸垂直于波傳輸方向，短軸平行于波傳輸方向。橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動合成，即縱波與橫波合成。表面波能量隨傳輸深度增加而快速減弱。當傳輸深度超出兩倍波長時，質點振幅就已經很小了。所以，普通認為，表面波探傷只能發(fā)覺距工件表面兩倍波長深度內缺點。3）傳輸介質：固體表面?zhèn)鬏?。超聲波探傷專題知識講座第15頁4、板波：在板厚與波長相當薄板中傳輸波。依據質點振動方向不一樣可將板波分為SH波和蘭姆波。1)SH波：水平偏振橫波在薄板中傳輸波。薄板中各質點振動方向平行于板面而垂直于波傳輸方向，相當于固體介質表面中橫波。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)蘭姆波特點是薄板中心質點作縱向振動，上下表面質點作橢圓運動、振動相位相反并對稱于中心。（2）非對稱型(A型)蘭姆波特點是薄板中心質點作橫向振動，上下表面質點作橢圓運動、相位相同，不對稱。超聲波探傷專題知識講座第16頁二、按波形狀分類1、相關概念：1）波形狀(波形)是指波陣面形狀。2）波陣面：同一時刻，介質中振動相位相同全部質點所聯成面稱為波陣面，3）波前：某一時刻，波動所抵達空間各點所聯成面稱為波前。4）波線：波傳輸方向稱為波線。超聲波探傷專題知識講座第17頁2、分類：平面波、柱面波和球面波。1）平面波：波陣面為相互平行平面波。平面波波源為一平面。尺寸遠大于波長剛性平面波源在各向同性均勻介質中輻射波可視為平面波。平面波波束不擴散，平面波各質點振幅是一個常數，不隨距離而改變。2）柱面波；波陣面為同軸圓柱面波。柱面波波源為一條線。長度遠大于波長線狀波源在各向同性介質中輻射波可視為柱面波。柱面波波束向四面擴散，柱面波各質點振幅與娩離平方根成反比。3）球面波：波陣面為同心球面波稱。球面波波源為一點。尺寸遠小于波長點波源在各向同性介質中輻射波可視為球面波。球面波波束向四面八方擴散，球面波各質點振幅與距離成反比。超聲波探傷專題知識講座第18頁三、按振動連續(xù)時間分類1、連續(xù)波：波源連續(xù)不停地振動所輻射波。超聲波穿透法探傷常采取連續(xù)波。2、脈沖波：波源振動連續(xù)時間很短(通常是微秒數量級，1微秒=10-6秒)，間歇輻射波。當前超聲波探傷中廣泛采取就是脈沖波。超聲波探傷專題知識講座第19頁波類型質點振動特點傳輸介質應

用縱波質點振動方向平行于波傳輸方向固、液、氣體介質鋼板、鍛件探傷等橫波質點振動方向垂直于波傳輸方向固體介質焊縫、鋼管探傷等表面波質點作橢圓運動，橢圓長軸垂直波傳輸方向，短軸平行于波傳輸方向固體介質鋼管探傷等板波對稱型(S型)上下表面：橢圓運動,中心：縱向振動固體介質(厚度與波長相當薄板)薄板、薄壁鋼管等(δ<6mm)非對稱型(A型)上下表面；橢圓運動，中心：橫向振動超聲波探傷專題知識講座第20頁第三節(jié)超聲波傳輸速度一、固體介質中縱波、橫波與表面波聲速1、固體介質不但能傳輸縱波，而且能夠傳輸橫波和表面波等，但它們聲速是不相同。另外介質尺寸大小對聲速也有一定影響，無限大介質與細長棒中聲速也不一樣。超聲波探傷專題知識講座第21頁2、無限大固體介質中聲速1）在無限大固體介質中（無限大固體介質是相對于波長而言，當介質尺寸遠大于波長時，就能夠視為無限大介質。）縱波聲速為：橫波聲速為：表面波聲速為：超聲波探傷專題知識講座第22頁由以上三式可知：（1）固體介質中聲速與介質密度和彈性橫量等相關，不一樣介質，聲速不一樣；介質彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。（2）聲速還與波類型相關，在同一固體介質中、縱波、橫波和表面波聲速各不相同，而且相互之間有以下關系：CL＞CS＞CR這表明，在同一個固體材料中，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，σ≈0.28，CL≈1.8Cs，CR≈0.9Cs，即CL:Cs:CR≈1.8:1:0.9。超聲波探傷專題知識講座第23頁2、細長棒中縱波聲速CLb在細長棒中(棒徑d≤λ)軸向傳輸縱波聲速與無限大介質中縱波聲速不一樣，細長棒中縱波聲速為：。超聲波探傷專題知識講座第24頁3、聲速與溫度、應力、均勻性關系1）普通固體中聲速隨介質溫度升高而降低。2）固體介質應力情況對聲速有一定影響，普通應力增加，聲速增加，但增加遲緩。3）固體材料組織均勻性對聲速影響在鑄鐵中表現較為突出。鑄鐵表面與中心，因為冷卻速度不一樣而含有不一樣組織，表面冷卻快，晶粒細，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。另外，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，聲速降低。超聲波探傷專題知識講座第25頁二、板波聲速1、因為板波傳輸時受到上下板面影響，所以板波聲速與縱波、橫波、表面波不一樣，它不但與介質性質相關，而且與板厚、頻率等相關。只有當板厚、頻率、聲速之間滿足一定關系時，板波才能順利傳輸。2、板波聲速分為相速度和群速度。1）相速度是指單一頻率聲波在介質中傳輸速度。2）群速度是指多個相差不多頻率波在同一介質中傳輸時相互合成后包絡線傳輸速度。3、板波聲速Cp與f·d、CS、CL相關。4、實際探傷中，若是頻率單一連續(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。超聲波探傷專題知識講座第26頁三、液體、氣體介質中聲速1、液體、氣體中聲速公式1）因為液體和氣體只能承受壓應力，不能承受剪切應力，所以液體和氣體介質中只能傳輸縱波，不能傳輸橫波和表面波。液體和氣體中縱波波速為：2）由公式可知，液體、氣體介質中縱波聲速與其容變彈性模量和密度相關，介質容變彈性模量愈大、密度愈小，聲速就愈大。2、液體介質中聲速與溫度關系1）幾乎除水以外全部液體，當溫度升高時，容變彈性模量減小，聲速降低。2）水溫度在74℃左右時聲速達最大值，當溫度低于74℃時，聲速隨溫度升高而增加；當溫度高于74℃時，聲速隨溫度升高而降低。超聲波探傷專題知識講座第27頁第四節(jié)波迭加、干涉、衍射和惠更斯原理一、波迭加與干涉1、波迭加原理（波獨立性原理）：1）定義：當幾列波在同一介質中傳輸時，假如在空間某處相遇，則相遇處質點振動是各列波引發(fā)振動合成，在任意時刻該質點位移是各列波引發(fā)位移矢量和。相遇后仍保持自己原有頻率、波長、振動方向等特征并按原來傳輸方向繼續(xù)前進，好象在各自途中沒有碰到其它波一樣。2）現象舉例：石子落水，樂隊合奏或幾個人談話。超聲波探傷專題知識講座第28頁2、波干涉：1）定義：兩列頻率相同，振動方向相同，位相相同或位相差恒定波相遇時，介質中一些地方振動相互加強，而另一些地方振動相互減弱或完全抵消現象。產生干涉現象波叫相干波，其波源稱為相干波源。2）如圖1.20所表示，點波源S1、S2在M點引發(fā)振動為：超聲波探傷專題知識講座第29頁質點M合振動為：由上可知：(1)當σ＝nλ（n為整數)時，A=A1+A2。這說明當兩相干波波程差等于波長整數倍時，二者相互加強，合振幅達最大值。(2)當σ=(2n+1)λ/2(n為整數)時，A=│A1-A2│。這說明當兩相干波波程差等于半波長奇數倍時，二者相互抵消，合振幅達最小值。若A1=A2，則A=0，即二者完全抵消。超聲波探傷專題知識講座第30頁二、駐波1、定義：兩列振幅相同相干波在同一直線上沿相反方向傳輸時相互迭加而成波，稱為駐波。2、波腹、波節(jié)駐波迭加時，有點振幅恒為0，即這些點一直靜止不動，稱為波節(jié)。而有些點振動得到最大幅度增大。振幅最大，稱為波腹。波線上其余各點振幅在0和2A之間?？梢?，駐波波線上各點似乎在作分段振動。超聲波探傷專題知識講座第31頁三、惠更斯原理和波衍射1、惠更斯原理：波動中任何質點都能夠看作是新波源。2、波衍射(繞射)1）定義：波在傳輸過程中碰到與波長相當障礙物時，能繞過障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進現象。2）特點：波衍射使波傳輸方向改變，從而使缺點背后聲影縮小，反射波降低；波繞射和障礙物尺寸及波長λ相對大小相關，當<<λ時，波繞射強，反射弱，缺點回波很低，輕易漏檢。超聲探傷靈敏度約為λ/2，這是一個主要原因。當>>λ時．反射強，繞射弱，聲波幾乎全反射。3）對探傷利和弊：有利：使超聲波產生晶粒繞射順利地在介質中傳輸。不利：使一些小缺點回波顯著下降，以致造成漏檢。超聲波探傷專題知識講座第32頁第五節(jié)超聲場特征值一、聲壓P1、定義：超聲場中某一點在某一時刻所含有壓強與沒有超聲波存在時靜態(tài)壓強之差，稱為該點聲壓，用表示。

2、單位：帕斯卡(Pa)，微帕斯卡(μPa)1Pa=1N/m21Pa=106μPa3、表示式：4、特點：聲壓幅值與介質密度、波速和頻率成正比。5、超聲波探傷儀示波屏上波高與聲壓成正比。超聲波探傷專題知識講座第33頁二、聲阻抗Z1、定義：超聲場中任一點聲壓與該處質點振動速度之比稱為聲阻抗，慣用Z表示。Z=p/u=ρcu/u=ρc2、單位：克/厘米2?秒(g/cm2?s)或千克/米2?(kg/m2?s)。3、特點：聲阻抗是表征介質聲學性質主要物理量。超聲波在兩種介質組成界面上反射和透射情況與兩種介質聲阻抗親密相關。4、相關量：材料聲阻抗與溫度相關，普通材料聲阻抗隨溫度升高而降低。這是因為聲阻抗Z=ρC，而大多數材料密度ρ和聲速C隨溫度增加而降低。超聲波探傷專題知識講座第34頁三、聲強I1、定義：單位時間內垂直經過單位面積聲能稱為聲強，慣用I表示。2、單位：瓦/厘米2(W/cm2)或焦耳/厘米2?秒(J/cm2?s)。3、當超聲波傳輸到介質中某處時，該處原來靜止不動質點開始振動。因而含有動能。同時該處介質產生彈性變形，因而也含有彈性位能，其總能量為二者之和。

超聲波探傷專題知識講座第35頁4、經推導可知平均聲強為：由以上公式可知：1)超聲波傳輸過程中，單位體積元所含有總能量周期性地改變，時而達最大，時而為零。2)因為超聲波聲強與頻率平方成正比，而超聲波頻率遠大于可聞聲波。所以超聲波聲強也遠大于可聞聲波聲強。(3)在同一介質中，超聲波聲強與聲壓平方成正比。超聲波探傷專題知識講座第36頁第六節(jié)分貝與奈培一、分貝與奈培概念1、產生背景：生產科學試驗中，聲強數量級往往相差懸殊，如引發(fā)聽覺聲強范圍為10-16_10-14瓦/厘米2，最大值與最小值相差12個數量級。顯然采取絕對量來度量是不方便,但假如對其比值(相對量)取對數來比較計算則可大大簡化運算。分貝與奈培就是兩個同量綱量之比取對數后單位。2、通常要求引發(fā)聽覺最弱聲強I1=10-16瓦/厘米2為作為聲強標準，另一聲強I2與標準聲強I1之比慣用對數稱為聲強級，單位為貝爾(BeL)。(BeL)超聲波探傷專題知識講座第37頁3、實際應用貝爾太大，故常取1/10貝爾即分貝(dB)來作單位。

(dB)4、通常說某處噪聲為多少分貝，就是以10-16瓦/厘米2為標準利用上式計算得到。各種聲音分貝數大致以下：引發(fā)聽覺聲強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2200dB超聲波探傷專題知識講座第38頁５、在超聲波探傷中，當超聲波探傷儀垂直線性很好時，儀器示波屏上波高與聲壓成正比。這時有(dB)注：這里聲壓基準P1或波高基準H1能夠任意選取。1）當初，△＝0dB，說明兩波高相等時，二者分貝差為零2）當初，△＝6dB，說明H2為H12倍時，H2比H1，高6dB。3）當初，△＝-6dB，說明H2為H1l/2時，H2比H1低6dB。超聲波探傷專題知識講座第39頁4）慣用聲壓（波高比）對應dB值列于下表。P2/P1或H2/H1104211/21/41/10dB201260-6-12-206、對或取自然對數，則其單位為奈（NP）

（NP）7、單位轉換：1NP=8.68dB1dB=0.115NP超聲波探傷專題知識講座第40頁二、分貝與奈培應用用分貝值表示回波幅度相互關系，不但能夠簡化運算，而且在確定基準波高以后，可直接用儀器衰減器讀數表示缺點渡榴對波高。所以，分貝概念引用對超聲探傷有很主要實用價值。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。超聲波探傷專題知識講座第41頁例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、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。超聲波探傷專題知識講座第42頁第七節(jié)超聲波垂直入射到界面時反射和透射

一、單一平界面反射率與透射率1、當超聲波垂直入射到光滑平界面時，將在第一介質中產生一個與入射波方向相反反射波，在第二介質中產生一個與入射波方向相同透射波，如教材圖1.26所表示。2、反射波與透射波聲壓(聲強)是按一定規(guī)律分配。由聲壓反射率(聲強反射率)和透射率(聲強透射率)來表示。3、設入射波聲壓為P0(聲強為I0),反射波電壓為Pr(聲強為Ir,透射波聲壓為Pt(聲強為It).1）界面上反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0之比稱為界面聲壓反射率，用r表示，即r=Pr/P0。2）界面上透射波聲壓Pt與入射波聲壓P0之比稱為界面聲壓透射率，用t表示，即t=Pt/P0。超聲波探傷專題知識講座第43頁4、在界面兩側聲波，必須符合以下兩個條件：1)界面兩側總聲壓相等，即P0+Pr=Pt。2)界面兩側質點振動速度幅值相等，即5、由上述兩邊界條件和聲壓反射率，透射率定義得：

解上述聯立方程得聲壓反射率r和透射率t分別為超聲波探傷專題知識講座第44頁6、界面上反射波聲強與入射波聲強之比稱為聲強反射率，用R表示。7、界面上透射波聲強It與入射波聲強Io之比稱為強透射率，用T表示。超聲波探傷專題知識講座第45頁8、以上各式說明超聲波垂直入射到平界面上時，聲壓或聲強分配百分比僅與界面兩側介質聲阻抗相關。由以上幾式能夠導出：

超聲波探傷專題知識講座第46頁二、幾個常見界面上聲壓、聲強反射和透射情況討論。1、當Z2>Z1時，反射波聲壓與入射波聲壓同相位。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比如超聲波平面波垂直入射到水/鋼界面，如圖1.27所表示。則：

以上計算表明，超聲波垂直入射到水/鋼界面時，其聲壓反射率，r=0.935，聲壓透射率t=1.935。從聲強方面看這里R+T=0.875+0.125=1，說明符合能量守恒。

，超聲波探傷專題知識講座第47頁2、當Z1>Z2時，即反射波聲壓與入射波聲壓相位相反，反射波與入射波合成聲壓振幅減小。比如超聲波平面波垂直入射到鋼/水界面。如圖1.28所表示。則

以上表明，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。聲強反射率與透射率與超聲波直射到水/鋼界面相同。由此可見-超聲波垂直入射到某界面時聲強反射率與透射率與從何種介質入射無關。

超聲波探傷專題知識講座第48頁3、當Z1>>Z2時，(如鋼/空氣界面)，

則

計算表明，當入射波介質聲阻抗遠大于透射波介質聲阻抗時，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°相位改變。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，超聲波將無法進入工件。超聲波探傷專題知識講座第49頁4、當Z1≈Z2時，即界面兩側介質聲阻抗近似相等時。如鋼淬火部分與非淬火部分及普通碳鋼焊縫母材與填充金屬之間聲阻抗相差很小，普通為1%左右。設Z1=1，Z2=0.99，則：這說明超聲波垂直入射到兩種聲阻抗相差很小介質組成界面時,幾乎全透射，無反射。所以在焊縫探傷中，若母材與填充金屬結合面沒有任何缺點，是不會產生界面回波。

5、以上討論超聲波垂直到單一平界面上聲壓、聲強反射率和透射率公式一樣適合用于橫波入射情況，但必須注意是在固體/液體或固體/氣體界面界上，橫波全反射。因為橫波不能在液體和氣體中傳輸。超聲波探傷專題知識講座第50頁二、薄層介面反射與透射情況1、超聲波經過一定厚度異質薄層時，反射和透射情況與單一平界面不一樣。異質薄層很薄，進入薄層內超聲波會在薄層兩側界面引發(fā)屢次反射和透射，形成一系列反射波和透射波，如圖1.29(a)所表示。1）當超聲波脈沖寬度相對于薄層較窄時，薄層兩側各次反射波、透射波互不干涉。2）當脈沖寬度相對于薄層較寬時，薄層兩側各次反射波、透射波相互疊加產生干涉。

超聲波探傷專題知識講座第51頁2、超聲波經過異質薄層時聲壓反射率和透射率不但與介質聲阻抗和薄層聲阻抗相關，而且與薄層厚度同其波長之比相關。3、均勻介質中異質薄層(Z1＝Z3≠Z2)1）對于Z1=Z3≠Z2，即均勻介質中異質薄層，其聲壓反射率與透射率為：

超聲波探傷專題知識講座第52頁2）由以上公式可知：（1）當(n為整數)時，r≈0，t≈1。這說明當薄層兩側介質聲阻抗相等，薄層厚度為其半波長整數倍時，超聲波全透射，幾乎無反射(r≈0)，好象不存在異質薄層一樣。這種透聲層常稱為半波透聲層。（2）當(n為整數)時，即異質薄層厚度等于其四分之一波長奇數倍時，聲壓透射率最低，聲壓反射率最高。超聲波探傷專題知識講座第53頁4、薄層兩側介質不一樣雙界面1）對于，即非均勻介質中薄層，比如晶片--保護膜--工件，其聲強透射率為：

2）由上式可知：（1）超聲波垂直入射到兩側介質聲阻抗不一樣薄層時，若薄層厚度等于半波長整數倍，則經過薄層聲強透射率與薄層性質無關，好象不存在薄層一樣。（2）表明超聲波垂直入射到兩側介質聲阻抗不一樣薄層，若薄層厚度等于奇數倍，薄層聲阻抗為其兩側介質聲阻抗幾何平均值時，即，其聲強透射率等于1，超聲波全透射。這對于直探頭保護膜設計含有主要指導意義。超聲波探傷專題知識講座第54頁二、聲壓往復透射率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、探頭投超聲波透過界面進入工件，在固/氣底面產生全反射后再次經過同一界面被探頭接收，如圖1.32所表示。這時探頭接收到回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比，稱為聲壓往復透射率T往

。超聲波探傷專題知識講座第55頁3、分析公式可知超聲波垂直入射時，在底面全反射條件下聲壓往復透射率與聲強透射率在數值上相等。比如用PZT-5晶片()對鋼制工件()探傷時，若耦合劑中聲壓全透射，鋼制工件底面聲壓全反射，則其聲壓往復透射率為：4、由公式可知聲壓往復透射率與界面兩側介質聲阻抗相關，與從何種介質入射到界面無關。界面兩側分質聲阻抗相差愈小，聲壓往復透射率就愈高，反之就愈低。5、往復透射率高低直接影響探傷靈敏度高低，往復透射率高，探傷靈敏度高。反之，探傷靈敏度低。超聲波探傷專題知識講座第56頁第八節(jié)超聲波傾斜入射到界面時反射和折射

一、波型轉換與反射、折射定律1、波型轉換：當超聲波傾斜入射到界面時，除產生同種類型反射和折射波外，還會產生不一樣類型反射和折射波。

2、縱波斜入射當縱波L傾斜入射到固/固界面時，除產生反射縱波L′和折射縱波L″外，還會產生反射橫波S′和折射橫波S″如圖所表示。各種反射波和折射波方向符合反射、折射定律：因為同一介質中縱波波速不變，所以α′L=αL。又因為在同一介質中縱波波速大于橫波波速，所以α′L>α′s，βL＞βS。超聲波探傷專題知識講座第57頁1）第一臨界角

:由上式能夠看出，當時，，伴隨αL增加，βL也增加，當αL增加到一定程度時，βL=90°，這時所對應縱波入射角稱為第一臨界角，用表示。2）第二臨界角：由上式能夠看出，當時，，伴隨αL增加，βs也增加，當αL增加到一定程度時，βs=90°，這時所對應縱波入射角稱為第二臨界角，用表示。超聲波探傷專題知識講座第58頁3）由αⅠ和αⅡ定義可知：（1）當αL＜α1時，第二介質中即有折射縱波L″又有折射橫波S″。（2）當αL=αⅠ-αⅡ時，第二介質中只有折射橫波S″沒有折射縱波L″．這就是慣用橫波探頭制作原理。（3）當αL≥αⅡ時，第二介質中既無折射縱波L”，又無折射橫波S″。這時在其介質表面存在表面波R，這就是慣用表面波探頭制作原理。超聲波探傷專題知識講座第59頁4）例，縱波傾斜入射到有機玻璃/鋼界面時。有機玻璃中:CL=2730m/s,鋼中：CL=5900m/s，CS=323Om/s。則第一、二臨界角分別為：

由此可見有機玻璃橫波探頭，有機玻璃表面波探頭超聲波探傷專題知識講座第60頁3、橫波入射1）當橫波傾斜入射到圍/固界面時，一樣會產生波型轉換，如圖所表示。各反射、折射波方向符合反射、折射定律：超聲波探傷專題知識講座第61頁2）橫波傾斜入射時，一樣存在第一、二臨界角，因為在實際探傷中無多大實際意義，故這里不再討論，這里只討論第三臨界角αⅢ。由上式得，隨增加，也增加，當增加到一定程度時，=90°，這時所對應橫波入射角稱為第三臨界角，用αⅢ表示。

當αS≥αⅢ時，第一介質中只有反射橫波，沒有反射縱波，即橫波全反射。3）對于鋼：CL１=5900m/S，CS１=3230m/s當αS≥33．2°時，鋼中橫波全反射

超聲波探傷專題知識講座第62頁

1、縱波傾斜入射到鋼/空氣界面反射如教材31頁圖1.35所表示，當縱波傾斜入射到鋼/空氣界面時，縱波聲壓反射率rLL與橫波聲壓反射率rLS隨入射角而改變。當αL=60°左右時，rLL很低，rLS較高。原因是縱波傾斜入射，當αL=60°左右時產生一個較強變型反射橫波。2、橫波傾斜入射到鋼/空氣界面反射如教材31頁圖1.36所表示，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而改變。當aS=30°時，rSS很低，rSL較高。當aS≥33.2°(a)時，rSS=100%,即鋼中橫波全反射超聲波探傷專題知識講座第63頁三、聲壓往復透射率1、超聲波探傷中，經常采取反射法探傷，超聲波往復透過同一探側面，所以聲壓往復透射率更含有實際意義。2、如教材31頁圖1.37所表示，超聲波傾斜入射，折射波全反射，探頭按收到回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比稱為聲壓往復透射率，慣用T表示，T=Pa/P0。3、圖1.38為縱波傾斜入射至水/鋼界面時聲壓往復透射率與入射角關系曲線。當縱波入射角αL

＜14.5°(αⅠ)時，折射縱波往復透射率不超出13%，折射橫波往復透射率小于6%。當αL

=14.5-27.27°(αⅡ)時，鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波往復透射率最高不到20%。實際探傷中水浸探傷鋼材就屬于這種情況。超聲波探傷專題知識講座第64頁4、圖1.39為縱波傾斜入射至有機玻璃/鋼界面對往復透射率與入射角之間關系曲線。當αL

<27.6°(αⅠ)時，折射縱波往復透射率小于25%，折射橫波往復透射率小于10%。當αL

=27°-57°(αⅡ)時，鋼中只有折射橫波，無折射縱波。折射橫波往復透射率最高不超出30%，這時所對應αL

≈30°，βS≈37°。實際探傷中有機玻璃橫波探頭探傷鋼材就屬于這種情況。超聲波探傷專題知識講座第65頁四、端角反射1、超聲波在兩個平面組成直角內反射叫做端角反射。

2、回波聲壓與入射波聲壓之比稱為端角反射率用T端表示。教材33頁圖1.41為鋼/空氣界面上鋼中端角反射率。1）由圖1.4l(a)可知，縱波入射時，端角反射率都很低，這是因為縱波在端角兩次反射中分離出較強橫波。2）由圖1.41(b)可知，橫波入射時，入射角αS=30°或60°附近時，端角反射率最低，αS=35°-55°時，端角反射率可達100%。實際工作中，橫波探傷焊縫單面焊根部未焊透或襲紋情況就類似于這種情況，當橫波入射角αS=35°-55°，即K=tgβs=0.7-1.43時，探傷靈敏度較高。當βs≥56°，即K≥1.5時，探傷靈敏度較低，可能引發(fā)漏檢。3）從圖1.38還能夠看出，αL（αS）在0或90°附近時，不論是縱波還是橫波端角反射率理論上都很高，但實際上因為入射波、反射波在邊界相互干涉而抵消，所以實際上這時探測靈敏度不高。超聲波探傷專題知識講座第66頁第九節(jié)超聲波聚焦與發(fā)散一、聲壓距離公式對于平面波，波束不擴散，而是相互平行，所以聲壓不隨距離而改變。球面波與柱面波波束擴散，其聲壓與距離相關。1、球面波聲壓距離公式球面波波陣面為同心球面，聲壓與距離成反比。2、柱面波聲壓距離公式柱面波波陣面為同軸柱面，聲壓與距離平方根成反比。超聲波探傷專題知識講座第67頁二、球面波在平界面上反射與折射1、單一平界面上反射球面波入射到平界面上，其反射波仍為球面波，且波源與入射波源對稱，反射波聲壓為超聲波探傷專題知識講座第68頁2、雙界面反射如圖1.43所表示，球面波在相互平行雙界面間屢次反射仍符合球面波改變規(guī)律。當入射角較小，聲壓反射率r=1.0時，對于脈沖波。雙界面距離d較大時不產生子涉．這時前壁各次反射波聲壓比為

后壁各次波聲壓比為

實際探傷中，當d較大時，超聲波探頭發(fā)出超聲波可視為球面波，示波屏上各次底面反射波高度之比近似符合1∶１/２∶１/３……規(guī)律。超聲波探傷專題知識講座第69頁

3、單一平界面上折射如圖1.44所表示，球面波入射到平界面上時，其折射波不再是嚴格球面波了。只有當其張角δ1較小時，可視為近似球面波，且有

對于水/鋼界面：

這說明球面渡入射到水/鋼界面時，其折射波愈加發(fā)散。折射波聲壓：

超聲波探傷專題知識講座第70頁三、平面波在曲界面上反射與折射1、平面波在曲界面上反射1）當平面波入射到曲界面上時，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散。2）反射波聚焦或發(fā)散與曲面凹凸(從入射方向看)相關。凹曲面反射波聚焦。凸曲面反射波發(fā)散。

超聲波探傷專題知識講座第71頁3）平面波入射到球面時，其反射波可視為從焦點發(fā)出球面波。在曲軸線上距曲面頂點χ處反射波聲壓為注：“±”——“+”用于發(fā)散?！耙弧庇糜诰劢埂Ｏ峦?）平面波入射到柱面時，其反射波可視為反焦軸發(fā)出柱面波。在曲面軸線上距曲面頂點χ處反射波聲壓為：實際探傷中球形、柱形氣孔反射就屬于以上兩種情況。超聲波探傷專題知識講座第72頁2、平面波在陷界面上折射1）平面波入射到曲界面上時，其折射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖教材36頁圖1.46。這時折射波聚焦或發(fā)散不但與曲面凹相關。而且與界面兩側介質波速相關：（1）對于凹透鏡，當c1<c2時聚焦，當c1>c2時發(fā)散；（2）對于凸透鏡，當c1>c2時聚焦，當c1＜c2發(fā)散。2）平面波入射至球西透鏡時，其折射波可視為從焦點發(fā)出球面波，曲面軸線上距曲面頂點χ處折射波聲壓為超聲波探傷專題知識講座第73頁3）平面波入射到柱面透鏡，其射射波可視為從焦軸發(fā)出柱面波，軸線上χ處折射波聲壓為4）實際探傷用水浸聚焦探頭就是依據平面波入射到c1>c2凸透鏡上，折射波發(fā)生聚焦特點來設計，這么能夠提升探傷靈敏度。超聲波探傷專題知識講座第74頁四、球面波在曲界面上反射和折射1、球面波在曲界面上反射1）球面波入射到曲界面上，其反射渡將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖教材37頁圖1.47。凹曲面反射波聚焦，曲面反射渡發(fā)散。2）球面波在球面上反射波，可視為從像點發(fā)出球面波。軸線上距頂點為χ處反射波聲壓為實際探傷中，至波源距離較遠球形氣孔缺點就屬于球面波在凹球面上反射，因為反射波深入發(fā)散，所以其回波較低。這就是超聲波探傷氣孔靈敏度低原因所在。超聲波探傷專題知識講座第75頁3）球面波在柱面上反射，既不是單純球面波，也不是單純柱面波，而是近似為兩個不一樣柱面波迭加。軸線上距頂點為χ處反射波聲壓為球面波在柱面上反射，在實際探傷中含有現實意義。比如超聲波徑向探傷大型圓柱形鍛件屬于這種情況。4）凹柱面反射波聚集于像點，使像點處聲壓趨于很大。假如像點處存在一較小缺點，那么經底面反射至缺點，再從缺點反射至底面，最終由底商反射回到探頭；形成路徑似“W”反射稱為W反射。W反射時，示波屏上同時出現兩個缺點波，一前一后，一高一低，前者位于底波B1之前，高度較低，為缺點直接反射。后者位于B1之后，高度較高，為w反射。探傷時應依據前者來對缺點進行定位和定量。超聲波探傷專題知識講座第76頁2、球面波在曲界面上折射球面波入射到曲界面上，其折射波一樣會發(fā)生聚焦和發(fā)散，如教材38頁圖l.50。軸線上距頂點χ處折射波聲壓為1）球形界面：

2）柱形截面：

3）實際探傷中，水浸探傷柱形或球形工件就屬于圖1.50(a)。因為折射波發(fā)散，所以探傷靈敏敏度很低，為了提升探傷靈敏度，經常采取聚焦探傷。超聲波探傷專題知識講座第77頁第十節(jié)超聲波衰減一、衰減原因1、擴散衰減1）超聲波在傳輸過程中，因為波束散，使超聲波能量隨距離增加而逐步減弱現象稱為擴散衰減。2）超聲波擴散衰減僅取決于波面形狀，與介質性質無關。（1）平面波波陣面為平面，波束不擴散，不存在擴散衰減。（2）柱面波陣面為同軸圓柱面。波束向四面擴散，存在擴散衰減，聲壓與距離平方根成反比。（3）球面波陣面為同心球面，波束向四面八方擴散，存在擴散衰減，聲壓與距離成反比。超聲波探傷專題知識講座第78頁2、散射衰減1）超聲波在介質中傳輸時，碰到聲阻抗不一樣界面產生散亂反射引發(fā)衰減現象，稱為散射衰減。2）散射衰減與材質晶粒親密相關，當材質晶粒粗大時，散射衰減嚴重，被散射超聲波沿著復雜路徑傳輸到探頭，在示波屏上引發(fā)林狀回波(又叫草波)，使信噪比下降，嚴重時噪聲會湮沒缺點波。3、吸收衰減超聲波在分質中傳輸時，因為介質中質點間內摩擦(即粘滯性)和熱傳導引發(fā)超聲波衰減，稱為吸收衰減或粘滯衰減。超聲波探傷專題知識講座第79頁4、除了以上三種衰減外，還有位錯引發(fā)衰減，磁疇壁引發(fā)衰減和殘余應力引發(fā)衰減等。5、通常所說介質衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包含擴散衰減。超聲波探傷專題知識講座第80頁二、衰減方程與衰減系數1、衰減方程平面波不存在擴散衰減，只存在介質衰減，其聲壓衰減方程為

球面波與柱面波既存在擴散衰減，又存在介質衰減，它們聲壓衰減方程分別為球面波：柱面波：超聲波探傷專題知識講座第81頁2、衰減系數1）衰減系數只考慮了介質散射和吸收衰減，未包括擴散衰減。對于金屬材料等固體介質而言，介質衰減系數等于散射衰減系數和吸收衰減系數之和。超聲波探傷專題知識講座第82頁2）由以上公式可知：（1）介質吸收衰減與頻率成正比。

（2）介質散射衰減與f、d、F相關，當d<λ時，散射衰減系數與f4、d3成正比。在實際探傷中，當介質晶粒較粗大時，若采取較高頻率，將會引發(fā)嚴重衰減，示波屏出現大量草狀波，使信嗓比顯著下降，超聲波穿透能力顯著降低。這就是晶粒較大奧氏體鋼和一些鑄件探傷困難所在。超聲波探傷專題知識講座第83頁3）對于液體介質而言，主要是介質吸收衰減。（1）由上式可知，液體介質衰減系數a與介質粘滯系數和頻率平方成正比，與介質中密度和波速立方成反比。（2）因為η、p、c與溫度相關，所以a也與溫度相關。普通是a隨溫度升高而降低。這是因為溫度升高，分子熱運動加劇，有利于超聲波傳輸。超聲波探傷專題知識講座第84頁4）以上討論說明，介質衰減與介質性質親密相關，所以在實際工作中有時依據底波次數來衡量材料衰減情況，從而判定材料晶粒度大小，缺點密集程度、石墨含量以及水中泥沙含量等。超聲波探傷專題知識講座第85頁三、衰減系數測定1、薄板工件衰減系數測定對于厚度較小，上下底面相互平行，表面光潔薄板工件。可用直探頭波在薄板表面，使聲波在上下表面往復反射，在示波屏上出現屢次底波。因為介質衰減和反射損失，使底波高度依次降低。其介質衰減系數按下式計算

超聲波探傷專題知識講座第86頁2、厚板或粗圓柱體衰減系數測定對于厚度大于200mm板材或軸類零件，可依據第一、二次底波、高度來測試衰減系數。、高度差由擴散衰減、介質衰減、反射損失引發(fā)。這時介質衰減系數按下式計算：

3、比如某工件厚度χ=500mm，測得B1=80%，B2=20%，反射損失δ=0.5dB，則工件衰減系數為

超聲波探傷專題知識講座第87頁第二章超聲波發(fā)射聲場與規(guī)則反射體回波聲壓第一節(jié)縱波發(fā)射聲場第二節(jié)橫波發(fā)射聲場第三節(jié)聚焦聲源發(fā)射聲場第四節(jié)規(guī)則反射體回波聲壓第五節(jié)AVG曲線超聲波探傷專題知識講座第88頁第一節(jié)縱波發(fā)射聲場一、圓盤波源輻射縱波聲場1、波源軸線上聲壓分布1）在不考慮介質衰減條件下，圖2.1所表示液體介質中圓盤源上一點波源輻射球面波在波源軸線上Q點引發(fā)聲壓為2）依據波迭加原理，作活塞振動圓盤波源各點波源在軸線上Q點引發(fā)聲壓能夠線性迭加，所以對整個波源面積積分就能夠得到波源軸線上任意一點聲壓為其聲壓幅值為超聲波探傷專題知識講座第89頁3）經適當簡化可知，當初，，圓盤源軸線上聲壓與距離成反比，與波源面積成正比。其聲壓隨距離改變情況如圖。超聲波探傷專題知識講座第90頁4）近場區(qū)：波源附近因為波干涉而出現一系列聲壓極大極小值區(qū)域，稱為超聲場近場區(qū)，又叫菲涅耳區(qū)。（1）近場區(qū)聲壓分布不均，是因為波源各點至軸線上某點距離不一樣，存在波程差，相互迭加時存在位相差而相互干涉，使一些地方聲壓相互加強，另一些地方相互減弱，于是就出現聲壓極大極小值點。（2）波源軸線上最終一個聲壓極大值至波源距離稱為近場區(qū)長度，用N表示。經推導后可知可見近場區(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，處于聲壓極小值處較大缺點回波可能較低，而處于聲壓極大值處較小缺點回波可能較高，這么就輕易引發(fā)誤判，甚至漏檢，所以應盡可能防止在近場區(qū)探傷定量。超聲波探傷專題知識講座第91頁5)遠場區(qū)：波源軸線上至波源距離x>N區(qū)域稱為遠場區(qū)，又叫富瑯和費區(qū)。遠場區(qū)軸線上聲壓隨距離增加單調降低。當x>3N時，聲壓與距離成反比，近似球面波規(guī)律，。這是因為距離χ足夠大時，波源各點至軸線上某一點波程差很小，引發(fā)相位差也很小，這么干涉現象可略去不計。所以遠場區(qū)軸線上不會出現聲壓極大極小值。超聲波探傷專題知識講座第92頁2、波束指向性和半擴散角1）波源前充分遠處任意一點聲壓P(r，θ)與波源軸線上同距離處聲壓P(r，θ)之比．稱為指向性系數，用表示。，與y關系如圖所表示超聲波探傷專題知識講座第93頁2）由圖可知以下結論：（1）。這說明超聲場中至波源充分遠處同一橫截面上各點聲壓是不一樣，以軸線上聲壓為最高。實際探傷中，只有當波束軸線垂直于缺點時，缺點回波最高就是這個原因。（2）當y=kRssinθ=3.73,7.02,10.17,…時，Dc=P(r，θ)/P(r，θ)=0，即P(r，θ)=O。這說明圓盤源輻射縱波聲場中存在一些聲壓為零圓錐面。由得：式中稱為圓盤源輻射縱波聲場第一零值發(fā)散角，又稱半擴散角。另外對應于y=7.02，10.17，……發(fā)散角稱為第二、三、……零值發(fā)散角。超聲波探傷專題知識講座第94頁（3）當y>3.83，即θ>θ0時，|Ds|<0.15。這說明半擴散角以外聲場聲壓很低，超聲波能量主要集中在半擴散角以內。所以能夠認為半擴散角限制了波束范圍。（4）2θ0以內波束稱為主波束，只有當缺點位于主波束范圍時，才輕易被發(fā)覺。以確定擴散角向固定方向輻射超聲波特征稱為波束指向性。（5）因為超聲波主波束以外能量很低和介質對超聲波衰減作用，使第一零值發(fā)射角以外波束只能在波原附近傳輸，所以在波源附近形成一些副瓣。超聲波探傷專題知識講座第95頁3）由可知，增加探頭直徑Ds，提升探傷頻率f，半擴散角將減小，即能夠改進波束指向性，使超聲波能量更集中，有利于提升探傷靈敏度。但由可知，增大Ds和f，近場區(qū)長度N增加，對探傷不利。所以在實際探傷中要綜合考慮和對及N影響，合理選擇和,普通是在確保探傷靈敏度前提下盡可能降低近場區(qū)長度。超聲波探傷專題知識講座第96頁3、波束未擴散區(qū)與擴散區(qū)1）超聲波波源輻射超聲波是以特定角度向外擴散出去，但并不是從波源開始擴散。而是在波源附近存在一個未擴散區(qū)b，其理想化形狀如圖2.5。由得超聲波探傷專題知識講座第97頁2）在波束未擴散區(qū)b內，波束不擴散，不存在擴散衰減，各截面平均聲壓基本相同。所以薄板試塊前幾次底波相差無幾。到波源距離x>b區(qū)域稱為擴散區(qū)，擴散區(qū)內波束擴散衰減。3）例：若用f=2.5MHz，Ds=20mm探頭探測波速CL=5900m/s鋼工件，那么N、θ0和b分別為超聲波探傷專題知識講座第98頁二、矩形波源輻射縱波聲場1、矩形波源作活塞振動時，在液體介質中輻射縱波聲場一樣存在近場區(qū)和未擴散角。近場區(qū)內聲壓分布復雜，理論計算困難。遠場區(qū)聲源軸線上任意一點Q處聲壓用液體介質中聲場理論能夠導出，其計算公式為式中—矩形波源面積，Fs=4ab。2、對上式特殊情況進行討論可知1）當θ=r=0時，遠場軸線上某點聲壓為超聲波探傷專題知識講座第99頁2）當θ=0時，YOZ平面內遠場某點聲壓為這時在Y0Z平面內指向性系數Dc為

關系曲線如圖所表示。超聲波探傷專題知識講座第100頁3）由圖可知，當y=kbsinφ=π時，Dc=0。這時對應YOZ平面內半擴散角θ0為同理可導出XOZ平面內半擴散角θ0為4）由以上敘述可知，矩形波源輻射縱波聲場與圓盤源不一樣，矩形波源有兩個不一樣半擴散角，其聲場為矩形。矩形波源近場區(qū)長度為超聲波探傷專題知識講座第101頁二、近場區(qū)在兩種介質中分布1、公式只適用均勻介質。實際探傷中，有時近場區(qū)分布在兩種不一樣介質中，如圖所表示水浸探傷，超聲波是先進入水，然后再進入鋼中。當水層厚度較小時,近場區(qū)就會分布在水、鋼兩種介質中，設水層厚度為L，則鋼中剩下近場區(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：超聲波探傷專題知識講座第102頁三、實際聲場與理想聲場比較1、理想聲場：液體介質，波源作活塞振動，輻射連續(xù)波等理想條件下聲場。2、實際聲場：固體介質，波源非均勻激發(fā)，輻射脈沖波聲場。3、實際聲場與理想聲場在遠場區(qū)軸線上聲壓分布基本一致。4、近場區(qū)內，實際聲場與理想聲場存在顯著區(qū)分。理想聲場軸線上聲壓存在一系列極大極小值，且極大值為2P0，極小值為零。實際聲場軸線上聲壓即使也存在極大極小值，但波動幅度小，極大值遠小于2P0，極小值也遠大于零，同時極值點數量顯著降低。超聲波探傷專題知識講座第103頁第二節(jié)橫波發(fā)射聲場一、假想橫波波源將第一介質中縱波波源轉換為軸線與第二介質中橫波波束軸線重合假想橫波波源，這時整個聲場可視為由假想橫波波源輻射出來連續(xù)橫波聲場。當實際波源為圓形時，其假想橫波波源為橢圓形，橢圓長軸等于實際波源直徑Ds，短軸Ds′為超聲波探傷專題知識講座第104頁二、橫波聲場結構1、波束軸線上聲壓（χ≥3N）：由以上公式可知，橫波聲場中，當z≥3N時，波束軸線上聲壓與波源面積成正比，與至假想波源距離成反比，類似縱波聲場。

2、近場區(qū)長度：

第二介質中近場區(qū)長度N′我國橫波探頭常采取K值(K=tgβs)來表示橫波折射角大小，慣用K值為1.O、1.5、2.0和2.5等。為了便于計算近場區(qū)長度，特將K與cosβ/cosα、tgα/tgβ關系列于表2.1。超聲波探傷專題知識講座第105頁

例1：計算2.5MHz、14×16mm方晶片K1.0和K2.0橫波探頭近場區(qū)長度N。(鋼中Cs=3230m/s)解：N1(K1)=N2(K2)=由上計算表明，橫波探頭晶片尺寸一定，K值增大，近場區(qū)長度將減小。超聲波探傷專題知識講座第106頁

例2：試計算2.5MHz、10×12mm方晶片K2.0橫波探頭，有機玻璃中入射點至晶片距離為12mm，求此探頭在鋼中近場區(qū)長度N′。(鋼中CS=3230m／s)解：超聲波探傷專題知識講座第107頁3、半擴散角從假想橫波聲源輻射橫波聲束同縱波聲場一樣，含有良好指向性．能夠在被檢材料中定向輻射，只是聲束對稱性與縱波聲場有所不一樣，如圖2.14所表示。超聲波探傷專題知識講座第108頁在聲束軸線與界面法線所決定入射平面內，聲束不再對稱于聲束軸線，而是聲束上半擴散角θ上大于聲束下半擴散角θ下θ上=β2-βθ下=β-β1sinβ1=a-b，sinβ2=a+b，對于經過聲束軸線與入射平面垂直平面內，對于圓片形聲源：對于矩形正方形聲源：4、橫波和縱波指向性比較：因為橫波波長比縱波短。在其它條件相同時，橫波聲束指向性比縱波好，橫波能量更集中一些。超聲波探傷專題知識講座第109頁第三節(jié)聚焦聲源發(fā)射聲場一、聚焦聲場形成常規(guī)縱波聲場或橫波聲場，聲柬是以一定角度向外擴散出去，能量不集中，缺點定量精度差，對粗晶材料檢測困難大，60年代發(fā)展起來聚焦聲源發(fā)射聲場含有聲束細，能量集中，分辨力和靈敏度高等優(yōu)點。用聚焦探頭測定大型缺點面積或指示長度比常規(guī)探頭準確。用聚焦探頭探測粗晶材料也有了較大進展。超聲波探傷專題知識講座第110頁二、聚焦探頭分類：1、液浸聚焦：如圖2.16所表示，它是利用平面波入射到C1>C2凸透鏡(從入射方向看)上其折射波聚焦原理制成。當聲透鏡為球面鏡時，取得點聚焦；當聲透鏡為柱面鏡時，取得線聚焦。超聲波探傷專題知識講座第111頁2、接觸聚焦：如圖2.17所表示，它與液浸聚焦不一樣是：在聲透鏡前面加了一個透聲楔塊，而且要求聲透鏡中聲速C1大于透聲楔塊中聲速C2，C1＞C2。由圖可知，它是利用平面波入射到C1＞C2凸透鏡上其折射波聚焦，該聚焦折射波再入射到C2＞C3平界面上其折射波在工件內深入聚焦。超聲波探傷專題知識講座第112頁三、聚焦聲場特點與應用（以水浸聚焦為例）1、聚焦聲束軸線上聲壓分布在焦點處，X=F，上式可簡化為P=πBPo(其中B=R2/λF=N/F)由上式可知，焦點處聲壓隨B值增加而升高，焦距F愈小，B值就愈大，聚焦效果就愈好。當焦距F大于或等于近場區(qū)長度N時，B=N/F≤1，這時幾乎沒有聚焦作用。所以焦距應選在近場區(qū)長度以內，不然就失去了聚焦意義。2、焦柱幾何尺寸以上討論聚焦聲場是從幾何聲學理論出發(fā)在理想條件下得到，聚焦聲束最終會聚于一點(或線)，實際上這種情況是不存在，因為幾何聲學忽略了聲波波動性，在焦點附近．聲波存在干涉。另外聲透鏡存在一定球差，并非完全會聚于一點。所以聚焦聲束焦點是一個聚焦區(qū)，該聚焦區(qū)呈柱形。超聲波探傷專題知識講座第113頁3、聚焦探頭應用聚焦探頭含有聲束細、靈敏度高等優(yōu)點，在鑄鋼件及奧氏體鋼探傷、缺點面積或指示長度測定和裂紋高度測定等方面得到很好應用。鑄鋼件及奧氏體鋼晶粒粗大、衰減嚴重，常規(guī)探頭探傷散亂反射顯著，輕易產生草狀回波，信噪比低，缺點判別困難大。采取聚焦探頭探傷，因為聲束細，產生散亂反射幾率小，所以信噪比高，靈敏度高．有利于缺點檢出。試驗證實，使用聚焦探頭利用多重分貝法(如6dB，12dB等)來測定缺點面積或指示長度要比常規(guī)探頭準確得多。因為聚焦探頭聲束收斂。裂紋是最危險缺點。近年來采取聚焦探頭利用端點峰值回波法來測定裂紋高度，取得很好效果，精度顯著提升。聚焦探頭也有不足，最大缺點是聲束細，每次掃查范圍小，探測效率低。另外，探頭通用性差，每只探頭僅適合用于探測某一深度范圍內缺點。超聲波探傷專題知識講座第114頁第四節(jié)規(guī)則反射體回波聲壓一、平底孔回波聲壓當探測條件(Fs，λ)一定時，平底孔缺點回波聲壓或波高與平底孔面積成正比，與距離平方成反比。任意兩個距離直徑不一樣平底孔回波聲壓分貝差為:

超聲波探傷專題知識講座第115頁超聲波探傷專題知識講座第116頁二、長橫孔回波聲壓當X≥3N，超聲波垂直入射，全反射，長橫孔直徑較小，長度大于波束截面尺寸時，超聲波在長橫孔表面反射類似球面波在柱面鏡上反射。長橫孔回波聲壓Pf為：

任意兩個距離、直徑不一樣長橫孔回波分貝差為：超聲波探傷專題知識講座第117頁三、短橫孔回波聲壓短橫孔是長度顯著小于波束截面尺寸橫孔，設短橫孔直徑為Df，長度為Lf。當x≥3N時，超聲波在短橫孔上反射回波聲壓為：任意兩個距離、長度和直徑不一樣短橫孔回波分貝差為：超聲波探傷專題知識講座第118頁四、球孔回波聲壓設球孔直徑為Df，超聲波垂直入射，全反射，Df足夠小。當χ≥3N時，超聲波在球孔上反射就類似于球面波在球面鏡上反射。球孔回波聲壓Pf為：任意兩個直徑、距離不一樣球孔回波分貝差為：超聲波探傷專題知識講座第119頁五、大平底面回波聲壓當x≥3N時，超聲波在與波束軸線垂直、表面光潔大平底面上反射就是球面波在平面上反射，其回波聲壓PB為：兩個不一樣距離大平底面回波分貝差為：

超聲波探傷專題知識講座第120頁六、圓柱曲底面回波聲壓1、實心圓柱體超聲波徑向探傷χ≥3N實心圓柱體，類似于球面波在凹柱曲底面上反射。實心圓柱凹曲底面回波聲壓為說明實心圓柱體回波聲壓與大平底面回波聲壓相同。2、空心圓柱體超聲波外徑探傷空心圓柱體，χ≥3N，類似于球面波在凸柱面上反射。外圓探傷空心圓柱體凸柱曲底面回波聲壓為：超聲波內孔探傷圓柱體，χ≥3N，類似于球面波在凹柱面上反射。內圓探傷空心圓柱體凸柱曲底面回波聲壓為：超聲波探傷專題知識講座第121頁第五節(jié)AVG曲線一、縱波平底孔通用AVG曲線1、曲線作法：當x≥3N，不考慮介質衰減時，大平底面與平底孔回波聲壓為：

當儀器垂直線性良好時，示波屏上波高與聲壓成正比。

超聲波探傷專題知識講座第122頁為了簡化計算，對上式進行歸一化處理。令，并代入上式得：若用dB表示相對波高，則有超聲波探傷專題知識講座第123頁

超聲波探傷專題知識講座第124頁２、曲線特點：在A<3區(qū)域內，因為理論公式不適用，所以該區(qū)域曲線普通不繪出或由實測得到。

由圖2.24所表示平底孔缺點通用AVG曲線可見，當A<1時，因為波干涉，使平底孔回波聲壓趨于復雜化，出現極大極小值。但對于大平底而言,其回波幾乎不隨距離改變,在這個區(qū)域內入射波可視為平面波一部分，平均聲壓為常數。通用AVG曲線因為采取了歸一化距離和歸一化缺點當量大小,所以通用性好，適用不一樣規(guī)格探頭。

超聲波探傷專題知識講座第125頁3、曲線應用：用來調整探傷靈敏度和對缺點進行定量。例：用2.5MHz,φ20mm直探頭探測厚為400mm鋼制餅形鍛件，已知鋼中CL=5900m/s。探傷中在170mm處發(fā)覺一缺點，其回波比底波低10dB。(1)怎樣利用底波調整φ2平底孔靈敏度?(2)求此缺點當量平底孔尺寸為多少?解：(1)調靈敏度：①②

③查AVG曲線：如圖2.24所表示，過A=9.4處作垂線交G=0.l線于N，交B線于M，則MN對應分貝值為400mm處大平底與φ2平底孔回波分貝差：△=[B]一[φ2]=44dB④調整φ2靈敏度：(衰減器)衰減50dB，調(增益]使第一次底波B1達基準波高，然后去掉44dB，[衰減器]保留6dB，至此φ2靈敏度調好，即這時400mm處φ2平底孔回波恰好達基準波高。(2)對缺點定量：①

②求Gf:如圖2.24所表示，過Af=4作垂線與過比M點低10dBP點所作水平線相交于Q點，則Q點對應G值為所求：Gf=O.3。③求缺點當量尺寸:Df=GfD=0.3×20=6(mm)

，超聲波探傷專題知識講座第126頁二、縱波平底孔實用AVG曲線以橫坐標表示實際聲程，縱坐標表示規(guī)則反射體相對波高，用來描述距離、波幅、當量大小之間關系曲線，稱為實用AVG曲線。1、曲線作法：不一樣距離太平底回波dB差不一樣距離不一樣大小平底孔回波dB差

同距離大平底與平底孔回波dB差超聲波探傷專題知識講座第127頁用以上公式計算繪制實用AVG曲線時，要統(tǒng)一靈敏度基準比如圖2.25是x=750mm，φ2平底孔為0dB。超聲波探傷專題知識講座第128頁２、曲線特點：實用AVG曲線中x≥3N部分，可由理論公式計算得到，還可由實測CS-Ⅱ試塊得到或由通用AVG進行轉換得到，但χ<3N區(qū)域只能經過實測得到。因為實用AVG曲線是由特定探頭實測和計算得到，所以實用AVG曲線也只適合用于特定探頭。在實用AVG曲線中要注明探頭尺寸和頻率。超聲波探傷專題知識講座第129頁３、曲線應用：實用AVG曲線一樣可用于調整探傷靈敏度和對缺點定量，而且比通用AVG曲線方便。對于垂直線性良好儀器，波高與聲壓或正比，將AVG曲線直接繪制在儀器示波屏面板上，稱為AVG面板曲線，其縱坐標表示回波高，橫坐標表示距離。利用AVG面板曲線來調整探傷靈敏度和對探傷中發(fā)覺缺點定量十分方便。例：用2.5MHz、φ20mm直探頭探測餅形鋼鍛件，鍛件厚650mm，探傷中在500mm處發(fā)覺一缺點，缺點波高比大平底回波低31dB。問：(1)怎樣利用底波調整φ2靈敏度?(2)求缺點當量大小?解：(1)靈敏度調整：如圖2.25所表示，在x=650mm處作垂線交φ2曲線于E、交B曲線于F，則EF對應分貝值△=48dB就表示該處大平底與φ2平底孔回波分差。

(2)對缺點定量：如圖2.25所表示，在xf=500mm處作垂線與比F點低31dB水平線相交于Q點，則Q點所對應曲線當量尺寸φ4就是所求缺點當量大小。超聲波探傷專題知識講座第130頁第三章儀器、探頭和試塊第一節(jié)超聲波探傷儀第二節(jié)超聲波測厚儀第三節(jié)超聲波探頭第四節(jié)試

塊第五節(jié)儀器和探頭性能及其測試超聲波探傷專題知識講座第131頁第一節(jié)超聲波探傷儀一、超聲波探傷儀概述1、儀器作用：超聲波探傷儀是超聲波探傷主體設備，它作用是產生電振蕩并加于換能器(探頭)上，激勵探頭發(fā)射超聲波，同時將探頭送回電信號進行放大，經過一定方式顯示出來，從而得到被探工件內部有沒有缺點及缺點位置和大小等信息。2、儀器分類1）按超聲波連續(xù)性分類（1）脈沖波探傷儀：經過探頭向工件周期性地發(fā)射不連續(xù)且頻率不變超聲波，據超聲波傳輸時間及幅度判斷工件中缺點位置和大小。（2）連續(xù)波探傷儀：經過探頭向工件中發(fā)射連續(xù)且頻率不變(或在小范圍內周期性改變)超聲波，據透過工件超聲波強度改變判斷工件中有沒有缺點及缺點大小。（3）調頻波探傷儀：經過探頭向工件中發(fā)射連續(xù)頻率周期性改變超聲波，據發(fā)射波與反射波差頻改變情況判斷工件中有沒有缺點。超聲波探傷專題知識講座第132頁2）按缺點顯示方式分類（1）A