超聲波UT檢測(cè)課件

超聲檢測(cè)超聲檢測(cè)第1章概論目錄1.1無(wú)損檢測(cè)

1.2常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法1.3超聲檢測(cè)概況

1.4超聲檢測(cè)術(shù)語(yǔ)第1章概論1.1無(wú)損檢測(cè)

（1）定義：一般是指使超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進(jìn)行研究，對(duì)試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。在特種設(shè)備行業(yè)，超聲檢測(cè)通常指宏觀缺陷檢測(cè)和材料厚度測(cè)量。（2）作用：質(zhì)量控制、節(jié)約原材料、改進(jìn)工藝、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。1.1無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí)次聲波、聲波和超聲波1、次聲波、聲波和超聲波的區(qū)別：a、聲波：頻率在20～20000Hz之間的機(jī)械波。能引起聽覺。b、次聲波：頻率低于20Hz的機(jī)械波。人是聽不到的。c、超聲波：頻率高于20000Hz的機(jī)械波。人是聽不到的。2、對(duì)鋼等金屬材料的檢測(cè)，常用的頻率為0.5～10MHz。（使用最多的頻率范圍是1～5MHz）1兆是十的六次（1M=106）超聲檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí)

1.2常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法1、射線檢測(cè)RadiographicTesting－RT1）是利用射線透過(guò)物體時(shí)產(chǎn)生的吸收和散射現(xiàn)象，檢測(cè)材料中因缺陷存在而引起射線強(qiáng)度改變的程度來(lái)探測(cè)缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。2）檢測(cè)方法有：照相法、熒光屏法、工業(yè)電視法。3）可檢測(cè)金屬和非金屬材料。1.2常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法2、超聲檢測(cè)UltrasonicTesting－UT1）是通過(guò)超聲探頭發(fā)射超聲波，經(jīng)過(guò)耦合劑入射到工件中傳播，遇到缺陷時(shí)發(fā)射回來(lái)，發(fā)射回波被探頭接收。根據(jù)反射回波在熒屏上的位置和波幅高低判斷缺陷的大小和位置。2）超聲波特點(diǎn)：a、方向性好：頻率很高、波長(zhǎng)很短，可以定向發(fā)射b、能量高：因能量（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。c、能在界面上產(chǎn)生反射、折射、衍射和波型轉(zhuǎn)換：超聲檢測(cè)利用了反射、折射等特點(diǎn)。2、超聲檢測(cè)UltrasonicTesting－UTd、穿透能力強(qiáng)：傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，可達(dá)數(shù)米。3）超聲波的其他用途：a、機(jī)械加工：紅寶石、金剛石、陶瓷、石英、玻璃等硬度特別高的材料。b、焊接：鈦、釷（tu）等難焊金屬。c、化學(xué)工業(yè)：催化、清洗等。d、農(nóng)業(yè)：促進(jìn)種子發(fā)芽。e、醫(yī)學(xué)：診斷、消毒等。超聲檢測(cè)主要是基于超聲波在試件中的傳播特性(能量會(huì)損失，反射、折射等)。d、穿透能力強(qiáng)：傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，可達(dá)4）超聲檢測(cè)工作原理a）聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進(jìn)入試件（耦合劑）；b）超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；c）改變后的超聲波通過(guò)檢測(cè)設(shè)備被接收，并可對(duì)其進(jìn)行處理和分析；d）根據(jù)接收的超聲波的特征，評(píng)估試件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。4）超聲檢測(cè)工作原理

3、磁粉檢測(cè)MagneticparticleTesting－MT1）是通過(guò)鐵磁性材料在磁場(chǎng)中被磁化后，缺陷處產(chǎn)生漏磁場(chǎng)吸附磁粉而形成的磁痕來(lái)顯示材料表面缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法。2）只能檢測(cè)到表面和近表面缺陷。3）只能檢測(cè)鐵磁性材料。3、磁粉檢測(cè)MagneticparticleTest

4、滲透檢測(cè)PenetrantTesting－PT1）是通過(guò)彩色（紅色）或熒光滲透劑在毛細(xì)管作用下滲入表面開口缺陷，然后被白色顯像劑吸附而顯示紅色（或在紫外燈照射下顯示黃綠色）缺陷痕跡。2）只能檢測(cè)表面開口缺陷。4、滲透檢測(cè)PenetrantTesting－PT

5、渦流檢測(cè)EddycurrentTesting－ET1）是通過(guò)電磁感應(yīng)在金屬材料表面附近產(chǎn)生渦電流，如果金屬材料中存在裂紋將改變渦流的大小和方向，分析這些變化可檢出鐵磁性和非鐵磁性導(dǎo)電材料中的缺陷。2）檢測(cè)技術(shù)有：穿過(guò)式、內(nèi)通過(guò)式和點(diǎn)探頭式。3）適用于導(dǎo)電材料。4)只能檢測(cè)近表面缺陷。5)還還可用于分選材質(zhì)、測(cè)膜層厚度、測(cè)工件尺寸以及材料的某些物理性能等。5、渦流檢測(cè)EddycurrentTesting－1.3超聲檢測(cè)概況1、利用聲響來(lái)檢測(cè)物體的好壞(拍西瓜、敲瓷碗等檢查開裂)2、利用超聲波來(lái)探查水中物體（發(fā)現(xiàn)冰山、潛水艇等）一戰(zhàn)后發(fā)展起來(lái)的。3、利用超聲波來(lái)對(duì)固體內(nèi)部進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)（1）1929年，前蘇聯(lián)Sokolov提出穿透法（靈敏度低）（2）1940年，美國(guó)的Firestone提出脈沖反射法（3）20世紀(jì)60年代電子技術(shù)大發(fā)展（脈沖反射法被廣泛應(yīng)用）（4）20世紀(jì)70年代，英國(guó)提出衍射時(shí)差法（TOFD1.3超聲檢測(cè)概況1.4超聲檢測(cè)術(shù)語(yǔ)1）K值：斜探頭折射角的正切值。K=tanβ。2）當(dāng)量法：在一定的探測(cè)條件下，用某種規(guī)則的人工缺陷反射體尺寸來(lái)表征被檢件中實(shí)際缺陷相對(duì)尺寸的一種定量方法。3）動(dòng)態(tài)范圍：在增益調(diào)節(jié)不變時(shí)，超聲探傷儀熒光屏上能分辨的最大與最小反射面積波高之比，通常以分貝表示。4）分辨力：就聲束軸線而言，超聲設(shè)備能同時(shí)分辨出幾乎有相同聲程和橫向位置的數(shù)個(gè)不連續(xù)性的能力。5）工作頻率：探頭發(fā)生的超聲脈沖頻譜的中心頻率1.4超聲檢測(cè)術(shù)語(yǔ)6）脈沖重復(fù)頻率：為了產(chǎn)生超聲波，每秒內(nèi)由脈沖發(fā)生器激勵(lì)探頭晶片的脈沖次數(shù)。7）回波：從反射體上反射回來(lái)的超聲信號(hào)，又稱反射波。8）人工缺陷：在探傷過(guò)程中，為了調(diào)整或校準(zhǔn)探傷系統(tǒng)的靈敏度等，用各種方法在試塊或被檢件上加工制成的人工傷，如平底孔、橫孔、槽等。9）始波寬度：始脈沖起始點(diǎn)（前沿）和結(jié)束點(diǎn)（后沿）之間的距離。6）脈沖重復(fù)頻率：為了產(chǎn)生超聲波，每秒內(nèi)由脈沖發(fā)生器激勵(lì)探頭第2章超聲檢測(cè)物理基礎(chǔ)目錄2.1機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波2.2機(jī)械波的干涉、衍射以及駐波的形成2.3超聲波的特性及分類2.4超聲波的聲速

2.5超聲場(chǎng)的特征值及其分貝表示

2.6超聲波垂直入射到平面異質(zhì)界面上的效應(yīng)2.7超聲波傾斜入射到平面異質(zhì)界面時(shí)的效應(yīng)2.8超聲波在曲面上的效應(yīng)2.9超聲場(chǎng)2.10超聲波的衰減第2章超聲檢測(cè)物理基礎(chǔ)2.1機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波1、超聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播。超聲檢測(cè)中，主要涉及到幾何聲學(xué)（反射、折射定律及波型轉(zhuǎn)換）和物理學(xué)（波的疊加、干涉和衍射等）。2.1.1機(jī)械振動(dòng)（1）物體（或質(zhì)點(diǎn)）在某一平衡位置附近作來(lái)回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，就叫做機(jī)械振動(dòng)。例如：a、鐘擺的擺動(dòng)，水上浮標(biāo)的浮動(dòng)。b、擔(dān)物行走時(shí)扁擔(dān)的顫動(dòng)。c、在微風(fēng)中樹梢的搖擺。d、振動(dòng)的音叉、鑼、鼓、琴弦、蒸汽機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)等都是機(jī)械振動(dòng)。2.1機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波（2）振動(dòng)產(chǎn)生的必要條件：a）物體一離開平衡位置就會(huì)受到回復(fù)力的作用；b）阻力要足夠小。（3）振動(dòng)的過(guò)程：物體（或質(zhì)點(diǎn)）在受到一定力的作用下，將離開平衡位置，產(chǎn)生一個(gè)位移；該力消失后，在回復(fù)力作用下，它將向平衡位置運(yùn)動(dòng)，并且還要越過(guò)平衡位置移動(dòng)到相反方向的最大位移位置，然后再向平衡位置運(yùn)動(dòng)。這樣一個(gè)完整運(yùn)動(dòng)過(guò)程稱為一個(gè)“循環(huán)”或叫一次“全振動(dòng)”。（4）振動(dòng)的分類a、周期性振動(dòng)：每經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，振動(dòng)體總是回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)（或位置）的振動(dòng)。b、非周期性振動(dòng)：不具有上述周期性規(guī)律的振動(dòng)。（2）振動(dòng)產(chǎn)生的必要條件：a）物體一離開平衡位置就會(huì)受到回復(fù)（5）振動(dòng)是往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可用周期和頻率表示振動(dòng)的快慢，用振幅表示振動(dòng)的強(qiáng)弱。a、振幅A——振動(dòng)物體離開平衡位置的最大距離，叫做振動(dòng)的振幅，用A表示。b、周期T——當(dāng)物體作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)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）。對(duì)于非周期性振動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)已不再是周期性的，但周期這個(gè)物理量仍然可以反映這種運(yùn)動(dòng)的往復(fù)情況。c、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）,1赫茲表示1秒鐘內(nèi)完成1次全振動(dòng)，即1Hz=1次/秒。此外還有千赫（kHz），兆赫（MHz）d、周期和頻率，二者互為倒數(shù)：T=1/f（5）振動(dòng)是往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可用周期和頻率表示振動(dòng)的快慢，用振幅表1、諧振動(dòng)：（1）圖2-1所示為彈簧振子的諧振動(dòng)。振子以O(shè)點(diǎn)為中心在水平桿方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。振子由A點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A’點(diǎn)，由A’點(diǎn)再經(jīng)過(guò)O點(diǎn)回到A點(diǎn)，且OA等于OA’，此后振子不停地重復(fù)這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)。1、諧振動(dòng)：（2）回復(fù)力：振子在振動(dòng)過(guò)程中，所受重力與支持力平衡，振子在離開平衡位置O點(diǎn)后，只受到彈簧的彈力作用，這個(gè)力的方向跟振子離開平衡位置的位移方向相反，總是指向平衡位置，所以稱為回復(fù)力。（3）胡克定律：在彈簧發(fā)生彈性形變時(shí)，彈簧振子的回復(fù)力F與振子偏離平衡位置的位移x大小成正比，且方向總是相反，即：

F=—Kx（從動(dòng)力學(xué)角度描述諧振動(dòng)）這個(gè)關(guān)系在物理學(xué)中叫做胡克定律式中k是彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)。負(fù)號(hào)表示回復(fù)力的方向跟振子離開平衡位置的位移方向相反。（4）諧振動(dòng)：物體在受到跟位移大小成正比，而方向總是指向平衡位置的回復(fù)力作用下的振動(dòng)，叫做諧振動(dòng)。（從動(dòng)力學(xué)角度描述諧振動(dòng)）（2）回復(fù)力：振子在振動(dòng)過(guò)程中，所受重力與支持力平衡，振子在（5）諧振動(dòng)的振動(dòng)圖像（從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度描述諧振動(dòng)）a、彈簧振子的運(yùn)動(dòng)可以用振動(dòng)圖像直觀地表示出來(lái)，如圖2-2所示。以橫軸表示時(shí)間，縱軸表示質(zhì)點(diǎn)位移，則振動(dòng)圖像表示了振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移隨時(shí)間變化的規(guī)律。（5）諧振動(dòng)的振動(dòng)圖像（從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度描述諧振動(dòng)）b、諧振動(dòng)與做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)在Y軸上投影的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)完全一致，如圖2-3所示。以振幅A為半徑作圓，質(zhì)點(diǎn)M沿圓周作勻速運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)M的水平位移y和時(shí)間t的關(guān)系可用下式描述（諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程）：b、諧振動(dòng)與做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)在Y軸上投影的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)完全一（6）諧振動(dòng)定義：位移隨時(shí)間的變化符合余弦（或正弦）規(guī)律的振動(dòng)。（從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度描述諧振動(dòng)）兩種諧振動(dòng)的定義是一致的，只是定義的角度不同（7）諧振動(dòng)的特點(diǎn)：a、回復(fù)力與位移成正比而方向相反，總是指向平衡位置。b、諧振動(dòng)的振幅、頻率和周期保持不變，其頻率為振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，是最簡(jiǎn)單、最基本的一種振動(dòng)，任何復(fù)雜的振動(dòng)都可視為多個(gè)諧振動(dòng)的合成。c、是一種理想化的運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)過(guò)程中無(wú)阻力，所以振動(dòng)系統(tǒng)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。（6）諧振動(dòng)定義：位移隨時(shí)間的變化符合余弦（或正弦）規(guī)律的振2、阻尼振動(dòng)：a、諧振動(dòng)是理想條件下的振動(dòng)，即不考慮摩擦和其它阻力的影響。任何實(shí)際物體的振動(dòng)，總要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振動(dòng)物體的能量不斷減少。同時(shí)，由于在振動(dòng)傳播過(guò)程中，伴隨著能量的傳播，也使振動(dòng)物體的能量不斷地減少。這種振幅或能量隨時(shí)間不斷減少的振動(dòng)稱為阻尼振動(dòng)。如圖2-4所示。2、阻尼振動(dòng)：b、超聲檢測(cè)換能器設(shè)計(jì)：晶片后粘貼阻尼塊（增大振動(dòng)阻力），是為了使振動(dòng)盡快停止，減小超聲脈沖的寬度。（提高檢測(cè)分辨率）3、受迫振動(dòng)a、受迫振動(dòng)：是物體受到周期性變化的外力作用時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。如縫紉機(jī)上縫針的振動(dòng)，汽缸中活塞的振動(dòng)和揚(yáng)聲器中紙膜的振動(dòng)等。b、受迫振動(dòng)剛開始時(shí)情況很復(fù)雜，經(jīng)過(guò)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。其振動(dòng)方程為：y=Acos（Pt+φ）式中：A——受迫振動(dòng)的振幅；P——策動(dòng)力的圓頻率；

φ——受迫振動(dòng)的粗相位。b、超聲檢測(cè)換能器設(shè)計(jì)：晶片后粘貼阻尼塊（增大振動(dòng)阻力），是c、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)物體固有頻率相同時(shí)，其振幅最大。這種現(xiàn)象稱為共振。d、超聲檢測(cè)換能器設(shè)計(jì)：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。e、超聲探頭中的壓電晶片在發(fā)射超聲波時(shí)：在高頻電脈沖激勵(lì)下產(chǎn)生受迫振動(dòng)；在起振后受到晶片背面吸收塊的阻尼作用，因此又是阻尼振動(dòng)f、壓電晶片在接收超聲波時(shí)，同樣產(chǎn)生受迫振動(dòng)和阻尼振動(dòng)。c、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2.1.2機(jī)械波1、機(jī)械波的產(chǎn)生與傳播（1）振動(dòng)的傳播過(guò)程，稱為波動(dòng)。波動(dòng)分為機(jī)械波和電磁波兩大類。機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程（所以波動(dòng)頻率等于振動(dòng)頻率。但波長(zhǎng)不等于振幅）。如水波、聲波等。電磁波是交變電磁場(chǎng)在空間的傳播過(guò)程。如可見光、射線等。（2）機(jī)械波的產(chǎn)生與傳播過(guò)程：a、如圖2-5所示的固體彈性模型。質(zhì)點(diǎn)間以小彈簧連接在一起，這種質(zhì)點(diǎn)間以彈性力連接在一起的介質(zhì)稱為彈性介質(zhì)。一般固體、液體、氣體都可視為彈性介質(zhì)。2.1.2機(jī)械波圖2-5彈性介質(zhì)模型具有彈性的介質(zhì)叫彈性介質(zhì)。彈性：若某物體在外力作用下產(chǎn)生形變,當(dāng)外力取掉之后,物體能迅速恢復(fù)到受力前的形態(tài)和大小,物體的這種性質(zhì)稱為彈性。

波能在彈性介質(zhì)或非彈性介質(zhì)中產(chǎn)生和傳播。超聲波UT檢測(cè)課件b、當(dāng)外力F作用于質(zhì)點(diǎn)A時(shí)，A就會(huì)離開平衡位置，這時(shí)A周圍的質(zhì)點(diǎn)將對(duì)A產(chǎn)生彈性力使A回到平衡位置。當(dāng)A回到平衡位置時(shí)，具有一定的速度，由于慣性A不會(huì)停在平衡位置，而會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，并沿相反方向離開平衡位置，這時(shí)A又會(huì)受到反向彈性力，使A又回到平衡位置，這樣質(zhì)點(diǎn)A在平衡位置來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)。與此同時(shí)，A周圍的質(zhì)點(diǎn)也會(huì)受到大小相等方向相反的彈性力的作用，使它們離開平衡位置，并在各自的平衡位置附近振動(dòng)。這樣彈性介質(zhì)中一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)就會(huì)引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(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)就以一定的速度由近及遠(yuǎn)地傳播開來(lái)，從而就形成了機(jī)械波。c、液體和氣體不能用上述彈性力的模型來(lái)描述，其彈性波是在受到壓力時(shí)體積的收縮和膨脹產(chǎn)生的。b、當(dāng)外力F作用于質(zhì)點(diǎn)A時(shí)，A就會(huì)離開平衡位置，這時(shí)A周圍的d、產(chǎn)生機(jī)械波的兩個(gè)基本條件：a）要有作機(jī)械振動(dòng)的波源。b）要有能傳播機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)。e、機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波的關(guān)系：互相關(guān)聯(lián)，振動(dòng)是產(chǎn)生機(jī)械波的根源，機(jī)械波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播。波動(dòng)中介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)并不隨波前進(jìn)，而是按照與波源相同的振動(dòng)頻率在各自的平衡位置上振動(dòng)，并將能量傳遞給周圍的質(zhì)點(diǎn)（不是相鄰兩質(zhì)點(diǎn)的相互碰撞來(lái)完成能量傳播）。因此，機(jī)械波的傳播不是物質(zhì)的傳播，而是振動(dòng)狀態(tài)和能量的傳播。超聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)有：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)→振動(dòng)傳播→能量傳播d、產(chǎn)生機(jī)械波的兩個(gè)基本條件：2、機(jī)械波的主要物理量（1）周期T和頻率f：為波動(dòng)經(jīng)過(guò)的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的周期和頻率，機(jī)械波的周期和頻率只與振源有關(guān)，與傳播介質(zhì)無(wú)關(guān)。波動(dòng)頻率也可定義為波動(dòng)過(guò)程中，任一給定點(diǎn)在1秒鐘內(nèi)所通過(guò)的完整波的個(gè)數(shù)，與該點(diǎn)振動(dòng)頻率數(shù)值相同，單位為赫茲（Hz）。（2）波長(zhǎng)λ：波經(jīng)歷一個(gè)完整周期所傳播的距離，稱為波長(zhǎng)，用λ表示。同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離即為波長(zhǎng)。波源或介質(zhì)中任意一質(zhì)點(diǎn)完成一次全振動(dòng)，波正好前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)的距離。波長(zhǎng)的常用單位為米（m）或毫米（mm）。2、機(jī)械波的主要物理量（3）波速C：波動(dòng)中，波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離稱為波速，用C表示。常用單位為米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。波速、波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系式：c=λf波長(zhǎng)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(zhǎng)就愈長(zhǎng)；當(dāng)波速一定時(shí)，頻率愈低，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)。（λL>λs，故橫波靈敏度比縱波高）機(jī)械波的波速取決于彈性介質(zhì)的特性。超聲波在彈性介質(zhì)中的速度是聲能的傳播速度。（3）波速C：波動(dòng)中，波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離稱為波速，用3、波動(dòng)方程（1）當(dāng)振源作諧振動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的波是最簡(jiǎn)單最基本的波（簡(jiǎn)諧波）。假設(shè)某一機(jī)械波在理想無(wú)吸收的均勻介質(zhì)中沿x軸正向傳播，如圖2-6所示。波速為C，在波線上取O點(diǎn)為原點(diǎn)，設(shè)波經(jīng)過(guò)原點(diǎn)時(shí)，原點(diǎn)處振動(dòng)的橫向位移和時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系為：y=Acosωt3、波動(dòng)方程當(dāng)振動(dòng)從O點(diǎn)傳播到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)開始振動(dòng)，由于振動(dòng)從O點(diǎn)傳播到B點(diǎn)需要時(shí)間x/c秒，因此B點(diǎn)的振動(dòng)滯后于O點(diǎn)x/c秒。即B點(diǎn)在t時(shí)刻的位移等于O點(diǎn)在（t-x/c）時(shí)刻的位移：y=Acosω（t-x/c）=Acos（ωt-Kx）式中：K——波數(shù)，K=ω/c=2π/λ；x——B至O點(diǎn)的距離。上式就是波動(dòng)方程，描述了波動(dòng)過(guò)程中波線上任意一點(diǎn)（x）在任意時(shí)刻的位移（y）情況。當(dāng)振動(dòng)從O點(diǎn)傳播到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)開始振動(dòng)，由于振動(dòng)從O點(diǎn)傳播到2.2機(jī)械波的干涉、衍射以及駐波的形成2.2.1波的干涉（1）波的疊加原理當(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。幾列波相遇后仍保持自己原有的頻率、波長(zhǎng)、振動(dòng)方向等特性并按原來(lái)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，這就是波的疊加原理，又稱波的獨(dú)立性原理。如：人們可以分辨出各種樂(lè)器和每個(gè)人的聲音。2.2機(jī)械波的干涉、衍射以及駐波的形成2、波的干涉（1）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)象叫做波的干涉現(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）波的疊加原理是波的干涉現(xiàn)象的基礎(chǔ)，波的干涉是波動(dòng)的重要特征。在超聲檢測(cè)中，由于波的干涉，使超聲波源附近出現(xiàn)聲壓極大極小值。2、波的干涉（3）如圖2.7所示，設(shè)有兩個(gè)相干波源S1、S2的振動(dòng)分別為：y1=As1cos（ωt+φ1）y2=As2cos（ωt+φ2）它們發(fā)出的兩列相干波在空間某P點(diǎn)（稱為干涉點(diǎn)）相遇，兩列波在該點(diǎn)引起的振動(dòng)為：y1=As1cos（ωt-r1/λ2π+φ1）y2=As2cos（ωt–r2/λ2π+φ2）圖2.7相干波的疊加（3）如圖2.7所示，設(shè)有兩個(gè)相干波源S1、S2的振動(dòng)分別為質(zhì)點(diǎn)P的合振動(dòng)為：y=y1+y2=Acos（ωt+φ）其合振動(dòng)的振幅：其中：△φ=φ1-φ2=2π(r2-r1)/λA1、A2—S1、S2分別在P點(diǎn)引起的振幅；A—P點(diǎn)的合振幅；λ——波長(zhǎng)；δ—波程差，δ=r2-r1。質(zhì)點(diǎn)P的合振動(dòng)為：y=y1+y2=Acos（ωt+φ）結(jié)論：a、當(dāng)δ=nλ（n為整數(shù)）時(shí)，A=A1+A2。這說(shuō)明當(dāng)兩相干波的波程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，二者互相加強(qiáng)，合振幅達(dá)最大值。b、當(dāng)δ=（2n+1）λ/2（n為整數(shù)）時(shí)，A=|A1—A2|。這說(shuō)明當(dāng)兩相干波的波程差等于半波長(zhǎng)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。結(jié)論：2.2.2波的衍射（1）惠更斯原理行進(jìn)中的波陣面上任一點(diǎn)都可看作是新的次波源，而從波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的許多次波所形成的包絡(luò)面，就是原波面在一定時(shí)間內(nèi)所傳播到的新波陣面。如圖2.8所示。根據(jù)惠更斯原理，可以說(shuō)明波的折射和反射定律等傳播情況，但不能說(shuō)明衍射現(xiàn)象。2.2.2波的衍射（2）波的衍射（繞射）（1）如圖2.9所示，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，若遇到缺陷AB，據(jù)惠更斯－菲涅耳原理，缺陷邊緣A、B可以看作是發(fā)射子波的波源，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Df及波長(zhǎng)λ的相對(duì)大小有關(guān)。當(dāng)Df《λ時(shí)，波的繞射強(qiáng)，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢。超聲檢測(cè)靈敏度約為λ/2，這是一個(gè)重要原因。當(dāng)Df》λ時(shí)，反射強(qiáng)，繞射弱，聲波幾乎全反射。（靈敏度受檢測(cè)系統(tǒng)、耦合、工件性質(zhì)、不連續(xù)性性質(zhì)、檢測(cè)頻率的影響。）當(dāng)Df與λ相當(dāng)時(shí)，將發(fā)生既反射，又繞射。（2）波的衍射（繞射）（3）駐波1）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。如圖2.10所示。2）如連續(xù)波的反射波和入射波互相迭加（全反射）就會(huì)形成駐波。另外脈沖波在薄層中的反射也會(huì)形成駐波。駐波是波動(dòng)干涉的特例。3）設(shè)入射波和反射波的波動(dòng)方程分別為：y入=Acos2π（vt-x/λ）y反=Acos2π（vt+x/λ）4）則駐波的波動(dòng)方程為：y=y入+y反={2Acos（2πx/λ）}cos（2πvt）式中振幅為：2Acos（2πx/λ）V為頻率。（3）駐波5）駐波的3個(gè)特點(diǎn)a）x值滿足|cos（2x/λ）|=0的那些點(diǎn)，振幅恒為0，這些點(diǎn)始終靜止不動(dòng)，稱為波節(jié)。x值滿足|cos（2x/λ）|=1的那些點(diǎn)，振幅最大為2A，稱為波腹。波線上其余各點(diǎn)的振幅在0~2A之間。b）波線上波節(jié)和波腹的位置是特定的。相鄰兩波節(jié)的間距為λ/2；相鄰兩波腹的間距也為λ/2。所以相鄰波節(jié)與波腹的距離為λ/4。c）只有當(dāng)弦線長(zhǎng)度等于半波長(zhǎng)λ/2的整數(shù)倍時(shí)，才能形成駐波。這是探頭晶片設(shè)計(jì)依據(jù)，即晶片的厚度一般為λ/2。5）駐波的3個(gè)特點(diǎn)6）形成駐波時(shí)，在界面處產(chǎn)生波節(jié)還是波腹，與兩種介質(zhì)的疏密程度有關(guān)。當(dāng)波從波疏介質(zhì)垂直入射到波密介質(zhì)，在界面處產(chǎn)生波節(jié)（如垂直入射到水/鋼界面）；反之，則在界面處產(chǎn)生波腹（如垂直入射到鋼/水界面）。（在超聲檢測(cè)的應(yīng)用：超聲檢測(cè)探頭晶片形成駐波時(shí)振動(dòng)最強(qiáng)）（晶片的頻率常數(shù)為N=ft=c/2。晶片的厚度為t=λ/2。）6）形成駐波時(shí)，在界面處產(chǎn)生波節(jié)還是波腹，與兩種介質(zhì)的疏密程2.3超聲波的特性及分類2.3.1根據(jù)振動(dòng)模式分類（1）橫波a、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，稱為橫波，用S或T表示。如圖2.11所示。b、橫波中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力作用并產(chǎn)生切變形變，故橫波又稱為切變波。c、只有固體介質(zhì)才能承受剪切應(yīng)力，液體和氣體介質(zhì)不能承受剪切應(yīng)力，故橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。（應(yīng)用廣泛，適合于檢測(cè)與工件表面傾斜的不連續(xù)性）2.3超聲波的特性及分類圖2.11橫波示意圖圖2.12縱波示意圖超聲波UT檢測(cè)課件（2）縱波La、介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相平行的波，稱為縱波，用L表示。如圖2.12所示。

b、縱波中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變拉壓應(yīng)力作用并產(chǎn)生伸縮形變，故縱波亦稱為壓縮波。而且，由于縱波中的質(zhì)點(diǎn)疏密相間，故又稱為疏密波。c、凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。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。液體和氣體雖然不能承受拉伸應(yīng)力，但能承受壓應(yīng)力產(chǎn)生容積變化，因此液體和氣體介質(zhì)也可以傳播縱波。（應(yīng)用最廣泛，適合于檢測(cè)與工件表面平行的不連續(xù)性。）（2）縱波L（3）表面波Ra、當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，常用R表示，如圖2.13所示。表面波是瑞利1887年首先提出來(lái)的，因此表面波又稱瑞利波。b、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(zhǎng)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。因此表面波同橫波一樣只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體或氣體介質(zhì)中傳播。表面波在固體彈性介質(zhì)中傳播的波長(zhǎng)最短。在液浸探傷中，表面波會(huì)迅速衰減。介質(zhì)能傳播橫波和表面波的必要條件是介質(zhì)具有切變彈性模量。（3）表面波Rc、表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?。表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱（距表面一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，能量會(huì)降低到原來(lái)的1/25）。當(dāng)傳播深度超過(guò)兩倍波長(zhǎng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振幅就已經(jīng)很小了。因此，一般認(rèn)為，表面波檢測(cè)只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長(zhǎng)（2λ）深度內(nèi)的缺陷。（應(yīng)用較廣泛，適合于檢測(cè)工件表面不連續(xù)性。）圖2.13表面波（瑞利波）c、表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?。表面波的能量隨傳播深度增加而迅（4）板波1）在板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)牟景逯袀鞑サ牟?，稱為板波。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向不同可將板波分為SH波（應(yīng)用較少）和蘭姆波。（板波的傳播速度隨頻率的不同而改變）a、SH波：SH波是水平偏振的橫波在簿板中傳播的波。簿板中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)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。如圖2.14（下圖）所示。（4）板波2）蘭姆波：蘭姆波又分為對(duì)稱型（S型）和非對(duì)稱型（A型），如圖2.15（下圖）所示。（特點(diǎn)：整板振動(dòng)）（應(yīng)用較廣泛，薄板檢測(cè)。）a）對(duì)稱型（S型）：簿板中心質(zhì)點(diǎn)作縱向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)相位相反并對(duì)稱于中心。b）非對(duì)稱型（A型）：簿板中心質(zhì)點(diǎn)作橫向振動(dòng)，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、相位相同，不對(duì)稱。圖中：a）對(duì)稱型（S型）；b）非對(duì)稱型（A型）2）蘭姆波：蘭姆波又分為對(duì)稱型（S型）和非對(duì)稱型（A型），如超聲檢測(cè)中常用的波型超聲檢測(cè)中常用的波型2.3.2根據(jù)波形分類a、波的形狀（波形）是指波陣面的形狀。b、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)所連成的面稱為波陣面。c、波前：某一時(shí)刻，波動(dòng)所到達(dá)的空間各點(diǎn)所連成的面稱為波前。d、波線：波的傳播方向稱為波線。e、波前是最前面的波陣面，是波陣面的特例。任意時(shí)刻，波前只有一個(gè)，而波陣面卻有很多。在各向同性的介質(zhì)中，波線恒垂直于波陣面或波前。據(jù)波陣面形狀不同，可以把不同波源發(fā)出的波分為平面波、柱面波和球面波。2.3.2根據(jù)波形分類1、平面波波陣面為互相平行的平面的波稱為平面波。平面波的波源為一平面。如圖2-12所示。尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的剛性平面波源在各項(xiàng)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，各質(zhì)點(diǎn)振幅是一個(gè)常數(shù)，不隨距離而變化。（特點(diǎn)：理想介質(zhì)中，振幅不衰減）振動(dòng)方程為：y=Acosω（t-x/c）應(yīng)用：直探頭輻射的聲波在晶片附近近似平面波。2、柱面波波陣面為同軸柱面的波稱為柱面波。柱面波的波源為一條線。如圖2-13所示。1、平面波長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的線狀波源在各項(xiàng)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)的振幅與距離平方根成反比（特點(diǎn)：振幅與距離平方根成反比）。柱面波的波函數(shù)為：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)。如圖2-14所示。尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的店波源在各項(xiàng)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)振幅與距離成反比（特點(diǎn)：振幅與距離成反比）。振動(dòng)方程為：y=A/xcosω（t-x/c）應(yīng)用：超聲換能器輻射聲波在足夠遠(yuǎn)處近似球面波。（所有規(guī)則反射體回波聲壓計(jì)算的前提）長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的線狀波源在各項(xiàng)同性的介質(zhì)中輻射的波可視為柱面4、活塞波實(shí)際超聲檢測(cè)換能器輻射的聲波就是活塞波。（特點(diǎn)：既非平面波，也非球面波。近處接近平面波；遠(yuǎn)處接近球面波。）4、活塞波2.3.3根據(jù)振源振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類根據(jù)波源振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，分為連續(xù)波、脈沖波。1、連續(xù)波（產(chǎn)生完全干涉）波源持續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波稱為連續(xù)波，如圖2-15a所示。超聲波穿透法檢測(cè)常采用連續(xù)波。a）連續(xù)波b）脈沖波2.3.3根據(jù)振源振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類2、脈沖波（產(chǎn)生不完全干涉或不產(chǎn)生干涉）波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短（通常是微秒數(shù)量級(jí)），間歇輻射的波稱為脈沖波。目前超聲檢測(cè)中廣泛采用的就是脈沖波。被廣泛采用。（發(fā)射脈沖越短，則頻帶越寬，分辨率越好，靈敏度高）脈沖寬度越窄，峰數(shù)越少，則探頭阻尼效果越好。這樣的探頭分辨力好，但靈敏度略低。a、一個(gè)脈沖波可以分解為多個(gè)不同頻率的諧振波的疊加。將復(fù)雜振動(dòng)分解為諧振動(dòng)的方法，稱為頻譜分析。圖2-16所示為1MHz脈沖波可由三個(gè)具有不同頻率的正弦連續(xù)波合成。2、脈沖波（產(chǎn)生不完全干涉或不產(chǎn)生干涉）圖2-16由0.85、1、1.21MHz的正弦波合成的1MHz脈沖波圖2-16由0.85、1、1.21MHz的正弦波合成的1Mb、圖2-17所示為頻譜分析結(jié)果的示意圖。我們關(guān)心的頻譜特征量主要有峰值頻率fp、頻帶寬度（-6dB帶寬或-3dB帶寬）和中心頻率fc。峰值頻率fp為幅度峰值所對(duì)應(yīng)的頻率值。頻帶寬度=f1-fu（峰值頻率fp下降-6dB或-3dB時(shí)的兩點(diǎn)頻率值f1和fu之間的頻率范圍）。脈沖（時(shí)間）越短，則頻帶越寬。中心頻率fc=（f1+fu）/2<算術(shù)平均值>。b、圖2-17所示為頻譜分析結(jié)果的示意圖。我們關(guān)心的頻譜特征2.4超聲波的聲速2.4.1超聲波聲速與什么有關(guān)a、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)。b、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)（聲速與頻率無(wú)關(guān)）。對(duì)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。c、聲速與波型有關(guān)。超聲波波型不同時(shí)，介質(zhì)彈性變形型式不同，聲速也不一樣。還與介質(zhì)、溫度、應(yīng)力等有關(guān)。超聲傳播速度不等于質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度2.4.2固體介質(zhì)中的超聲波聲速1、無(wú)限大固體介質(zhì)中的聲速無(wú)限大固體介質(zhì)是相對(duì)于波長(zhǎng)而言的，當(dāng)介質(zhì)的尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，就可以視為無(wú)限大介質(zhì)。2.4超聲波的聲速（1）在無(wú)限大的固體介質(zhì)中，縱波聲速為：（2）在無(wú)限大的固體介質(zhì)中，橫波聲速為：

（3）在無(wú)限大的固體介質(zhì)中，表面波聲速為：

式中：E——介質(zhì)的楊氏彈性模量；G——介質(zhì)的剪切楊氏彈性模量；

ρ——介質(zhì)的密度；σ——介質(zhì)的泊松比，所有固體介質(zhì)的泊松比都在0～0.5之間。在同一固體材料中，縱、橫波聲速之比，與材料的泊松比有關(guān)。（1）在無(wú)限大的固體介質(zhì)中，縱波聲速為：（4）由以上三式可知：a、固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有關(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。b、聲速還與波的類型有關(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：即CL>CS即CS>CR所示：CL>CS>CRc、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。對(duì)于鋼材，σ≈0.28，CL≈1.8CS，CR≈0.9CS，即CL：CS：CR=1.8：1：0.9（是常數(shù)）。（4）由以上三式可知：2、細(xì)長(zhǎng)棒中的縱波聲速：在細(xì)長(zhǎng)棒中（棒徑d≤λ）軸向傳播的縱波聲速與無(wú)限大介質(zhì)中縱波聲速不同，細(xì)長(zhǎng)棒中的縱波聲速為：即使材質(zhì)相同，細(xì)鋼棒與鋼鍛件中的聲速也不相同。a、常用固體的密度、聲速與聲阻抗（見表2-2）3、固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)溫度、應(yīng)力、均勻性有關(guān)。（1）一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低（T↑→c↓）。a、純鐵中的聲速與溫度的關(guān)系如下：2、細(xì)長(zhǎng)棒中的縱波聲速：在細(xì)長(zhǎng)棒中（棒徑d≤λ）軸向傳播的縱b、有機(jī)玻璃、聚乙烯中的聲速與溫度的關(guān)系如圖2-24所示（2）固體介質(zhì)的應(yīng)力狀況對(duì)聲速有一定的影響：當(dāng)應(yīng)力方向與波的傳播方向一致時(shí)，若應(yīng)力為壓縮應(yīng)力，則應(yīng)力作用會(huì)使工件彈性增加，這時(shí)聲速加快（σ↑→c↑）。反之，若應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，則聲速減慢（σ↑→c↓）。當(dāng)應(yīng)力與波的傳播方向不一致時(shí)，波動(dòng)過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡將受應(yīng)力干擾，使波的傳播方向產(chǎn)生偏離。圖2-24高分子物質(zhì)聲速隨溫度的變化b、有機(jī)玻璃、聚乙烯中的聲速與溫度的關(guān)系如圖2-24所示（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。4、蘭姆波聲速（1）蘭姆波分為對(duì)稱型（S）和非對(duì)稱型（A）兩類。由于蘭姆波傳播時(shí)受到上下界面的影響，因此其聲速與縱波、橫波、表面波不同，它不僅與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，而且與板厚、頻率等有關(guān)。對(duì)于特定的板厚和頻率組合，還可有多個(gè)對(duì)稱型和非對(duì)稱型的振動(dòng)模式，每個(gè)模式具有不同的波速。（特點(diǎn)：頻散波——速度與頻率、板厚有關(guān)）（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（2）蘭姆波聲速分為相速度和群速度。a、相速度Cp（相位傳播的速度）是振動(dòng)相位傳播的速度，是對(duì)單一頻率連續(xù)諧振波定義的傳播速度，b、群速度Cg（包絡(luò)的傳播速度）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）蘭姆波聲速CP與f·d、Cs、Cl有關(guān)。對(duì)于確定的介質(zhì)，Cs、Cl為定值，因此Cp僅是f·d的函數(shù)。對(duì)于某一個(gè)Cp值對(duì)應(yīng)有無(wú)數(shù)個(gè)f·d值。a、當(dāng)f·d一定時(shí)，不同類型的蘭姆波相速度Cp不同b、當(dāng)f·d一定時(shí)，不同類型的蘭姆波群速度Cg不同（2）蘭姆波聲速分為相速度和群速度。2.4.3液體、氣體介質(zhì)中的超聲波聲速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：式中：B——液體、氣體介質(zhì)的容變彈性模量，表示產(chǎn)生單位容積相對(duì)變化量所需壓強(qiáng)。

ρ——液體、氣體介質(zhì)的密度。（2）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。2.4.3液體、氣體介質(zhì)中的超聲波聲速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（T↑→c↓）。唯有水例外，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。CL=1557-0.0245（74—t）22、液體介質(zhì)中的聲速與溫度的關(guān)系2.5超聲場(chǎng)特征值及其分貝表示a、充滿超聲波的空間或超聲振動(dòng)所波及的部分介質(zhì)，叫超聲場(chǎng)。b、超聲場(chǎng)具有一定的空間大小和形狀，只有當(dāng)缺陷位于超聲場(chǎng)內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。c、描述超聲場(chǎng)的特征值（即物理量）主要有聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。2.5.1聲壓P1、超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的聲壓P1與沒有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差，稱為該點(diǎn)的聲壓，用P表示。P=P1-P0聲壓?jiǎn)挝唬号滤箍ǎ≒a）、微怕斯卡（μPa）1Pa=1N/m21Pa=106μPa2.5超聲場(chǎng)特征值及其分貝表示2、經(jīng)推導(dǎo)得：聲壓幅值：P=ρcωA=ρcu=Zu式中：ρ——介質(zhì)的密度；c——波速，c=dx/dt；u——質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，u=ωA=2πfA。3、結(jié)論：a、超聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲壓隨時(shí)間和該點(diǎn)至波源的距離按正弦函數(shù)周期性地變化。b、聲壓的幅值與介質(zhì)的密度、波速和頻率成正比。因?yàn)槌暡ǖ穆晧汉芨撸ㄅc聲波相比）。（應(yīng)用：超聲檢測(cè)儀器顯示的信號(hào)幅度的本質(zhì)就是聲壓P，示波屏上的波高與聲壓成正比。就缺陷而論，聲壓值反映缺陷的大小。）2、經(jīng)推導(dǎo)得：2.5.2聲阻抗Z1、超聲場(chǎng)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，用Z表示。Z=P/u=ρcu/u=ρc單位：Kg/m2.s2、在同一聲壓下，Z增加，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度u下降。因此聲阻抗可理解為介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。這類似于電學(xué)中的歐姆定律I=U/R，電壓一定，電阻增加，電流減小。3、材料的聲阻抗與溫度有關(guān)，Z隨溫度的升高而降低。這是因?yàn)槎鄶?shù)材料的密度ρ和聲速c隨溫度增加而減小。（應(yīng)用：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)）在同一固體材料中，傳播縱波時(shí)的聲阻抗比橫波時(shí)大。聲阻抗是傳聲介質(zhì)的參數(shù)。2.5.2聲阻抗Z2.5.3聲強(qiáng)I1、單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的的聲能稱為聲強(qiáng)，用I表示，單位是瓦/厘米2（W/cm2）或焦耳/厘米2·秒（J/cm2·s）。2、平面波的聲強(qiáng)：2.5.3聲強(qiáng)I3、結(jié)論a、單位體積元內(nèi)的總能量周期性變化，時(shí)而最大，時(shí)而為零。超聲波的能量是一層一層地傳播出去的；體積元的動(dòng)能和勢(shì)能同時(shí)最大，同時(shí)為零（單獨(dú)的振動(dòng)系統(tǒng)符合機(jī)械能守恒，只受重力或彈性力作用，動(dòng)能與勢(shì)能之和等于常數(shù)。而這里的質(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）b、聲強(qiáng)與頻率的平方成正比，而超聲波的頻率遠(yuǎn)大于可聞聲波。因此超聲波聲強(qiáng)遠(yuǎn)大于可聞聲波。（這決定超聲波可用于檢測(cè)）c、在同一介質(zhì)中，超聲波的聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比。3、結(jié)論2.5.4聲強(qiáng)級(jí)與分貝1、基準(zhǔn)聲強(qiáng)：I1=10-12W/cm2（引起聽覺的最弱聲強(qiáng)）（規(guī)定為零級(jí)聲強(qiáng)）2、另一聲強(qiáng)I2與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I1之比的常用對(duì)數(shù)稱為聲強(qiáng)級(jí)：Δ=lg（I2/I1）（B——貝爾）a、實(shí)際應(yīng)用貝爾太大，故常取其1/10即分貝（dB）來(lái)作單位：Δ=10lg（I2/I1）=20lg（P2/P1）（dB）b、通常說(shuō)某處的噪聲為多少分貝，就是以10-16W/cm2為標(biāo)準(zhǔn)利用上式計(jì)算得到的。這與探傷時(shí)的dB數(shù)不一樣。3、超聲波檢測(cè)儀示波屏上的波高與聲壓成正比：Δ=20lg（P2/P1）=20lg（H2/H1）（dB）2.5.4聲強(qiáng)級(jí)與分貝這里P1或H1可以任意選取。當(dāng)H2/H1=1時(shí)，△=0dB，說(shuō)明兩波高相等時(shí)，二者的分貝差為零。當(dāng)H2/H1=2時(shí)，△=6dB，說(shuō)明H2為H1的2倍時(shí)，H2比H1，高6dB。當(dāng)H2/H1=1/2時(shí)，△=-6dB，說(shuō)明H2為H1的1/2時(shí)，H2比H1，低6dB。（應(yīng)用：兩回波高的比較常用dB值表示）這里P1或H1可以任意選取。2.6超聲波垂直入射到平面異質(zhì)界面上的效應(yīng)

超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，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(guò)界面在另一種介質(zhì)內(nèi)傳播，稱為透射波。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。2.6.1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(shí)，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波，如圖2.23。2.6超聲波垂直入射到平面異質(zhì)界面上的效應(yīng)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，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(lái)表示。3、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）。圖2-33垂直入射到單一平界面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，由聲壓4、界面上反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0之比，稱為界面的聲壓反射率，用r表示，即r=Pr/P0。5、界面上透射波聲壓Pt與入射波聲壓P0之比，稱為界面的聲壓透射率，用t表示，即t=Pt/P0。6、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。（相位關(guān)系，力平衡）（2）界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值相等，即（P0-Pr）/Z1=Pt/Z2（能量守恒）由上述兩邊界條件和聲壓反射率、透射率定義得：1+r=t（1-r)/Z1=t/Z24、界面上反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0之比，稱為界面的聲壓a、解上述聯(lián)立方程得聲壓反射率r和透射率t分別為：式中：Z1——第一種介質(zhì)的聲阻抗；Z2——第二種介質(zhì)的聲阻抗b、界面上反射波聲強(qiáng)Ir與入射波聲強(qiáng)I0之比，稱為聲強(qiáng)反射率，用R表示。a、解上述聯(lián)立方程得聲壓反射率r和透射率t分別為：c、界面上透射波聲強(qiáng)It與入射波聲強(qiáng)I0之比，稱為聲強(qiáng)透射率，用T表示。d、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)。由以上幾式可以導(dǎo)出：T+R=1（能量守恒）

t-r=1（力平衡）T=1-r2平面波垂直入射到界面時(shí)，入射能量等于透射能量與反射能量之和。c、界面上透射波聲強(qiáng)It與入射波聲強(qiáng)I0之比，稱為聲強(qiáng)透射率7、討論幾種常見界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射和透射情況：（1）當(dāng)Z2>Z1時(shí)，（如水/鋼界面）r=0.935

t=1.935R=r2=0.875T=0.125說(shuō)明：r>0，表示Pr與P0同相位，合成聲壓振幅增大為Pr+P0（駐波）。t>1，聲壓是力的概念，只會(huì)平衡。7、討論幾種常見界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射和透射情況：（2）當(dāng)Z1>Z2時(shí)，（如鋼/水界面）

r=－0.935t=0.065R=r2=0.875T=0.125說(shuō)明：r<0，表示Pr與P0相位相反，反射波與入射波合成聲壓振幅減小。聲壓透射率很低，聲壓反射率很高。超聲波垂直入射到某界面時(shí)的聲強(qiáng)反射率與透射率與從何種介質(zhì)入射無(wú)關(guān)。（2）當(dāng)Z1>Z2時(shí)，（如鋼/水界面）（3）當(dāng)Z1>>Z2時(shí)，（如鋼/空氣界面）r=－1t≈0R=r2≈1T=0說(shuō)明：r=－1，反射波聲壓與入射波聲壓有180°相位變化。t≈0，聲壓幾乎全反射，無(wú)透射。（應(yīng)用：超聲波檢測(cè)裂紋、分層等內(nèi)含空氣類缺陷很靈敏）（3）當(dāng)Z1>>Z2時(shí)，（如鋼/空氣界面）（4）當(dāng)Z1≈Z2時(shí)，（焊接良好的母材與填充金屬的結(jié)合面）r=－0.005t≈0.995R=r2≈0T≈1說(shuō)明：超聲波垂直入射到兩種界面聲阻抗相差很小的介質(zhì)組成的界面時(shí)，幾乎全透射，無(wú)反射。（母材與填充金屬的結(jié)合面，不會(huì)產(chǎn)生界面回波）8、以上討論的超聲波縱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/氣體界面上，橫波全反射。因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。（應(yīng)用：超聲波檢測(cè)焊縫的前提條件）（4）當(dāng)Z1≈Z2時(shí)，（焊接良好的母材與填充金屬的結(jié)合面）2.6.2聲壓往復(fù)透射率1、在超聲波單探頭檢測(cè)中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。探頭發(fā)出的超聲波透過(guò)界面進(jìn)入工件，在固/氣底面產(chǎn)生全反射后再次通過(guò)同一界面被探頭接收，如圖2.25。圖2-39聲壓往復(fù)透射率這時(shí)探頭接收到的回波聲壓與入射波聲壓之比，稱為聲壓往復(fù)透射率T往。T往=Pa/P0=4Z1Z2/(Z2+Z1)22.6.2聲壓往復(fù)透射率例如1：用PZT-5晶片檢測(cè)鋼工件，假設(shè)耦合劑全透射，鋼底面全反射，晶片/鋼界面的往復(fù)透射率為：T往=4Z1Z2/(Z2+Z1)2=97.6%例如2：水浸法檢測(cè)鋼工件，超聲波在水/鋼界面的往復(fù)透射率為：T往=4Z1Z2/(Z2+Z1)2=12.5%2、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。3、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(wú)關(guān)。界面兩側(cè)介質(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。4、往復(fù)透射率高低直接影響檢測(cè)靈敏度高低，往復(fù)透射率高，檢測(cè)靈敏度高。反之，檢測(cè)靈敏度低。例如1：用PZT-5晶片檢測(cè)鋼工件，假設(shè)耦合劑全透射，鋼底面2.7超聲波傾斜入射到平面異質(zhì)界面時(shí)的效應(yīng)2.7.1超聲波的反射、折射定律當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會(huì)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。圖2-40傾斜入射a）縱波入射b）橫波入射2.7超聲波傾斜入射到平面異質(zhì)界面時(shí)的效應(yīng)1、縱波斜入射當(dāng)縱波L傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生反射縱波L′和折射縱波L″外，還會(huì)產(chǎn)生反射橫波S′和折射橫波S″，如圖2-40（a）所示。各種反射波和折射波方向符合反射、折射定律：由于在同一介質(zhì)中縱波波速不變，因此α?L=αL。又由于在同一介質(zhì)中縱波波速大于橫波波速，因此α′L>α′s，βL>βs。1、縱波斜入射圖2-41臨界角（1）第一臨界角αⅠ（縱波入射角），如圖2.27a所示：βL=90°（折射縱波平行于界面時(shí)的縱波入射角）。（2）第二臨界角αⅡ（縱波入射角），如圖2.27b所示：βs=90°（折射橫波平行于界面時(shí)的縱波入射角）。圖2-41臨界角由αⅠ

和αⅡ

的定義可知：a、入射角<αI時(shí)，第二介質(zhì)中既有折射縱波L″又有折射橫波S″。b、入射角為αI～αII

時(shí)，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制作和橫波檢測(cè)的原理。（要求：楔塊的縱波速度小于工件的縱波速度）c、入射角≥αⅡ

時(shí)，第二介質(zhì)中既無(wú)折射縱波L″，又無(wú)折射橫波S″。這時(shí)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。表面波的激發(fā)角度：式中：CR2——表面波聲速。由αⅠ和αⅡ的定義可知：例如，縱波傾斜入射到有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)，有機(jī)玻璃中CL1=2730m/s，水中CL1=1480m/s，鋼中：CL2=5900m/s，CS2=3230m/s。則第一、二臨界角分別為：

αⅠ=arcsinCL1/CL2=arcsin(2700/5900)=27.6°αⅡ=arcsinCL1/CS2=arcsin(2700/3230)=57.7°αⅠ=arcsinCL1/CL2=arcsin(1480/5900)=14.5°αⅡ=arcsinCL1/CS2=arcsin(1480/3230)=27.27°由此可見有機(jī)玻璃/鋼界面，橫波探頭楔塊角度αL=27.6°～57.7°，有機(jī)玻璃表面波探頭楔塊角度αL≥57.5°。水/鋼界面，αL=14.5°～27.27°例如，縱波傾斜入射到有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)，有機(jī)玻璃中CL1=2超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)，同種波型的反射角等于入射角。同種波型的折射角不一定大于入射角（取決于界面兩側(cè)的聲速）。臨界角的大小只與聲速有關(guān)。只有當(dāng)?shù)谝唤橘|(zhì)為固體介質(zhì)時(shí)才會(huì)有第三臨界角。超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)，同種波型的反射角等于入射角。同種2、橫波斜入射當(dāng)橫波傾斜入射到界面時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，如圖2-40b。各種反射波和折射波的方向符合反射、折射定律：第一、第二臨界角無(wú)實(shí)際意義，不再討論。這里只討論第三臨界角αⅢ：當(dāng)αs增加到一定程度時(shí)，α′L=90°，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的橫波入射角稱為第三臨界角，用αⅢ表示，如圖2.27c所示。αⅢ=arcsinCS1/CL1=arcsin(3230/5900)=33.2°當(dāng)αs≥αⅢ時(shí)，在第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒有反射縱波，即橫波全反射，對(duì)于鋼：CL1=5900m/s，CS1=3230m/s，αⅢ=33.2°當(dāng)αs≥33.2°時(shí)，鋼中橫波全反射。2、橫波斜入射2.7.2聲壓反射率和往復(fù)透射率a、超聲波反射、折射定律只討論各種反射波、折射波的方向問(wèn)題，未涉及聲壓反射率和透射率問(wèn)題。由于傾斜入射時(shí)，聲壓反射率、透射率不僅與介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，而且還與入射角有關(guān)，很是復(fù)雜。這里只講計(jì)算結(jié)果。1、圖2.28，縱波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射2.7.2聲壓反射率和往復(fù)透射率如圖2.28，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，所以縱波反射率較低（rLL很低），橫波反射率較高（rLs）。（如：61°反射）2、橫波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射如圖2.29，橫波傾斜入射，當(dāng)αs=30°左右時(shí)，橫波反射率很低（rss很低）；縱波反射率較高（rSL較高）。當(dāng)αs≥33.2°（αⅢ）時(shí)，rss=100%即鋼中橫波全反射如圖2.28，縱波傾斜入射，當(dāng)αL=60°左右時(shí)產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)3、聲壓往復(fù)透射率1）超聲檢測(cè)中，常常采用反射法，超聲波往復(fù)透過(guò)同一探側(cè)面，因此聲壓往復(fù)透射率更具有實(shí)際意義。如圖下圖所示，超聲波傾斜入射，折射波全反射，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，常用T表示，T=Pa/P0。3、聲壓往復(fù)透射率2）下圖所示為縱波傾斜入射至水/鋼界面時(shí)的聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系曲線。當(dāng)αL=14.5°～27.27°（αⅡ）時(shí)鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波的聲壓往復(fù)透射率TLS最高不到20%。（水浸法檢測(cè)鋼材，往復(fù)透射率較低，靈敏度較低——應(yīng)采用聚焦技術(shù)。）2）下圖所示為縱波傾斜入射至水/鋼界面時(shí)的聲壓往復(fù)透射率與入3）下圖所示為縱波傾斜入射至有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系曲線。當(dāng)αL=27.6°～57.7°（αⅡ）時(shí)鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，折射橫波的聲壓往復(fù)透射率TLS最高不到30%。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的αL≈30°，βs≈37°（K=0.75）。（有機(jī)玻璃橫波探頭檢測(cè)鋼材，橫波折射角范圍：45°～70°）3）下圖所示為縱波傾斜入射至有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)聲壓往復(fù)透射率

a）不考慮波型轉(zhuǎn)換b）考慮波型轉(zhuǎn)換圖2.30端角反射2.7.3端角反射對(duì)有機(jī)玻璃/鋼1、超聲波在兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射叫做端角反射，如圖2.30所示。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)換時(shí)，第二次反射回波與入射波互相平行，即回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比稱為端角反射率，用T端表示。T端=Pa/P0a）不考慮波型轉(zhuǎn)換b）考慮波型轉(zhuǎn)換a）縱波入射b）橫波入射圖2.31端角反射率a）縱波入射b）橫波入射（1）圖2.31a所示，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）圖2.31b所示橫波入射時(shí)，入射角αs=30°或60°附近時(shí)，端角反射率最低。αs=35°～55°（K=0.7～1.43）時(shí)，端角反射率達(dá)100%，檢測(cè)靈敏度較高。（橫波檢測(cè)焊縫根部未焊透或裂紋。K≥1.5時(shí)，可能造成漏檢）（3）圖2.31所示，αL（αs）在0°或90°附近時(shí)，無(wú)論縱波還是橫波，端角反射率理論上都很高，但由于入射波、反射波在邊界互相干涉而部分抵消，因此實(shí)際上這時(shí)檢測(cè)靈敏度并不高。（1）圖2.31a所示，縱波入射時(shí)，端角反射率都很低，這是因2.8超聲波在曲面上的效應(yīng)為了便于討論，這里不考慮波型轉(zhuǎn)換行為。2.8.1聲壓距離公式1、平面波平面波波束不擴(kuò)散，而是互相平行，因此聲壓不隨距離而變化。2、球面波球面波的波陣面為同心球面，球面波聲場(chǎng)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。P=P1/x式中：P1——距離為單位1處的聲壓；

X——某點(diǎn)至波源的距離。2.8超聲波在曲面上的效應(yīng)3、柱面波柱面波的波陣面為同軸柱面，柱面波聲場(chǎng)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，因此柱面波的聲壓與距離的平方根成反比。對(duì)于柱面波，距聲源距離離增大1倍，聲壓減小3dB。對(duì)于球面波，距聲源距離離增大1倍，聲壓減小6dB。3、柱面波聚焦b）發(fā)散圖2.32平面波在曲界面上的反射2.8.3平面波在曲界面上的反射與折射1、平面波在曲界面上的反射a、當(dāng)平面波入射到曲界面上時(shí)，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖2.32所示。反射波的聚焦或發(fā)散與曲面的凹凸（從入射方向看）有關(guān)。（規(guī)律）凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發(fā)散。聚焦b）發(fā)散（1）平面波入射到球面時(shí)，其反射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波。在曲面軸線上距曲面頂點(diǎn)x處的反射波聲壓為：式中：f——焦距，f=r/2（r為曲率半徑）；X——軸線上某點(diǎn)至頂點(diǎn)的距離；P0——曲面頂點(diǎn)處入射波聲壓；“±”——“+”用于發(fā)散，“－”用于聚焦。（實(shí)際檢測(cè)中球形氣孔的反射）（2）平面波入射到柱面時(shí)，其反射波可視為從聚焦軸線發(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：

（實(shí)際檢測(cè)中柱形氣孔的反射）（1）平面波入射到球面時(shí)，其反射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波。2、平面波在曲界面上的折射平面波入射到曲界面上時(shí)，其折射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖2.33所示。這時(shí)折射波的聚焦或發(fā)散不僅與曲面的凹凸有關(guān)，而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的波速有關(guān)。a、對(duì)于凹透鏡，當(dāng)C1<C2時(shí)聚焦，當(dāng)C1>C2時(shí)發(fā)散；b、對(duì)于凸透鏡，當(dāng)C1>C2時(shí)（有機(jī)玻璃/水）(水浸法)聚焦，當(dāng)C1<C2時(shí)發(fā)散。當(dāng)聚焦探頭聲透鏡的曲率半徑增大時(shí)，透鏡焦距將增大。2、平面波在曲界面上的折射a）C1<C2

b）C1>C2c）C1>C2d）C1<C2圖2.33平面波在曲界面的折射a）C1<C2b）C1>C2c）C1>C2（1）平面波入射至球面透鏡時(shí)，其折射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波。曲面軸線上距曲面頂點(diǎn)x處的折射波聲壓為：式中：t——聲壓透射率；f——焦距，f=r/2（r為曲率半徑）；X——軸線上某點(diǎn)至頂點(diǎn)的距離；P0——曲面頂點(diǎn)處入射波聲壓；“±”——“+”用于發(fā)散，“－”用于聚焦。（2）平面波入射到柱面透鏡，其折射波可視為從焦軸線發(fā)出的柱面波。軸線上x處的折射波聲壓為：（1）平面波入射至球面透鏡時(shí)，其折射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面2.8.3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a、球面波入射到曲界面上，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖2.34。（規(guī)律）凹曲面的反射波聚焦，（空心圓柱體，探頭在內(nèi)壁）凸曲面的反射波發(fā)散。（實(shí)心圓柱體）a）聚焦b）發(fā)散圖2.34球面波在曲界面上的反射2.8.3球面波在曲界面上的反射和折射（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)為x處的反射波聲壓為：式中：P1/a——球面頂點(diǎn)處入射波聲壓；f——焦距，f=r/2（r為曲率半徑）；X——軸線上某點(diǎn)至頂點(diǎn)的距離；a——球面頂點(diǎn)至波源的距離；“±”——“+”用于發(fā)散，“－”用于聚焦。（應(yīng)用：球形氣孔，靈敏度低）（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（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，而是近似為兩個(gè)不同的柱面波疊加。軸線上距頂點(diǎn)為x處的反射波聲壓為：a、W反射：如圖下圖所示。如果像點(diǎn)處存在一個(gè)小缺陷，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，波高較低，為缺陷直接反射。后者位于底波B1之后，波高較高，為W反射。應(yīng)根據(jù)前者來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。b、超聲波徑向檢測(cè)空心圓柱體的情況，類似于球面波在凸柱面上的反射，反射波發(fā)散。圓柱面上入射點(diǎn)處的反射回波聲壓總是低于同距離的平底面的反射聲壓。（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2、球面波在曲界面上的折射球面波入射到曲界面上，其折射波同樣會(huì)發(fā)生聚焦和發(fā)散，如圖2.35所示。軸線上距曲面頂點(diǎn)x處的折射波聲壓為:圖2.35球面波在曲界面上的折射a）C1<C2b）C1>C2c）C1>C2d）C1<C22、球面波在曲界面上的折射球形界面：柱形界面：式中：C1/C2——透射介質(zhì)與入射介質(zhì)中波速之比。（應(yīng)用：水浸檢測(cè)柱形或球形工件就屬于圖2.35a所示。由于折射波發(fā)散，因此檢測(cè)靈敏度很低，常常采用聚焦檢測(cè)）球形界面：2.9超聲場(chǎng)a、充滿超聲波的空間或超聲振動(dòng)所波及的部分介質(zhì)，叫超聲場(chǎng)。b、超聲場(chǎng)具有一定的空間大小和形狀，只有當(dāng)缺陷位于超聲場(chǎng)內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。對(duì)聲場(chǎng)的理論分析研究常常從液體介質(zhì)入手，然后在一定條件上過(guò)渡到固體介質(zhì)。2.9.1理想縱波反射聲場(chǎng)理想聲場(chǎng)是指介質(zhì)中超聲波聲壓可以進(jìn)行線性疊加，波源做活塞振動(dòng)，輻射連續(xù)波等理想狀態(tài)下的聲場(chǎng)。液體介質(zhì)中聲壓可以進(jìn)行線性疊加，在研究理想聲場(chǎng)時(shí)，常常以超聲波在液體介質(zhì)中傳播為例。2.9超聲場(chǎng)1、圓盤波源輻射的縱波聲場(chǎng)（活塞波（近場(chǎng)區(qū)）→球面波（遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)）→各種公式）（1）軸線聲壓及近場(chǎng)如圖3-1所示，聲軸線上（任意一點(diǎn)）的聲壓幅值為：式中：Rs—波源半徑；P0—波源的起始聲壓；x—軸線上Q點(diǎn)至波源的距離；λ—波長(zhǎng)。當(dāng)x≥3Rs2/λ（足夠遠(yuǎn)）時(shí)，可將上式簡(jiǎn)化為：（球面波聲壓公式）式中：Fs—波源面積，F(xiàn)s=πRs2=πDs2/4（Ds為波源直徑）1、圓盤波源輻射的縱波聲場(chǎng)圓盤源聲軸線上聲壓推導(dǎo)圖波源軸線上的聲壓隨距離變化的情況如圖2.36中實(shí)線所示。圖2.36圓盤源軸線上聲壓分布超聲波UT檢測(cè)課件圓盤源軸線上聲壓分布圓盤源軸線上聲壓分布a）近場(chǎng)區(qū)：波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大值和極小值的區(qū)域，稱為超聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)，又叫菲涅爾區(qū)。在近場(chǎng)內(nèi)內(nèi)，聲壓分布不均勻，聲束不擴(kuò)散。近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N：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(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度。N=Fs/πλ=Ds2/4λ=Ds2

f/4c（只適用于均勻介質(zhì)）（避免在近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)定量）b）遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：聲程X>N的區(qū)域。聲壓隨聲程單調(diào)下降，當(dāng)X>3N時(shí)，聲壓與聲程成反比，似球面波的規(guī)律，P=P0Fs/λx，如圖3-2中虛線所示。這是應(yīng)為距離X足夠大時(shí)，干涉現(xiàn)象可略去不計(jì)。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)軸線上不會(huì)出現(xiàn)聲壓極大極小值。超聲波實(shí)際檢測(cè)應(yīng)盡可能在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行。（所有規(guī)則反射體回波聲壓計(jì)算的基礎(chǔ)：遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)）a）近場(chǎng)區(qū)：波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大值和極小(2)波束指向性和半擴(kuò)散角1）指向性：以確定的擴(kuò)散角向固定的方向輻射超聲波的特性稱為波束指向性（與頻率和波型有關(guān)）。至波源充分遠(yuǎn)處任意一點(diǎn)的聲壓如圖2.37所示圖2.37遠(yuǎn)場(chǎng)中任意一點(diǎn)聲壓推導(dǎo)圖(2)波束指向性和半擴(kuò)散角

指向性系數(shù)：波源充分遠(yuǎn)處任意一點(diǎn)的聲壓P（r，θ）與波源軸線上同距離處聲壓P（r，0）之比，稱為指向性系數(shù)，用Dc表示。

指向性系數(shù)：波源充分遠(yuǎn)處任意一點(diǎn)的聲壓P（r，θ）與波源引進(jìn)聲場(chǎng)指向性示意圖，如圖2.38所示，可知：引進(jìn)聲場(chǎng)指向性示意圖，如圖2.38所示，可知：a、超聲場(chǎng)中至波源充分遠(yuǎn)處同一橫截面上各點(diǎn)的聲壓是不同的，以軸線上的聲壓為最高。（應(yīng)用：只有當(dāng)波束軸線垂直于缺陷時(shí)，缺陷回波最高）b、圓盤源輻射的聲束截面聲場(chǎng)中存在一些聲壓為零的點(diǎn)。聲束邊緣聲壓為0的線與聲束軸線的夾角稱為半擴(kuò)散角，如圖2.38中的θ0。

θ0

=arcsin1.22λ/Ds=70λ/Ds=70c/fDs（圓形晶片）式中：θ0——圓盤源輻射的縱波聲場(chǎng)的第一零值發(fā)散角，又叫半擴(kuò)散角。a、超聲場(chǎng)中至波源充分遠(yuǎn)處同一橫截面上各點(diǎn)的聲壓是不同的，以c、半擴(kuò)散角以外聲場(chǎng)聲壓很低，超聲場(chǎng)的能量主要集中在半擴(kuò)散角θ0以內(nèi)。2θ0以內(nèi)的波束稱為主波束。主波束：聲源正前方聲能集中的錐形區(qū)域應(yīng)用：只有當(dāng)缺陷位于2θ0范圍內(nèi)，才容易被發(fā)現(xiàn)。頻率和晶片尺寸相同時(shí)，橫波聲束指向性比縱波好。例：晶片直徑為20㎜的直探頭，在鋼中測(cè)得其零輻射角為10°，該探頭探測(cè)頻率約為多少？解：由θ0

=70λ/D=70c/fD得：f

=70c/Dθ0

=70×5.9/20×10°=2.065（MHZ）c、半擴(kuò)散角以外聲場(chǎng)聲壓很低，超聲場(chǎng)的能量主要集中在半擴(kuò)散角d、在超聲波主波束之外存在一些副瓣，副瓣能量很低，傳播時(shí)衰減很快。e、探頭直徑Ds↑，檢測(cè)頻率f↑，半擴(kuò)散角θ0↓，指向性好，能量集中，有利于提高檢測(cè)靈敏度。但Ds↑、f↑，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N↑，對(duì)檢測(cè)不利。（應(yīng)用：在保證檢測(cè)靈敏度的前提下盡可能減少近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度）超聲波波長(zhǎng)越小，發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力就越強(qiáng)。晶片尺寸相同，超聲場(chǎng)的近場(chǎng)長(zhǎng)度越短，聲束指向角越大。面積、頻率相同的圓