超声检测1单元.pptx

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1、绪论绪论4. 超声波检测发展简史超声波检测发展简史5.超声波检测原理超声波检测原理6.超声波检测的优点与局限性超声波检测的优点与局限性7.超声波检测的试用范围超声波检测的试用范围一一 机械振动与机械波机械振动与机械波 超声波属于机械波的一种，而机械振动又是超声波属于机械波的一种，而机械振动又是机械波的源头。因此，学好超声波检测就必须了机械波的源头。因此，学好超声波检测就必须了解机械振动与机械波的有关知识。解机械振动与机械波的有关知识。重点：重点：机械振动的运动特点和类型；机械波的机械振动的运动特点和类型；机械波的产生和类型及物理量和特点。产生和类型及物理量和特点。难点：难点：波动方程。波动方程

2、。一一 机械振动与机械波机械振动与机械波波是物质运动的一种形式，它是运动状态的传递而非物波是物质运动的一种形式，它是运动状态的传递而非物质的自身运动，也可以是物质本身的运动结果，甚至把波质的自身运动，也可以是物质本身的运动结果，甚至把波直接看作一种粒子。直接看作一种粒子。l波动类型波动类型电磁波机械波水波声波机械振动在弹性介质中的传播称为机械波。一 机械振动与机械波一、机械振动一、机械振动物体在某一固定的位置（即平衡物体在某一固定的位置（即平衡位置）附近作周期性的往复运动，位置）附近作周期性的往复运动，这种运动形式被称为机械振动，简这种运动形式被称为机械振动，简称振动。如右图的弹簧振子。称振动

3、。如右图的弹簧振子。l 相关参数：相关参数： 周期周期T-振动的物体完成一次全振动的物体完成一次全振动需要的时间。振动需要的时间。 频率频率-单位时间内物体的振动次数，单位单位时间内物体的振动次数，单位HzHz。 振幅振幅-振动中，物体离开平衡位置的最大位移。振动中，物体离开平衡位置的最大位移。 周期和频率的关系：周期和频率的关系：T=1/T=1/一 机械振动与机械波l 振动类型振动类型1.1.自由振动自由振动不在外力作用下的振动称为自由振动。不在外力作用下的振动称为自由振动。 理想的无阻尼理想的无阻尼情况下的振动称为无阻尼振动，振幅将一直保持不变。最情况下的振动称为无阻尼振动，振幅将一直保持

4、不变。最简单最基本的直线无阻尼自由振动称为简谐振动，简称谐简单最基本的直线无阻尼自由振动称为简谐振动，简称谐振。振。谐振规律：谐振规律：2.2.受迫振动受迫振动在周期性外力的作用下产生的振动称为受迫振动，这个在周期性外力的作用下产生的振动称为受迫振动，这个周期性的外力称为策动力。如扬声器中纸盆的振动。周期性的外力称为策动力。如扬声器中纸盆的振动。 Fkx cosxAt一 机械振动与机械波要点：要点：自由振动时的周期、频率分别称为固有周期、固有频自由振动时的周期、频率分别称为固有周期、固有频率。它们由振动系统的自身系统决定，与振幅无关。率。它们由振动系统的自身系统决定，与振幅无关。受迫振动时的振

5、动频率与外加的策动力频率一致，当受迫振动时的振动频率与外加的策动力频率一致，当其等于振动系统的固有频率时，将引起系统的共振。其等于振动系统的固有频率时，将引起系统的共振。二、机械波二、机械波机械振动机械振动在在弹性介质弹性介质中的传播过程，称为机械波。中的传播过程，称为机械波。 波源媒介产生条件一 机械振动与机械波 三、次声波、声波和超声波 1）次声波、声波和超声波都是弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。 2）人们把能引起听觉的机械波称为声波，频率在2020000Hz之间；频率低于20Hz的机械波称为次声波；频率高于20000Hz的机械波称为超声波；次声波、超声波是不能引起人们

6、听觉的机械波。一 机械振动与机械波弹性介质示意图l波的物理量波的物理量波长：波长：在同一波线上两个相邻的振在同一波线上两个相邻的振动相位相同的质点之间的距离，称为波动相位相同的质点之间的距离，称为波长（即一个长（即一个“波波”的长度），用符号的长度），用符号表示。波长的常用单位是毫米（表示。波长的常用单位是毫米（mm）或米（或米（m）。）。频率：频率：单位时间内波动通过的完整单位时间内波动通过的完整波的数目，称为波动频率，也是质点在波的数目，称为波动频率，也是质点在单位时间内的振动次数，用符号单位时间内的振动次数，用符号f表示。表示。频率的常用单位是赫兹（频率的常用单位是赫兹（Hz），即（次）

7、，即（次）/秒。秒。一 机械波振动与机械 波速：波速：在波动过程中，某一振动状态（即振动相位）在单位时间内所传在波动过程中，某一振动状态（即振动相位）在单位时间内所传播的距离叫做波速，用播的距离叫做波速，用c c表示，其常用单位为米表示，其常用单位为米/ /秒（秒（m/sm/s）。）。 c=c=l 波动方程波动方程)cos()(coskxtAcxtAy一 机械振动与机械波小结：小结：本节主要讲授了振动的含义，机械振动的类型本节主要讲授了振动的含义，机械振动的类型及它们的特点、机械波的传播方式、常用的物理及它们的特点、机械波的传播方式、常用的物理量和波动方程表达式等。从中可以看出，机械振量和波动

8、方程表达式等。从中可以看出，机械振动是机械波的源头，机械波是振动形式和能量的动是机械波的源头，机械波是振动形式和能量的传播，没有物质的迁移。振动和波动的规律可分传播，没有物质的迁移。振动和波动的规律可分别用振动方程和波动方程来描述。别用振动方程和波动方程来描述。作业：作业：如何理解机械振动和机械波之间的关系？机械如何理解机械振动和机械波之间的关系？机械波的产生需要哪些条件？波的产生需要哪些条件？二二 机械波的衍射与干涉机械波的衍射与干涉导入：导入：超声检测时，我们必须知道超声波是如超声检测时，我们必须知道超声波是如何在工件中传播的，遇到缺陷或者几列波碰到一何在工件中传播的，遇到缺陷或者几列波碰

9、到一起，会表现出那些特性，因此有必要学习波的衍起，会表现出那些特性，因此有必要学习波的衍射与干涉。射与干涉。课时：课时：2学时。学时。授课方式：授课方式：新授（有条件的可借助实验器材）。新授（有条件的可借助实验器材）。重点：重点：惠更斯原理、衍射、干涉。惠更斯原理、衍射、干涉。难点：难点：干涉和干涉和驻波。驻波。二 机械波的衍射与干涉一、惠更斯原理一、惠更斯原理1.原理原理介质中波动传播到的各点都可以介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源，在其后的任看作是发射子波的波源，在其后的任一时刻，这些子波波阵面的包迹就决一时刻，这些子波波阵面的包迹就决定新的波阵面。定新的波阵面。2.应用应用

10、t 时刻波阵面时刻波阵面t+ t 时刻波阵面时刻波阵面波的传播方向。波的传播方向。如下图所示。如下图所示。荷兰物理学家荷兰物理学家(1629-1695)二 机械波的衍射与干涉子波子波t+ t 时刻波阵时刻波阵面面t 时刻波阵时刻波阵面面子波源子波源子波源子波源子波子波二 机械波的衍射与干涉二、波的衍射二、波的衍射1.现象现象波传播过程中当遇到障碍物时波传播过程中当遇到障碍物时,能绕过障碍物的边缘而能绕过障碍物的边缘而传播的现象。传播的现象。2.作图（可用惠更斯原理）作图（可用惠更斯原理）a 阴影区阴影区阴影区阴影区aa 比较两图二 机械波的衍射与干涉3）波的传播过程中当遇到障碍物时，使波的传播

11、方向改变。）波的传播过程中当遇到障碍物时，使波的传播方向改变。4）波的衍射和障碍物的尺寸）波的衍射和障碍物的尺寸D及波长及波长的大小有关。当的大小有关。当D时，波的绕射弱，时，波的绕射弱，反射强。反射强。二 机械波的衍射与干涉 可见，相对而言，长波衍射现象明显，方向性不好；短波衍射现象不明显，方向性好。 (长波、短波是以波长与障碍物的线度相比较而言的) 如你家在大山后如你家在大山后,听广播和看电听广播和看电 视哪个更容易视哪个更容易?(若广播台、电视台都在山前侧若广播台、电视台都在山前侧) a(女女)、b(男男) 在说话，在说话，c 在墙在墙 后较容易听到谁的声音？后较容易听到谁的声音？当然，

12、当然，c 不应该这样去偷听不应该这样去偷听!墙墙cab(俯视图俯视图)二 机械波的衍射与干涉三、波的叠加三、波的叠加1.波的独立作用原理波的独立作用原理几列波相遇时，能够保持各自的运动状态继续传播，不几列波相遇时，能够保持各自的运动状态继续传播，不互相影响。互相影响。2.波的叠加原理波的叠加原理介质质点的位移、速度、加速度都等于几列波单独转播介质质点的位移、速度、加速度都等于几列波单独转播时引起的位移、速度、加速度的矢量和。时引起的位移、速度、加速度的矢量和。 四、波干涉四、波干涉两相干波在空间相遇，某些点的振动始终加强另一些点两相干波在空间相遇，某些点的振动始终加强另一些点的振动始终减弱，即

13、出现干涉现象。的振动始终减弱，即出现干涉现象。二 机械波的衍射与干涉1.相干条件Pr2r1O1O2 频率相同，振动方向相同，相位差恒定频率相同，振动方向相同，相位差恒定设：设：yAtkr1111cos()yAtkr2222cos()Atcosyyy12二 机械波的衍射与干涉其中：AAAIIII I1212122 rrnn21212012 , , AAAIIII I1212122 rrnn21012 , , k rrrr2121221AAAA A21222122cos1212k rr设：当：当：相长相消二 机械波的衍射与干涉五、驻波当两列振幅相同，频率相同，振动方向相同的波以相反方向传播时，叠加

14、形成驻波。 1.表达式yAtkx1cosyAtkx2cosyyyAkxt122coscos二 机械波的衍射与干涉t = 0t = T/6t = T/4t = T/3t = T/2xO右行波右行波左行波左行波合成波合成波二 机械波的衍射与干涉u 在超声检测中，当波从波疏介质垂直入射到波密介质，在超声检测中，当波从波疏介质垂直入射到波密介质，又从波密介质反射回到波疏介质时，在界面处形成波节；又从波密介质反射回到波疏介质时，在界面处形成波节；反之则形成波腹。如超声波垂直入射到钢反之则形成波腹。如超声波垂直入射到钢/水界面，就会在水界面，就会在钢钢/水界面处产生波腹；超声波垂直入射到水水界面处产生波腹

15、；超声波垂直入射到水/钢界面，就钢界面，就会在水会在水/钢界面处产生波节。钢界面处产生波节。小结小结衍射和干涉是波的特有特征，深入理解了衍射和干涉的衍射和干涉是波的特有特征，深入理解了衍射和干涉的原理对于分析超声检测的一些现象就不难想象了。原理对于分析超声检测的一些现象就不难想象了。作业：作业：教材教材P50：一：一9三三 机械波的类型机械波的类型导入：导入：超声检测时，根据不同的检测对象和检超声检测时，根据不同的检测对象和检测要求应用不同的波型进行检测，否则可能漏检。测要求应用不同的波型进行检测，否则可能漏检。课时：课时：2学时。学时。授课方式：授课方式：新授。新授。重点：重点：纵波与横波、

16、表面波、板波、平面波、纵波与横波、表面波、板波、平面波、柱面波、球面波等波型的定义和传播特点。柱面波、球面波等波型的定义和传播特点。难点：难点：板波板波。三 机械波的类型一、按质点振动方式分类一、按质点振动方式分类1.纵波和横波纵波和横波纵波：纵波：质点振动方向与波的传播方向平行。质点振动方向与波的传播方向平行。横波：横波：质点振动方向与波的传播方向垂直。质点振动方向与波的传播方向垂直。振动方向振动方向传播方向传播方向横波横波纵波纵波 传播方向传播方向振动方向振动方向三 机械波的类型u纵波用符号L表示，它可以在固体、液体和气体中传播。u横波只能在固体介质中传播。 质点振动方向与波的传播方向垂直

17、，传播介质受剪切作用；因此不能在液体和气体中传播。三 机械波的类型2.表面波表面波 表面波：介质质点同时产生纵向振动和横向振动，合成表面波：介质质点同时产生纵向振动和横向振动，合成绕其平衡位置振动的椭圆轨迹。绕其平衡位置振动的椭圆轨迹。 三 机械波的类型u在实际的检测中认为表面波只能发现距工件表面两倍波长深度范围内的缺陷。它一般用来检测工件表面裂纹、渗碳层和覆盖层质量等。 3.板波板波当板厚、频率和波速之间满足一定的关系时，将在一个当板厚、频率和波速之间满足一定的关系时，将在一个板厚与波长相当的薄板中产生另一种波动形式，那就是板板厚与波长相当的薄板中产生另一种波动形式，那就是板波。它分为对称型

18、（波。它分为对称型（S）、非对称型（）、非对称型（A）两类，如下图所）两类，如下图所示。示。 三 机械波的类型三 机械波的类型 二、按波的形状分类二、按波的形状分类 波线：波线： 用有向直线表示波的传播方向。用有向直线表示波的传播方向。 波阵面：波阵面：某一时刻波的前方达到的各点构成的连续的面，某一时刻波的前方达到的各点构成的连续的面，又称波前。又称波前。 1.平面波平面波 波阵面为一系列相互平行的平面的波称为平面波。平面波波阵面为一系列相互平行的平面的波称为平面波。平面波的波源为一平面的波源为一平面 。三 机械波的类型平面波的波动方程)(coscxtAyu平面波波束不扩散，平面波中各质平面波

19、波束不扩散，平面波中各质点的振幅为一个常数，不随距离变化点的振幅为一个常数，不随距离变化而变化。而变化。 三 机械波的类型2.柱面波柱面波波动方程波动方程)(coscxtxAyu柱面波波束向四周扩散，柱面波波束向四周扩散，柱面波中各质点的振幅与距柱面波中各质点的振幅与距离的平方根成反比。离的平方根成反比。 模三 机械波的类型3.球面波球面波波动方程波动方程u 球面波波束向四面八方扩散，球面波波束向四面八方扩散，球面波中各质点的振幅与距离成球面波中各质点的振幅与距离成反比。反比。 )(coscxtxAy三 机械波的类型4.活塞波活塞波当一个小的片状波源沿着刚性壁当一个小的片状波源沿着刚性壁作简谐

20、振动，且其表面各质点具有相作简谐振动，且其表面各质点具有相同的振动相位和振幅，则在无限大各同的振动相位和振幅，则在无限大各向同性的弹性介质中辐射的波称为活向同性的弹性介质中辐射的波称为活塞波。当距离波源足够远时，活塞波塞波。当距离波源足够远时，活塞波类似于球面波。类似于球面波。三 机械波的类型三、按波源振动的持续时间分类三、按波源振动的持续时间分类1.连续波连续波波源持续不断的振动所辐射的波称为连续波。连续波通波源持续不断的振动所辐射的波称为连续波。连续波通常用于穿透法超声检测。常用于穿透法超声检测。2.脉冲波脉冲波波源间歇性振动，振动持续时间通常是微秒数量级，在波源间歇性振动，振动持续时间通

21、常是微秒数量级，在介质中间歇性辐射的波称为脉冲波，介质中间歇性辐射的波称为脉冲波， 三 机械波的类型小结小结超声波的类型很多，常用的纵波、横波、表面波、板波；超声波的类型很多，常用的纵波、横波、表面波、板波；平面波、柱面波和球面波；脉冲波和连续波；活塞波等。平面波、柱面波和球面波；脉冲波和连续波；活塞波等。不同类型的超声波有着不同的特点，其使用场合也不一样。不同类型的超声波有着不同的特点，其使用场合也不一样。四四 超声波的产生超声波的产生导入：导入：超声检测用的超声波是如何产生的呢？超声检测用的超声波是如何产生的呢？它有什么特点？它有什么特点？课时：课时：1学时。学时。授课方式：授课方式：新授

22、（借助解剖的探头实物）。新授（借助解剖的探头实物）。重点：重点：压电效应、超声波的特点。压电效应、超声波的特点。难点：难点：压电效应压电效应。四 超声波的产生超声波：频率高于超声波：频率高于20000Hz的声波。的声波。一、产生一、产生常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等方法和电磁效应方法等 。压电效应法压电效应法四 超声波的产生 晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。反之，当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。探头发射超声波的过程产生

23、逆压电效应；探头接收超声波的过程产生正压电效应。四 超声波的产生二、特点二、特点1.方向性好。方向性好。2.能量高。能量高。3.穿透力强。穿透力强。4.能在界面上反射、折射、波型转换。能在界面上反射、折射、波型转换。四 超声波的产生小结小结超声波的产生方式较多，目前工业上普遍采用的是压电超声波的产生方式较多，目前工业上普遍采用的是压电效应法。之所以选用超声波检测工件，是由于它具有方向效应法。之所以选用超声波检测工件，是由于它具有方向性好、能量高等四个特点。性好、能量高等四个特点。作业：作业：什么是压电效应？什么是压电效应？五 超声场的特征导入：导入：充满超声波能量的空间称为超声场，那么充满超声

24、波能量的空间称为超声场，那么超声场的能量是如何分布的呢？本节将从不同角度超声场的能量是如何分布的呢？本节将从不同角度进行分析。进行分析。课时：课时：6学时。学时。授课方式：授课方式：新授。新授。重点：重点：超声场的特征值、超声场中声压分布超声场的特征值、超声场中声压分布。难点：难点：横波声场纵声压分布横波声场纵声压分布。五 超声场的特征一、超声场的特征值一、超声场的特征值1.声压声压在超声场中某一位置的质点由于超声波的传播而受到的在超声场中某一位置的质点由于超声波的传播而受到的附加压强称为该处的声压，用符号附加压强称为该处的声压，用符号P表示。表示。 )(sincxtcAP)(sincxtPm

25、平面余弦波平面余弦波的波动方程的波动方程P=2.声阻抗声阻抗声阻抗指超声场中某一点的声压声阻抗指超声场中某一点的声压P与该处质点的振动与该处质点的振动速度之比，用符号速度之比，用符号Z表示。表示。五 超声场的特征声阻抗反映了介质质点对其振动的阻碍作用大小，而并声阻抗反映了介质质点对其振动的阻碍作用大小，而并非介质对超声波通过介质能力的阻碍。非介质对超声波通过介质能力的阻碍。 3.声强声强声波传播时也伴随着能量的传播，声波能量的强弱即为声波传播时也伴随着能量的传播，声波能量的强弱即为声强。通常声强被定义为单位时间、单位面积上垂直通过的声强。通常声强被定义为单位时间、单位面积上垂直通过的声波能量，

26、用符号声波能量，用符号I表示。表示。 cccAPZaaaZPZcAI221212222平面余弦波平面余弦波的平均声强的平均声强五 超声场的特征4.声强计量声强计量 声强级：声强级： LI=lg(I/I0) （BeL） LI=10lg(I/I0) （dB） 声压级：声压级： LP=20lg(P/P0) （dB） 对于垂直线性较好的超声波检测仪，显示屏上的波高对于垂直线性较好的超声波检测仪，显示屏上的波高与声压成正比，因此与声压成正比，因此L LP P=20lg(H/H=20lg(H/H0 0) ) （dBdB） 二、纵波声场二、纵波声场 五 超声场的特征1.声束轴线上的声压声束轴线上的声压近场区

27、长度：近场区长度：212202124ccLDccLNN五 超声场的特征轴线上声压：轴线上声压：当距离当距离x3N xFPxDPP002004最后一个声压极大点的表达式最后一个声压极大点的表达式=2/4五 超声场的特征2.声束指向性声束指向性五 超声场的特征1）在声源轴线上至声源的距离）在声源轴线上至声源的距离N的同一横截面上各的同一横截面上各点的声压是不同的，以声源轴线上的声压最高。因此在实点的声压是不同的，以声源轴线上的声压最高。因此在实际超声波检测中，要求以声束轴线垂直于缺陷时的回波幅际超声波检测中，要求以声束轴线垂直于缺陷时的回波幅度来定量缺陷。度来定量缺陷。2）在声束的横截面上，声压的

28、零值点对应了很多个半）在声束的横截面上，声压的零值点对应了很多个半扩散角。扩散角。3）当）当y3.83，即，即0时，时，Dc0.15。这说明。这说明0以外以外的声压很低，超声波的能量主要集中在的声压很低，超声波的能量主要集中在20范围内。因此常范围内。因此常取取y=3.83时的时的0作为声束的边缘界限，称作为声束的边缘界限，称0为声束的半扩为声束的半扩散角或指向角，也称为第一零值发散角。散角或指向角，也称为第一零值发散角。0022. 1arcsinD0070D五 超声场的特征 固体和液体介质中声束指向性比较固体和液体介质中声束指向性比较 3.声束未扩散区与扩散区声束未扩散区与扩散区NDb64.

29、 144. 220未扩散区长度未扩散区长度五 超声场的特征4.横截面上声压分布横截面上声压分布二、横波声场二、横波声场五 超声场的特征在实际超声波检测中，横波是通过纵波在检测面上转在实际超声波检测中，横波是通过纵波在检测面上转换而来的，这时超声场是一个在界面处折断的声场，在第换而来的，这时超声场是一个在界面处折断的声场，在第一种介质中为纵波声场，在第二种介质中为横波声场。为一种介质中为纵波声场，在第二种介质中为横波声场。为了讨论方便，通常将实际的波源往横波声束方向垂直投影，了讨论方便，通常将实际的波源往横波声束方向垂直投影，得到一假想波源。这样，工件中传播的横波好似直接从假得到一假想波源。这样

30、，工件中传播的横波好似直接从假想波源直接产生，并由此得到了横波声场的一些近似规律。想波源直接产生，并由此得到了横波声场的一些近似规律。五 超声场的特征1.假想声源到入假想声源到入射点的距离射点的距离tgtgLL12coscos2seFN 2.近场区长度近场区长度esexFkPP203.轴线上声压轴线上声压4.指向性指向性五 超声场的特征在声束轴线与界面法线组成在声束轴线与界面法线组成的平面内的平面内 2上1下在通过声束轴线与入射平面垂直的平面内，声束对称于在通过声束轴线与入射平面垂直的平面内，声束对称于轴线，这时半扩散角同纵波声场轴线，这时半扩散角同纵波声场 020207022. 1arcsi

31、nDDSSaaSS2205722. 1arcsin五 超声场的特征五、实际声场与理想声场五、实际声场与理想声场五 超声场的特征理想声场轴线上声压存在一系列极大值和极小值，且理想声场轴线上声压存在一系列极大值和极小值，且最大值为最大值为2P0，极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也，极小值为零。实际声场轴线上声压虽然也存在很多极大值和极小值，但是声压的波动幅度小，极存在很多极大值和极小值，但是声压的波动幅度小，极大值远小于大值远小于2P0，极小值远大于零。在远场区，实际声场，极小值远大于零。在远场区，实际声场与理想声场轴线上声压分布基本一致。与理想声场轴线上声压分布基本一致。原因：原因：1)近场区

32、内声压极值点是由于波的干涉造成的。近场区内声压极值点是由于波的干涉造成的。 2）总声场是各个不同频率的声场的迭加。）总声场是各个不同频率的声场的迭加。3)实际声源中心振幅最大，边缘振幅最小，这种非均实际声源中心振幅最大，边缘振幅最小，这种非均匀激发的实际声源产生的干涉小于均匀激发的理想声源。匀激发的实际声源产生的干涉小于均匀激发的理想声源。 五 超声场的特征4)理想声场是针对液体介质而言的，而实际探伤对象往往是固体介质。理想声场是针对液体介质而言的，而实际探伤对象往往是固体介质。 5)在远场区，由于声源各点到声束轴线上某点的声程差较小，使波的干涉大在远场区，由于声源各点到声束轴线上某点的声程差

33、较小，使波的干涉大大减弱，甚至不产生干涉。因此，实际声场与理想声场的轴线上声压基本一大减弱，甚至不产生干涉。因此，实际声场与理想声场的轴线上声压基本一致。致。小结小结超声场是一种看不见的物质，通过测定场中不同点的声压的分布，可以知道超声场是一种看不见的物质，通过测定场中不同点的声压的分布，可以知道超声场的分布规律。从而更好地利用超声波检测工件中的缺陷。超声场的分布规律。从而更好地利用超声波检测工件中的缺陷。六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播导入：导入：超声波在介质中的传播规律直接影响到超声波在介质中的传播规律直接影响到对缺陷的检测和判读。对缺陷的检测和判读。课时：课时：6学时。学时

34、。授课方式：授课方式：新授。新授。重点：重点：超声波的传播速度、超声波在异质界面超声波的传播速度、超声波在异质界面处的反射和折射、超声波的衰减。处的反射和折射、超声波的衰减。难点：难点：超声波在曲界面处的反射和折射。超声波在曲界面处的反射和折射。六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播一、超声波的传播速度一、超声波的传播速度1.固体介质中的声速固体介质中的声速u 无限大固体介质：无限大固体介质：)21)(1 (1EcL)1 (21EGcS112. 187. 0GcR六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播1）固体介质中的声速与介质的弹性模量和介质的密度等）固体介质中的声速与介质的弹

35、性模量和介质的密度等因素有关；介质的弹性模量越大，密度越小，则声速越大。因素有关；介质的弹性模量越大，密度越小，则声速越大。2）声速还与介质中的波型有关，在同一固体介质中，纵）声速还与介质中的波型有关，在同一固体介质中，纵波、横波和表面波的声速各不相同波、横波和表面波的声速各不相同 EcLbu细长棒中声速细长棒中声速声速的影响因素：声速的影响因素：1）温度因素。一般固体中的声速随温度升高而降低。）温度因素。一般固体中的声速随温度升高而降低。2）材料组织状态因素。）材料组织状态因素。 3）应力因素。）应力因素。 六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播2.液体和气体中声速液体和气体中声速K

36、c 3.板波声速板波声速u 相速度相速度 单一频率的声波在介质中的传播速度称为相速度。单一频率的声波在介质中的传播速度称为相速度。在均匀且各向同性的无限大弹性薄板中的板波相速度可由其在均匀且各向同性的无限大弹性薄板中的板波相速度可由其频率方程给出：频率方程给出： 22222223222224tantanpSLpSpLSpLpLpSpSccccccccccccfdccccfd对称型对称型板波板波六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播非对称非对称型板波型板波22223222222242tantanpSpLSpSLpLpLpSpSccccccccccccfdccccfdu群速度群速度 多个频

37、率相差多个频率相差不多的波在同一介质中传不多的波在同一介质中传播时互相合成后的包络线播时互相合成后的包络线的传播速度称为群速度。的传播速度称为群速度。 六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播钢板中板波相速度与频率、板厚的关系钢板中板波相速度与频率、板厚的关系 六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播钢板中板波群速度与频率、板厚的关系钢板中板波群速度与频率、板厚的关系 六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播二、超声波的反射、折射二、超声波的反射、折射1.平面波垂直入射到平界面平面波垂直入射到平界面（1）单一的平界面）单一的平界面12120ZZZZPPrr12202ZZZPP

38、tt21212220222012022ZZZZrPPZPZPIIRrrr21212221220120422ZZZZtZZZPZPIITtt六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播由以上的公式可以看出：由以上的公式可以看出：1）T+R=1，说明在界面上超声波的反射和透射符合能量，说明在界面上超声波的反射和透射符合能量守恒。守恒。2）声强的反射率和透射率与超声波从何种介质入射无关。）声强的反射率和透射率与超声波从何种介质入射无关。3）当）当Z2 Z1 时，声压反射率时，声压反射率r0。这时反射波的声压。这时反射波的声压与入射波的声压同相位，合成后的振幅增大。与入射波的声压同相位，合成后的振幅

39、增大。4）当）当Z2Z1时，声压反射率时，声压反射率r0。这时反射波的声压与。这时反射波的声压与入射波的声压反相位，合成后的振幅减小。入射波的声压反相位，合成后的振幅减小。5）当）当 Z2 Z1 时，声压反射率时，声压反射率r0，t1。这时入射的超。这时入射的超声波几乎全部透射，没有反射，好像不存在界面一样。声波几乎全部透射，没有反射，好像不存在界面一样。 6）当）当Z1Z2时，时，r-1，t0。这时入射的超声波几乎全。这时入射的超声波几乎全部反射，没有透射。部反射，没有透射。 六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播声压往复透过率：声压往复透过率：21212004ZZZZPPPPPPT

40、tata往六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播（2）薄层界面）薄层界面当当 时：时：231ZZZ22221221222212212sin4112sin41dZZZZdZZZZr六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播222212212sin4111dZZZZt由上式可见：由上式可见：1）当）当 时，时， 。这时超声波几乎全透射，。这时超声波几乎全透射，不反射。不反射。2）当）当 时，声压的透射率最低，而反射率最高。时，声压的透射率最低，而反射率最高。3）当）当 时，薄层厚度越小，透射率越高，反射率越时，薄层厚度越小，透射率越高，反射率越低。低。（2）非均匀介质的薄层）非均匀介质

41、的薄层2/22 nd1, 0tr4/1222nd4/22d六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播由以上公式可知：由以上公式可知：1）当）当 （n为整数），为整数）， 。这说明超声波通。这说明超声波通过薄层的声强透射率与薄层的性质无关，好像不存在薄层一过薄层的声强透射率与薄层的性质无关，好像不存在薄层一样。样。2）当）当 （n为非负整数），且为非负整数），且 时，时，T=1，超声波全透射。，超声波全透射。3）当）当 时，薄层厚度越小，超声波的透射率越高。时，薄层厚度越小，超声波的透射率越高。22222312222231312sin2cos4dZZZZdZZZZT222 nd231314Z

42、ZZZT4) 12(22nd312ZZZ422d六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播3.平面波倾斜入射到单一的平界面平面波倾斜入射到单一的平界面六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播4.临界角临界角1）第一临界角：使纵波折射角达到）第一临界角：使纵波折射角达到90的纵波入射角称的纵波入射角称之。之。2）第二临界角：使横波折射角达到）第二临界角：使横波折射角达到90的纵波入射角称的纵波入射角称之。之。3）第三临界角：使纵波反射角达到）第三临界角：使纵波反射角达到90的横波入射角称的横波入射角称之。之。2222111111sinsinsinsinsinSSLLSSLLLLcccc

43、c六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播1.3.5 端角反射端角反射六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播5.超声波超声波入射到曲界面入射到曲界面上的反射、透射上的反射、透射（1）反射分为两种）反射分为两种六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播1）一束平面波入射到）一束平面波入射到球形曲球形曲界面界面上时，其反射波可视为从焦点上时，其反射波可视为从焦点发出的球面波。在凹界面上的反射发出的球面波。在凹界面上的反射波将会聚焦，凸界面上的反射波则波将会聚焦，凸界面上的反射波则发散。发散。2）超声波入射到）超声波入射到柱形的曲界柱形的曲界面面上时，反射波也将聚焦或发散。上时，反

44、射波也将聚焦或发散。不同的是反射波将聚焦成一条实线不同的是反射波将聚焦成一条实线或发散为一条虚线，称为焦轴。这或发散为一条虚线，称为焦轴。这时反射波可视为从焦轴发出的柱面时反射波可视为从焦轴发出的柱面波波fxfPPoxfxfPPox六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播（2）平面波在曲界面上的折射）平面波在曲界面上的折射21cc21cc六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播1）当平面波入射到凹或凸的球形曲）当平面波入射到凹或凸的球形曲界面上时，其折射波在或时将聚焦为一界面上时，其折射波在或时将聚焦为一点。相反，折射波将发散，且其反向延点。相反，折射波将发散，且其反向延长线聚于虚

45、焦点。当平面波入射到凹或长线聚于虚焦点。当平面波入射到凹或凸的球形曲界面上时，其折射波在或时凸的球形曲界面上时，其折射波在或时将聚焦为一点。相反，折射波将发散，将聚焦为一点。相反，折射波将发散，且其反向延长线聚于虚焦点。且其反向延长线聚于虚焦点。2）当平面波入射到凹或凸的柱形曲）当平面波入射到凹或凸的柱形曲界面上时，折射波也会聚焦或发散。不界面上时，折射波也会聚焦或发散。不同的是，焦点将变为一条线同的是，焦点将变为一条线焦轴。焦轴。fxftPPx0fxftPPx0六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播5.球面波入射到平界面球面波入射到平界面(1)单一的平界面上的反射单一的平界面上的反射

46、xPrPx0六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播（2）单一的平界面上的折射）单一的平界面上的折射xPtPx0六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播（3）双界面上的反射）双界面上的反射 如图如图1-51所示，球面波在互相平行的双所示，球面波在互相平行的双界面间的多次反射仍符合球面波的界面间的多次反射仍符合球面波的变化规律。当入射角较小，前后壁变化规律。当入射角较小，前后壁全反射，且距离较大时，各反射波全反射，且距离较大时，各反射波不产生干涉，这时不产生干涉，这时前壁各次反射波声压比为：前壁各次反射波声压比为：后壁各次反射波声压比为：后壁各次反射波声压比为：31211 51311

47、 六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播6.球面波入射到曲界面球面波入射到曲界面（1）球面波在曲界面上的反射）球面波在曲界面上的反射 当球面波入射到凹曲界当球面波入射到凹曲界面上时，反射波产生聚焦，反之则发散，面上时，反射波产生聚焦，反之则发散，六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播在球曲面上反射波的声压为：在球曲面上反射波的声压为：axfxfaPPx10在球曲面上反射波的声压为：在球曲面上反射波的声压为：axfxaxfaPPx110六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播（2）球面波在曲界面上的折射）球面波在曲界面上的折射21cc 21cc六六 超声波在介质中的传播超声

48、波在介质中的传播球曲界面上折射波的声压：球曲界面上折射波的声压：21cc21cc 1201acxcfxfaPtPx六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播柱曲界面上折射波的声压：柱曲界面上折射波的声压：三、超声波的衰减三、超声波的衰减1.超声波衰减的原因超声波衰减的原因（1）声束的扩散衰减）声束的扩散衰减（2）声波的散射衰减）声波的散射衰减（3）吸收衰减）吸收衰减除了以上的三种衰减外，还有位错引起的衰减、磁畴引除了以上的三种衰减外，还有位错引起的衰减、磁畴引起的衰减和残余应力引起的衰减等。通常所说的衰减主要指起的衰减和残余应力引起的衰减等。通常所说的衰减主要指介质对超声波的衰减，即吸收衰

49、减和散射衰减，不包括扩散介质对超声波的衰减，即吸收衰减和散射衰减，不包括扩散衰减。衰减。1212011acxcfxacxcfaPtPr六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播2.衰减系数和衰减方程衰减系数和衰减方程（1）衰减系数）衰减系数asfca1432fFdcd23FdfcddFc/4dss六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播3.衰减系数测定衰减系数测定（1）薄板工件衰减系数的测定）薄板工件衰减系数的测定xmnmnBBnm2lg20（2 2）厚板工件的衰减系数测定）厚板工件的衰减系数测定xBB26lg2021六六 超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播小结小结超声波在介质

50、中传播时，声速的大小除了与超声波本身超声波在介质中传播时，声速的大小除了与超声波本身的性质有关外，还与介质的密度、弹性模量、形状、尺寸以的性质有关外，还与介质的密度、弹性模量、形状、尺寸以及传播时所处的温度有关系。当传播过程中，碰到各种各样及传播时所处的温度有关系。当传播过程中，碰到各种各样的异质界面时，会发生反射、折射、波型转换等现象，具体的异质界面时，会发生反射、折射、波型转换等现象，具体的反射和折射等变化与界面的形状和两侧介质的声速有关。的反射和折射等变化与界面的形状和两侧介质的声速有关。另外，超声波传播过程中，超声波的能量会逐渐衰减，对于另外，超声波传播过程中，超声波的能量会逐渐衰减，