超声检测原理学习教案

1、会计学1超声检测超声检测(jin c)原理原理第一页，共86页。 超声检测是一种利用超声波在介质超声检测是一种利用超声波在介质(jizh)中中传播的性质来判断工件和材料的缺陷和异常。传播的性质来判断工件和材料的缺陷和异常。 人耳能听到的声音频率为人耳能听到的声音频率为16Hz20kHz， 超超声是一种看不见、听不到的弹性波。声是一种看不见、听不到的弹性波。 超声检测一般为超声检测一般为0.525MHz，常用频率范围，常用频率范围为为 0.510MHz。第1页/共86页第二页，共86页。超声波特性超声波特性(1)在液体和固体介质中长距离传输在液体和固体介质中长距离传输(chun sh)(虽然在气

2、体中衰减很快虽然在气体中衰减很快)； (2)超声波能量在传输超声波能量在传输(chun sh)时有明确的方时有明确的方向性；向性；(3)超声波在一定介质中传输超声波在一定介质中传输(chun sh)时速度时速度不变；不变；(4)超声波传输超声波传输(chun sh)通过不同材料界面时通过不同材料界面时，可能会改变其振动模式。，可能会改变其振动模式。第2页/共86页第三页，共86页。 超声检测就是利用超声波来对材料和工件进行检超声检测就是利用超声波来对材料和工件进行检验和测量。验和测量。 典型的应用，是超声探伤以及材料和工件的物理典型的应用，是超声探伤以及材料和工件的物理性能与力学性能检验。性能

3、与力学性能检验。 在测量方面，许多非声学特性在测量方面，许多非声学特性(txng)和某些状态和某些状态参量，例如液位、流量等都可用超声方法测定。参量，例如液位、流量等都可用超声方法测定。 超声波应用非常广泛。如超声加工和处理，利用超声波应用非常广泛。如超声加工和处理，利用超声能量来改变物质特性超声能量来改变物质特性(txng)和状态，如超声钻和状态，如超声钻孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。第3页/共86页第四页，共86页。 超声检验与测量之间的关系非常密切，如超声探超声检验与测量之间的关系非常密切，如超声探伤和超声液位测量，技术原理相仿。伤和超声液位测量

4、，技术原理相仿。 超声检测和超声加工处理之间的区别明显，超声超声检测和超声加工处理之间的区别明显，超声加工往往着重大功率的连续波超声，而超声检测则加工往往着重大功率的连续波超声，而超声检测则太多使用灵敏度高、功率不大的脉冲波。太多使用灵敏度高、功率不大的脉冲波。 超声加工处理时非常重视一些描述声场强弱的物超声加工处理时非常重视一些描述声场强弱的物理量理量(如声压、声强、声功率等如声压、声强、声功率等)的测定。的测定。 而超声检测则着重描述介质中超声传播特性的物而超声检测则着重描述介质中超声传播特性的物理量理量(如声速如声速(shn s)、声衰减、声阻抗等、声衰减、声阻抗等)的测定的测定。第4页

5、/共86页第五页，共86页。 超声波是一种机械振动所产生的波。超声波是一种机械振动所产生的波。 质点质点(zhdin)的往复运动称为振动，振动是的往复运动称为振动，振动是波动的产生根源，波动是振动的传播过程。波动的产生根源，波动是振动的传播过程。 超声波的产生，依赖于作高频机械振动的声超声波的产生，依赖于作高频机械振动的声源和弹性介质的传播源和弹性介质的传播 超声波的传播，包括振动过程和能量传播。超声波的传播，包括振动过程和能量传播。 第5页/共86页第六页，共86页。 研究研究(ynji)超声波传播时，可以将弹性介质超声波传播时，可以将弹性介质看成是相互间由弹性力联系着的无数质点所组看成是相

6、互间由弹性力联系着的无数质点所组成。成。 当在弹性介质的表面层上施加一个正弦变化当在弹性介质的表面层上施加一个正弦变化的外力时，由于各质点间有弹性力联系，相邻的外力时，由于各质点间有弹性力联系，相邻层上的质点也将产生振动，一层推动一层，振层上的质点也将产生振动，一层推动一层，振动也由近及远地传播。动也由近及远地传播。第6页/共86页第七页，共86页。2-1-1 波动的种类与波型波动的种类与波型 波的种类是根据质点振动方向波的种类是根据质点振动方向(fngxing)和波动传播方向和波动传播方向(fngxing)的关系来区分，的关系来区分，可分为纵波、横波、表面波和板波，如图所可分为纵波、横波、表

7、面波和板波，如图所示。示。第7页/共86页第八页，共86页。(1) 纵波纵波 当介质受到交替变化的正弦拉当介质受到交替变化的正弦拉-压应力压应力(yngl)作用时，质点产生疏密相间的纵向振作用时，质点产生疏密相间的纵向振动，质点振动方向与波的传播方向一致动，质点振动方向与波的传播方向一致第8页/共86页第九页，共86页。 纵波常用纵波常用 L 表示，它在介质中传播时，仅使介质各表示，它在介质中传播时，仅使介质各部分改变部分改变(gibin)体积而不产生转动。任何弹性介质体积而不产生转动。任何弹性介质 (固体、液体和气体固体、液体和气体)中都能传播纵波。中都能传播纵波。第9页/共86页第十页，共

8、86页。(2) 横波横波 当介质受到交替变化的正弦剪切应力时当介质受到交替变化的正弦剪切应力时，质点产生具有波峰与波谷的横向，质点产生具有波峰与波谷的横向(hn xin)振动，并在介质中传播，其振动方向振动，并在介质中传播，其振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波，与波的传播方向垂直，这种波称为横波，也称切变波。也称切变波。第10页/共86页第十一页，共86页。 横波用符号横波用符号T或或S表示。在介质中传播表示。在介质中传播(chunb)时，仅使介质各部分产生形变而介质时，仅使介质各部分产生形变而介质体积不变。体积不变。 由于液体和气体介质没有剪切弹性，因此不由于液体和气体介质没有剪切弹

9、性，因此不能传播能传播(chunb)横波。横波。第11页/共86页第十二页，共86页。(3) 表面波表面波 半无限大弹性介质半无限大弹性介质(jizh)与气体的交界与气体的交界面，受到交替变化的表面张力作用时，介面，受到交替变化的表面张力作用时，介质质(jizh)表面质点发生纵向和横向振动，表面质点发生纵向和横向振动，质点绕其平衡位置作椭圆运动，并作用于质点绕其平衡位置作椭圆运动，并作用于相邻质点而在表面传播，这种波称为表面相邻质点而在表面传播，这种波称为表面波，也称瑞利波。波，也称瑞利波。第12页/共86页第十三页，共86页。 表面波常用符号表面波常用符号 R 表示，图中表示的是瞬时的表示，

10、图中表示的是瞬时的质点位移状态。表面波传播深度质点位移状态。表面波传播深度(shnd)约约l2个波长，振幅随深度个波长，振幅随深度(shnd)的增加而迅速减小的增加而迅速减小，当深度，当深度(shnd)达到两个波长时，振幅降至最达到两个波长时，振幅降至最大振幅的大振幅的0.37倍倍第13页/共86页第十四页，共86页。(4) 板波板波 板状介质受到交板状介质受到交替变化的表面张替变化的表面张力作用，而且板力作用，而且板厚与波长相当，厚与波长相当，质点的纵向和横质点的纵向和横向振动轨迹也是向振动轨迹也是椭圆，声场遍布椭圆，声场遍布整个板厚。这种整个板厚。这种波称为板波，也波称为板波，也称兰姆波。

11、板波称兰姆波。板波常用常用(chn yn)符号符号 P 表表示示第14页/共86页第十五页，共86页。板波与表面波不同，其传播要受到两个界面的束板波与表面波不同，其传播要受到两个界面的束缚，从而形成缚，从而形成(xngchng)对称型对称型(S型，图型，图2-1d)和和非对称型非对称型(A型，图型，图2-1e)两种情况。两种情况。第15页/共86页第十六页，共86页。对称型板波在传播中，质点的振动以板厚为中对称型板波在传播中，质点的振动以板厚为中心面对称，上下表面上心面对称，上下表面上(min shn)质点振动的质点振动的相位相反，中心面上相位相反，中心面上(min shn)质点的振动方质点的

12、振动方式类似于纵波。式类似于纵波。第16页/共86页第十七页，共86页。非对称型板波在传播中，上下表面质点振动的相位非对称型板波在传播中，上下表面质点振动的相位(xingwi)相同，质点的振动方式类似于横波。相同，质点的振动方式类似于横波。第17页/共86页第十八页，共86页。2-1-2 声波的波动特性声波的波动特性 声波的波动特性，主要是指几个声波的波动特性，主要是指几个(j )波相遇时出现的干涉、叠加以及衍射现波相遇时出现的干涉、叠加以及衍射现象。象。(1)波的干涉叠加波的干涉叠加 当几个当几个(j )波在同一介质中传播至某波在同一介质中传播至某处相遇，则相遇处质点的振动是各个波处相遇，则

13、相遇处质点的振动是各个波所引起的振动的合成，相遇点上质点的所引起的振动的合成，相遇点上质点的位移是各个波在该点所引起的位移的矢位移是各个波在该点所引起的位移的矢量和，这就是波的叠加原理。量和，这就是波的叠加原理。第18页/共86页第十九页，共86页。脉冲脉冲(michng)波由若干正弦波叠加而成，波由若干正弦波叠加而成，1MHz的脉冲的脉冲(michng)波是由波是由0.85MHz、1MHz和和1.21MHz正弦波叠加而成的。正弦波叠加而成的。第19页/共86页第二十页，共86页。所以虽然看来脉冲所以虽然看来脉冲(michng)波每个质点的振动没波每个质点的振动没有表示出同样高度，但它的确是由

14、若干正弦波所组有表示出同样高度，但它的确是由若干正弦波所组成。成。第20页/共86页第二十一页，共86页。为合成某一脉冲，脉冲宽度愈窄，需要数量愈多为合成某一脉冲，脉冲宽度愈窄，需要数量愈多的正弦子波，子波具有与中心频率不同的正弦子波，子波具有与中心频率不同(b tn)的频率。根据傅利叶分析，脉冲是由某一频谱范的频率。根据傅利叶分析，脉冲是由某一频谱范围内的波构成，脉冲愈窄时频谱愈宽。围内的波构成，脉冲愈窄时频谱愈宽。第21页/共86页第二十二页，共86页。叠加波，若符合相干条件叠加波，若符合相干条件(频率相同，传播方向频率相同，传播方向一致和有一定的相位关系一致和有一定的相位关系)，则在空间

15、某些地方振，则在空间某些地方振动始终加强，而在另一些地方则始终减弱或完全动始终加强，而在另一些地方则始终减弱或完全消失，这种现象称为波的干涉。消失，这种现象称为波的干涉。 当两个振幅与频率都相同的相干波，在同一直当两个振幅与频率都相同的相干波，在同一直线上沿相反线上沿相反(xingfn)方向彼此相向传播时，叠加方向彼此相向传播时，叠加而成的波称为驻波，驻波是波的干涉现象的特例而成的波称为驻波，驻波是波的干涉现象的特例。当在声波传播方向上的介质厚度恰为半波长的当在声波传播方向上的介质厚度恰为半波长的整数倍时就会产生驻波现象。这种驻波在介质的整数倍时就会产生驻波现象。这种驻波在介质的厚度方向引起共

16、振，这就是所谓共振法超声检测厚度方向引起共振，这就是所谓共振法超声检测的基本原理。的基本原理。第22页/共86页第二十三页，共86页。(2)波的衍射波的衍射波在弹性介质中波在弹性介质中传播时，如果遇传播时，如果遇到障碍物或其它到障碍物或其它(qt)不连续的不连续的情况，而使波阵情况，而使波阵面发生畸变的现面发生畸变的现象称为波的衍射象称为波的衍射。第23页/共86页第二十四页，共86页。任意形状的波在传任意形状的波在传播过程播过程(guchng)中中遇到一个障碍遇到一个障碍AB时时，AB上有一个宽度上有一个宽度大小与波长相当的大小与波长相当的狭缝，穿过狭缝的狭缝，穿过狭缝的波是以狭缝为中心波是

17、以狭缝为中心的球形波，与原来的球形波，与原来的波阵面无关。的波阵面无关。第24页/共86页第二十五页，共86页。这说明可以把狭缝这说明可以把狭缝看 作 新 的 波 源看 作 新 的 波 源(byun)。波前上。波前上的所有点，都可看的所有点，都可看作产生球面子波的作产生球面子波的点源，经过一段时点源，经过一段时间后，该波前的新间后，该波前的新位置将是这些子波位置将是这些子波波前相切的包迹面波前相切的包迹面，这称之谓惠更斯，这称之谓惠更斯原理。原理。第25页/共86页第二十六页，共86页。惠更斯原理惠更斯原理(yunl)在超声检测中获得在超声检测中获得了广泛应用，不仅了广泛应用，不仅适用于机械波

18、，同适用于机械波，同样也适用于电磁波样也适用于电磁波。它用几何方法比。它用几何方法比较广泛地解决了波较广泛地解决了波的传播问题。的传播问题。第26页/共86页第二十七页，共86页。(3)声速、波长和频率声速、波长和频率 声速是声波在介质声速是声波在介质(jizh)中传播的速度中传播的速度(c)，波长是指声波每振动一次所走过的距离波长是指声波每振动一次所走过的距离()，频，频率是指每秒钟声波振动的次数率是指每秒钟声波振动的次数(f)，三者之间的，三者之间的关系关系第27页/共86页第二十八页，共86页。声速声速(shn s)由介质决定，在各向同性的无限大弹由介质决定，在各向同性的无限大弹性固体中

19、，声速性固体中，声速(shn s)可用下式表示可用下式表示式中式中E-介质的正弹性模量，介质的正弹性模量，-介质的密度，介质的密度，K-常数常数与波型有关。与波型有关。第28页/共86页第二十九页，共86页。纵波声速纵波声速(shn s)横波声速横波声速(shn s)式中式中G-介质切变模量，介质切变模量，-介质的泊松比。介质的泊松比。表面波声速表面波声速(shn s)第29页/共86页第三十页，共86页。 纵波速度在气体中每秒为几百米，在液体中为纵波速度在气体中每秒为几百米，在液体中为12km/s，固体，固体(gt)中为中为36km/s。 在固体在固体(gt)中还有横波，横波的速度约为纵波中

20、还有横波，横波的速度约为纵波速度的一半，表面波速度约为横波速度的速度的一半，表面波速度约为横波速度的0.95第30页/共86页第三十一页，共86页。某些物质的密度某些物质的密度(md)、声速和特性阻抗、声速和特性阻抗见表见表第31页/共86页第三十二页，共86页。 当棒的直径与波长相当时称为细棒，细棒中声波以膨当棒的直径与波长相当时称为细棒，细棒中声波以膨胀形式胀形式(xngsh)传播，称为棒波。当棒的直径传播，称为棒波。当棒的直径d0.1(波长波长)时，棒波的速度与泊松比无关，可表示为时，棒波的速度与泊松比无关，可表示为 总之，介质弹性能越好总之，介质弹性能越好(E和和G越大越大)、密度、密

21、度越小，则越小，则声波在介质中的传播速度越高。声波在介质中的传播速度越高。第32页/共86页第三十三页，共86页。2-1-3 声场及其特征声场及其特征(tzhng)值值 声场特征声场特征(tzhng)常用声压、声强和特性常用声压、声强和特性阻抗等特征阻抗等特征(tzhng)值来描述。值来描述。 声压声压(p)是指声传播时，造成介质中某点的是指声传播时，造成介质中某点的压强，单位为帕斯卡压强，单位为帕斯卡(Pa)，1Pa=1N/m2 声波在介质中传播时，介质中每一点的声声波在介质中传播时，介质中每一点的声压将随时间和距离的变化而改变。压将随时间和距离的变化而改变。第33页/共86页第三十四页，共

22、86页。声压与介质密度、波速和频率成正比声压与介质密度、波速和频率成正比式中式中 v-质点振动速度质点振动速度 上式中当声压上式中当声压 p 不变时，不变时，c 越大，质点振动速度越大，质点振动速度就越小就越小 ，所以，所以(suy)c 被称为介质的特性阻抗，以被称为介质的特性阻抗，以 z表示。表示。第34页/共86页第三十五页，共86页。 超声检测中，可以到观察荧光屏上出现的反射波超声检测中，可以到观察荧光屏上出现的反射波高度，该高度与声压高度，该高度与声压 p 成正比。成正比。 液体阻抗约为气体的液体阻抗约为气体的3000倍，固体阻抗约为液体倍，固体阻抗约为液体的的30倍。倍。 在声场中的

23、某点，在与指定方向垂直的单位面积在声场中的某点，在与指定方向垂直的单位面积上，单位时间内通过上，单位时间内通过(tnggu)的平均声能，称为声的平均声能，称为声强度，以强度，以I表示。表示。第35页/共86页第三十六页，共86页。 声强度与质点位移振幅和质点振动频率的平方声强度与质点位移振幅和质点振动频率的平方成正比，与质点振动速度成正比，与质点振动速度(sd)振幅的平方成正振幅的平方成正比，与声压振幅的平方成正比。比，与声压振幅的平方成正比。 超声波的频率很高，其强度远远大于一般声音超声波的频率很高，其强度远远大于一般声音，这就是超声波能够用于检测的前提。，这就是超声波能够用于检测的前提。

24、第36页/共86页第三十七页，共86页。 在实际超声波检测中，超声波是由一定尺寸的探在实际超声波检测中，超声波是由一定尺寸的探头发出的，辐射头发出的，辐射(fsh)的是活塞波。的是活塞波。 离探头很近的地方可认为是平面波，远离探头的离探头很近的地方可认为是平面波，远离探头的地方则视为球面波。地方则视为球面波。 这种声源发射的声波可以认为是由无数个能发射这种声源发射的声波可以认为是由无数个能发射子波源的声波叠加的结果。子波源的声波叠加的结果。第37页/共86页第三十八页，共86页。 探头中心轴线上的声压分布探头中心轴线上的声压分布(fnb)如用平面如用平面波理论分析可得下式波理论分析可得下式 式

25、中式中a-辐射圆盘半径辐射圆盘半径第38页/共86页第三十九页，共86页。检测时测得的信号检测时测得的信号(xnho)高度与声压成正比，高度与声压成正比，中心轴上的声压分布如图所示。中心轴上的声压分布如图所示。第39页/共86页第四十页，共86页。声压分布分为声压分布分为(fn wi)两个区域，即两个区域，即x时，时，N值可用下式获得值可用下式获得 可见可见(kjin)，辐射器的直径，辐射器的直径D愈大、频率愈高愈大、频率愈高(波波长越短长越短)，则近场长度，则近场长度N也就愈长。也就愈长。第43页/共86页第四十四页，共86页。当当xN时称为远场区，此时声压时称为远场区，此时声压(shn y

26、)随距随距离增加而下降，但只有声程大于离增加而下降，但只有声程大于3N后，声压后，声压(shn y)与声程才比较符合反比关系。因此，与声程才比较符合反比关系。因此，习惯上以声程大于习惯上以声程大于3N时为远场区。时为远场区。第44页/共86页第四十五页，共86页。 远场区的声压远场区的声压(shn y)分布可由下式计算分布可由下式计算 可见，中心轴线上的声压可见，中心轴线上的声压(shn y)与晶片面积和与晶片面积和起始声压起始声压(shn y)成正比，而与波长和声程成反比成正比，而与波长和声程成反比。第45页/共86页第四十六页，共86页。声场中的声压不但随距离声场中的声压不但随距离x、时间

27、、时间t而变，同时还随声而变，同时还随声束的半扩散角而变。半扩散角直接反映声场中声能集束的半扩散角而变。半扩散角直接反映声场中声能集中的程度和几何中的程度和几何(j h)边界。边界。换换能能器器声声场场传播方向传播方向角角第46页/共86页第四十七页，共86页。半扩散半扩散(kusn)角角的大小可按下式计算的大小可按下式计算式中式中 D-圆形压电晶片的直径圆形压电晶片的直径 a-方形晶片边长方形晶片边长换换能能器器声声场场传播方向传播方向角角第47页/共86页第四十八页，共86页。也就是说，半扩散角也就是说，半扩散角取决于晶片尺寸取决于晶片尺寸(ch cun)和波和波长。提高频率和加大晶片尺寸

28、长。提高频率和加大晶片尺寸(ch cun)，均可改善，均可改善超声的指向性。超声的指向性。换换能能器器声声场场传播方向传播方向角角第48页/共86页第四十九页，共86页。辐射器辐射的超声波能量的辐射器辐射的超声波能量的80%以上集中在主瓣的以上集中在主瓣的声束上，副瓣的能量小，传播声束上，副瓣的能量小，传播(chunb)距离短，因距离短，因此可以认为副瓣束集中在近场区。此可以认为副瓣束集中在近场区。换换能能器器声声场场传播方向传播方向角角第49页/共86页第五十页，共86页。 超声检测大多采用脉冲波，而在介绍基本理超声检测大多采用脉冲波，而在介绍基本理论时，一般采用连续论时，一般采用连续(li

29、nx)波。波。 这是由于分析脉冲形状非常复杂，而从实际这是由于分析脉冲形状非常复杂，而从实际应用来说，近似用连续应用来说，近似用连续(linx)波代替脉冲波，波代替脉冲波，但二者的声场特性上别很大。但二者的声场特性上别很大。第50页/共86页第五十一页，共86页。 由于脉冲波是持续时间很短的波动，所以它们可能由于脉冲波是持续时间很短的波动，所以它们可能不产生干涉或只产生不完全干涉。不产生干涉或只产生不完全干涉。 脉冲波中脉冲个数对近场区内的声压分布影响极大脉冲波中脉冲个数对近场区内的声压分布影响极大。当脉冲个数小于等于。当脉冲个数小于等于6时，近场区声压明显变得简时，近场区声压明显变得简单单(

30、jindn)，副瓣数目和尺寸减小。，副瓣数目和尺寸减小。第51页/共86页第五十二页，共86页。2-1-4 超声波在异质界面超声波在异质界面(jimin)上的上的 透射、反射和折射透射、反射和折射 所谓异质界面所谓异质界面(jimin)，是指由两种，是指由两种特性阻抗不同的介质所构成的界面特性阻抗不同的介质所构成的界面(jimin)，如气，如气/界面界面(jimin)、气、气/固界固界面面(jimin)、液、液/固界面固界面(jimin)和不同和不同固体界面固体界面(jimin)等。等。介质介质 I介质介质 II界面界面第52页/共86页第五十三页，共86页。 超声波从一种介质传播到另一种介质

31、，相超声波从一种介质传播到另一种介质，相对于异质对于异质(y zh)界面而言，当垂直入射时只有界面而言，当垂直入射时只有反射和透射，波的类型反射和透射，波的类型(纵波或横波纵波或横波)不发生变不发生变化。化。介质介质 I介质介质 II界面界面第53页/共86页第五十四页，共86页。当倾斜入射时除当倾斜入射时除反射反射(fnsh)波外波外，透射波产生干，透射波产生干射，同时伴随有射，同时伴随有波型转换。波型转换。第54页/共86页第五十五页，共86页。超声波以一定倾角超声波以一定倾角入射固体界面，反入射固体界面，反射波和折射波都分射波和折射波都分裂裂(fnli)成两种波成两种波型，除原有波型的型

32、，除原有波型的反射和折射波外，反射和折射波外，还存在不同波型的还存在不同波型的反射波与折射波。反射波与折射波。入射入射纵波纵波L反射反射纵波纵波L1反射反射横波横波S1折射折射纵波纵波L1折射折射横波横波S1LL1S1L2S2固体介质固体介质 II固体介质固体介质 I第55页/共86页第五十六页，共86页。入射纵波入射纵波(L)除产生除产生反射纵波反射纵波(L1)和折和折射射(zhsh)纵波纵波(L2)外，还产生反射横外，还产生反射横波波 ( S 1 ) 和 折 射和 折 射(zhsh)横波横波(S2)，与法线夹角分别与法线夹角分别L、L1、L2、S1和和S2入射入射纵波纵波L反射反射纵波纵波

33、L1反射反射横波横波S1折射折射纵波纵波L1折射折射横波横波S1LL1S1L2S2固体介质固体介质 II固体介质固体介质 I第56页/共86页第五十七页，共86页。这些角度与波速之间这些角度与波速之间的关系符合反射和折的关系符合反射和折射射(zhsh)定理如下定理如下式式入射入射纵波纵波L反射反射纵波纵波L1反射反射横波横波S1折射折射纵波纵波L1折射折射横波横波S1LL1S1L2S2固体介质固体介质 II固体介质固体介质 I第57页/共86页第五十八页，共86页。 由于由于CL=CL1 ，所以，所以(suy)L与与L1相等相等 。 对相同介质对相同介质CLCS，所，所以以(suy)L1大于大

34、于S1，L2大于大于S2 即纵波的反射角和折射即纵波的反射角和折射角分别大于横波的反射角角分别大于横波的反射角和折射角。和折射角。入射入射纵波纵波L反射反射纵波纵波L1反射反射横波横波S1折射折射纵波纵波L1折射折射横波横波S1LL1S1L2S2固体介质固体介质 II固体介质固体介质 I第58页/共86页第五十九页，共86页。 当波速小的介质入射当波速小的介质入射到波速大的介质时，折到波速大的介质时，折射角大于入射角，随着射角大于入射角，随着入射角度增大，折射角入射角度增大，折射角也增大。也增大。 当当L增大到增大到LK1时时，使，使L2等于等于90o，继续，继续增大，纵波在界面被完增大，纵波

35、在界面被完全全(wnqun)反射，介反射，介质质中只存在横波，此中只存在横波，此时纵波入射角时纵波入射角LK1称称为第一临界角。为第一临界角。入射入射纵波纵波L反射反射纵波纵波L1反射反射横波横波S1折射折射纵波纵波L1折射折射横波横波S1LL1S1L2S2固体介质固体介质 II固体介质固体介质 I第59页/共86页第六十页，共86页。 当当L1继续增大继续增大(zn d)到到LK2时时、使、使S2等于等于90o，再增大再增大(zn d)时时横波也被全反射横波也被全反射 此时的纵波入射此时的纵波入射角角LK2称为第二临称为第二临界角界角入射入射纵波纵波L反射反射纵波纵波L1反射反射横波横波S1

36、折射折射纵波纵波L1折射折射横波横波S1LL1S1L2S2固体介质固体介质 II固体介质固体介质 I第60页/共86页第六十一页，共86页。不同介质不同介质(jizh)具有不具有不同的临界角，计算公式同的临界角，计算公式为为入射入射纵波纵波L反射反射纵波纵波L1反射反射横波横波S1折射折射纵波纵波L1折射折射横波横波S1LL1S1L2S2固体介质固体介质 II固体介质固体介质 I第61页/共86页第六十二页，共86页。超声波入射到特性阻抗不同的界面，一部分能量超声波入射到特性阻抗不同的界面，一部分能量透过界面进入透过界面进入(jnr)另一介质，另一部分反射回另一介质，另一部分反射回原有介质，从

37、介质原有介质，从介质I到介质到介质的声压透过率为的声压透过率为反射率为反射率为式中式中 Z1、Z2分别为介质分别为介质I和和的特性阻抗的特性阻抗第62页/共86页第六十三页，共86页。从上述从上述(shngsh)公式可见透过率与反射率之公式可见透过率与反射率之间关系为间关系为超声检测中常采用同一探头发射和接收超声超声检测中常采用同一探头发射和接收超声波，若把往返两者结合起来考虑，则声压的波，若把往返两者结合起来考虑，则声压的往返透过率为往返透过率为 当用油耦合剂探测测试件时，在油与钢界面当用油耦合剂探测测试件时，在油与钢界面上的往返透过率约为上的往返透过率约为11%。第63页/共86页第六十四

38、页，共86页。 两种介质的特性阻抗相差很大时两种介质的特性阻抗相差很大时(如固体和气如固体和气体界面体界面)，超声在界面上几乎全反射，声波既不，超声在界面上几乎全反射，声波既不能从固体进入气体，也不能从气体进入固体。能从固体进入气体，也不能从气体进入固体。 超声检测时，要保证探头和工件超声检测时，要保证探头和工件(gngjin)之之间完全耦合，否则由于气隙的存在影响超声的进间完全耦合，否则由于气隙的存在影响超声的进入。入。第64页/共86页第六十五页，共86页。 例如钢的特性阻抗为例如钢的特性阻抗为4.5106(Pa.s)/m，空气的声阻，空气的声阻抗为抗为0.0004106(Pa.s)/m，

39、当超声波传输到钢与空气的，当超声波传输到钢与空气的界面时，几乎界面时，几乎100%被反射。被反射。 钢中有气隙存在时很容易被发现，而钢试件中的非钢中有气隙存在时很容易被发现，而钢试件中的非金夹杂金夹杂(jiz)物，由于它的特性阻抗与基体比较接近，物，由于它的特性阻抗与基体比较接近，因此其反射波比较弱。因此其反射波比较弱。第65页/共86页第六十六页，共86页。当探头与钢试件之间存在空气时，超声波基本当探头与钢试件之间存在空气时，超声波基本上不能透入钢中，采用机油为耦合剂时，约有上不能透入钢中，采用机油为耦合剂时，约有16%的发射声压的发射声压(shn y)进入钢中，已足够了进入钢中，已足够了。

40、探头探头耦合剂耦合剂工件工件第66页/共86页第六十七页，共86页。可把超声波看作和光线一样是直线传播，用几可把超声波看作和光线一样是直线传播，用几何何(j h)光学理论来探讨超声波的曲面反射和折光学理论来探讨超声波的曲面反射和折射规律。当平面波入射到曲界面时，超声的透射规律。当平面波入射到曲界面时，超声的透射情况如图射情况如图第67页/共86页第六十八页，共86页。曲界面对相邻介质中的透射波所起作用，就如曲界面对相邻介质中的透射波所起作用，就如光学上聚焦透镜和发散透镜一样光学上聚焦透镜和发散透镜一样(yyng)，要考，要考虑界面的弯曲方向和两种介质的声速比。虑界面的弯曲方向和两种介质的声速比

41、。第68页/共86页第六十九页，共86页。聚焦聚焦(jjio)声透镜，是超声检测中提高检测灵敏度声透镜，是超声检测中提高检测灵敏度的有效途径。超声波检测用的聚焦的有效途径。超声波检测用的聚焦(jjio)透镜往往透镜往往采用平凹面的型式，如图所示采用平凹面的型式，如图所示第69页/共86页第七十页，共86页。聚焦探头通常聚焦探头通常(tngchng)用有机玻璃或环氧树用有机玻璃或环氧树脂作声聚焦透镜，透镜与晶片接触的面仍为平脂作声聚焦透镜，透镜与晶片接触的面仍为平面，而声透视面为凹曲面。面，而声透视面为凹曲面。 第70页/共86页第七十一页，共86页。当与声透镜凹曲面接触的第二介质当与声透镜凹曲

42、面接触的第二介质(jizh)的声速的声速c2小于透镜中声速小于透镜中声速c1时、透射声波具有聚焦作用，透时、透射声波具有聚焦作用，透镜的凹面曲率半径为镜的凹面曲率半径为第71页/共86页第七十二页，共86页。在环氧透镜在环氧透镜(tujng)水浸聚焦的情况下，水浸聚焦的情况下，r可近似为可近似为第72页/共86页第七十三页，共86页。当聚焦声束射入工件时当聚焦声束射入工件时，工件中的焦点深度如，工件中的焦点深度如图所示，并可根据下列图所示，并可根据下列公式进行计算公式进行计算式中式中、f及及 H图中已标图中已标明明(biomng)，c1、c2分分别为水中和工件中的声别为水中和工件中的声速。速。

43、第73页/共86页第七十四页，共86页。2-1-5 超声波传播中的衰减超声波传播中的衰减 超声波传播过程中遇到障碍物，就可超声波传播过程中遇到障碍物，就可能产生若干现象能产生若干现象(xinxing)，这些现象，这些现象(xinxing)与障碍物的大小有关。与障碍物的大小有关。 如果障碍物的尺寸比超声波的波长小如果障碍物的尺寸比超声波的波长小得多，则它们对超声波的传播几乎没有得多，则它们对超声波的传播几乎没有影响。影响。 如果障碍物的尺寸与超声波的波长近如果障碍物的尺寸与超声波的波长近似，其声阻抗与周围介质不同，则超声似，其声阻抗与周围介质不同，则超声波将发生不规则反射、折射和透射。波将发生不

44、规则反射、折射和透射。 第74页/共86页第七十五页，共86页。 这些现象都是波的散射，是造成超声波在介质传这些现象都是波的散射，是造成超声波在介质传播时、随着传播距离的增加其能量播时、随着传播距离的增加其能量(nngling)逐渐逐渐减弱的主要因素，称为衰减。减弱的主要因素，称为衰减。 其它两种造成超声波衰减的因素是由于声束传播其它两种造成超声波衰减的因素是由于声束传播时扩散和由于介质的吸收。时扩散和由于介质的吸收。 在多晶体金属材料中，散射是造成超声波衰减的在多晶体金属材料中，散射是造成超声波衰减的主要原因。主要原因。第75页/共86页第七十六页，共86页。 散射现象主要取决于材料内部组织

45、、超声波波长和散射现象主要取决于材料内部组织、超声波波长和散射体的形状。散射体的形状。 当组织为粗晶当组织为粗晶(如铸态组织、奥氏体焊缝等如铸态组织、奥氏体焊缝等)或组织中或组织中有大量第二相时，特别是当它们的尺寸有大量第二相时，特别是当它们的尺寸(ch cun)与超声与超声波波长相当时，散射现象特别严重。波波长相当时，散射现象特别严重。 第76页/共86页第七十七页，共86页。 超声散射时产生的不规则反射波和折射波现象，超声散射时产生的不规则反射波和折射波现象，在荧光屏上表演为林状回波在荧光屏上表演为林状回波(或草状回波或草状回波)干扰信号干扰信号，使信噪比下降，降低检测灵敏度。，使信噪比下降，降低检测灵敏度。 工件表面粗糙度也对衰 减 产 生 影 响 ， 采 用工件表面粗糙度也对衰 减 产 生 影 响 ， 采 用(ciyng)的超声波频率愈高时散射愈严重。的超声波频率愈高时散射愈严重。第77页/共86页第七十八页，共86页。 吸收是由于介质的粘滞性造成的质点之间的摩擦引吸收是由于介质的粘滞性造成的质点之间的摩擦引起的，它使一部分能量起的，它使一部分能量(nngling)转变为热能。转变为热能。 吸收与介质粘滞系数、导热系数及频率的某次方成吸收与介质粘滞系数、导热系数及频率的