超声仪培训教材之声学基础讲稿

砼超声检测技术第一部分声学基础

第一章振动与波

一、波的产生1.波的产生质点振动－质点在一定位置附近重复运动弹性介质－相互间由弹性力联系着的质点组成的物质2.质点在弹性介质中的振动产生波3.简谐振动方程简谐振动方程x=Acos(ωt+φ）x－位移A－振幅，离开平衡位置的最大位移ωt+φ－相位：确定物体在时刻t所处的位置ω－角频率ω＝2nfφ－初相位弹性介质模型1—质点；2—小弹簧二、波的分类机械波－机械振动在弹性介质中的传播1.波过程，如：声波、水波等电磁波－电磁振荡引起的变化的电场与磁场在空间的传播，如：无线电波、紫外线、光线等2．声波声波是机械波，按频率可分为：次声波0～20Hz可闻声波20～20kHz超声波20kHz～1010Hz(如：砼超声20k～250kHz）特超声波＞1010Hz金属超声三、波的种类1.按质点振动方向与传播方向关系分类纵波（P波）—质点振动方向与波的传播方向一致，如声波；介质时疏时密，容积变形引起压强变化而传播，与容变弹性有关，可以在固体、液体、气体中传播。横波（S波）—质点振动方向与波的传播方向垂直，介质剪切变形引起剪切应变力变化而传播，与切变弹性有关，只能在固体中传播。纵波、横波迭加产生其它类型的波表面波（R波）－纵向振动与横向振动迭加形成园振动，沿介质表面传播，只能在固体中传播

表面波板波（兰姆波）扭转波拉伸波2．波的形式①

声波在无限大且各向同性介质中向各方向传播波线－传播的方向波前－振动传播到的各点的轨迹波阵面－介质中振动同相位的所有质点的轨迹②

按波阵面分平面波－波阵面是平面，振源是无限大平面球面波－波阵面是球面，振源是点源柱面波－波阵面是同轴园柱面，振源是无限长园柱（a）

平面波；（b）球面波；（c）柱面波1－波线；2－波前；3－波阵面四、波动方程

1．波动方程的意义平面波在无吸收，无限大均匀介质中沿X方向传播波动方程图波动方程：

y：波线上任意一点（距原点X）的质点任一时刻t的位移V：波速2．波速V－振动传播的速度周期T－质点完成一次振动的时间波长λ－在周期T内波传播的距离频率f－每秒振动的次数λ=v·Tλ=v/f例：V＝4000m/sf＝50kHzλ＝80mm波的频率，振幅，相位也就是质点振动的频率，振幅，相位第二章固体中的波速一、纵波波速VP1．

无限大介质

2．薄板介质（板厚<<λ）

3．细长杆（横向尺寸<<λ）砼VP＝4500m/sVL=4368m/sVO＝4280m/s常见几种介质中的纵波声速砼VP＝3500－4500m/s空气Va

=340m/s水Vw＝1500m/s钢材（钢管）Vi＝5800m/sPVC管VP＝2350m/s纵波波速与固体介质的特性(密度、弹性模量E、泊松比）和固体介质的边界条件有关二、横波波速VS无限大介质中

G－切变模量

三、表面波波速VR

当介质尺寸>>λ，半无限大与无限大物体波速相近第三章声场声场指充满声波的空间一、声压PP＝P1－PO单位：帕（斯卡）＝N/m2

P1－某点某瞬时的压强PO－同一点没有声强时的压强声压与频率成正比，所以超声波比可闻声波的声压大二、声强J垂直于声波传播方向上单位面积，单位时间内通过的声能量为声强，超声波的声强远大于可闻声波的声强三、声阻抗率ZZ=ρ·V砼Z＝108×104g/cm2.s第四章声波在介质界面的反

射与折射（透射）

声界面指声阻抗率Z不同介质的界面一、垂直入射

声压反射率

声压透射率

Z1＝Z2R＝0，D＝1Z2>>Z1R-->1几乎全反射，如空气--砼Z2<<Z1R-->－1几乎全反射，反射波反相二、斜入射

反射定律i=β折射定律在固体介质的界面声波的方向，角度及波型均要发生变化

第一临界角：若入射波是纵波，且v1p<v2p，折射角θp＞入射角ip当θp＝900时的入射角ip称为第一临界角i1

若入射角＞第一临界角，第二种介质中只有折射横波，这是产生横波的一种方法第五章声波的衰减声波在传播过程中振幅随传播距离的增大而逐渐减少的现象称为衰减一、产生衰减的原因1．吸收声能热能2．散射多次反射、折射，波型转换3．扩散波束扩散使能量分散二、三衰减三系数声压P=P0e-a三x衰减三系数吸收三衰减三系数aa正比三于f或f2散射三衰减三系数as正比三于f2或f4总的三衰减