超声波检测的物理基础课件

超声波检测的物理基础超声波检测的物理基础1第一章超声波检测的物理基础一、波动(一)振动与波物体或质点在某一平衡位置附近作往复运动，这种运动状态就叫做机械振动，简称振动。如果物体或质点作周期性直线振动，它离开平衡位置的距离与时间可以用正弦或余弦函数表示，称为简谐振动。这是最基本最重要的周期性直线振动。第一章超声波检测的物理基础一、波动2例如钟摆的运动，弹簧振子的运动，以及弦线和一切发声体的运动等。振动和波动是物质的基本运动状态。振动的类型很多，除了简谐振动外，还有固有振动、受迫振动、阻尼振动等，这些振动都是较为复杂的振动，但基础是简谐振动，复杂振动可以通过傅利叶分析的方法分解为多个简谐振动。所以，在超声检测中，进行有关振动的分析时，常用弹簧振子Q作为基本分析模型。例如钟摆的运动，弹簧振子的运动，以及弦线和一切发声体的运动等3弹簧振子受力振动后，振子Q离开平衡位置位移量X随时间t的变化规律可由下列余弦函数（或正弦函数）描述：

X=Acos（2πt/T+φ）或X=Acos(ωt+φ)=Asin(ωt+φ+π/2)（1-2）式中，X为t时刻振子Q离开平衡位置的距离；A为振幅，表示振子Q在振动过程中的最大位移量；T为周期，振子Q在平衡位置附近振动一次所需要的时间；f为频率，单位时间内振子Q振动次数，与周期互为倒数，即f=1/T。赫兹（Hz）单位为每秒振动一次1兆赫为1MHz；（ωt+φ)为相位角，振子Q在振动过程中某一瞬间（t时刻）所处的位置。在t=0时刻的相位角，称为初始相位；ω为圆频率，表示在秒内的振动周期数?(每振动一次时间为360度)。振幅A、周期T、频率f和相位角（ωt+φ）是描述简谐振动的基本物理参数。弹簧振子受力振动后，振子Q离开平衡位置位移量X随时间t的变化4(二)波动波动简称波，它是振动或振荡在物体或空间中的传播；振动是产生波动的根源。波动是振动的结果，是物质的基本运动形式之一。波动可分称两大类，一类是机械波，另一类是电磁波。两者有很大的本质区别，不可混淆。(二)波动波动简称波，它是振动或振荡在物体或空间中的传播；振5区别机械波是机械振动在弹性介质中引起的波动过程。例如水波、声波、超声波等。电磁波则是电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在物体中或空间(如真空)的传播过程，如无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线等。区别机械波是机械振动在弹性介质中引起的波动过程。例如水波、声6

1、机械波动的条件机械波的产生除了需要振动波源，还必须有传播波动的弹性介质。弹性介质是相互间由弹性力连系着的质点所组成的物质，例如超声检测的大量金属及非金属固体工件，自然界中的其他液体和大多数气体等。质点通过相互间弹性联系，就可将振动能传输到足够远，这就是波动过程。超声波声波归属于机械振动范畴。因此，产生超声波的条件：(1)要有产生高频机械振动的声源；

(2)要有传播超声波的弹性介质。

1、机械波动的条件7

2、波动方程描述介质中质点相对于平衡位置的位移随时间变化的方程称为行波的波动方程。波动方程式也可写成：

y=Acos（ωt--kx）(1-3)波动方程的物理意义：(1)当距离x一定时，位移y仅为时间t的函数。这时波动方程表示x处振动情况；(2)当时间t一定时，位移y是距离x的函数。这时波动方程表示某一时刻同一波线上各质点的位移情况；(3)当t和x都变化时，波动方程表示在任意时刻波线上任意一点的位移情况，k=ω/c为波数，波速也称相位速度。

2、波动方程8二、超声波的特性(一)声波的种类超声波是声波的一种，广泛地应用于无损检测中。声波是在弹性介质中传播的机械波，其种类按频率范围可以分为四类：次声波频率在20Hz以下，人耳听不到；声波在20Hz～20KHz之间，人耳可闻；

超声波20KHz～1000MHz，人耳不可闻；

特超声波在1000MHz以上，人耳不可闻。

二、超声波的特性(一)声波的种类9适用的频率超声波探伤常用的频率为0.25MHz~15MHz。对金属材料一般频率为

0.5~10MHz。钢结构焊缝常用频率为1~5MHz。陶瓷常用频率则为2.25~10MHz。对铸铁、非金属声衰减强烈的粗晶材料，甚至采用25KHz~0.25MHz的频率。适用的频率超声波探伤常用的频率为0.25MHz~15MHz10

(二)超声波的特性之一1、束射特性因为超声波频率较高，波长较短，声束指向性较好，可使超声能量向一个确定的方向集中辐射，所以利用超声波可在被检工件内部发现缺陷，又便于缺陷定位；(二)超声波的特性之一11超声波的特性之二2、反射特性超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面时会产生反射、透射或折射，这些现象主要由入射角度和不同介质的声学特性决定。例如超声脉冲反射法的基本原理就是利用超声波在缺陷与材料间异质界面的反射来发现缺陷的；超声波的特性之二12超声波的特性之三3、传播特性超声波在弹性介质中传播时，质点振动位移小、振速高，强度与频率的平方成正比，因此，其声压和声强远大于声波，使得超声检测具有很强的穿透能力。在大多数介质中传输能量损失小，传播距离大，在一些金属材料中检测范围可达数米；超声波的特性之三3、传播特性13超声波的特性之四4、波型转换特性超声波斜入射在两个声速不同的异质界面上容易实现波型转换。纵波、横波、板波、表面波都可以通过压电晶片产生的纵波在异质界面实现不同波型的转换。横波探伤、表面波探伤就是利用这一转换特性的例示。还有反射和折射横波等。因此，波型转换的条件是斜入射。但是在钢/水界面，横波无波型转换。超声波的特性之四4、波型转换特性14三、超声波的波型(一)纵波L质点振动方向与波动传播方向相同或互相平行的波型称为纵波。当弹性介质受到交替变化的拉伸、压缩应力作用时，就会产生交替变化的伸长和压缩形变，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又作用于相邻的质点而在介质中传播，受力质点的间距也会相应产生交替的疏密变化，产生纵波。纵波也称为“压缩波”或“疏密波”，用L表示。三、超声波的波型(一)纵波L15

纵波L图2.2.1

纵波L图2.2.116(二)横波S

质点振动方向与波动传播方向相互垂直的波型称为横波。当固体弹性介质受到交变的剪切应力作用时，产生剪切变形，介质质点就会产生相应的横向振动，质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波型称为横波。因横波是在剪切应力作用下产生的，故也称剪切波或切变波，用S表示。(二)横波S17横波S图2.2.2横波S图2.2.218

(三)表面波

当固体介质表面受到交替变化的应力作用时，质点作相应的纵横向复合振动。这种质点振动所引起的波动传播只在固体介质表面进行，故称表面波。换言之，表面波就是当交变的表面张力作用于固体表面时，产生沿介质表面传播的波。这是著名物理学家瑞利于1887年首先提出来的，因此表面波又称为瑞利波。(三)表面波当固体介质表面受到交替变19介质中的瑞利波图2.2.3介质中的瑞利波图2.2.320表面波检测表面波通常只能检测距工件表面两倍波长(2λ)深度以内缺陷。超声波纵波倾斜入射到界面上，且入射角大于第二临界角时，第二介质中既无折射纵波，又无折射横波，在第二介质表面形成表面波。这是表面波探头的设计原理和依据。当瑞利波在传播途中碰到棱边时，若棱边曲率半径R大于5倍波长，表面波可不受阻拦地完全通过。当R逐渐变小时，部分表面波能量被棱边反射；当R≤(波长)时，反射能量很大。在超声波探伤中利用这种反射特性来检测工件表面和近表面的缺陷，以及用来测定表面裂纹深度等。表面波检测表面波通常只能检测距工件表面两倍波长(2λ)深度以21(四)板波板波狭义地讲仅指兰姆波。它是在板厚与波长相当的弹性薄板状固体中传播的声波。即在板中传播的波既有振动方向与板面垂直的横波(简称SV波)又含有振动方向与板面平行的纵波(简称P波)。(四)板波板波狭义地讲仅指兰姆波。22各种波型的比较表2.2.1各种波型的比较波型质点振动特点传播介质应用纵波振动方向平行于播向固、液、气体钢板、锻件探伤横波振动方向垂直于播向固体介质焊缝、钢管探伤表面波质点椭圆运动，长轴垂直播向固体介质钢管、薄板探伤短轴平行播向板波对称(S)型上下表面：椭圆运动中心：纵向振动固体介质(波长薄板)薄板薄壁管探伤非对称(A)型上下表面：椭圆运动中心：横向振动各种波型的比较表2.2.1各种波型的比较23主要特征量

周期、频率、波长、波速为四个特征量。令波在一个周期T内所传播的路程为波长，用λ表示。根据频率f和波速C的定义，四者关系如下：

C=fλ=λ/T(1-4)

波动每传播一个波长，波的相位就变化ωλ/C=2π，也即相隔整数倍波长的各点是作同相位振动的。令k=ω/c=2π/λ，k称为波数，描述波动的常用物理量。主要特征量周期、频率、波长、波速为四个特征量24四、波形波阵面的形状即波形。波阵面是指波动传播过程中某一瞬时振动相位相同的所有质点联成的面。某一时刻，最前面的波阵面，也即该时刻波动到达的空间所有的点的集合称为“波前”，这是波阵面的特例。波动传播方向称为“波线”。若按波阵面的形状来区分可把不同波源激发的超声波分为平面波、活塞波、球面波和柱面波等。四、波形波阵面的形状即波形。波阵面是指波动传播过程中某一瞬时25定义超声波从声源向四周围传播扩散的过程用波阵面描述。波线：在无限大且各向同性的介质中振动向各方向传播，其传播方向用波线表示。波阵面：同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面。波前：某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面。定义超声波从声源向四周围传播扩散的过程用波阵面描述。26(一)平面波具有相互平行平面状波阵面的超声波为平面波。平面波可以看成为一个无限大的平面声源，在各向同性的弹性介质中作简谐振动所传播的波动。平面波的波阵面与声源平面平行，且沿直线传播时具有良好的方向性。若无吸收，声压不随距离变化。理想的平面波是不存在的，但如果声源截面尺寸比它所产生的波长大得多时，该声源发射的声波可近似地看作是指向一个方向的平面波。若不考虑介质的衰减，平面波声压不随声源距离的变化而变化。(一)平面波27平面波平面波28（二）球面波

具有同心球面状的波阵面的超声波称为球面波。球面波可以看成是点状球体源在各向同性弹性介质中以相同的速度向四面传播声波所致。球面波的波源为一点，它的波阵面为球面，见图2.2.7所示。尺寸远小于波长的点源在各向同性的介质中传播的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩散，当不考虑介质衰减时，球面波各质点的振幅与距离成反比。离源的距离越远，点源的辐射面积也越大，单位面积上的声能（即声强）就越小。即声强与距离平方成反比。（二）球面波具有同心球面状的波阵面的超声波称为球面波29球面波球面波30(三)柱面波

具有同轴圆柱面状的波阵面的超声波称为柱面波。柱面波可以看成是由具有类似无限长细长柱体的形状的线源，在各向同性无限大介质中传播所致。理想的柱面波是不存在的，当线源长度远远大于波长、而其径向尺寸又比波长小得多时，此柱形源产生的波动可看成柱面波。(三)柱面波具有同轴圆柱面状的波阵面的超声波称为柱面波31柱面波柱面波32小结一1、物理基础1.1波动方程与超声特点

Y=ACOS(2пt/T+

φ)=ACOS(ωt+φ)

束射性反射性传播性波型转换1.2超声波传播波阵面和波形连续波和脉冲波驻波波型声速声强声阻抗1.3超声波衰减扩散散射吸收小结一1、物理基础33小结二2.1超声场圆盘源纵波声场指向性(半扩散角，近场长度，非扩散区)声压反射系数(斜入射反射/折射—临界角)入射角等于反射角；纵波反射角大于横波反射角；液体气体无横波2.2回波声压和分贝差条件公式例示—计算法；试块法不同规则反射体回波分贝差公式小结二2.1超声场34小结三2.3超声波探伤仪模拟式数字式测厚仪2.4换能器与试块划分横波、纵波探头（直探头、斜探头）标准和对比试块（设计、制造和应用）DAC曲线制作和使用（适用性、可靠性、比较性等方面）小结三2.3超声波探伤仪35小结四3、焊缝超声波探伤探测面准备；换能器选择；定位法(水平、垂直、声程定位法)；定量法(当量法；测长法)；测长法(半波高度法；端点峰值法)。

4、超声波探伤在钢构检测中的重要性非破坏性的手段质量安全的卫士小结四3、焊缝超声波探伤36复习要点一计算K2探头查铝焊缝求深度；焊缝UT折射角范围；锻件探伤计算法求缺陷当量；探头半扩散角；底波高度法调节仪器，求分贝数。思考为什么超声波会在工件中衰减？什么是第一、第二、第三临界角？什么时候纵波入射会产生横波全反射现象？超声检测底波高度法调节仪器应满足的条件是什么？为什么超声纵波直探头在钢中近场长度比水中的短？复习要点一计算37复习要点二名词

UT原理；弹性介质；声阻抗；折射现象；UT频率；声速；压电晶片；扫查盲区；脉冲波；平面波球面波声压；声强；压电效应。概念

超声传播条件；不漏检措施；回波微弱；CSK-IA试块；半圆试块；DAC(JB4730)；声束近场长度；阻尼块；晶片厚度；水/钢界面横波。复习要点二名词38五、连续波和脉冲波根据波源振动的持续时间长短分类，波动主要有两种。随时间变化的方式：一种是连续波，另一种是脉冲波。波源振动连续且持续时间为无穷的波动，形成连续波，如图所示；波源间隙振动，持续时间有限或很短(通常为微秒数量级)的波动，且间歇辐射或只在一段时间内有振幅的波动，形成脉冲波。五、连续波和脉冲波根据波源振动的持续时间长短分类，波动主要有39连续波图1-10a连续波图1-10a40脉冲波图1-10b脉冲波图1-10b41频谱分析超声检测最常用的是脉冲波。一个脉冲波可分解为多个不同频率的谐振波的叠加。主要进行频谱分析。频谱特征量有峰值频率、频带宽度和中心频率。带宽：峰值两侧幅度下降为峰值的一半时的两点频率值之间的频率范围。-6dB-3dB中心频率：峰值两侧幅度下降的两点频率值的算术平均值频率fc。频谱分析超声检测最常用的是脉冲波。一个脉冲波可分解为多个不同42六、超声波的传播超声波传播的速度就是波动在单位时间内的传播距离，在声学中又称声速。声速与传播介质的密度和弹性模量有关。在超声波检测中，声速是缺陷定位的基础。不同的波型具有不同的声速。(一)无限大固体介质中的声速当介质尺寸远远大于超声波波长时，该传播介质就可以看成是无限大介质。六、超声波的传播超声波传播的速度就是波动在单位时间内的传播距43固体声速固体无限大弹性介质中纵波声速公式(1-8)式中，E为介质的正弹性模量或杨氏模量；为介质密度；σ为介质的泊松比，表示介质拉伸时横向相对缩短与相对伸长之比。固体无限大弹性介质中横波声速公式(1-10)式中，G为介质的剪切弹性模量，表示固体介质承受切应力与切应变之比。固体声速固体无限大弹性介质中纵波声速公式(1-8)44声速比由于液体和气体的G=0，故Cs=0。固体无限大弹性介质中的表面波声速公式(1-11)纵波、横波和表面波均可在固态弹性介质中传播，不同波型的声速有较大差异。在同介质中，纵波与横波声速之比和表面波与横波声速之比为

CL：CS：CR=1.8：1.0：0.9声速比由于液体和气体的G=0，故Cs=0。固体无限大弹性介质45物理意义一1、固体无限大弹性介质中声速与杨氏模量E或切变模量G、介质密度有关。介质不同，声速不同。介质的弹性性能越强、即E或G越大，越小，则声速C越大；如果频率相同，则在同介质中纵波波长最长，横波次之，瑞利波长最短。物理意义一1、固体无限大弹性介质中声速与杨氏模量E或切变模量46物理意义二2、材料的泊松比取值范围为[0,1]，同一介质中纵波声速大于横波声速。同样在同一介质中传播时，纵波速度最快．横波速度次之，表面波速度最慢，即CL>CS>CR。由于缺陷检出能力和分辨能力均与波长有关，一般波长越短，检测灵敏度越高。所以，纵波对缺陷的检出能力和分辨率要低于横波。物理意义二2、材料的泊松比取值范围为[0,1]，同一介质中纵47物理意义三3、工程中采用的各种钢材，虽然不同种类的钢材的屈服极限、强度极限等力学性能相差很多，但它们的弹性模量E、密度和泊松比相差不多，所以声速也相差不多。以普通钢材的泊松比0.28，代入公式,可知钢中Cl/Cs=1.8;Cr/Cs=0.92。钢中纵波声速约为横波声速的(1.8)2倍，瑞利波声速约为其横波声速的0.92倍。这是超声波的一个重要性质，对于超声检测有其实际意义。物理意义三3、工程中采用的各种钢材，虽然不同种类的钢材的屈服48液体、气体介质中的声速液体、气体介质中的声速公式

C=(B/ρ)

½

(1-9)由理想气体状态方程式推导出液体和气体介质中的纵波声速公式。Ka为与材料泊松比、波型有关的常数。对于液体而言是体积弹性模量，对于气体是体积膨胀系数为温度的函数；γ为定压分子热容量和定容分子热容量的比值；R为气体常数；T为绝对温度；μ为气体的分子量。液体、气体介质中的声速液体、气体介质中的声速公式49声速随温度升高而降低在液体和气体中的纵波声速是容变弹性模量和密度的函数。弹性模量越大、密度越小，声速就越大。多数介质密度随温度升高，容变弹性模量减少，因而声速随温度升高而降低。但是水例外，温度在74°C左右时声速最大，当温度低于74°C时，声速随温度升高而增大；当温度高于74°C时，声速随温度升高而降低。

声速随温度升高而降低在液体和气体中的纵波声速是容变弹性模量和50不同温度下水中声速水浸法超声探伤以水为耦合介质，水中声速可由下式表示：Cl=1557－0.0245×(74-t)²米/秒(1-12)式中t为水的温度(°C)。不同温度下水中声速见表1-2。表1-2不同温度下水中声速温度(°C)1020304050607080声速(m/s)14481483151015301544155215551554不同温度下水中声速水浸法超声探伤以水为耦合介质，水中声速可由51(二)波的叠加、干涉及驻波1、波的叠加现象在一个介质中某一点有几个声波在同一时刻到达时，该点的振动是各个声波在该点所引起振动的合成，任一时刻该质点的位移是各个声波在这一质点上引起位移的矢量和，这是声波叠加原理。各列波相遇之后，每一个波仍保持自己原有的特性（频率、波长、振动方向等）不变，并按自己传播的方向继续前进，如同在各自的传播过途中没有遇到其他波一样，这说明波传播的独立性。因此，又称波的独立性原理。(二)波的叠加、干涉及驻波1、波的叠加现象52相干波源2、波的干涉当两列频率相同、振动方向相同、相位差恒定（特殊情况是相位相同）的波动在介质某些点相遇后，因为波动的叠加，会使一些点处的振动始终加强，而在另一些点处的振动始终减弱甚至完全抵消，这称为波的干涉现象。能够产生干涉现象的波称为相干波，其波源称为相干波源。相干波源2、波的干涉53驻波两个振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播叠加而成的波，称为驻波。驻波是波的干涉的特例。驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅为零处称为波节。相邻波腹和波节的距离为四分之一波长，其出现的位置取决于介质的声阻抗，两个相邻波腹或波节之间的距离为二分之一波长。超声波的传播方向上的介质厚度恰为二分之一波长整数倍时，就能产生驻波现象。驻波两个振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播叠加而成的54

(三)惠更斯原理1、惠更斯原理1690年惠更斯在波动的起源和波动在弹性介质中传播的规律研究基础上，得出通过障碍物上小孔所形成新的波动与孔前的波动状态有关的结论。著名的惠更斯原理：介质中波动传到的各点都可以看作是发射子波的波源，在其后的每一时刻，这些子波的包络就决定了新的波阵面。利用该原理，通过作图的方式来确定波前的几何形状和不同波源辐射的超声波的传播方向。(三)惠更斯原理1、惠更斯原理552、波的衍射波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，称为波的衍射或波的绕射。根据惠更斯原理，缺陷边缘可看作是发射子波的波源，改变波的传播方向，从而使缺陷背后的声影缩小，反射波降低。当障碍物尺寸小于波长时，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检。反之，障碍物尺寸大于波长，则反射强，绕射弱，声波几乎全反射。对探伤是有利：波的绕射使超声波能顺利地绕过晶粒在介质中传播。不利：会使小缺陷回波显著下降，易漏检。2、波的衍射波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障56七、超声场的特征值超声场：充满超声波的空间；超声波：在NDT领域，用电脉冲激励超声换能器的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动形成的波动，在与其接触的弹性介质中传播，产生超声波。较为完整的概念定义：超声波及其在传播过程中所占据的空间称为超声场。超声场的特征值：声压、声强和声阻抗等。七、超声场的特征值超声场：57(一)声压P在介质中，无超声波传播时介质质点也会有压强。如比重为

的液体介质中，液面下h处，会有压强P0＝h

。这称为静压强。声压是声波传播过程中介质质点在交变振动的某一瞬时所受压强P1与静压强P0之差即P=P1-P0声压是声波传播过程中所形成的附加压强，它相对于无超声波传播时介质质点的静压强而言。声压的单位是帕斯卡。(一)声压P在介质中，无超声波传播时介质质点也会有压强。如比58声压幅值通常把声压振幅简称为“声压”，并使它与A型脉冲反射式探伤仪示波屏上回波高度建立一定的线性关系，通过比较不同反射体的回波高度比较其声压。由P=ρcv可知，介质中某点的声压幅值与介质密度、声速和质点振动速度v成正比。

声压幅值通常把声压振幅简称为“声压”，并使它与A型脉冲反射式59(二)声强定义单位时间内在垂直于声波传播方向的单位面积上所通过的声能量为声强。声强也称声强度，以“I”表示。对于简谐波也常将一周期中能流密度的平均值作为声强。平均声强与频率的平方成正比。声强的单位为瓦每平方米。(二)声强60分贝声强级Δ=lg(I1/I2)声强级的单位为贝尔(Bel)。工程上因为贝尔的单位比较大，应用时将其缩小10倍后以分贝为单位，用符号dB表示：

Δ=10lg(I1/I2)分贝声强级Δ=lg(I1/I2)61声强级通常说某处的噪声为多少分贝，就是相对标准声强而言。各种声音和超声波分贝值如树叶沙沙声约10dB；说话声约50dB；大炮声约100dB；超声波为200dB等。待定声强与标准声强之比的常用对数就是声强的声强级。声强级通常说某处的噪声为多少分贝，就是相对标准声强而言。各种62回波声压和波高当超声波探伤仪具有较好的放大线性(垂直线性)时，两个反射体的回波声压和与它们各自在示波屏上形成的回波高度成正比。常用声压比(波高比)对应的dB值见表2.2.5。表2.2.5常用声压比(波高比)对应的dB值P1/P2(H1/H2)10543.221.11dB20141210610回波声压和波高当超声波探伤仪具有较好的放大线性(垂直线性)时63换算关系奈培是两个同量纲的量之比值取e为底自然对数(分贝则以10为底的常用对数)后的单位，以Np表示。即Δ=ln(P2/P1)=ln(H2/H1)(1-)分贝和奈培的换算关系为

1Np=8.68dB1dB=0.115Np例示：示波屏上一波高80mm，另一波高20mm，问前者比后者高多少分贝和奈培？解：Δ=20lg(H2/H1)=20lg(80/20)=12(dB)；则Δ=0.115×12=1.38(Np)。换算关系奈培是两个同量纲的量之比值取e为底自然对数(分贝则以64(三)声阻抗在声压的表达式P=ρcv中，若同一声压，ρc越大，则v越小；反之，声阻抗越小，质点振动速度越大。ρc称为介质声阻抗，是介质本身的性质，表示介质对质点振动的阻碍作用，用“Z”表示。声阻抗能直接表示介质的声学特性，不同介质的声阻抗相差很大。超声波在不同介质的分界处的行为与相关介质的声阻抗有密切的关系。常用液体介质的密度及声阻抗和常用固体介质的声阻抗分别见表。气体、液体、金属之间特性阻抗之比接近于1：3000：80000。(三)声阻抗在声压的表达式P=ρcv中，若同一声压，ρ65轴对称超声场

超声场中不同点的声压变化，就用每点处的声压幅值代表该点的声压。介质中没有异质物体存在时，各点的声压（幅值）主要由该点的位置决定。因为圆形平面晶片是典型的辐射声源，在各向同性介质中产生的超声场具有轴对称特点，所以主要讨论晶片辐射的纵波轴对称超声场。轴对称超声场超声场中不同点的声压变化，就用每点处的声66超声的近场区超声波探头的中心轴线上的与声源相距x点的声压方程：(1-39)式中，P0为声源的起始声压；

D为圆形平面晶片的直径；

λ为超声波在介质中波长。圆平面晶片辐射声源的中心轴线上的声压分布，在距声源较近处，由于压电晶片上的各个点辐射源到轴线上同一点的声波的相位差会引起声波的干涉现象而使得瞬时声压存在着若干个周期性的极大值和极小值，这使得不同的点上的声压变化很大，由该区域的回波信号无法正确获取缺陷的有关信息。该区域被称为超声近场区。超声的近场区超声波探头的中心轴线上的与声源相距x点的声压方程67近场区长度N声压幅值取极值最大的x，这个x就是近场区长度N。当D»2λ，有N=(D²-λ²)/4λ=D²/4λ远场区超声波声压与声程有较明确关系。当声程较大时，声压与声程反比关系。

对示波屏上的超声波幅值的变化的分析，可以得到结构内部缺陷的大小、位置的明确的信息，实现对结构内部缺陷的检查。

近场区长度N声压幅值取极值最大的x，这个x就是近场区长度N。68声束指向性θ表征声源辐射场特征的另一个重要特性是声束的指向性。声源向一个确定的方向集中辐射超声波束的性质就是声源的声束指向性。声束指向性反映了声场中声能的集中程度和几何边界。超声探伤要求定量定位所用的超声场必须具有良好的声束指向性。主声束的边界与声源轴线的夹角就称为半扩散角，通常用θ表示。

声束指向性θ表征声源辐射场特征的另一个重要特性是声束的指向性69半扩散角θ若声束半扩散角越小，则超声波的辐射能量越集中，声束指向性就越好，对缺陷的定位精度越高，对不同缺陷分辨力及检测的灵敏度也越高。直径为D的圆形晶片激发波长为的超声波时的半扩散角表示为θ=70λ/D(度)边长为a的正方晶片激发波长为超声波时的半扩散角表示为θ=57λ/a(度)半扩散角θ若声束半扩散角越小，则超声波的辐射能量越集中，声束70非扩散区b在波源附近存在着这样一个区域，声波并没有扩展，声束可以看成是一个圆柱体，离波源不同距离处的平均声压基本不变，就称为非扩散区。非扩散区是一个圆柱形区域，其长度b=1.67N或1.64N，N为近场区长度。在非扩散区（x≤b），超声波的波阵面为平面，形成平面波声场，其声压不随与声源的距离的变化而变化。当x>b时，超声波声束扩展；当x>3N时，超声波声束以球面波传播。

非扩散区b在波源附近存在着这样一个区域，声波并没有扩展，声束71超声场的扩散

图1-34超声场的扩散图1-3472例题：用2.5MHz直径20mm的纵波探头探伤，求在钢和水中近场长度、半扩散角和未扩散区长度多小？解：已知声速，钢中5900m/s，水中1480m/s，则λ钢=5.9/2.5=2.36mm；λ水=1.48/2.5=0.6mm近场长度钢中N=(20×20)/(4×2.36)=42.4mm；水中N=400/(4×0.6)=167mm半扩散角钢中θ=(70×2.36)/20=8.26°

水中θ=(70×0.6)/20=2.1°未扩散区长度钢中b=1.67N=1.67×42.4=70mm；水中b=1.67N=279mm例题：用2.5MHz直径20mm的纵波探头探伤，求在钢和水中73产生超声波的其他方法电动力学法磁致伸缩法机械法即冲击或摩擦热效应法或激光超声静电法其他产生超声波的其他方法电动力学法74八、超声波的衰减（一）衰减原因：超声波在均匀介质中的衰减主要有以下三个原因：（1）声束扩散；（2）介质颗粒引起的散射；（3）介质对波动能量的吸收。扩散衰减与传播介质无关，衰减程度由波形和传播距离确定。平面波声束不扩散，声强、声压不随传播距离的变化而变化，无扩散衰减。球面波声强与传播距离的平方成反比，声压则与传播距离成反比。柱面波则声强与传播距离成反比，声压与传播距离的平方根成反比。八、超声波的衰减（一）衰减原因：超声波在均匀介质中的衰减主要75(二)衰减系数

设Px为距声源x处的声压；P0为声源的辐射声压；α为衰减系数，包括散射和吸收衰减，表示单位厚度介质对超声波的衰减，单位为dB/mm。Px=P0exp(-αx)衰减系数的测定材料衰减的测定方法有相对比较法和绝对法两种。多块试样测定法、多次脉冲反射法(二)衰减系数设Px为距声源x处的声压；P0为声源的辐射76例1：厚度为200mm的钢件，测得第五次底面回波与第二次底面回波高度dB差为Vmn=14dB，求试样的衰减系数？解：试样的衰减系数=(Vm-n--20lgn/m)/2(n-m)T=(14dB-20lg5/2)/1200=0.005(dB/mm)对于厚度大于200mm(要求T≥3N)的板材，考虑到扩散衰减，在大平底面、上下互相平行、不沾油污、测试处无缺陷的条件下，可以根据第一、二次底波B1、B2高度来测定衰减系数α=(20lgB1/B2-6)/2T式中，T为工件的厚度。例1：厚度为200mm的钢件，测得第五次底面回波与第二次底面77例2：厚度为400mm的钢件，在相同探测条件下，测得底波一次回波100%，二次回波20%，求该钢件衰减系数？全程衰减量？解：钢件的衰减系数

=(20lgB1/B2-6)/2T=(20lg100/20-6)/2×400=(14-6)/800=0.01dB/mm例2：厚度为400mm的钢件，在相同探测条件下，测得底波一次78例3：用2.5MHz直探头探测厚度为200mm的饼形锻件，测得底波高B1=80%，B2=35%。若不计底面反射损失，求锻件的衰减系数？解：锻件的衰减系数=[(20lgB1/B2)-6]/2T=[(20lg80/35)-6]/2×200=0.003dB/mm例3：用2.5MHz直探头探测厚度为200mm的饼形锻件，测79例4：用5MHz直探头探测厚度为15mm的钢板，测得底波高B1=80%，B5=40%。若每次底面反射损失为1.2dB，求钢板的衰减系数？解：钢板的衰减系数

=[(20lgB1/B5)-4△]/2T=[(20lg80/40-4×1.2]/2×(5×15-15)=1.22/2×60=0.01dB/mm例4：用5MHz直探头探测厚度为15mm的钢板，测得底波高B80九、超声波发射声场与回波声压(一)超声平面波在大平界面垂直入射超声波在异质界面上的反射、透射和折射规律是超声波探伤的重要物理基础。当超声波垂直入射于两种介质的分界面时，一部分能量反射回第一种介质内部，形成反射波，不考虑能量的损耗时，可认为其余的能量穿透分界面进入第二种介质继续传播，称为透射波。反射波和透射波声能的分配由两种介质的声阻抗决定。九、超声波发射声场与回波声压(一)超声平面波在大平界面垂直入81超声波垂直入射单一平面界面1、反射、透射定律的声压和声强

Pi+Pr=Pt定义反射波、入射波的声压之比为声压反射率Rp，透射波、入射波的声压之比为声压透射率Dp；反射波、入射波的声强之比为声强反射率Ri，透射波、入射波的声强之比为声强透射率Di。

超声波垂直入射单一平面界面1、反射、透射定律的声压和声强82声压(强)反射率声压(强)透射率能量守恒Rp=[Z2-Z1]/[Z2+Z1]Dp=2Z2/[Z2+Z1]RI=[Z2-Z1]²/[Z2+Z1]²DI=4Z2Z1/[Z2+Z1]²PI+DI=11+RP=DP声压(强)反射率声压(强)透射率能量守恒Rp=83两个条件当超声波垂直入射到两种声阻抗不同的大平界面上时，声压或声强的分配比例，仅与两侧声阻抗有关。在界面两侧声波，必须符合两个条件：(1)界面两侧的总声压相等，即达到力的平衡：Pi+Pr=Pt；(2)界面两侧的质点振动速度幅值相等，且声强满足能量守恒定律:RI+DI=1。两个条件当超声波垂直入射到两种声阻抗不同的大平界面上时，声压84(二)斜入射的反射、折射和波型转换1、纵波、横波的斜入射超声平面波以一定的倾斜角入射到异质界面上产生反射和折射，遵循反射和折射定律。同时，超声波在一定条件下界面上还会产生波型转换现象，这种现象在垂直入射时不会发生。由于气态和液态的介质不能传播横波，因此，斜入射时的波型转换现象还与界面两侧介质的状态有关。设超声波纵波以入射角倾斜入射到分界面。一部分超声波在界面上的反射，返回介质1。在这部分超声波中，既有纵波，又有横波。还有一部分超声波通过该界面折射进入介质2。同样在这部分超声波中，也是既有纵波，又有横波，如图2.2.24。(二)斜入射的反射、折射和波型转换1、纵波、横波的斜入射85纵波斜入射

图2.2.24反射纵波和横波的反射角γL和γs

、折射纵波和横波的折射角βL和βs与纵波和横波分别在第一、第二介质中的声速CL1Cs1CL2和Cs2之间满足如下反射、折射定律：

sinαL/CL1=sinγL/CL1=sinβL/CL2=sinβs/Cs2纵波斜入射图2.2.2486横波斜入射同样，超声波横波以入射角倾斜入射到分界面时，有

sinαL/Cs1=sinγL/CL1=sinβL/CL2=sinβs/Cs2从式中可见，如果是纵波入射，反射波中的纵波的反射角等于入射角，反射横波的反射角小于入射角；如果是横波入射，反射波中的纵波的反射角大于入射角，横波的反射角等于入射角。即横波反射声束总是位于纵波反射声束与法线之间。另横波折射角也总是位于纵波折声束与法线之间。横波斜入射同样，超声波横波以入射角倾斜入射到分界面时，有872、波型转换在反射波和折射波中，除了有和入射超声波同类型的超声波外，还有不同类型的超声波，即入射的纵波会产生反射和折射的纵波和横波，入射的横波也会产生反射和折射的纵波和横波。这称为波型转换现象。但是应该注意到，由于液态和气态介质不能传播横波，所以不是任何情况下反射波和折射波都有波型的转换。2、波型转换在反射波和折射波中，除了有和入射超声波同类型的超88举例(1)界面波型转换:介质1为固体2为液体，纵波入射在介质2中没有折射横波；(2)介质同(1)，横波入射介质2只有折射的横波；(3)介质1为液体，2为固体，纵波入射在介质1中只有反射纵波；在入射角较小且介质1声阻抗较大下，才可能有折射纵波和折射横波；(4)两介质均液体，只纵波入射,反/折射均纵波；(5)两种介质均固体，入射波为纵波横波，反射波折射波中既有纵波又有横波。声波从固体斜射至空气在固体中存在反射纵波和(或)横波。举例(1)界面波型转换:介质1为固体2为液体，纵波入射在介质893、临界角纵波第一临界角如果超声波纵波的声束倾斜入射到两种介质的交界面上，并且纵波在第二介质中的波速大于第一介质，相应地纵波的折射角必定大于纵波的入射角，并且折射角会随着入射角的增大而单调地增大。3、临界角纵波第一临界角90纵波第一临界角定义：纵角波斜入射使固体中βL=90°的纵波入射αL称为纵波第一临界角

αLK1=arcsin[CL1/CL2]物理意义：如果入射角大于第一临界角，纵波在界面全反射，第二介质中就没有纵波传播，只存在折射横波。这种纵波全反射的现象出现的条件为CL2>CL1纵