超声波物理基础

超声波检测

下一页在线超声波探伤一、超声波检测物理基础二、超声检测仪器、探头和试块三、超声波检测的通用技术目录结束第一章超声波检测物理基础

第一节机械振动和机械波一、机械振动一个物理量的值在观测时间内不停地经过极大值和极小值的周期变化，这种变化状态称为振动。如果振动量是个力学量，如位移、角位移等，所作的振动称之为机械振动。如图1－1。1、表征振动的参数周期T：完成一次全振动所需的时间，常用单位秒(s)。频率f：单位时间内完成全振动的次数，单位为赫兹(Hz)。1Hz＝1次/秒＝秒－1；1MHz＝106Hz。

图1—1弹簧的振动平摆的振动2、振动方程最简单最基本的直线振动称为谐振动，任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。描述谐振动质点M位移y与时间t关系的谐振动方程如下：

y＝Acos(ωt＋φ)（1－1）式中：y——为振动幅度在任一瞬间时t的数值；A——为振幅，是y的最大值；ω——角频率(角速度)，ω＝2πf；φ——初始相位角，即t＝0时质点M的相位；(ωt＋φ)——质点M在t时刻的相位。可用图1－2来进一步说明物体谐振动时，位移是时间的正弦或余弦函数。图1—2二、机械波和声波1、机械波的形成机械振动在介质中的传播称为机械波，机械振动在弹性体中的传播称之为弹性波（声波）。图1—3是弹性体的模型，可用来说明机械波的形成。产生机械波的两个条件：作机械振动的波源；传播振动的介质。图1--32、超声波

如果以频率f来表征声波，并以人的可闻频率为分界线，则可把声波划分为次声波（f＜20Hz）、可闻声波（20Hz≤f≤20kHz）和超声波（f＞20kHz）。在超声波检测中最常用的频率范围为0.5～10MHz。3、三个表征波动的参数：频率f：波在单位时间内通过给定点的完整波的个数称为波的波动频率；波长λ：波在一个周期内传播的距离称为波长；波速c：声波在单位时间所传播的距离称为波速。c＝λf（1－2）4、波动方程如图2—4所示，当振动从O点传播到B点时，B点开始振动。由于振动从O点传播到B点需要时间x/c，因此B点的振动滞后于O点x/c秒，即B点在t时刻的位移等于O点在(t－x/c)时刻的位移：（1－3）式中：k——波数，k＝ω/t＝2π/λ；x——B至O点的距离。波动方程式（1－3）描述了波线上任意一点在任意时刻的位移情况。图1—45、连续波、简谐波和脉冲波连续波：介质各质点振动持续时间为无穷的波动，见图1—5a。简谐波：介质各质点都作同频率的谐振动的连续波。脉冲波：介质各质点振动持续时间有限的的波动，见图1—5b。图1—5连续波与脉冲波脉冲波的频谱：根据傅里叶分析，对于非周期的振动都可认为是由无限多个频率连续变化的谐振动的合成，即可将脉冲波视为具有一定频率范围的连续频率的简谐波的合成。这个频率范围称之为频带宽度。脉冲越窄频谱越宽，脉冲越宽频谱越窄，图1—6。

图1—6脉冲的频谱第二节超声波的传播一、波的类型纵波：介质中质点振动方向与波的传播方向一致的波，一般用L表示，图1—7。横波：介质中质点振动方向与波的传播方向向垂直的波，一般用S表示，图1—8。图1—7纵波图1—8表面波：当固体弹性介质表面受到交替变化的表面张力作用时，介质表面的质点就产生相应纵向振动和横向振动，其结果导致质点作这两种振动的合成振动，即绕其平衡位置作椭圆轨迹的振动，这种振动的传播形成表面波，是一种沿固体表面传播的波。图1—9。由于液体和气体不能产生剪切应变，故不能传播横波和表面波，只能传播纵波图1—9由于液体和气体不能产生剪切应变，故不能传播横波和表面波，只能传播纵波二、波形(指波的形状)

波形中波线、波前和波阵面的概念，图1—10。

波线：波动的传播方向。

波前：某一时刻振动传播到最前沿的各质点的轨迹。

波阵面：在同一时刻介质中振动的相位相同的所有轨迹。

图1—10波线、波前、波阵面1、平面波：

波阵面为平面的波称为平面波，图1—10a，波幅不随距离变化。

波动方程为：y=Acosω（t－x/c）

2、球面波：

波阵面为同心球面的波称为球面波，图1—10b，其波动方程如1-4式：从式中看出，波幅与距离成反比。（1-4）3、柱面波：波阵面为同轴柱面的波称为柱面波，图1—10c，其波动方程如1-5式：从式中看出，波幅与距离的平方根成反比。（1-5）第三节声波的波动特性一、波的叠加当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。几列波相遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进，好象在各自的途中没有遇到其他波一样，这就是波的迭加原理，又称波的独立性原理。波的迭加现象可以从许多事实观察到，如两石子落水，可以看到两个以石子入水处为中心的圆形水波的迭加情况和相遇后的传播情况。又如乐队合奏或几个人谈话，人们可以分辨出各种乐器和各人的声音，这些都可以说明波传播的独立性。二、波的干涉当两个频率相同，振动方向相同、相位相同或相位差恒定的波在介质某点相遇后，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或完全抵消，这种现象称为波的干涉。这两束波称为相干波，波源称为相干波源。如图1—11，点波源S1、S2分别在M点引起的振动为：点M的合振幅为：y＝Acos(ωt＋φ)式中：A1、A2——S1、S2在M点引起的振幅；A——M点的合振幅；λ——波长；δ——波程差，δ=x2－x1。（1-6）图1—11(1)当δ＝nλ(n为整数)时，A＝A1+A2。这说明当两相干波的波程差等于波长的整数倍时，二者互相加强，合振幅达最大值。

(2)当δ＝(2n+1)λ／2(n为整数)时，A＝│A1－A2│。这说明当两相干波的波程差等于半波长的奇数倍时，二者互相抵消，合振幅达最小值。若A1＝A2，则A＝0，即二者完全抵消。波的迭加原理是波的干涉现象的基础，波的干涉是波动的重要特征。在超声波探伤中，由于波的干涉，使超声波源附近出现声压极大极小值。三、驻波两个振幅和频率都相同的相干波，在同一直线上沿相反方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，见图1—12驻波。设入射波和反射波的波动方程为：y入=Acos2π(ft－x/λ)；y反

=Acos2π(ft＋x/λ)则驻波的波动方程为：由驻波方程可知：y=y入＋y反=2Acos（2πx/λ）cos2πft（1—7）（1）驻波波线上各点作振幅为│2Acos2πx／λ│的谐振动，x满足│cos2πx／λ│＝0的那些点，振幅恒为0，即这些点始终静止不动，称为波节。x满足│cos2πx／λ│＝1的那些点，振幅最大；为2A，称为波腹。波线上其余各点的振幅在0和2A之间。故驻波波线上各点似乎在作分段振动。

（2）驻波波线上波节和波腹的位置是特定的，相邻两波节或波腹的间距可用下述方法求得。对于波节处cos2πx／λ＝0有2πx／λ＝(2n+1)π／2∴波节的位置：x＝(2n+1)λ／4于是相邻两波节的间距为：Δx＝[2(n+1)+1]λ／4一(2n+1)λ／4＝λ／2同理可得相邻两波腹的间距也等于λ／2。由于波节与波腹相间出现，所以相邻波节与波腹的距离为λ／4。由此可见，对于两端固定的弦线，只有当弦线长度等于半波长λ／2的整数倍时，才能形成驻波。这就是超声波探头中压电晶片(波源)的设计依据。(3)形成驻波时，在界面处产生波节还是波腹与两种介质的疏密程度有关，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，在界面反射处产生波节；反之，则在界面反射处产生波腹。如超声波垂直入射到水／钢界面，就会在水／钢界面处形成位移波节；超声波垂直入射到钢／水界面，就会在钢／水界面处形成位移波腹。图1—12驻波四、惠更斯原理

如前所述，波动是振动状态的传播，如果介质是连续的，那么介质中任何质点的振动都将引起邻近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动，因此波动中任何质点都可以看作是新的波源。据此惠更斯于1690年提出了著名的惠更斯原理：介质中波动传播到的各点，都可以看作是发射子波的波源，在其后任意时刻这些子波的包迹就决定新的波阵面。图1—12是其例证。

惠更斯原理在超声检测中获得了广泛的应用。如图1—13所示，一个作活塞式振动的压电晶片，振动面上各点以速度c向外辐射超声波，设在t时刻的波前为S1，在t＋Δt时刻的波前为S2，具体画法如下，先以Sl面上各点为中心，以cΔt为半径，画出许多球形子波，再柞相切于各子波的波前的包迹面，就得新的波前S2。

图1—13按惠更斯原理从子波画出新的波前图1—12障碍物的狭缝成为新的波源第四节声场及其特征量充满声波的空间称为声场。声场特征量有声压、声阻抗、声强。声压：超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P1与没有超声波存在时的静态压强P0之差，称为该点的压强P。P＝P1－P0根据动量原理和波动方程可导出：P＝ρcAωcos(ωt＋φ)＝ρcv（1—8）式中：ρ——介质密度；v——介质质点振动速度；c——波速。声压P的绝对值与介质密度ρ、波速c、角频率ω成正比，而ω＝2πf，所以声压也和频率f成正比。超声波检测中测量的量值就是声压。声压的单位是压强的单位：Pa(帕斯卡)声阻抗：超声场中任意点的声压与该点振动速度之比，Z＝p/v＝ρcv/v＝ρc（1—9）由v＝p/Z可看出，声压不变，v与Z成反比，Z↑，v↓声强：在垂直于声波传播方向的单位面积上，单位时间内通过的平均能量，称为声强度，简称声强，用符号I表示，单位：瓦/㎝2。（1—10）声强与声压的平方成正比。声强级及单位：声强I1与标准声强I0之比的常用对数称为声强级，单位：贝尔

IL＝lg(I1/I0)（Bel，贝尔）（1—11）标准声强是听觉的最小声强：I0＝10－16瓦/㎝2实际使用嫌贝尔太大，取其1/10，称为分贝dB

IL＝10lg(I1/I0)dB（1—12）因声强与声压的平方成正比，故式（1—12）可写为：

IL＝10lg(P12/P22)＝20lg(P1/P2)（1—13）第五节波速声波在介质中传播的速度称为波速，又称声速。波速的大小取决于波型和传播介质特性，其一般表达式为：（1—14）式中：E——正弹性模量；ρ——介质密度；K——与材料泊松比σ有关的常数。一、液体的纵波波速如前所述，液体介质只能传播纵波，其纵波波速为：

（1—15）式中：cl——纵波波速；Ka——介质的体积弹性模量；ρ——介质密度。

二、无限大固体介质的纵波波速

（1—16）

式中：cl——纵波波速；E——介质的杨氏弹性模量；σ——介质的泊松比。三、无限大固体介质的横波波速（1—17）式中：ct——横波波速；G——介质的剪切弹性模量；ρ——介质密度。四、半无限大固体介质中的表面波波速当泊松比σ在0＜σ＜0.5的范围内，其近似式为：（1—18）在同一固体介质中cl

/ct≈2；对钢而言cl

/ct≈1.8，cr

/ct≈0.92。因此，在固体介质中，cl＜ct＜cr。这一性质在超声检测中有其实际意义。第六节超声波垂直入射到界面的反射和透射一、反射率和透射率（见图1—14）声压透反率：（1—19）声压透射率：（1—20）声强反射率：

（1—21）声强透射率：（1—22）

式中：P、Pr和Pt——分别表示入射声压、反射声压和透射声压；I、Ir和It——分别表示入射声强、反射声强和透射声强；Z1、Z2——分别表示第一介质和第二介质的声阻抗；m——Z1/Z2。根据能量守恒定律：R＋T＝1；T＝1－R＝1－rp2；R=rp2；（1—23）即tP－rp＝1或tP＝1＋rp图1—14垂直入射的反射和透射1、介质对反射、透射的影响

⑴Z2＞Z1

以水/钢界面为例，如图1—15所示：从而可知，反射声压、透射声压与入射声压都是同相位。⑵Z2＜Z1以钢/水界面为例，如图2—16所示：从而可知，反射声压与入射声压相位相反，透射声压相位与入射声压仍相同。图1—15图1—16从钢入射至水的界面两边声压分布⑶Z1>>Z2

例：钢空气界面，此时Z1(钢)＝46×106kg/m2·s,Z2(空气)＝0.0004×106kg/m2·s，则声压反射率为：rp＝(0.0004－46)/0.0004＋46≈－1

声压透射率为：tP＝1＋rp＝1＋(－1)＝0

结果表明，在这种情况下声波全反射。⑷Z1≈Z2rp

＝(Z2－Z1)/(Z2＋Z1)≈0tP＝1＋rp＝1＋0＝1例如普通碳钢焊缝的母材金属和焊缝金属声阻抗仅相差1％，在焊缝探伤时，超声波从母材金属射入焊缝金属，其m≈0.99，则声压反射率为：rp

＝(1－m)/(1＋m)＝(1－0.99)/(1＋0.99)＝0.005

声压透过率为：

tP＝1＋rp＝1＋0.005≈1结果表明，在这种情况下声波全透射。2、声压往复透过率

实际探伤中，探头发出声波经过工件表面进入工件，遇反射体（例如底面）被反射回来又经过工件表面到达探头。声波往复通过工件界面后的声压与探头发出声压之比，称为声压往复透过率，参见图1—17。声压往复透过率不难导出，设声压往复透过率为TP，输入至工件表面的声压为P，穿透入工件内的声压为P1返回工件表面的声压为Pt′，则：TP＝Pt′/P＝P·tp入·tp出/P

＝tp入·tp出＝2Z2/(Z2＋Z1)·2Z1/(Z2＋Z1)＝4Z1

Z2/(Z2＋Z1)2＝1－rp2（1—24）图1—17声压往复透过率3、薄层双平界面

（1）Z1＝Z3≠Z2，如图1—17所示，当薄层厚度很小时，通过薄层的声压反射率和透射率可由式1—25和式1—26表示。(1-25)

(1-26)式中：d2——异质薄层厚度；λ2——异质薄层中的波长；m＝Z1/Z2

上两式说明:当d2＝nλ2/2（n＝1、2、3……），即d2等于λ2/2的整数倍时，r＝0，t＝1，如工件中有一缺陷（例如钢板中的夹层），其厚度刚好为λ2/2的整数，超声波就探不出来。当d2＝(2n＋1)λ2/4，即d2等于λ2/4的奇数倍时，r→rmax，t→tmin，超声波反射率最高，透射率最低，有利于缺陷的检出。当d2/λ2、Z2一定时，Z1↑，m＝Z1/Z2↑，r↑，t↓，这说明大的工件检测灵敏度高。总的说来，超声波垂直入射到薄层时，其声压反射率、透射率不仅与两种介质的声阻抗Z1、Z2有关，而且与d2/λ2有关。（2）Z1≠Z2≠Z3

这种情况下的声强透射率T可由下式描述：

(1-27)

由上式可知：当d2＝nλ2/2（n＝1、2、3……）或d2→0时，

T＝4Z1Z3/(Z1＋Z3)2(1-28)当d2＝(2n＋1)λ2/4，即d2等于λ2/4的奇数倍，且Z2＝(Z1Z3)1/2时这说明在这种条件下，声强透射率与薄层无关，好像不存在薄层。(1-29)这一点对于探头保护膜的设计很重要。为了使保护膜透声良好，选择材料时，应使其声阻抗满足Z保护膜＝(Z晶片Z工件)1/2，且厚度应设计为λ保护膜/4的奇数倍第七节超声波倾斜入射到界面的反射和透射一、倾斜入射到界面的反射、折射和波型转换1、纵波倾斜入射(如图1—18a所示)，当纵波L倾斜入射到固/固界面时，会同时产生反射纵波L’、反射横波S’、折射纵波L”和折射横波S”。它们的反射角或折射角遵守斯涅耳定律，由下式表示：(1-30)式中：cL1、cS1—分别为第一介质中的纵波、横波波速；cL2、cS2—分别为第二介质中的纵波、横波波速；αL、α’L—分别为纵波入射角、反射角；βL、βS—分别为纵波、横波折射角；α’S—横波反射角。

上式表明，所有入射角、反射角或折射角的正切与所在介质相应波速之比都相等。就反射而言，因在同一介质中，故纵波反射角等于纵波入射角。纵波倾斜入射会产生反射横波和折射横波，这种现象通常称之为波型转换。（波型转换是一个很重要的概念）图2—18声波倾斜入射示意图2、横波倾斜入射

如图1—18b所示，当横波S倾斜入射到固/固界面时，同样会产生反射纵波L’、反射横波S’、折射纵波L”和折射横波S”。

它们的反射角或折射角同样遵守斯涅耳定律，由下式表示:

(1-31)式中：αS—横波入射角。其余符号同式1—30。横波倾斜入射时同样会超生波型转换。图1—18声波倾斜入射示意图二、临界角

1、第一临界角

由式1—30及图1－19a可以看出，当cL2＞cL1时，则βL＞αL，随着αL的增加，βL也跟着增加。当αL增加到一定程度时，βL＝90°如图1—20a所示，这时所对应的纵波入射角称之为第一临界角，用α1表示，这时在第二介质中只有横波存在。

(1-32)图1—19临界角示意图2、第二临界角图1—19临界角示意图

由式1—30及图1－19a可以看出，当cS2＞cL1时，则βS2＞αL1，随着αL1的继续增加，βS也跟着增加。当αL继续增加到一定程度时，βS2＝90°如图1—19b所示，这时所对应的纵波入射角称之为第二临界角，用α2表示。

(1-33)

这时在第二介质中即无纵波也无横波，开始在界面出现表面波。3、第三临界角由式1—31及图1－19b可以看出，因cL1＞cS1，则α’L＞αS，随αS增加，α’L也增加。当αS继续增加到一定程度时，α’L＝90°如图1—20c所示，这时所对应的横波入射角称之为第三临界角，用α3表示。

(1-34)在这种情况下第一介质中只存在反射横波。在实际的横波斜探头探伤中，入射到工件中的横波斜射到与探测面平行的底面，对底面的横波入射角都大于第三临界角，故不会出现反射纵波；如射到不平行探测面的反射面上，则横波入射角有可能小于第三临界角，从而出现反射纵波与反射横波同时存在的情况，如图1-20所示示例。图1—20横波入射产生变形纵波示例三、倾斜入射到界面的反射率、折射时的往复透过率

前面只谈到了声波倾斜入射反射波和折射波的方向，而在各方向的声压或往复透射率怎么样，也应是我们关注的问题。

1、倾斜入射到钢—空气界面的反射率

图1—21是一个极坐标图，经线表示角度，纬线表示声压反射率。该图表示的是纵波入射到钢/空气时的情况。随着纵波入射角从0°逐渐增加，纵波声压反射率从1.0逐渐下降；而在60°与70°之间纵波声压反射率达到极小值；纵波入射角继续增大，纵波声压反射率又随之增大直到1.0。图1—21右边的图是表示的横波反射率的变化。随着纵波入射角从0°逐渐增加，横波声压反射率逐渐增加，大约在横波反射角达到25°左右时，横波声压反射率达到极大值（注意横波反射角小于纵波入射角）。该极大值与纵波反射率的极小值基本上是相对应的，即反射纵波声压进入极小值的区域，其能量大部分给予了反射横波。

图1—21图1—22表示的是横波入射到钢/空气时的情况。随着横波入射角从0°逐渐增加，横波声压反射率从1.0逐渐下降；而在20°与30°之间横波声压反射率达到极小值；横波入射角继续增大，横波声压反射率继续随之增大，当横波反射角α’S≥33.2°时横波声压反射率等于1.0。图1—22右边的图是表示的纵波反射率的变化。随着横波入射角从0°逐渐增加，纵波声压反射率逐渐增加，直到达到第三临界角（注意纵波反射角大于横波入射角），纵波声压反射率可达到4.0以上。这时与横波反射率的极小值基本上是相对应的，即反射横波声压进入极小值的区域，其能量大部分给予了反射纵波。

图1—222、倾斜入射到水/钢、有机玻璃/钢界面的往复透过率

实际超声波探伤中横波斜探头探伤时，超声波往复

透过同一探测面，因此声压往复透过率更具实际意义。

如图1—23所示，超声波倾斜入射，其折射波垂直射

到一反射面上产生全反射。探头接收到的回波声压

Pa与入射声压P0之比称为声压往复透射率,用T表示，

T＝Pa/P0。

图1—24为纵波斜入射至水/钢界面时的声压往复透

射率与入射角的关系图。图上表明，当纵波入射角

小于14.5°(第一临界角)时，折射纵波往复透射率

不超过13％，折射横波往复透射率小与6％。当纵

波入射角为14.5°～27.27°(第二临界角)之间时，

钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波往复透射率最高不到20％。

图1—23斜入射声压往复透射率示意图图1—24水/钢界面声压往复透射率图1—25为纵波斜入射至有机玻璃/钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系图。图中表明，当纵波入射角小于27.6°(第一临界角)时，折射纵波往复透射率小于25％，折射横波往复透射率小与10％。当纵波入射角为14.5°～27.27°(第二临界角)之间时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波往复透射率最高不超过30％，最高往复透射率时所对应的纵波入射角约为30°，横波折射角约为37°。

从图上还可看出，折射角在35°～50°之间往复透射率比较高，更大的折射角往复透射率相对较低。

图1—25有机玻璃/钢界面声压往复透射率四、端角反射

(图1—26端角反射示意图)超声波在两个平面构成的直角内的反射称为端角反射，如图1—26所示。在端角反射中超声波经历了两次反射，如不考虑波型转换，第二次反射回波与入射波互相平行，回波声压Pa与入射波声压P0之比称为端角反射率，用T端表示，即T端＝Pa/P0。

图1—27为钢空气界面上钢中的端角反射率与入射角（指声束射至端角平面的角，如图1—27中的α）的关系图。图1—27(a)是纵波入射端角的情况，端角反射率大都很低，这是因为纵波在端角的两次反射中分离出较强的横波。图1—27(b)是横波入射端角的情况，入射角等于30°或60°附近时，端角反射率最低。入射角在35°～55°之间时，端角反射率达100％。也就是说，横波斜探头的折射角βS为35°～55°（K＝tgβS＝0.7～1.43）之间时，探测类似端角的缺陷（例如焊缝中的未焊透）灵敏度较高，βS＞55°（K＞1.5）灵敏度较低。

从图1—27还可看出，对端角的入射角在0°或90°附近时，无论是纵波还是横波，端角反射率理论上都是很高的。但实际上由于边界效应，探测灵敏度并不一定高。

图1—26端角反射示意图图1—27端角反射率与入射角的关系第八节声波在曲面上的聚焦和发散一、平面波在曲面上的反射和折射1、平面波在曲面上的反射:当平面波入射到曲界面上时，其反射波将发生聚焦或发散，如图1—28。反射波的聚焦或发散与曲面的凹凸(从入射方向看)有关。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。⑴平面波入射到球面时，其反射波可视为从焦点发出的球面波。在曲面轴线上距曲面顶点x处的反射波声压Px为：(1-35)式中：f—焦距，f＝r／2，(r为曲率半径)；x—轴线上某点至顶点的距离;

P0—顶点处入射波声压；“土”—“＋”用于发散，“一”用于聚焦。⑵平面波入射到柱面时，其反射波可视为从焦轴发出的柱面波。在曲面轴线上距曲面顶点x处的反射波声压Px为:(式中字母含义同1-35)。(1-36)图1—28平面波在曲界面上的反射2、平面波在曲面上的透射

平面波入射到曲界面上时，其折射波也将发生聚焦或发散，如图1—29。这时折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面两侧介质的波速有关。对于凹透镜，当c1＜c2时聚焦，当c1＞c2时发散；对于凸透镜，当cl＞c2时聚焦，当cl＜c2时发散。图1—29平面波在曲界面上的透射⑴平面波入射至球面透镜时，其折射波可视为从焦点发出的球面波，

曲面轴线上距曲面顶点x处的折射波声压Px为：（1—38）

式中：t—声压透射率；f—焦距；“土”—“＋”用于发散，“一’用于聚焦。

f＝r／(1一c2／c1)＝r／(1一1／n)（1—39）

式中：n＝c1/c2

⑵平面波入射到柱面透镜，其折射波可视为从焦轴发出的柱面波。

轴线上x处的折射波声压Px为:(式中字母含义同1-38)

实际探伤用的水浸聚焦探头就是根据

平面波入射到cl>c2的凸透镜上，折射波发

生聚焦的特点来设计的，如图1—30，这

样可以提高探伤灵敏度。通常用有机玻璃

或环氧树脂作声透镜，晶片与透镜接触的

声入射面为平面，其焦距按式1—39计算。

当声射线离开镜面后，汇聚于轴线上距镜

面f处附近，由于波在焦点附近的干涉结果，

声束并非聚焦为一个“点”，而是一个具

有一定大小的椭球，形成一个聚焦区域。图1—30使用聚焦探头示意图二、球面波在曲面上的反射和透射

1、球面波在曲面上的反射

球面波入射到曲界面上，其反射波将发生聚焦或发散，如图1—31。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。

(1)球面波在球面上的反射波，可视为从像点发出的球面波。轴线上距顶点为x处的反射波声压Px为：

(1-40)

(2)球面波在柱面上的反射波，既不是单纯的球面波，也不是单纯的柱面波，而是近似为两个不同的柱面波叠加。轴线上距顶点为x处的反射波声压为：

(1-41)

以上两式中

P1／a—球面顶点处入射波声压；

f—焦距，f＝r／2；

a—球面顶点至波源的距离；

“土”—“＋”用于发散，

“一’用于聚焦。图1—31球面波在曲界面上的反射

(3)球面波在实心圆柱体中的反射

采用超声波径向探伤大型实心圆柱形锻件时，如图1—32，类似于球面波在凹柱面上的反射，反射波聚焦于像点。以x＝a，f＝a／4代入(1—41)式取“一”得到圆柱面上入射点处的反射回波声压：P柱＝P1/2a＝P平（1－42）这说明实心圆柱体曲底面反射与同距离平底面反射，二者在入射点处的反射回波声压理论值是相同的。实际上，由于柱面耦合不良（接触面小）其回波一般都低于平底面回波。(4)球面波在空心圆柱体中的反射采用超声波径向探伤大型空心圆柱形锻件时，如图1—33，类似于球面波在凸柱面上的反射，反射波发散。以x=a，f＝r/2代入式（1—41）取“＋”得到圆柱面上入射点处的反射回波声压：这说明入射点处空心圆柱体的反射声压总是低于同距离的平底面的反射声压。这是由于凸曲面反射波发散的结果。另外还可看出，当圆柱体外径(2R)一定，内孔径直径(2r)增加时，其反射回波升高。图1—32实心圆柱体反射波声压图1—33空心圆柱体反射波声压2、球面波在曲面上的透射

球面波入射到曲界面上，当其发生透射时，其折射波同样会发生聚焦和发散，如图1—34。轴线上距顶点x处的折射波声压为：（式中：c2/c1—透射介质与入射介质波速之比。）

球形界面：

柱形界面：

图1—34球面波在曲界面上的折射第九节超声波的衰减

超声波在介质传播时，随着传播距离的增大声压逐渐减弱的种现象称为衰减。一、衰减的原因1、由声束扩展引起的衰减在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声束不断扩展增大，因此单位面积上的声能(或声压)随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。扩散衰减仅取决于波阵面的几何形状而与传播介质的性质无关。在远离声源的声场中，球面波的声压P与至声源距离a成反比(即P∝1/a)，而柱面波则为P∝(1/a)1/2。对于平面波，声能(或声压)不随传播距离而变化，不存在扩散衰减。2、由散射引起的衰减由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中有外来杂质、金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，声能被消耗，声强（或声压）被减弱，这种衰减称为散射衰减。3、由介质的吸收引起的衰减超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子弛豫造成的吸收，这些就是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。二、衰减规律和衰减系数

1、衰减规律

对于平面余弦波来说，声压衰减规律可用下式表示：

P＝P0e－2αs（2—46）

式中：P0—入射到材料界面上时的声压；P—超声波在材料中传播一段距离s后的声压；α——衰减系数。

需要指出的是，对于大多数固体和金属介质来说，通常所说的超声波的衰减，即由α(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减αs和吸收衰减αa，它们与被检材料的材质有关,故称为材质衰减。而不包括仅与波阵面形状有关的扩散衰减如果考虑衰减的扩散部分，则在距声源（晶片）中心轴线上某一距离处(s＞3N)，可将衰减公式写成：（1-47）式中：α—衰减系数，α＝αs＋αa；A—声源（晶片）面积；λ—波长；s—距声源距离。吸收衰减系数αa可表示为：αa＝c1f（c1—与晶粒大小和各向异性无关的常数）；f—超声波频率。散射衰减系数αs根据晶粒大小（d）与波长（λ）之比分为三种情况：

d<<λ：αs=c2Fd3f4

d≈λ：αs=c3Fdf2

d>>λ：αs=c4F/d

式中：c2、c3、c4—常数；F—各向异性因子；d—晶粒直径。

上述表明，材质衰减与超声频率有关，频率f↑，则α↑，反之亦然。三、衰减系数的实用测量方法1、对于薄材料：（1—48）式中：α—材料的单程衰减系数；m、n—底波的反射次数；Bm、Bn—第m、n次底波高度；δ—每一次反射的损失(一般为0.5～1.0dB)；T—工件厚度。2、对于厚工件

α＝(20lgB1/B2－6—δ)/2T（1—49）

式中：B1、B2—第1、2次底波高度；6—扩散衰减引起的分贝差；δ—反射损失；T—工件厚度。第十节超声场超声波分布的空间称为超声场。一、超声波产生原理简介原则上，凡是能将其他形式能量转换成超声的能量，都可以用来产生超声波。但在超声检测中，目前应用最多的是利用某些晶体或多晶陶瓷，例如石英、锆钛酸铅、铌酸锂等，的压电效应来获得超声波。

在压电晶体某一方向(如厚度方向)施加应力，使其应变，晶体两面这时会分别产生正、负电荷，形成电场，这种效应称为正压电效应；在压电晶体的某一方向施加电场，晶体两面这时会产生应变，这种效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称压电效应。如在晶体两面施加高频交变电压，晶体就会相应地伸长或缩短，产生机械振动，从而通过弹性介质辐射出高频声波。二、纵波超声场

纵波圆盘声源在声束轴线上声压的分布根据叠加原理和波的干涉理论，声束轴线上任何一点处的声压等于声源上各点辐射的声压在该点的迭加，如图1－35所示。由于压电晶片上各点到达该点的距离不同，叠加时有相位差，因而在整个声束轴线上出现有声压极大值和声压极小值的起伏。如果声源发出的波为连续简谐波，且不考虑衰减，则圆盘形纵波声源在声束轴线上瞬时的声压分布可由式（1－50）表示，按该式得出的声束轴线上瞬时的声压分布曲线如图1—36所示。

公式（1－50）：

式中：P0——声源的起始声压；

P——声束轴线上距声源距离

为a处的声压；

D——晶片直径；

λ——波长；

a——距声源距离。图1—35圆盘源轴线上声压推导图图1—36从图1—37和式1—50可知，声束轴线上声压随距离的变化规律是一个正弦周期函数，在N区(近场)内瞬时声压Pa在0～2P0(声压幅值)内变化，有几个极大极小值。只有当传播距离a(声程)大于N值时，声压随a的增加呈单调下降，只有当a＞6N时，Pa与a的关系才符合Pa∝1/a，即距离增加一倍，声压下降一半。最后一个极小值在N/2处。

1、近场距离(长度)

声束轴线上最后一个声压极大值点至声源的距离称为近场距离或近场长度以N表示。根据数学原理，可从式(1－50)推导出：

式中：A—晶片面积；D—晶片直径；λ—波长。

当晶片直径D远大于波长λ时，λ／4可忽略不计，则N可由公式表达

(1-51)对方形晶片，把方晶片的面积，代入式1—51算出近场长度:(1-51)式中：a、b—分别为方形晶片的两个边长。F—晶片面积。

距离小于N的范围称为近距离声场，简称近场；距离大于N的范围称为远距离声场,简称远场。图1－37中还表示出了球面波声压曲线(图中虚线所示曲线)。可以看出，在远场中，在距离a≥3N时，圆盘源轴线上的声压与球面波的声压之间的差别已甚小，a≥6N时，已基本符合球面波规律，即：P∝1/a；a＝2N时，误差近乎为10％，a＝1.6N时，误差约为15％。

图1—372、轴线声压的简化计算

当a≥3N时，式1—47可近似地简化为：

（1—53）

式中：Fs—声源面积。

式1—53表明，当a≥3N时，圆盘源轴线上的声压与距离成反比，与声源面积成正比，符合球面波规律。3、近场区在二种介质中的分布在实际工作中，有时近场区分布于两种不同的介质中，如图1－38。此时需要了解近场在两种介质中的分布，特别是在被检测工件内近场的长度。如果超声场全部在第一介质中，近场值为N1＝FS

/(πλ)＝D2f/(4c1)（c1为第一种介质的声速）；如果超声场全部在第二介质中，近场值为N2＝FS

/(πλ)＝D2f/(4c2)（c2为第二种介质的声速）。设声波先经厚度为l1的第一种介质再进入第二种介质，见图1—38，则可将第一种介质的厚度L1折合成第二种介质的长度L1’，则：N’＝N2－L1′＝N2－L1c1/c2

＝-L1

c1/c2

（1—54）

图1—384、指向性

同样根据叠加原理，声源辐射场内

任一点的声压也可以用声源上各点辐射

声压在该点叠加来计算，如图1－39。

图1—40用直角坐标和极坐标表示了

在远场，垂直于声束轴线的某一截面的

声压分布情况。图中说明，超声波能量

主要集中在声束轴线附近，两侧的声压

很低并略有起伏，对应Y＝3.83、7.02、

10.17的位置出现零值。将Y＝3.83的第

一零值至晶片中心的连线与声束轴线形

成的夹角θ定义为指向角，（也称半扩

散角），其值可由下式求出：θ=sin－1(1.22λ/D)≈1.22λ/D(弧度)（1—55a）≈70λ/D(弧度)（1—55b）式中：λ——波长；D——晶片直径。对于方形晶片其值可由下式求出：θ=sin－1(λ/a(或b))≈λ/a(或b)(弧度)（1—56a）≈57λ/a(或b)(度)（1—56b）式中：a、b——方晶片的边长。图1—39远场中任意一点声压推导图图1—40圆盘源声束指向性

关于非扩散区，人们一般将距晶片距离

为b的一段，超声能量未溢出以晶片面积为

底的圆柱体称为非扩散区，如图1—41所示。

按几何关系可求出：圆盘源声束指向性

b＝1.64N（1—57）

三、假想横波波源目前常用的横波探头，是使纵波倾斜入射到界面。横波斜探头超声场面上，通过波型转换来获得横波的。当入射角在第1临界角和第2临界角之间时，纵波全反射，第二介质中只有折射横波。横波探头辐射的声场由第一介质中的纵波声场与第二介质中的横波声场两部分组成，两部分声场是弯折的，如图1—42所示。为了便于对横波声场的描述并象纵波那样处理其计算，特将第一介质中的纵波波源转换为轴线与第二介质中横波波束轴线重合的假想横波波源，这时整个声场可视为由假想横波波源辐射出来的连续的横波声场。当实际波源为圆形时，其假想横波波源为椭圆形，椭圆的长轴等于实际波源的直径DS，短轴为D

S’＝DScosβ/cosα（1—58）式中β—横波折射角；α—纵波入射角。

图1—41非扩散区示意图图1—42引入假想源的横波声场四、横波声场声束轴线上的声压

横波声场同纵波声场一样由于波的干涉存在近场区和远场区。当声程x≥3N时，横波声场声束轴线上的声压为：P＝KFscosβ/(λS2acosα)（1—59）

式中；K—系数；Fs—波源的面积；λs2—第二介质中横波波长；

a—轴线上某点至假想波源的距离。

由式（1—59）可知，横波声场中，当x≥3N，时，波束轴线上的声压与波源面积成正比；与至假想波源的距离成反比，类似纵波声场。1、近场长度横波声场近场长度为:N＝Fscosβ/(πλS2cosα)（2—60）式中：N—近场长度，从假想声源算起。横波声场的近场长度和纵波声场一样，与波长成反比，与波源面积成正比。横波声场中，第二介质中的近场区长度为：N’＝N－L2＝Fscosβ/πλS2cosα－L1tgα/tgβ（2—61）式中：Fs—波源面积；λS2——介质Ⅱ中横波波长；L1——入射点至波源的距离；L2——入射点至假想波源的距离。为便于计算，教材中将采用有机玻璃做楔块的斜探头，探测钢时的cosβ/cosα和tgα/tgβ比值与K值的关系，列了对照表，见表1－1。cosβ/cosα和tgα/tgβ与K值的关系表1—1K值1．01．52．02．5cosβ/cosα0．880．780．680．6tgα/tgβ0．750．660．580．52、指向性：

横波声场的扩散角与纵波声场不同，对于圆盘源，在入射平面内，两个指向角并不对称，而是上指向角大于下指向角，即θ上＞θ下，如图1—43。在通过轴线与入射平面垂直的平面内，指向角是对称的，指向角为：

θ=sin－1(1.22λ2/D)≈70λ2/D（2—62）

式中：λ2——第二介质(钢)中的波长；

D——晶片尺寸。图1—43斜探头(2MHz、φ12㎜、β＝60°)在钢中的指向角第十一节远声场中规则反射体的反射规律在前面已讨论了超声波入射到大平面上的行为，而实际超声检测中缺陷的尺寸相对较小，形状各异，现讨论几种典型理想化界面的情况。一、超声波的散射和衍射超声波在传播过程中如果遇到一个障碍物，就可能产生反射、散射和衍射等现象，这些现象的发生不仅与声阻抗有关，还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得多，则它们对超声波的传播几乎没有影响，见图1—44a。如果障碍物的尺寸小于超声波的波长，则波到达这障碍物后，根据惠更斯原理，将使其成为新的波源而向四周发射波，见图1—44b。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，则超声波将发生不规则的反射、折射和透射。如果障碍物的尺寸比超声波的波长大得多，且声阻抗与周围介质的声阻抗差别很大，则在障碍物界面上发生超声波的反射而无透射，此时在障碍物后面将形成一个声影区。但是根据惠更斯原理，声波可绕过障碍物的边缘不按原来的方向而折向障碍物后面传播，即所谓衍射(绕射)。声影区也因此随着离障碍物的距离的增则逐渐缩小，到一定的距离后声影区消失。，见图1—44c。图1—44二、远声场中规则反射体的反射

1、远声场中的声压

当声程S≥3N时，其声场可看成球面波，声束轴线上的声压P可用式（1－53）描述，也可写为：

（1—63）

式中：P0——声源的声压；DS——声源直径；λ——波长；2、大平底面的反射：大平面是常见的规则反射面，如工件平底面等。处于远声场中的大平底面为B，它距声源的距离为SB，见图1—45根据式(1－63)，则入射到大平底面B上的入射声压为：大平底面反射到晶片上的返回声压为PB，若把大平底面看作镜面反射，那么探头上接收的返回声压，相当于传播了2SB声程远处。假想晶片D上接收到的声压，PB可由下式求得：(1-64)

图1—453、圆盘形反射体的反射：

如图1—46所示，离探头晶片距离SΦ处有一直径为φ的平底孔底面反射体(φ<DS)，则入射到平底孔底面上的入射声压为：

根据惠更斯原理，可把平底孔看作一个直径

为φ的新圆盘声源，上式P可看作新声源的

起始声压，它的辐射规律也是遵循球面波声

压公式，故探头晶片上接收到的声压PΦ为

（1－65）式:

式中：FS、FΦ————分别为晶片和平底孔面积。

对于方形平面或其他形状平面，只要把反射体面积代人FΦ，式（1－65）同样适用。图1—464、圆柱形反射体的反射：

当超声波垂直入射到圆柱形反射体侧面时，反射波在柱面上的反射更加扩散。当φ/λ≥2时，圆柱面反射声压声PΦ，有二种情况：

①长横孔:如图1—47所示，当圆柱形反射体长度大于声束直径时，该反射体就称为长横孔。若长横孔圆柱体直径为φ，晶片至反射体反射面距离为SΦ，则直径为DS的晶片发出之声波入射至横孔上的入射声压为：

长横孔返回声压PΦ可由下式计算：

长横孔的反射波具有柱面波的性质，因

此其返回声压的后一部分与孔径平方根

成正比，与声程平方根成反比。斜探头

横波探测时，长横孔回波规律性较好，

故常用来作为焊缝探伤的标准试块和对

比试块的基准孔。πDS2

P＝P0———4λSΦ（1—66）图1—47②短横孔

如图1—48所示，当圆柱形反射体长度小于或等于声束直径时，该反射体就称为短横孔。若短横孔圆柱体直径为φφ短，晶片至反射体反射面距离为SΦ短，孔的长度为l，则直径为DS的晶片发出之声波入射至短横孔上的入射声压为：

短横孔的返回声压Pφ短可由下式计算：

(1-67)图1—485、球形面反射体（球孔）的反射：

如图1—49所示，有一处于远声场中的球形反射体，球体直径为d(d小于声束直径)，晶片至反射面前沿距离为Sd，则直径为DS的晶片发出之声波入射至球孔上的入射声压为：

球面的返回声压Pd由下式计算：

（1—68）图1—49球孔的反射四、AVG曲线

1、AVG曲线的概念：

⑴距离——波幅曲线

如前所述，某一确定的反射体的反射声压（波幅）随着反射体距声源的距离不同而变化，当其距离≥N时，反射声压（波幅）随距离的增加单调下降。描述反射体的反射声压（波幅）与距离的关系曲线称之为距离—波幅曲线，也叫DAC曲线。

⑵AVG曲线

在纵波直探头探伤中，用作调整灵敏度和缺陷定量的人工缺陷是平底孔，描述平底孔的DAC曲线有一个专门的名字叫“AVG曲线”。AVG曲线图是一个以纵坐标表示增益，横坐标表示距离，并以平底孔直径作为参数的直角坐标图。它是首先由德国人克劳特克洛默兄弟提出来的，所以取了德文“距离”、“增益”和“尺寸”三个词的第一个字母对该曲线冠名为“AVG”。2、通用AVG曲线从前面介绍的平底孔和大平底的反射声压表达式【式(1－50)、式（1－64）和式（1－65）】可看出，反射体的反射声压（波幅）不仅与它们的形状和尺寸大小有关，还与超声波的声源（探头晶片）尺寸和波长（频率）有关。为了使绘制的AVG曲线具有通用性，引入了归一化（标准化）距离、归一化（标准化）缺陷尺寸和增益的概念。归一化距离A：以超声波的近场长度N为单位来衡量的反射体距离S。即：A＝S/N（1－69）近场距离N=D2/(4λ)，故A已包含了声源尺寸D和超声波频率F两个因素。归一化缺陷尺寸G：以探头晶片直径D为单位来衡量的平底孔直径φ。即：G＝φ/D（1－70）G考虑进了声源（探头晶片）尺寸因素。增益：反射体反射声压与起始声压的比值，以分贝为单位表示。即：对于平底孔VΦ＝20lgrΦ＝20lg(PΦ/P0)（1－71）对于大底面VB＝20lgrB＝20lg(PB/P0)（1－72）式中：VΦ、VB——分别表示平底孔和大平底反射的增益量；rΦ、rB——分别表示平底孔和大平底反射对起始声压的声压比；PΦ、PB、P0——分别表示平底孔、大平底反射的声压和起始声压。不难看出，采用归一化距离和归一化缺陷尺寸绘制的大平底和平底孔AVG曲线适用于任一声源尺寸和任一超声波频率，故称为通用AVG曲线。

1)大底面回波高度与声程的关系：

将式（2－64）中的晶片面积FS用πD2／4替换并代入（1－69）可得：

又大底面的归一化距离代入上式得：

(1-73)2)平底孔回波高度与声程的关系：平底孔的归一化距离AΦ=SΦ/N=4λSΦ/D2；归一化直径GΦ＝φ/D，将其代入上式得：

（1-74）从式（1－74）和式（1－74）的推导过程可知，它们只适用于S≥3N（A≥3）的条件。按其计算所得之远场通用AVG图见图1－50。S＜3N（A＜3＝部分难于用计算方法求得，采用在水中进行实测，并根据实验数据描出，见图1－51。把这两部分合起来的总通用AVG曲线见图1－52。

图1－50A≥3计算得出的通用AVG图图1－51按水中实验数据得出的A＜3通用AVG图图1—52平底孔AVG线图通用AVG曲线图的横座标—距离A是对数刻度，以分贝为单位表示增益的纵座标是十进刻度，表示波高比的纵座标也是对数刻度。图中上部斜率比较小的曲线是大平底的曲线，其它斜率比较大的曲线是平底孔曲线，每条曲线代表一个G值，G值越小，越在下面。

3、实用AVG曲线：

通用AVG曲线虽然适用于各种声源尺寸和不同的超声波频率，但在使用过程中必须经过繁琐的计算。如果我们使用的声源尺寸和超声波频率是相对固定的，可以就特定尺寸的晶片和超声波频率绘制以毫米为距离和缺陷大小的单位的AVG曲线图，称之为实用AVG曲线。实用AVG图是以缺陷的实际距离(mm)为横坐标，以仪器衰减器的dB读数为纵坐标、均以十进制刻度。图中每一条曲线都直接表示某一相应反射体的平底孔当量。这样使用起来就可避免繁琐的计算。

图1—53为纵波直探头的实用AVG图。晶片直径φ20mm，超声波频率2.5MHz。S≥3N的部分主要通过计算求得，S＜3N是通过对大量平底孔试块的实测数据描出。该实用AVG图比较适用于钢大锻件探伤，当材质衰减不可忽略时，应作衰减的修正。图1—53实用AVG图第二章超声检测仪器、探头和试块第一节超声检测仪器一、概述1、检测仪器的作用超声波检测仪是用于超声检测的一种仪器，是超声波检测中的主体设备，它的作用是产生或接收与换能器相关的电振荡，并将换能器获得的电信号进行放大，以一定的方式显示出来，从而得到被检对象内部结构和缺陷存在与否、缺陷位置和大小等有用信息。2、超声检测仪器分类仪器的分类方法很多，对于固体材料超声检测的仪器而言按声源的能动性可分为：主动测量(超声波检测仪)和被动测量仪(声发射仪)二类。若按所测参数可划分为三类：①测定穿透能量的幅值，如穿透法探伤仪；②测定反射能量的幅值和传播时间，如常用的脉冲反射法探伤仪；③测定频率可变的超声连续波在试件中谐振规律，如共谐法测厚仪，谐振仪等。在这里所讲的超声检测都属主动测量型，且大都采用脉冲反射法，故重点介绍这方面的仪器。其具体分类如下图所示：二、脉冲反射式超声波检测仪

1、A型脉冲反射式超声波检测仪工作原理

⑴基本组成部分及功能：见图2－1

同步电路：同步电路1是超声波检测仪的指挥中心，它发出使整个仪器协调工作的同步脉冲信号。由可调的多谐振荡器产生周期性的矩形同步脉冲，经微分后变为正负触发脉冲，去同时触发发射电路2、时基电路3，并使其同步工作。

在超声波发射过程中，超声波的工作频率与重复频率的关系及区别见图2－2。

触发脉冲的时间间隔称为周期TR，周期的倒数就是重复频率fR，即

fR＝1／TR

重复频率fR一般为50Hz—10kHz。

注意超声振动周期TW、超声振动频率fW及超声脉冲持续时间TP与重复周期TR和重复频率fR之间的区别。图2-1图2-2发射电路：同步电路产生的正触发脉冲去触发发射电路的固体闸流管工作，使之产生高压负脉冲，加到探头晶片上。经过电--声转换，产生高频机械振荡，进入被检测对象，形成脉冲超声波。超声脉冲一般包括几个高频振荡周期。它有一定的频带宽度（即脉冲持续时间TP），其中心频率称为工作频率fW或标称频率。控制发射脉冲电压的高低，或脉冲宽度，就能控制超声波的发射强度。

时基电路：时基电路即扫描电路。它产生锯齿波电压，使示波屏电子束能沿水平方向自左向右的匀速扫描。扫描光点的位移速度与加在水平偏转板上的锯齿波电压有关。因此，只要控制锯齿波电压的斜率，就能控制扫描速度，使之与声波在介质中的传播时间相一致，从而达到调节探测范围的目的。时基电路每秒钟内的工作次数取决于同步脉冲的触发次数。

接收放大电路：接收放大电路，包括高频放大电路、衰减电路、检波电路、视频放大电路、滤波电路和深度补偿电路等。其功能是将一个微弱的回波信号电压(一般为mv级)，经数级放大后，放大到垂直偏转板上可以显示的信号电压(约数十伏)。

为了便于确定缺陷当量，要求示波屏上显示的回波高度与探头接收到的声压信号成正比。因而，要求放大器的线性度要高。⑵工作原理简介：

如图2—3所示，在示波屏上，以横坐标代

表声波的传播时间，以纵坐标表示回波信号的

幅度。对于同一均匀介质，脉冲波的传播时间

与声程成正比。因此可由缺陷回波信号的出现

判断缺陷的存在；可由回波信号出现的位置来

确定缺陷距探测面的距离，实现缺陷定位；示

波屏上显示的波幅与缺陷的回波声压P成正比，

因此可以通过回波幅度来判断缺陷的当量大小。

图2-4图2-3在示波屏上实现A型显示的波形有两种：一是直接显示回波声压波形的射频显示(即不检波显示)，如图2—4a所示；二是显示经过检波后的回波声压波形的视频显示(检波显示)，如图2－4b所示。射频显示能比较真实地反映出超声脉冲在介质中的传播情况，有利于分析回波的波形特征，以进一步分辨缺陷的性质。视频显示的图形清晰、简单，因而为大多数超声波检测仪所采用。2、模拟式A型仪器的主要旋钮及其作用见图2－5。3、B型和C型显示的基本原理A型显示尽管可确定缺陷在试件中的埋藏深度及其反射声压，但不能显示更多的信息，为了更好地对缺陷进行评定，B型和C型显示是十分有益的。⑴B型显示:见图2—6，其工作原理是：同步信号触发发射电路，使换能器发射出超声波；同时还触发Y轴扫描电路，将锯齿波电压加到示波管的Y轴偏转板上。随换能器位置变化而变化的直流电位加到X轴偏转板上。换能器接收到回波信号经放大电路放大后，加到示波管的栅极，进行扫描亮度调制。由于在B型显示中所用示波管的示波屏是由长余辉磷光物质组成的，在电子束停止射落到屏上好久之后仍能继续发光；这样，当换能器在试件上沿一直线移动时，在屏上可展示出沿换能器扫描线所取的横截面上，前表面、后表面及内部反射界面的位置取向和深度。图2-5图2-6⑵C型显示

见图2—7，其工作原理是：同步信号触发发射电路，使换能器发射出超声波；同时还触发C扫描系统中的电子深度门，门的前沿及宽度可以调节，换能器在某一部位所接收到的回波，被接纳到接收电路中去放大，但只有落在门范围之内的才能作为亮度调制信号加到示波管的栅极上，并在示波屏上形成一亮点。

示波屏的垂直偏转板和水平偏转板分别加有从各自的电位器上送来的电压控制，电位器的滑动触点的移动取决于换能器的位置。接收到的缺陷信号形成的亮点在屏上的位置与换能器在试件上的位置是相对应的。这样，当换能器在试件表面按一定的形式(螺旋形、平行线)移动以对整个试件表面作出扫查后，在屏上即可得到整个体积内缺陷或界面的顶视图。

最早的C扫描深度门被调到使前表面反射

及背面反射刚好被排除在外，这样，只能检

测出缺陷的长度和宽度而不能测出缺陷的埋

藏深度，这是早期C型显示的缺点。通过将深

度门调成一定的宽度，可以记录来自试件内

平行扫描面的某一层中的回波，而将来自其

他部分的信号排除在显示之外，并用彩色示

波犀显示，以不同颜色来表示埋藏深度，弥

补了上述的不足。图2-7三、超声波测厚仪

超声测厚仪按原理可分为共振式，脉冲反射式和兰姆波式三种。

共振式测厚仪可测厚度下限小，δmin＝0.1mm，测量精度可达0.1％，