超声波在介质中传播时ppt课件.ppt

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1、应用物理教研室应用物理教研室Xi an Polytechnic University第第2 2章章 超声检测物理基础超声检测物理基础12.1 2.1 机械振动与机械波机械振动与机械波 2.2 2.2 超声波的分类超声波的分类2.3 2.3 波的叠加、干涉和衍射波的叠加、干涉和衍射2.4 2.4 超声波的传播速度超声波的传播速度2.5 2.5 超声场的特征值超声场的特征值2.6 2.6 超声波垂直入射到平界面上的反射和折射超声波垂直入射到平界面上的反射和折射2.7 2.7 超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射2.8 2.8 超声波的聚焦与发散超声波的聚焦与发散

2、2.9 2.9 超声波的衰减超声波的衰减Xi an Polytechnic University主要内容主要内容2u 机械振动机械振动u 机械波机械波2.1 2.1 机械振动与机械波机械振动与机械波 Xi an Polytechnic University3一一.机械振动机械振动1.1.定义：定义：物体（或质点）在某一平衡位置附近作来回往复物体（或质点）在某一平衡位置附近作来回往复 的运动，称为机械振动。可用周期和频率表示。的运动，称为机械振动。可用周期和频率表示。2.2.分类：分类：谐振动、阻尼振动、受迫振动谐振动、阻尼振动、受迫振动Xi an Polytechnic University4

3、(1)(1)谐振动谐振动Xi an Polytechnic University5谐谐振振动动物体物体的能量遵守机械能守恒定律（的能量遵守机械能守恒定律（动动能与能与势势能相互能相互转换转换）Xi an Polytechnic University6(2)(2)阻尼振动阻尼振动阻尼振阻尼振动动物体的能量不遵守物体的能量不遵守机械能守恒定律。机械能守恒定律。振幅或能量随振幅或能量随时间时间不断减小的振不断减小的振动动称称为为阻尼振阻尼振动动。Xi an Polytechnic University7(3)3)受迫振动受迫振动物体在周期性的外力的作用下物体在周期性的外力的作用下产产生的振生的振动动

4、。受迫振受迫振动动物体的能量不遵守机械能守恒定律。物体的能量不遵守机械能守恒定律。Xi an Polytechnic University81.1.定义：定义：机械振动在弹性介质中的传播过程。机械振动在弹性介质中的传播过程。2.2.产生条件：产生条件：(1(1)要有作机械振动的波源；要有作机械振动的波源；(2(2)要有能够传递机械振动的介质要有能够传递机械振动的介质(即弹性介质即弹性介质)。两者缺一不可。两者缺一不可。3.3.主要物理参量：主要物理参量：、c、f、T二二.机械波机械波Xi an Polytechnic University94.4.波动方程：波动方程：机械振动在弹性介质中的传播

5、过程。机械振动在弹性介质中的传播过程。Xi an Polytechnic University10u 按波型分类按波型分类u 按波面形状分类按波面形状分类u 按波持续时间分类按波持续时间分类2.2 2.2 超声波的分类超声波的分类 Xi an Polytechnic University111.1.纵波纵波(压缩波、疏密波压缩波、疏密波)传播介质：固体、液体、气体传播介质：固体、液体、气体一一.按波型分类按波型分类Xi an Polytechnic University122.2.横波横波(剪切波或切变波剪切波或切变波)传播介质：固体传播介质：固体Xi an Polytechnic Unive

6、rsity133.3.表面波表面波(瑞利波瑞利波)传播介质：固体传播介质：固体Xi an Polytechnic University144.4.板波板波(兰姆波兰姆波)传播介质：固体传播介质：固体Xi an Polytechnic University15二二.按波面形状分类按波面形状分类Xi an Polytechnic University16三三.按波持续时间分类按波持续时间分类Xi an Polytechnic University17频谱分析图频谱分析图Xi an Polytechnic University18u 波的叠加波的叠加u 波的干涉波的干涉u 共振驻波共振驻波u 惠更斯

7、原理惠更斯原理u 超声波衍射现象超声波衍射现象2.3 2.3 波的叠加、干涉和衍射波的叠加、干涉和衍射Xi an Polytechnic University19一一.波的叠加波的叠加 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的位移的矢量和。几列波相遇后仍保持点的位移是各列波引起的位移的矢量和。几列波相遇后仍保持各自原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向各自原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来

8、的传播方向继续前进，好像在各自的途中没有遇到其它波一样，这就是波继续前进，好像在各自的途中没有遇到其它波一样，这就是波的叠加原理，又称波的独立性原理。的叠加原理，又称波的独立性原理。Xi an Polytechnic University20两列两列频频率相同、振率相同、振动动方向相同、相位相同或相位差恒定的波方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇相遇时时，介，介质质中某些地方振中某些地方振动动加加强强，而另一些地方的振，而另一些地方的振动动互相互相减弱的减弱的现现象称象称为为波的干涉波的干涉现现象。象。二二.波的干涉波的干涉Xi an Polytechnic University21三三.共

9、振与驻波共振与驻波两列振幅相同的相干波在同一直两列振幅相同的相干波在同一直线线上沿相反方向上沿相反方向传传播播时时叠加叠加而形成而形成驻驻波，两列波波，两列波产产生共振。生共振。Xi an Polytechnic University22 假如物体的两个表面相互平行，假如物体的两个表面相互平行，则则垂直入垂直入射于表面的声波将在两表面之射于表面的声波将在两表面之间间多次反射。多次反射。若两表面若两表面间间距等于半个波距等于半个波长长的整数倍的整数倍时时，则则多次反射波互相叠加形成多次反射波互相叠加形成强强烈的烈的驻驻波，称波，称该该物体物体发发生了共振。生了共振。当当连续连续波在界面上波在界面

10、上发发生全反射生全反射时时形成形成驻驻波，波，脉冲波在薄板中的反射也会形成脉冲波在薄板中的反射也会形成驻驻波。波。在探在探头设计头设计中，若晶片的厚度等于半波中，若晶片的厚度等于半波长长的整数倍的整数倍时时，该该波波长对应长对应的的频频率是率是该该晶片的晶片的固有固有频频率，率，该频该频率下晶片振率下晶片振动动的幅度最大。的幅度最大。Xi an Polytechnic University23惠更斯原理：惠更斯原理：16901690年，惠更斯引入年，惠更斯引入“次波次波”的概念提出了惠更的概念提出了惠更斯原理，即：行斯原理，即：行进进中的波中的波阵阵面上任一点都可以看作是新的次波面上任一点都可

11、以看作是新的次波源，源，这这些次波源各自向前些次波源各自向前发发射球面子波，而某射球面子波，而某时时刻刻这这些子波的些子波的包包络络面就是面就是该时该时刻新的波刻新的波阵阵面。面。四四.惠更斯原理惠更斯原理Xi an Polytechnic University24五五.超声波的衍射超声波的衍射衍射：衍射：声波绕过障碍物的边缘并进入其几何阴影向后传播的现象。声波绕过障碍物的边缘并进入其几何阴影向后传播的现象。波阵面发生畸变。波阵面发生畸变。Xi an Polytechnic University25u 固体介质的声速固体介质的声速u 液体、气体介质中的声速液体、气体介质中的声速2.4 2.4

12、超声波的传播速度超声波的传播速度Xi an Polytechnic University26一一.固体介质的声速固体介质的声速1.1.细棒中的纵波声速细棒中的纵波声速2.2.无限大固体介质中的声速无限大固体介质中的声速1)1)纵波速度纵波速度2)2)横波速度横波速度Xi an Polytechnic University274)4)声速比声速比Xi an Polytechnic University3)3)表面波速度表面波速度283.3.声速与温度、应力、均匀性的关系声速与温度、应力、均匀性的关系4.4.兰姆波兰姆波纯铁中的声速与温度的关系T(oC)26100200300cS(m/s)3229

13、318531543077Xi an Polytechnic University292.2.液体介质中的声速与温度的关系液体介质中的声速与温度的关系二二.液体、气体介质中的声速液体、气体介质中的声速1 1.液体、气体中的声速公式液体、气体中的声速公式除水以外的所有液体，随着温度的升高其声速降低。除水以外的所有液体，随着温度的升高其声速降低。Xi an Polytechnic University不同温度下水中声速不同温度下水中声速温度温度(C)102025304050607080声速声速(m/s)1448 1483 1497 1510 1530155415521555155430Xi an P

14、olytechnic University常用固体、液体、气体中的声速常用固体、液体、气体中的声速31u 声压声压u 声阻抗声阻抗u 声强声强u 分贝分贝2.5 2.5 超声场的特征值超声场的特征值Xi an Polytechnic University322.2.声压方程声压方程(对于平面波对于平面波)单位：单位：Pa（1Pa=1N/m2）1.1.定义：定义：超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强P1，与没有，与没有 超声场存在时同一点的静态压强超声场存在时同一点的静态压强P0之差叫做该点的瞬之差叫做该点的瞬 时声压，常用时声压，常用P表示，即：表示，即：一

15、一.声压声压Xi an Polytechnic University33推导：推导：设设超声超声场场中面中面积积元上声元上声压为压为P，则则面面积积元上元上压压力力为为：F=PdS。以以dx表示超声波在表示超声波在dt时间时间内内传传播的距离，播的距离，质质点振点振动动速度速度为为u，体，体积积元元质为质为m=dSdx。Xi an Polytechnic University34 1.1.定义：定义：表示介质对质点振动的阻碍作用的物理量表示介质对质点振动的阻碍作用的物理量，常用，常用 Z 表表 示，即：示，即：单位：单位：g/(cm2s)或或 kg/(m2s)X 声阻抗随温度的升高而降低。声阻

16、抗随温度的升高而降低。二二.声阻抗声阻抗Xi an Polytechnic University35 1.定义：定义：在垂直于超声波传播方向上单位面积单位时间内通过的在垂直于超声波传播方向上单位面积单位时间内通过的 声能量称为声强度，简称声强，常用声能量称为声强度，简称声强，常用I表示。表示。2.2.声强与声压的关系声强与声压的关系三三.声强声强单位：单位：W/cm2 或或 J/(cm2s)Xi an Polytechnic University361.1.利用分贝作单位的原因利用分贝作单位的原因2.2.声强级声强级声阈：声阈：规定规定频频率率 f=1 1kHz时时人耳感受声音的最低人耳感受声

17、音的最低强强度作度作为为声声强强的的标标准，在声学上称准，在声学上称为为“声声阈阈”，用，用I0 表示，即表示，即 I0=1010-16W/cm2。四四.分贝分贝Xi an Polytechnic University37(1)(1)声强级：声强级：(2)(2)声压级：声压级：(3)(3)波高比波高比Xi an Polytechnic University383.3.分贝应用举例分贝应用举例 1 1.示波屏上一波高为示波屏上一波高为80mm，另一波高为，另一波高为20mm，则前，则前 者比后者高多少者比后者高多少dB？，2 2.示波屏上有示波屏上有A、B两个波，其中两个波，其中A波比波比B波高

18、波高3dB。已知已知B波高为波高为50mm，则，则A波高为多少？波高为多少？Xi an Polytechnic University39 3.3.已知超声检测仪示波屏上有已知超声检测仪示波屏上有A、B、C三个波，其中三个波，其中A波高波高为为满刻满刻 度的度的 80%，B波高为波高为50%，C波高为满刻度的波高为满刻度的20%。(1)(1)设设A波为基准波为基准(0dB)，则，则B波和波和C波高各为多少波高各为多少dB？(2)(2)设设B波为基准波为基准(10dB)，则，则A波和波和C波高各为多少波高各为多少dB？(3)(3)设设C波为基准波为基准(-8dB)，则，则A波和波和B波高各为多少波

19、高各为多少dB？，Xi an Polytechnic University40u 单一平界面的反射率和透射率单一平界面的反射率和透射率u 薄层界面的反射率和透射率薄层界面的反射率和透射率2.6 2.6 超声波垂直入射到平界超声波垂直入射到平界面上的反射和折射面上的反射和折射Xi an Polytechnic University411.1.声学边界条件声学边界条件一一.单一平界面的反射率和透射率单一平界面的反射率和透射率(1)(1)界面两侧的声压连续，否则两侧受力不等，界面发生运动，界面两侧的声压连续，否则两侧受力不等，界面发生运动，即即 (2)(2)界面两侧的质点速度振幅保持连续，也就是界面

20、两侧质点振界面两侧的质点速度振幅保持连续，也就是界面两侧质点振 动速度振幅相等，即动速度振幅相等，即Xi an Polytechnic University422.2.单一平界面的反射率和透射率单一平界面的反射率和透射率Xi an Polytechnic University43Xi an Polytechnic University44Xi an Polytechnic University451.1.均匀介均匀介质质中的异中的异质质薄薄层层（Z1=Z3Z Z2 2）用来分析工件中存用来分析工件中存在缺陷时超声波的在缺陷时超声波的反射问题反射问题二二.薄层界面的反射率和透射率薄层界面的反射率

21、和透射率Xi an Polytechnic University46结论：结论：1.1.检测气体介质灵敏度很高。检测气体介质灵敏度很高。2.2.f检测灵敏度检测灵敏度。(1(1)当当f=1MHz时时，钢钢中厚度中厚度为为d=10-5mm的气隙几乎能的气隙几乎能100%反射。反射。(2(2)钢中气隙钢中气隙d=10-7mm时，时，f=1MHz，r=20%；f=5MHz，r=60%。Xi an Polytechnic University472.2.薄薄层层两两侧侧介介质质不同的双界面（不同的双界面（Z1 Z3Z Z2 2）讨论：讨论：这对于直探头保护的设计具有重要指导意义。这对于直探头保护的设计

22、具有重要指导意义。Xi an Polytechnic University48空气空气(Z=0)PoPtPtPaPrZ1Z23.3.声声压压往复透射率往复透射率结论：结论：1.1.界面两侧介质声阻抗相差越小，界面两侧介质声阻抗相差越小，Ta越高。越高。2.2.Ta越高越高检测灵敏度检测灵敏度Xi an Polytechnic University49Xi an Polytechnic University50u 单一平界面的反射率和透射率单一平界面的反射率和透射率u 薄层界面的反射率和透射率薄层界面的反射率和透射率2.7 2.7 超声波倾斜入射到平界超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射面上的反

23、射和折射Xi an Polytechnic University51一一.波型转换与反射、折射定律波型转换与反射、折射定律Xi an Polytechnic University52临界角临界角Xi an Polytechnic University53第一介第一介质为质为有机玻璃有机玻璃：cL=2730m/s；第二介第二介质为钢质为钢：纵纵波速度波速度cL2=5900m/s，横波速度横波速度cS2=3230m/s。求第一求第一、第二、第二临临界角各是多少界角各是多少。对对于于钢钢，第三，第三临临界角是多少界角是多少。Xi an Polytechnic University54当当L=60时时

24、，纵纵波声波声压压反射率反射率 rLL 很低，横波声很低，横波声压压反射率反射率 rLS 较高。因为纵波斜入射时，较高。因为纵波斜入射时，当当L=60左右左右时产时产生一个生一个较较强强变变型反射横波。型反射横波。当当S=30左右左右时时，横波声，横波声压压反射率反射率rSS很低，很低，纵纵波声波声压压反射率反射率rSL较高。较高。S 32.2()时时，rSS=100%，即，即钢钢中横波全反射。中横波全反射。纵波倾斜入射到纲纵波倾斜入射到纲/空气界面空气界面Xi an Polytechnic University二二.声压反射率声压反射率55三三.声压往复透射率声压往复透射率1.1.定定义义

25、超声波超声波倾倾斜入射，折射波全反射，探斜入射，折射波全反射，探头头接收到的到的回波接收到的到的回波声声压压 Pa 与入射波声与入射波声压压 P0 之比称之比称为为声声压压往复透射率，常用往复透射率，常用 T 表示，表示，则则 Xi an Polytechnic University56 当当纵纵波入射角波入射角L14.5()时时，折射，折射纵纵波的往复透射率波的往复透射率TLL不超不超过过13%，折射横，折射横波的往复透射率波的往复透射率TLS小于小于6%。当。当L=14.527.7()时时，钢钢中没有折射中没有折射纵纵波，只波，只有折射横波，其折射横波的往复透射率有折射横波，其折射横波的往

26、复透射率TLS最高不到最高不到20%。2.2.纵纵波波倾倾斜入射到水斜入射到水/钢钢界面声界面声压压往复透射率往复透射率Xi an Polytechnic University57 当当纵纵波入射角波入射角L27.6()时时，折射，折射纵纵波的往复透射率波的往复透射率TLL不超不超过过25%，折射横，折射横波的往复透射率波的往复透射率TLS小于小于10%。当。当L=27.657.7()时时，钢钢中没有折射中没有折射纵纵波，只有波，只有折射横波，其折射横波的往复透射率折射横波，其折射横波的往复透射率 TLS 最高不超最高不超过过30%，这时对应这时对应的的L30，S=37。3.3.纵纵波波倾倾斜

27、入射到有机玻璃斜入射到有机玻璃/钢钢界面声界面声压压透射率透射率Xi an Polytechnic University58四四.端角反射端角反射1.定义：定义：超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射。超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射。不考虑波形转换不考虑波形转换(L+S=90)应用举例：应用举例：横波探头检测薄板横波探头检测薄板Xi an Polytechnic University59Xi an Polytechnic University焊缝检测焊缝检测602.2.端角反射率：端角反射率：回波声压回波声压Pa与入射波声压与入射波声压P0之比，常用之比，常用 T 端表

28、端表示，即示，即(1)(1)纵纵波入射波入射时时Xi an Polytechnic University分析：分析：端角反射率都很端角反射率都很低，低，这这是因是因为纵为纵波在端波在端角的两次反射中都分离角的两次反射中都分离出出较较强强的横波。的横波。61分析：分析：横波入射横波入射时时，入射角，入射角S=30或或60附近附近时时，端角，端角反射率最低。反射率最低。S=3555时时，端角反，端角反射率达射率达100%。(2)(2)横波入射横波入射时时Xi an Polytechnic University62u 声压距离公式声压距离公式u 平面波在曲面上的反射和折射平面波在曲面上的反射和折射

29、2.8 2.8 超声波的聚焦与发散超声波的聚焦与发散Xi an Polytechnic University63一一.声压距离公式声压距离公式Xi an Polytechnic University64二二.平面波在曲面上的反射和折射平面波在曲面上的反射和折射 1.1.平面波在曲面上的反射平面波在曲面上的反射Xi an Polytechnic University652.2.平面波在曲面上的透射平面波在曲面上的透射Xi an Polytechnic University66u 衰减的原因衰减的原因u 衰减方程与衰减系数衰减方程与衰减系数u 衰减系数的测定衰减系数的测定2.9 2.9 超声波的衰

30、减超声波的衰减Xi an Polytechnic University672.2.散射衰减散射衰减:超声波在介质中传播时，超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散射，从遇到声阻抗不同的界面产生散射，从而引起声波衰减的现象。而引起声波衰减的现象。一、衰减的原因一、衰减的原因1.1.扩散衰减扩散衰减:超声波在介质中传播时，由于声束扩散，使超声超声波在介质中传播时，由于声束扩散，使超声能量随距离增加而减弱的现象。能量随距离增加而减弱的现象。3.3.吸收衰减吸收衰减:超声波在介质中传播超声波在介质中传播时，由于介质中质点间内摩擦热传时，由于介质中质点间内摩擦热传导而引起的声波衰减的现象。导而引

31、起的声波衰减的现象。Xi an Polytechnic University68二、衰减方程与衰减系数二、衰减方程与衰减系数1.1.衰减方程衰减方程2.2.衰减系数衰减系数Xi an Polytechnic University69三三.衰减系数的测定衰减系数的测定1.1.薄板工件衰减系数的测定薄板工件衰减系数的测定Xi an Polytechnic University702.2.厚板或圆柱体衰减系数的测定厚板或圆柱体衰减系数的测定Xi an Polytechnic University71例例1 1：用：用5MHz、20mm的探的探头测头测定厚定厚为为15mm的的钢钢板的衰减系数。已板的衰减系数。已知知B1=80%，B4=50%，每次反射，每次反射损损失失为为 1dB，不及，不及扩扩散衰减散衰减损损失，求失，求此此钢钢板的介板的介质质衰减系数衰减系数为为多少？多少？例例2 2：某工件厚度某工件厚度 x=500mm，测测得得 B1=80%，B2=20%，反射，反射损损失失=0.5 dB，则则工件的衰减系数工件的衰减系数为为多少？多少？Xi an Polytechnic University72Xian Polytechnic University73