超声波探伤物理基础.pptx

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1、第一章 绪论1.1 超声检测的定义和作用超声检测的定义和作用1.2 超声检测的发展简史和现状超声检测的发展简史和现状1.3 超声检测的基础知识超声检测的基础知识1.3.1 次声波、声波和超声波次声波、声波和超声波1.3.2 超声检测工作原理超声检测工作原理1.3.3 超声检测方法的分类超声检测方法的分类1.3.4 超声检测的优点和局限性超声检测的优点和局限性1.3.5 超声检测的适用范围超声检测的适用范围第1页/共111页 前前 言言第二章 超声波伤的物理基础超声波探伤是目前应用最广泛的无损检测方法之一。超声波探伤是目前应用最广泛的无损检测方法之一。特点：超声波是一种机械波。超声波波长短、能量

2、高，特点：超声波是一种机械波。超声波波长短、能量高，可以在介质中直线传播，在传播过程中遇到异质界面可以在介质中直线传播，在传播过程中遇到异质界面时会发生反射、折射、端点衍射及波型转换。时会发生反射、折射、端点衍射及波型转换。A A型脉冲反射法超声波探伤，就是利用缺陷处反射回来的型脉冲反射法超声波探伤，就是利用缺陷处反射回来的声波大小来评价缺陷的。缺陷越大或说反射面越大，反声波大小来评价缺陷的。缺陷越大或说反射面越大，反射回波就越强。射回波就越强。目前，较先进的超声波探伤方法有：目前，较先进的超声波探伤方法有：超声相控阵检测技术、超声相控阵检测技术、TOFDTOFD检测技术检测技术超声相控阵超声

3、相控阵&TOFD&TOFD技术在无损检测领域的应用技术在无损检测领域的应用.pdf.pdf第2页/共111页第3页/共111页在实际工作中是先用标准反射体（试块）确定基准波高，在实际工作中是先用标准反射体（试块）确定基准波高，根据不同的深度基准反射体的回波高度可以画出一条与根据不同的深度基准反射体的回波高度可以画出一条与深度相关的基准曲线（距离深度相关的基准曲线（距离波幅曲线或距离波幅曲线或距离分分贝曲线），调整好基准波后按标准要求进行工件探测，贝曲线），调整好基准波后按标准要求进行工件探测，根据缺陷回波的大小与基准波高进行比较，来判定缺陷根据缺陷回波的大小与基准波高进行比较，来判定缺陷当量大

4、小，判定缺陷是否超标当量大小，判定缺陷是否超标标准中基准反射体有：标准中基准反射体有：平底孔、横通孔、大平底、短横孔、线切割槽等平底孔、横通孔、大平底、短横孔、线切割槽等第二章 超声波探伤的物理基础A A型脉冲反射式超声波探伤型脉冲反射式超声波探伤第4页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础 本章节需掌握的内容：本章节需掌握的内容：一、振动与波动的概念与区别一、振动与波动的概念与区别二、波的类型二、波的类型三、超声波的传播速度三、超声波的传播速度四、波的叠加、干涉、衍射与惠更斯原理四、波的叠加、干涉、衍射与惠更斯原理五、超声波声场的特征值五、超声波声场的特征值六、分贝与奈培六、分贝与奈培七、

5、超声波垂直入射到界面时的反射和透射七、超声波垂直入射到界面时的反射和透射八、超声波倾斜入射到界面时的反射和折射八、超声波倾斜入射到界面时的反射和折射九、超声波的聚焦与发散九、超声波的聚焦与发散十、超声波的衰减十、超声波的衰减第5页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础1.1.振动的基本概念与特点振动的基本概念与特点2、谐振动的概念与特点、谐振动的概念与特点3、阻尼振动的概念与特点、阻尼振动的概念与特点4、受迫振动的概念与特点，共振的概念与应用、受迫振动的概念与特点，共振的概念与应用5、机械波、机械波6 6、波长、频率和波速之间的关系计算、波长、频率和波速之间的关系计算 第一节第一节 振动与波

6、动振动与波动本节主要内容本节主要内容第6页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础 第一节第一节 振动与波动振动与波动一一 、振动、振动1.1.振动的基本概念振动的基本概念物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。期性的运动，称为机械振动。被手拨动的弹簧片被手拨动的弹簧片上下跳动的皮球小鸟飞离后颤动的树枝第7页/共111页特点：振动是往复周期性的运动，振动的快慢常特点：振动是往复周期性的运动，振动的快慢常用振动的周期或频率表示。用振动的周期或频率表示。第二章 超声波探伤的物理基础周期周期T T振动物体完成一次全振动所用的时

7、间，振动物体完成一次全振动所用的时间，称为振动周期，用称为振动周期，用T T表示，单位是：秒（表示，单位是：秒（s s）1Hz=11Hz=1次次/秒秒 T=1/fT=1/f频率频率f f振动物体在单位时间内完成振动的次数，振动物体在单位时间内完成振动的次数，称为振动频率，用称为振动频率，用f f表示。表示。单位：赫兹单位：赫兹HzHz，1Hz1Hz表示表示1 1秒钟完成秒钟完成1 1次全振动。单次全振动。单位还有位还有KHzKHz、MHzMHz第8页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础如：人能听到的声音就是空气的机械振动如：人能听到的声音就是空气的机械振动人能听到的声音频率范围是人能听到的

8、声音频率范围是202020000Hz20000Hz，中音一般在中音一般在100010001500Hz1500Hz。因人而异，每人说话的音频不一样，所以能因人而异，每人说话的音频不一样，所以能区分不同人的声音。区分不同人的声音。音调、音域；高音、低音不是声音高低，而音调、音域；高音、低音不是声音高低，而是频率高低；声音大小用振幅表示是频率高低；声音大小用振幅表示。如果人说话的频率是如果人说话的频率是1000Hz1000Hz，即每秒钟声带，即每秒钟声带振动振动10001000次。次。返回第9页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础2 2谐振动谐振动最简单最基本的直线振动称为谐振动。任何复杂的最简

9、单最基本的直线振动称为谐振动。任何复杂的振动均可视为多个谐振动的合成。或说任何复杂的振动均可视为多个谐振动的合成。或说任何复杂的振动均可分解为多个简单的谐振动。振动均可分解为多个简单的谐振动。谐振动动画演示谐振动动画演示弹簧振子的振动，单摆与音叉弹簧振子的振动，单摆与音叉的振动等的振动等如：如：第10页/共111页（2）谐振物体的振动振幅不变，为自由振动，其频）谐振物体的振动振幅不变，为自由振动，其频率为固有频率率为固有频率第二章 超声波探伤的物理基础（3 3）谐振动时由于只有弹力或重力做功，符合机械）谐振动时由于只有弹力或重力做功，符合机械能守恒的条件，机械能守恒，在平衡位置时动能最大，能守

10、恒的条件，机械能守恒，在平衡位置时动能最大，势能为势能为0 0，在位移最大时，势能最大，动能为，在位移最大时，势能最大，动能为0 0，其总，其总能量保持不变能量保持不变谐振动的特点谐振动的特点（1）物体受到的回复力大小与位移成正比，其方向）物体受到的回复力大小与位移成正比，其方向总是指向平衡位置。总是指向平衡位置。第11页/共111页第12页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础 谐振振动方程的推导谐振振动方程的推导质点作均速圆周运动时，其水平方向的投影是一种水平方质点作均速圆周运动时，其水平方向的投影是一种水平方向的谐振动。向的谐振动。谐振动方程：谐振动方程：y=Acosy=Acos（t+

11、t+），其中），其中y y时间时间t t时的位移；时的位移；A A振幅（最大位移）振幅（最大位移）圆频率，即圆频率，即1 1秒钟内变秒钟内变化的弧度数，化的弧度数，=2f=2/T=2f=2/T返回第13页/共111页3.3.阻尼振动阻尼振动 第二章 超声波探伤的物理基础但是，任何实际物体的振动总要受到阻力的作用。但是，任何实际物体的振动总要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振动物体的能量不断减少。其振幅由于克服阻力做功，振动物体的能量不断减少。其振幅随能量的减少而减小，这种振幅随时间不断减小的振动随能量的减少而减小，这种振幅随时间不断减小的振动称为阻尼振动。称为阻尼振动。阻尼振动阻尼振动演示演

12、示如上所述，谐振动是理想条件下的振动如上所述，谐振动是理想条件下的振动,即不考虑磨擦和即不考虑磨擦和其它阻力的影响。其它阻力的影响。特点：特点：谐振动是无阻尼振动谐振动是无阻尼振动,其振幅与周期不变其振幅与周期不变;阻尼振动的振幅不断减小阻尼振动的振幅不断减小,而周期不变。阻尼振动不符合而周期不变。阻尼振动不符合机械能守恒定律机械能守恒定律返回第14页/共111页4 4受迫振动受迫振动第二章 超声波探伤的物理基础概念：概念：物体受到周期性外力的作用时产生的振动物体受到周期性外力的作用时产生的振动如：如：汽缸中的活塞的振动，扬声器中的纸盆振动汽缸中的活塞的振动，扬声器中的纸盆振动演示演示受迫振动

13、的振幅与策动力的频率有关，当策动力的频受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动力的频率与物体的固有频率相同时，受迫振动的振幅达到最率与物体的固有频率相同时，受迫振动的振幅达到最大值。这种现象称为大值。这种现象称为共振共振特点：特点：受迫振动是受外力的作用受迫振动是受外力的作用 不符合机械能守恒定律不符合机械能守恒定律第15页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础探头的频率由晶片厚度决定，高频电脉冲是一个前探头的频率由晶片厚度决定，高频电脉冲是一个前沿很陡的电脉冲沿很陡的电脉冲例如：例如：超声波探头的压电晶片在发射超声波时超声波探头的压电晶片在发射超声波时一方面在高频电脉冲激励下产生一方面在高

14、频电脉冲激励下产生受迫振动受迫振动，另一方，另一方面在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用，因此面在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用，因此又是又是阻尼振动阻尼振动，即先是受迫振动后是阻尼振动，即先是受迫振动后是阻尼振动压电晶片在接收超声波时同样产生压电晶片在接收超声波时同样产生受迫振动和阻尼受迫振动和阻尼振动振动在设计探头时应使高频电脉冲的频率等于压力晶片在设计探头时应使高频电脉冲的频率等于压力晶片的固有频率，从而产生的固有频率，从而产生共振共振，这时压电晶片的电声，这时压电晶片的电声能转换效率最高能转换效率最高返回第16页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础二、波动二、波动波动分电磁波和

15、机械波两大类波动分电磁波和机械波两大类机械波机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。如水波、是机械振动在弹性介质中的传播过程。如水波、声波、超声波。声波、超声波。电磁波电磁波是交变电磁场在空间传播的过程。如无线电波、是交变电磁场在空间传播的过程。如无线电波、可见光、紫外线、可见光、紫外线、X X射线、射线、射线等等。射线等等。电磁波和机械波区别电磁波和机械波区别我们这里只讨论机械波我们这里只讨论机械波演示演示第17页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础弹性质点的振动会引起邻近质点的振动弹性质点的振动会引起邻近质点的振动,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。于是振动就以一定的

16、速度由又会引起较远质点的振动。于是振动就以一定的速度由近及远地向各个方向传播。从而形成机械波近及远地向各个方向传播。从而形成机械波机械波的形成机械波的形成产生机械波必备的两个条件：产生机械波必备的两个条件：1)1)产生振动的波源；产生振动的波源；2)2)能传播振动的弹性介质能传播振动的弹性介质振动是波动的根源，波动是振动状态和能量的传播。波振动是波动的根源，波动是振动状态和能量的传播。波动中介质各质点并不随波前进，只是以交变的振动速度动中介质各质点并不随波前进，只是以交变的振动速度在各自的平衡位置附近往复运动在各自的平衡位置附近往复运动振动与波动的区别振动与波动的区别返回第18页/共111页第

17、二章 超声波探伤的物理基础2 2、波长、频率和波速、波长、频率和波速波长波长：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，称为波长，用离，称为波长，用表示。单位常用表示。单位常用mmmm或或m m频率频率f f：在在1 1秒钟内所振动的次数，用秒钟内所振动的次数，用f f表示，单位表示，单位HzHz波速波速C C：波在单位时间内所传传播的距离，对于超声波波在单位时间内所传传播的距离，对于超声波检测来讲，波速就是声速，用检测来讲，波速就是声速，用C C表示，单位：表示，单位：m/sm/s或或Km/SKm/S第19页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础三

18、者之间的关系是：三者之间的关系是：C=fC=f，=C/f=C/f，f=C/f=C/声速越大，波长越长，频率越高波长越短。波长是超声声速越大，波长越长，频率越高波长越短。波长是超声波检测的重要参数，波长短可以发现较小的缺陷波检测的重要参数，波长短可以发现较小的缺陷3 3、波动方程、波动方程 y=Acos(t-x/c)=Acos(t-Kx)y=Acos(t-x/c)=Acos(t-Kx)返回第20页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础三、次声波、声波和超声波三、次声波、声波和超声波 1 1、次声波、声波和超声波的划分、次声波、声波和超声波的划分次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，

19、次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，它们在同一介质中传播的速度相同，只是频率不同它们在同一介质中传播的速度相同，只是频率不同人耳能听到的声音叫声波，频率范围在人耳能听到的声音叫声波，频率范围在202020000Hz20000Hz之间。之间。低于低于20Hz20Hz的声波人耳听不到，叫次声波的声波人耳听不到，叫次声波高于高于20000Hz20000Hz人耳也听不到，叫超声波人耳也听不到，叫超声波第21页/共111页2 2、超声波的应用、超声波的应用第二章 超声波探伤的物理基础目前探伤用的超声波频率一般在目前探伤用的超声波频率一般在0.5-10MHz0.5-10MHz范围。对于金范围

20、。对于金属材料检测，常用的频率为属材料检测，常用的频率为1-5MHz1-5MHz超声波的特点：超声波的特点：1)1)指向性好指向性好 2)2)波长很短、能量高波长很短、能量高 3)3)能在界面上产生反射、折射和波型转换能在界面上产生反射、折射和波型转换 4)4)穿透力强穿透力强超声波除应用在无损检测外，还应用在医疗诊断、治超声波除应用在无损检测外，还应用在医疗诊断、治疗、工业清洗、焊接、加工等等。疗、工业清洗、焊接、加工等等。3 3、次声波的应用、次声波的应用次声波波长长，绕射能力强，传播衰减小，传播距离远。次声次声波波长长，绕射能力强，传播衰减小，传播距离远。次声波在气象、海洋、地震、和地质

21、勘探等方面得到应用波在气象、海洋、地震、和地质勘探等方面得到应用第22页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础总结总结本节重点本节重点1.1.振动的基本概念与特点振动的基本概念与特点2、谐振动的概念与特点、谐振动的概念与特点3、阻尼振动的概念与特点、阻尼振动的概念与特点4、受迫振动的概念与特点，共振的概念与应用、受迫振动的概念与特点，共振的概念与应用5、机械波的形成、机械波的形成6 6、产生机械波必备的两个条件、产生机械波必备的两个条件7、振动与波动的区别与联系、振动与波动的区别与联系8 8、波长、频率和波速之间的关系计算、波长、频率和波速之间的关系计算返回返回第23页/共111页 机械波的

22、分类方法：机械波的分类方法：有三类有三类第二章 超声波探伤的物理基础 一、按质点的振动方向一、按质点的振动方向 二、按波阵面二、按波阵面 三、按脉冲持续时间分类三、按脉冲持续时间分类1 1、纵波、纵波L L2 2、横波、横波S S3 3、表面波、表面波R R4 4、板波、板波1 1、平面波、平面波2 2、柱面波、柱面波3 3、球面波、球面波1 1、连续波、连续波2 2、脉冲波、脉冲波 第二节第二节 波的类型波的类型第24页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础一、按质点的振动方向分类一、按质点的振动方向分类传声介质传声介质凡能承受压缩或拉伸应力的介质都能传播纵波。凡能承受压缩或拉伸应力的介质

23、都能传播纵波。固体介质能承受拉伸应力和压缩应力，因此固体介质可以传固体介质能承受拉伸应力和压缩应力，因此固体介质可以传播纵波；播纵波；液体和气体虽然不能承受拉应力，但在承受压应力时产生容液体和气体虽然不能承受拉应力，但在承受压应力时产生容积变化，因此液体和气体也可以传播纵波。积变化，因此液体和气体也可以传播纵波。概念：概念：质点的振动方向与传播方向平行的波称为纵波，质点的振动方向与传播方向平行的波称为纵波，用用L L表示；又称压缩波或疏密波。表示；又称压缩波或疏密波。1 1、纵波、纵波L L返回第25页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础2 2、横波、横波S S 传声介质：传声介质：只有固

24、体介质才能承受切变应力，液体和气体不能承只有固体介质才能承受切变应力，液体和气体不能承受切变应力，因此横波只能在固体介质中传播。受切变应力，因此横波只能在固体介质中传播。当质点受到交变的剪切应力用时，产生切变形变，从当质点受到交变的剪切应力用时，产生切变形变，从而形成横波。故又称切变波。而形成横波。故又称切变波。概念：概念：质点的振动方向与波的传播方向垂直的波，称质点的振动方向与波的传播方向垂直的波，称为横波，用为横波，用S S表示表示纵波横波特点演示纵波横波波形演示返回第26页/共111页3 3、表面波、表面波R R 第二章 超声波探伤的物理基础特点：特点：表面波在固体表面传播，其能量随传播

25、深度的增表面波在固体表面传播，其能量随传播深度的增加而迅速减弱。当传播深度超过加而迅速减弱。当传播深度超过2 2倍波长时质点的振幅就倍波长时质点的振幅就很小了。因此表面波只能发现距工件表面很小了。因此表面波只能发现距工件表面2 2倍波长以内的倍波长以内的缺陷。缺陷。传声介质：传声介质：表面波只能在固体表面传播，不能在液体和表面波只能在固体表面传播，不能在液体和气体表面传播。气体表面传播。表面波是由纵波与横波在表面的合成波，介质表面的质表面波是由纵波与横波在表面的合成波，介质表面的质点呈椭圆运动。点呈椭圆运动。概念：概念：当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表当介质表面受到交变应力作用时，产

26、生沿介质表面传播的波，称为表面波，用面传播的波，称为表面波，用R R表示；表面波是由瑞利提表示；表面波是由瑞利提出来的，因此又称瑞利波。出来的，因此又称瑞利波。第27页/共111页4 4、板波、板波第二章 超声波探伤的物理基础小结：小结：以上以上4 4种波除纵波外其它波只能在固体中传播，纵种波除纵波外其它波只能在固体中传播，纵波可以在固体、液体、气体中传播。波可以在固体、液体、气体中传播。根据质点的振动方向又分为根据质点的振动方向又分为SHSH波和兰姆波。波和兰姆波。在表面上下振动的波称为兰姆波，在表面横向振动的波在表面上下振动的波称为兰姆波，在表面横向振动的波为为SHSH波波概念：概念：在板

27、厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板波在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板波返回第28页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础二二 按波阵面分类按波阵面分类波阵面：波阵面：同一时刻振动相位相同的所有质点所联成的面同一时刻振动相位相同的所有质点所联成的面称为波阵面。称为波阵面。波源：波源：刚性平面波源，尺寸远大于波长；刚性平面波源，尺寸远大于波长；波阵面：波阵面：平面；平面；特征：特征：波束不扩散，振幅为常数。波束不扩散，振幅为常数。按波阵面的形状不同分为：平面波、柱面波、球面波。按波阵面的形状不同分为：平面波、柱面波、球面波。1 1、平面波、平面波第29页/共111页波源：波源：线状波源

28、，尺寸远大于波长；线状波源，尺寸远大于波长；波阵面：波阵面：柱面；柱面；特征：特征：波束向四周扩散，振幅与距离平方根成反比。波束向四周扩散，振幅与距离平方根成反比。波源：波源：点波源，尺寸远小于波长；点波源，尺寸远小于波长；波阵面：波阵面：球面；球面；特征：特征：波束向四面八方扩散，振幅波束向四面八方扩散，振幅与距离成反比与距离成反比。超声波探伤的波源近似活塞振动，在各向同性的介质超声波探伤的波源近似活塞振动，在各向同性的介质中的波叫活塞波，当离源的距离足够大时，活塞波类中的波叫活塞波，当离源的距离足够大时，活塞波类似球面波。似球面波。第二章 超声波探伤的物理基础2 2、柱面波、柱面波3 3、

29、球面波、球面波返回第30页/共111页连续波连续波：波源持续不断的振动，穿透法常采用连续波：波源持续不断的振动，穿透法常采用连续波脉冲波脉冲波：短时间的脉冲波，持续时间很短。微秒级。：短时间的脉冲波，持续时间很短。微秒级。第二章 超声波探伤的物理基础三、按振动的持续时间分三、按振动的持续时间分例：例：返回重点：纵波、横波、表面波的概念、质点振动特点、传播介质重点：纵波、横波、表面波的概念、质点振动特点、传播介质第31页/共111页第三节第三节 超声波的传播速度超声波的传播速度 超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关。对特定的介质其弹性

30、模量和密度为常数，故声速度关。对特定的介质其弹性模量和密度为常数，故声速度也是常数也是常数第二章 超声波探伤的物理基础不同的介质有不同的声速度不同的介质有不同的声速度超声波波型不同时，介质弹性变形型式不同，声速也不超声波波型不同时，介质弹性变形型式不同，声速也不一样一样一一 、固体介质中纵波、横波与表面波声速固体介质中纵波、横波与表面波声速1 1、无限大固体介质中纵波、横波与表面波声速、无限大固体介质中纵波、横波与表面波声速第32页/共111页对于钢材有：CL1.8CS；CR0.9CS；从上述公式可知从上述公式可知:1)1)固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量有关固体介质中的声速与介质的密度

31、和弹性模量有关,不同的介不同的介质声速不同质声速不同;介质的弹性模量越大，密度越小，则声速越大介质的弹性模量越大，密度越小，则声速越大2)2)声速与波的类型有关，在同一固体介质中，纵波、横波、声速与波的类型有关，在同一固体介质中，纵波、横波、表面波的声速各不相同，其相互之间的关系如下：表面波的声速各不相同，其相互之间的关系如下：CLCLCSCSCRCR2 2、细长棒中（、细长棒中（d d）纵波声速）纵波声速CLb CLb 与无限大介质中与无限大介质中纵波声速不同纵波声速不同第二章 超声波探伤的物理基础纵波纵波1.101.10横波横波1.111.11表面波表面波1.121.12第33页/共111

32、页材料种类材料种类C CL LC CS S钢钢5880-59505880-595032303230铜铜4700470022602260铝铝6260626030803080有机玻璃有机玻璃2730273014601460水水15001500空气空气3443443 3、常见介质中的声速、常见介质中的声速 m/s m/s 4 4、声速与温度的关系、声速与温度的关系一般固体中的声速随温度的升高而降低。一般固体中的声速随温度的升高而降低。第二章 超声波探伤的物理基础第34页/共111页由上式可知，液体的弹性模量越大、密度越小，则声速越大由上式可知，液体的弹性模量越大、密度越小，则声速越大第二章 超声波探

33、伤的物理基础二、板波声速二、板波声速三、液体、气体介质中的纵波声速三、液体、气体介质中的纵波声速B B液体、气体介质的容变弹性模量；液体、气体介质的容变弹性模量；液体、气体的密度；液体、气体的密度；概念：板波是在板厚与波长相当的薄板中传播，板波概念：板波是在板厚与波长相当的薄板中传播，板波的传播是以相速度和群速度传播的传播是以相速度和群速度传播液体和气体中不能传播横波液体和气体中不能传播横波第35页/共111页温度对液体声速的影响温度对液体声速的影响综上所述，固体和液体介质在温度升高时，声速都下降，综上所述，固体和液体介质在温度升高时，声速都下降，唯有水例外，水在唯有水例外，水在7474时声速

34、有极大值。时声速有极大值。几乎所有的液体，当温度升高时，声速降低，唯有水例几乎所有的液体，当温度升高时，声速降低，唯有水例外，温度升高时声速增大，在外，温度升高时声速增大，在7474时声速达到最大，之时声速达到最大，之后又有所下降。后又有所下降。第二章 超声波探伤的物理基础第36页/共111页四、声速的测量四、声速的测量1 1、探伤仪测量法、探伤仪测量法用超声波探伤仪测量是最简单的方法。用超声波探伤仪测量是最简单的方法。原理是脉冲反射法原理是脉冲反射法声速比较法声速比较法用已知厚度和声速的工件，调节好仪器时基线，并记录；用已知厚度和声速的工件，调节好仪器时基线，并记录；仪器各控制旋钮不变，测量

35、待测工件，该工件是已知厚度仪器各控制旋钮不变，测量待测工件，该工件是已知厚度第二章 超声波探伤的物理基础第37页/共111页则有：则有：t1=2d1/C1t1=2d1/C1 t2=2d2/C2 t2=2d2/C2上述两式中，上述两式中，t1t1为仪器时基线上底波的位置（格数），为仪器时基线上底波的位置（格数），d1d1和和C1C1为已为已知工件的厚度和声速；知工件的厚度和声速；t2t2为被测工件的底波在时基线上的位置（格数），此为被测工件的底波在时基线上的位置（格数），此值通过与值通过与t1t1比较而得出；比较而得出；d2d2为被测工件的厚度，为被测工件的厚度，C2C2是是未知数。未知数。第二

36、章 超声波探伤的物理基础第38页/共111页例例第二章 超声波探伤的物理基础如：使用如：使用CSK-IACSK-IA试块和直探头，调节器时基线，根据测量试块和直探头，调节器时基线，根据测量厚度进行调节，将厚度进行调节，将25mm25mm的一次底波调到的一次底波调到2.52.5格格,将二次波调将二次波调到到5 5格格,三次波调到三次波调到7.57.5格格,此时每格所代表的时间是此时每格所代表的时间是:当测量厚度为当测量厚度为60mm60mm的另一工件的另一工件,一次底波在一次底波在5 5格处出现时格处出现时,则该工件的纵波声速为则该工件的纵波声速为:这种方法不是很精确这种方法不是很精确.可能有几

37、可能有几-几十米的误差几十米的误差.其准确其准确度受基准试块的声速、试块精度、时基线的线性、读数误度受基准试块的声速、试块精度、时基线的线性、读数误差影响。差影响。用水作测量基准原理相同用水作测量基准原理相同.第39页/共111页另外一种解题方法另外一种解题方法解：解：t1t22d1/C12d2/C2d1/C1d2/C2第二章 超声波探伤的物理基础用用A A型脉冲反射式超声波探伤仪测试两种工件时，型脉冲反射式超声波探伤仪测试两种工件时，t1t1、t2t2分别表示一次底波的格数或水平距离分别表示一次底波的格数或水平距离用测厚仪测试两种工件时，用测厚仪测试两种工件时，t1t1、t2t2分别表示仪器

38、的读数分别表示仪器的读数第40页/共111页2 2、测厚仪测量法、测厚仪测量法原理与超声波探伤仪法相同。现在测厚仪基本上都是脉冲原理与超声波探伤仪法相同。现在测厚仪基本上都是脉冲反射法。该方法比用探伤仪要精确一些。反射法。该方法比用探伤仪要精确一些。由驻波理论可知，当试件厚度为由驻波理论可知，当试件厚度为/2/2的整数倍时，入射波的整数倍时，入射波与反射波在试件内形成驻波，产生共振，据共振原理得声与反射波在试件内形成驻波，产生共振，据共振原理得声速计算公式为：速计算公式为：C=2fnd/nC=2fnd/n实际工作中均为脉冲反射式。实际工作中均为脉冲反射式。常用测厚仪有共振法和脉冲反射法两种。常

39、用测厚仪有共振法和脉冲反射法两种。第二章 超声波探伤的物理基础1 1）共振法）共振法2 2）脉冲反射法）脉冲反射法第41页/共111页3 3、示波器测量法、示波器测量法示波器的时基线可以读出两次反射波的时间差，通示波器的时基线可以读出两次反射波的时间差，通过公式可直接计算出声速。过公式可直接计算出声速。C=2d/tC=2d/t第二章 超声波探伤的物理基础本节重点：声速与介质的关系、声速与温度的关系、本节重点：声速与介质的关系、声速与温度的关系、声速的测量方法声速的测量方法返回第42页/共111页第四节第四节 波的叠加、干涉、衍射与惠更斯原理波的叠加、干涉、衍射与惠更斯原理 一、波的叠加与干涉一

40、、波的叠加与干涉 1 1、波的迭加原理、波的迭加原理第二章 超声波探伤的物理基础几列波在同一介质中传播时，如果在某点相遇，则相遇处几列波在同一介质中传播时，如果在某点相遇，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，好象在各自的途径中没有遇到其它波一播方向继续前进，好象在各自的途径中没有遇到其它波一样，这就是波的迭加原

41、理，又称波的独立性原理。样，这就是波的迭加原理，又称波的独立性原理。动画演示1动画演示2第43页/共111页2 2、波的干涉、波的干涉1)1)当当=n(n=n(n为整数为整数)时，时，A=A1+A2A=A1+A2，合振幅最大；，合振幅最大；2)2)当当=(2n+1)/2(n=(2n+1)/2(n为整数为整数)时，时，A=A1-A2A=A1-A2的绝对值，的绝对值，合振幅最小，当合振幅最小，当A1=A2A1=A2时，则时，则A=0A=0，完全抵消。，完全抵消。超声波探伤中由于波的干涉在使声源附近出现声压极大超声波探伤中由于波的干涉在使声源附近出现声压极大值和极小值值和极小值波的迭加原理是以波的干

42、涉现象为基础。波的迭加原理是以波的干涉现象为基础。两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相差一定值，两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相差一定值，相遇时在某处振动互相加强，而在另一些地方振动互相减相遇时在某处振动互相加强，而在另一些地方振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象。产生干涉现象的弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象。产生干涉现象的波互称相干波。波互称相干波。第二章 超声波探伤的物理基础第44页/共111页二、驻波二、驻波第二章 超声波探伤的物理基础如声波从水入射到钢时产在水如声波从水入射到钢时产在水/钢界面上产生波节，波钢界面上产生波节，波从钢入射到水时在钢水界面上就产生波腹

43、。从钢入射到水时在钢水界面上就产生波腹。声波从波密介质入射到波疏介质时在界面上产生波节；声波从波密介质入射到波疏介质时在界面上产生波节；当声波从波疏介质入射到波密介质时在界面上产生波当声波从波疏介质入射到波密介质时在界面上产生波腹。腹。两列振幅相同的相干波（频率相同）在同一直线上沿两列振幅相同的相干波（频率相同）在同一直线上沿相反方向传播时，互相迭加而成的波，称为驻波。驻相反方向传播时，互相迭加而成的波，称为驻波。驻波又称节波，在波节位置，振幅恒为零。波又称节波，在波节位置，振幅恒为零。驻波演示第45页/共111页三、惠更斯原理和波的衍射三、惠更斯原理和波的衍射 1 1、惠更斯原理、惠更斯原理

44、2 2、波的绕射、波的绕射 第二章 超声波探伤的物理基础概念：介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的概念：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波源，在其后任意时刻这些子波的包迹就决定新的波阵面 障碍物与波长相比越小则产生绕射越强，反射越弱，当障障碍物与波长相比越小则产生绕射越强，反射越弱，当障碍物很小时几乎全绕射不反射，这就是超声波探伤灵敏度碍物很小时几乎全绕射不反射，这就是超声波探伤灵敏度的问题的问题障碍物越大反射越强，反之则反射越弱。障碍物越大反射越强，反之则反射越弱。当障碍物的大小与波长相当时，波能绕过障碍物继续前进，当障碍

45、物的大小与波长相当时，波能绕过障碍物继续前进，这种现象称为波的绕射这种现象称为波的绕射演示1演示演示2第46页/共111页3 3、波的衍射、波的衍射这种现象在新标准中得到应用。利用衍射波测量缺这种现象在新标准中得到应用。利用衍射波测量缺陷的高度和长度就是这个原理。陷的高度和长度就是这个原理。波的衍射是惠更斯原理的体现波的衍射是惠更斯原理的体现当波传播到缺陷的端部时，在缺陷的端部会产生一当波传播到缺陷的端部时，在缺陷的端部会产生一个波源个波源第二章 超声波探伤的物理基础演示超声波探伤灵敏度约为超声波探伤灵敏度约为/2/2，这是一个重要的原因。，这是一个重要的原因。当障碍物与波长之比很大时，波几乎

46、全反射不绕射。当障碍物与波长之比很大时，波几乎全反射不绕射。返回第47页/共111页第五节第五节 超声场的特征值超声场的特征值 超声波所存在的空间或超声波振动所涉及的部分空间叫超超声波所存在的空间或超声波振动所涉及的部分空间叫超声场。描述超声场的特征值主要有声压、声强和声阻抗。声场。描述超声场的特征值主要有声压、声强和声阻抗。一、声压一、声压P P第二章 超声波探伤的物理基础声场中某点某一时刻的压强声场中某点某一时刻的压强P P1 1与没有超声波存在时的静与没有超声波存在时的静态压强态压强P P0 0之差，称为该点该时刻的声压。之差，称为该点该时刻的声压。P=PP=P1 1-P-P0 0 单位

47、：帕斯卡单位：帕斯卡PaPa；PaPa超声场中超声场中,某点的声压幅值与介质密度、波速和频率成正某点的声压幅值与介质密度、波速和频率成正比。超声波频率很高，因此声压远大于声波的声压比。超声波频率很高，因此声压远大于声波的声压在示波屏上波高与声压成正比在示波屏上波高与声压成正比.第48页/共111页二、声阻抗二、声阻抗Z Z超声场中任意一点的声压与该处质点的振动速度之比称超声场中任意一点的声压与该处质点的振动速度之比称为声阻抗为声阻抗.用用Z Z表示表示第二章 超声波探伤的物理基础从上式可见从上式可见,在同一声压下在同一声压下,声阻抗增加（对两种介质而声阻抗增加（对两种介质而说）说）,则质点振动

48、速度下降则质点振动速度下降,因此声阻抗可以理解为介质因此声阻抗可以理解为介质对质点振动的阻碍作用对质点振动的阻碍作用.类似电学中的欧姆定律类似电学中的欧姆定律R=U/IR=U/I即声阻抗等于该点的介质密度与声速之积即声阻抗等于该点的介质密度与声速之积;Pm=Pm=c u=Z u Z=Pm/u c u=Z u Z=Pm/u Z=P/u=cu/u=c Z=P/u=cu/u=c 单位单位:克克/厘米厘米2 2秒秒,或千克或千克/米米2 2秒秒.第49页/共111页声阻抗是表征介质声学特性的重要物理量声阻抗是表征介质声学特性的重要物理量.超声波在两超声波在两种介质界面上的反射与透射直接与声阻抗相关种介

49、质界面上的反射与透射直接与声阻抗相关.第二章 超声波探伤的物理基础常用材料的声阻抗常用材料的声阻抗材料的声阻抗与温度有关材料的声阻抗与温度有关,一般材料的声阻抗随温度的一般材料的声阻抗随温度的升高而降低升高而降低.这是因为大多数材料温度增加密度降低、这是因为大多数材料温度增加密度降低、声速降低。声速降低。物物 质质钢钢铝铝有机玻璃有机玻璃水水声阻抗声阻抗Z(106Z(106克、厘米克、厘米2.2.秒秒)4.534.531.691.690.330.330.150.15第50页/共111页第二章 超声波探伤的物理基础三、声强三、声强单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，用单位时间内垂直通过单位

50、面积的声能称为声强，用I I表表示示,单位单位:瓦瓦/厘米厘米2;2;或焦尔或焦尔/厘米厘米2.2.秒秒;超声波传播到介质某处时超声波传播到介质某处时,原来静止不动的质点开始振动原来静止不动的质点开始振动,因而具有动能因而具有动能,同时该处介质产生弹性变形同时该处介质产生弹性变形,因而具有弹因而具有弹性势能性势能,其总能量为二者之和其总能量为二者之和由以上公式可知由以上公式可知:1)1)超声波的传播是能量的传播超声波的传播是能量的传播.体积元的动能和势能同体积元的动能和势能同时最大，同时为时最大，同时为0 0，与单独的谐振系统不同。，与单独的谐振系统不同。2)2)超声波的声强与频率的平方成正比