《超声检测原理》PPT课件.ppt

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1、第二章 超声检测2-1 超声检测原理超声检测原理 超超声声检检测测是是一一种种利利用用超超声声波波在在介介质质中中传传播播的的性质来判断工件和材料的缺陷和异常。性质来判断工件和材料的缺陷和异常。人人耳耳能能听听到到的的声声音音频频率率为为16Hz20kHz，超超声是一种看不见、听不到的弹性波。声是一种看不见、听不到的弹性波。超超声声检检测测一一般般为为0.525MHz，常常用用频频率率范范围围为为 0.510MHz。超声波特性超声波特性(1)在在液液体体和和固固体体介介质质中中长长距距离离传传输输(虽虽然然在在气气体中衰减很快体中衰减很快)；(2)超声波能量在传输时有明确的方向性；超声波能量在

2、传输时有明确的方向性；(3)超声波在一定介质中传输时速度不变；超声波在一定介质中传输时速度不变；(4)超超声声波波传传输输通通过过不不同同材材料料界界面面时时，可可能能会会改改变其振动模式。变其振动模式。超声检测就是利用超声波来对材料和工件进行超声检测就是利用超声波来对材料和工件进行检验和测量。检验和测量。典型的应用，是超声探伤以及材料和工件的物典型的应用，是超声探伤以及材料和工件的物理性能与力学性能检验。理性能与力学性能检验。在测量方面，许多非声学特性和某些状态参量，在测量方面，许多非声学特性和某些状态参量，例如液位、流量等都可用超声方法测定。例如液位、流量等都可用超声方法测定。超声波应用非

3、常广泛。如超声加工和处理，利超声波应用非常广泛。如超声加工和处理，利用超声能量来改变物质特性和状态，如超声钻孔、用超声能量来改变物质特性和状态，如超声钻孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。超声检验与测量之间的关系非常密切，如超声超声检验与测量之间的关系非常密切，如超声探伤和超声液位测量，技术原理相仿。探伤和超声液位测量，技术原理相仿。超声检测和超声加工处理之间的区别明显，超超声检测和超声加工处理之间的区别明显，超声加工往往着重大功率的连续波超声，而超声检声加工往往着重大功率的连续波超声，而超声检测则太多使用灵敏度高、功率不大的脉冲波。测则太多使用灵敏度高、功率不

4、大的脉冲波。超声加工处理时非常重视一些描述声场强弱的超声加工处理时非常重视一些描述声场强弱的物理量物理量(如声压、声强、声功率等如声压、声强、声功率等)的测定。的测定。而超声检测则着重描述介质中超声传播特性的而超声检测则着重描述介质中超声传播特性的物理量物理量(如声速、声衰减、声阻抗等如声速、声衰减、声阻抗等)的测定。的测定。超声波是一种机械振动所产生的波。超声波是一种机械振动所产生的波。质质点点的的往往复复运运动动称称为为振振动动，振振动动是是波波动动的的产产生根源，波动是振动的传播过程。生根源，波动是振动的传播过程。超超声声波波的的产产生生，依依赖赖于于作作高高频频机机械械振振动动的的声声

5、源源和弹性介质的传播和弹性介质的传播 超声波的传播，包括振动过程和能量传播。超声波的传播，包括振动过程和能量传播。研研究究超超声声波波传传播播时时，可可以以将将弹弹性性介介质质看看成成是是相互间由弹性力联系着的无数质点所组成。相互间由弹性力联系着的无数质点所组成。当当在在弹弹性性介介质质的的表表面面层层上上施施加加一一个个正正弦弦变变化化的的外外力力时时，由由于于各各质质点点间间有有弹弹性性力力联联系系，相相邻邻层层上上的的质质点点也也将将产产生生振振动动，一一层层推推动动一一层层，振振动动也由近及远地传播。也由近及远地传播。2-1-1 波动的种类与波型波动的种类与波型 波波的的种种类类是是根

6、根据据质质点点振振动动方方向向和和波波动动传传播播方方向向的的关关系系来来区区分分，可可分分为为纵纵波波、横横波波、表表面面波波和和板波板波，如图所示。，如图所示。(1)纵波纵波 当介质受到交替变化的正弦拉当介质受到交替变化的正弦拉-压应力作用压应力作用时，质点产生疏密相间的纵向振动，质点振动时，质点产生疏密相间的纵向振动，质点振动方向与波的传播方向一致方向与波的传播方向一致 纵波常用纵波常用 L 表示，它在介质中传播时，仅使表示，它在介质中传播时，仅使介质各部分改变体积而不产生转动。任何弹性介质各部分改变体积而不产生转动。任何弹性介质介质(固体、液体和气体固体、液体和气体)中都能传播纵波。中

7、都能传播纵波。(2)横波横波 当介质受到交替变化的正弦剪切应力时，质当介质受到交替变化的正弦剪切应力时，质点产生具有波峰与波谷的横向振动，并在介质点产生具有波峰与波谷的横向振动，并在介质中传播，其振动方向与波的传播方向垂直，这中传播，其振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波，也称切变波。种波称为横波，也称切变波。横波用符号横波用符号T或或S表示。在介质中传播时，仅表示。在介质中传播时，仅使介质各部分产生形变而介质体积不变。使介质各部分产生形变而介质体积不变。由于液体和气体介质没有剪切弹性，因此不由于液体和气体介质没有剪切弹性，因此不能传播横波。能传播横波。(3)表面波表面波 半无限大弹性介

8、质与气体的交界面，受到交半无限大弹性介质与气体的交界面，受到交替变化的表面张力作用时，介质表面质点发生替变化的表面张力作用时，介质表面质点发生纵向和横向振动，质点绕其平衡位置作椭圆运纵向和横向振动，质点绕其平衡位置作椭圆运动，并作用于相邻质点而在表面传播，这种波动，并作用于相邻质点而在表面传播，这种波称为表面波，也称瑞利波。称为表面波，也称瑞利波。表面波常用符号表面波常用符号 R 表示，图中表示的是瞬时表示，图中表示的是瞬时的质点位移状态。表面波传播深度约的质点位移状态。表面波传播深度约l2个波个波长，振幅随深度的增加而迅速减小，当深度达长，振幅随深度的增加而迅速减小，当深度达到两个波长时，振

9、幅降至最大振幅的到两个波长时，振幅降至最大振幅的0.37倍倍(4)板波板波 板状介质受到交板状介质受到交替变化的表面张替变化的表面张力作用，而且板力作用，而且板厚与波长相当，厚与波长相当，质点的纵向和横质点的纵向和横向振动轨迹也是向振动轨迹也是椭圆，声场遍布椭圆，声场遍布整个板厚。这种整个板厚。这种波称为板波，也波称为板波，也称兰姆波。板波称兰姆波。板波常用符号常用符号 P 表示表示板波与表面波不同，其传播要受到两个界面的板波与表面波不同，其传播要受到两个界面的束缚，从而形成对称型束缚，从而形成对称型(S型，图型，图2-1d)和非对称和非对称型型(A型，图型，图2-1e)两种情况。两种情况。对

10、称型板波在传播中，质点的振动以板厚为中心对称型板波在传播中，质点的振动以板厚为中心面对称，上下表面上质点振动的相位相反，中心面对称，上下表面上质点振动的相位相反，中心面上质点的振动方式类似于纵波。面上质点的振动方式类似于纵波。非对称型板波在传播中，上下表面质点振动的相非对称型板波在传播中，上下表面质点振动的相位相同，质点的振动方式类似于横波。位相同，质点的振动方式类似于横波。2-1-2 声波的波动特性声波的波动特性 声声波波的的波波动动特特性性，主主要要是是指指几几个个波波相相遇遇时时出出现的干涉、叠加以及衍射现象。现的干涉、叠加以及衍射现象。(1)波的干涉叠加波的干涉叠加 当当几几个个波波在

11、在同同一一介介质质中中传传播播至至某某处处相相遇遇，则则相相遇遇处处质质点点的的振振动动是是各各个个波波所所引引起起的的振振动动的的合合成成，相相遇遇点点上上质质点点的的位位移移是是各各个个波波在在该该点点所所引引起的位移的矢量和，这就是波的叠加原理。起的位移的矢量和，这就是波的叠加原理。脉脉冲冲波波由由若若干干正正弦弦波波叠叠加加而而成成，1MHz的的脉脉冲冲波波是是由由0.85MHz、1MHz和和1.21MHz正正弦弦波波叠叠加加而而成的。成的。所所以以虽虽然然看看来来脉脉冲冲波波每每个个质质点点的的振振动动没没有有表表示示出出同样高度，但它的确是由若干正弦波所组成。同样高度，但它的确是由

12、若干正弦波所组成。为为合合成成某某一一脉脉冲冲，脉脉冲冲宽宽度度愈愈窄窄，需需要要数数量量愈愈多多的的正正弦弦子子波波，子子波波具具有有与与中中心心频频率率不不同同的的频频率率。根根据据傅傅利利叶叶分分析析，脉脉冲冲是是由由某某一一频频谱谱范范围围内的波构成，脉冲愈窄时频谱愈宽。内的波构成，脉冲愈窄时频谱愈宽。叠叠加加波波，若若符符合合相相干干条条件件(频频率率相相同同，传传播播方方向向一一致致和和有有一一定定的的相相位位关关系系)，则则在在空空间间某某些些地地方方振振动动始始终终加加强强，而而在在另另一一些些地地方方则则始始终终减减弱弱或或完全消失，这种现象称为波的干涉。完全消失，这种现象称

13、为波的干涉。当当两两个个振振幅幅与与频频率率都都相相同同的的相相干干波波，在在同同一一直直线线上上沿沿相相反反方方向向彼彼此此相相向向传传播播时时，叠叠加加而而成成的的波波称为驻波，驻波是波的干涉现象的特例。称为驻波，驻波是波的干涉现象的特例。当当在在声声波波传传播播方方向向上上的的介介质质厚厚度度恰恰为为半半波波长长的的整整数数倍倍时时就就会会产产生生驻驻波波现现象象。这这种种驻驻波波在在介介质质的的厚厚度度方方向向引引起起共共振振，这这就就是是所所谓谓共共振振法法超超声声检检测测的基本原理。的基本原理。(2)波的衍射波的衍射波波在在弹弹性性介介质质中中传传播播时时，如如果果遇遇到到障障碍碍

14、物物或或其其它它不不连连续续的的情情况况，而而使使波波阵阵面面发发生生畸畸变变的的现现象象称为波的衍射。称为波的衍射。任任意意形形状状的的波波在在传传播播过过程程中中遇遇到到一一个个障障碍碍AB时时，AB上上有有一一个个宽宽度度大大小小与与波波长长相相当当的的狭狭缝缝，穿穿过过狭狭缝缝的的波波是是以以狭狭缝缝为为中中心心的的球球形形波波，与与原原来来的的波波阵阵面无关。面无关。这这说说明明可可以以把把狭狭缝缝看看作作新新的的波波源源。波波前前上上的的所所有有点点，都都可可看看作作产产生生球球面面子子波波的的点点源源，经经过过一一段段时时间间后后，该该波波前前的的新新位位置置将将是是这这些些子子

15、波波波波前前相相切切的的包包迹迹面面，这这称称之之谓谓惠惠更斯原理。更斯原理。惠惠更更斯斯原原理理在在超超声声检检测测中中获获得得了了广广泛泛应应用用，不不仅仅适适用用于于机机械械波波，同同样样也也适适用用于于电电磁磁波波。它它用用几几何何方方法法比比较较广广泛泛地地解解决决了了波波的的传传播播问题。问题。(3)声速、波长和频率声速、波长和频率 声声速速是是声声波波在在介介质质中中传传播播的的速速度度(c)，波波长长是是指指声声波波每每振振动动一一次次所所走走过过的的距距离离()，频频率率是是指每秒钟声波振动的次数指每秒钟声波振动的次数(f)，三者之间的关系，三者之间的关系声声速速由由介介质质

16、决决定定，在在各各向向同同性性的的无无限限大大弹弹性性固固体中，声速可用下式表示体中，声速可用下式表示式式中中E-介介质质的的正正弹弹性性模模量量，-介介质质的的密密度度，K-常数与波型有关。常数与波型有关。纵波声速纵波声速横波声速横波声速式中式中G-介质切变模量，介质切变模量，-介质的泊松比。介质的泊松比。表面波声速表面波声速 纵纵波波速速度度在在气气体体中中每每秒秒为为几几百百米米，在在液液体体中中为为12km/s，固体中为，固体中为36km/s。在在固固体体中中还还有有横横波波，横横波波的的速速度度约约为为纵纵波波速速度的一半，表面波速度约为横波速度的度的一半，表面波速度约为横波速度的0

17、.95某些物质的密度、声速和特性阻抗见表某些物质的密度、声速和特性阻抗见表 当当棒棒的的直直径径与与波波长长相相当当时时称称为为细细棒棒，细细棒棒中中声声波波以以膨膨胀胀形形式式传传播播，称称为为棒棒波波。当当棒棒的的直直径径d0.1(波波长长)时时，棒棒波波的的速速度度与与泊泊松松比比无无关关，可可表示为表示为 总总之之，介介质质弹弹性性能能越越好好(E和和G越越大大)、密密度度越小，则声波在介质中的传播速度越高。越小，则声波在介质中的传播速度越高。2-1-3 声场及其特征值声场及其特征值 声声场场特特征征常常用用声声压压、声声强强和和特特性性阻阻抗抗等等特特征征值来描述。值来描述。声声压压

18、(p)是是指指声声传传播播时时，造造成成介介质质中中某某点点的的压压强，单位为帕斯卡强，单位为帕斯卡(Pa)，1Pa=1N/m2 声声波波在在介介质质中中传传播播时时，介介质质中中每每一一点点的的声声压压将随时间和距离的变化而改变。将随时间和距离的变化而改变。声压与介质密度、波速和频率成正比声压与介质密度、波速和频率成正比式中式中 v-质点振动速度质点振动速度 上式中当声压上式中当声压 p 不变时，不变时，c 越大，质点振越大，质点振动速度就越小动速度就越小，所以，所以c 被称为介质的特性阻被称为介质的特性阻抗，以抗，以 z表示。表示。超超声声检检测测中中，可可以以到到观观察察荧荧光光屏屏上上

19、出出现现的的反反射波高度，该高度与声压射波高度，该高度与声压 p 成正比。成正比。液液体体阻阻抗抗约约为为气气体体的的3000倍倍，固固体体阻阻抗抗约约为为液体的液体的30倍。倍。在在声声场场中中的的某某点点，在在与与指指定定方方向向垂垂直直的的单单位位面面积积上上，单单位位时时间间内内通通过过的的平平均均声声能能，称称为为声声强度，以强度，以I表示。表示。声声强强度度与与质质点点位位移移振振幅幅和和质质点点振振动动频频率率的的平平方方成成正正比比，与与质质点点振振动动速速度度振振幅幅的的平平方方成成正比，与声压振幅的平方成正比。正比，与声压振幅的平方成正比。超超声声波波的的频频率率很很高高，

20、其其强强度度远远远远大大于于一一般般声音，这就是超声波能够用于检测的前提。声音，这就是超声波能够用于检测的前提。在在实实际际超超声声波波检检测测中中，超超声声波波是是由由一一定定尺尺寸寸的的探头发出的，辐射的是活塞波。探头发出的，辐射的是活塞波。离离探探头头很很近近的的地地方方可可认认为为是是平平面面波波，远远离离探探头头的地方则视为球面波。的地方则视为球面波。这这种种声声源源发发射射的的声声波波可可以以认认为为是是由由无无数数个个能能发发射子波源的声波叠加的结果。射子波源的声波叠加的结果。探探头头中中心心轴轴线线上上的的声声压压分分布布如如用用平平面面波波理理论论分分析可得下式析可得下式 式

21、中式中a-辐射圆盘半径辐射圆盘半径检检测测时时测测得得的的信信号号高高度度与与声声压压成成正正比比，中中心心轴轴上的声压分布如图所示。上的声压分布如图所示。声声压压分分布布分分为为两两个个区区域域，即即x时，时，N值可用下式获得值可用下式获得 可可见见，辐辐射射器器的的直直径径D愈愈大大、频频率率愈愈高高(波波长长越短越短)，则近场长度，则近场长度N也就愈长。也就愈长。当当xN时时称称为为远远场场区区，此此时时声声压压随随距距离离增增加加而而下下降降，但但只只有有声声程程大大于于3N后后，声声压压与与声声程程才才比比较较符符合合反反比比关关系系。因因此此，习习惯惯上上以以声声程程大大于于3N时

22、时为为远远场区。场区。远场区的声压分布远场区的声压分布可由下式计算可由下式计算 可可见见，中中心心轴轴线线上上的的声声压压与与晶晶片片面面积积和和起起始始声声压成正比，而与波长和声程成反比。压成正比，而与波长和声程成反比。声声场场中中的的声声压压不不但但随随距距离离x、时时间间t而而变变，同同时时还还随随声声束束的的半半扩扩散散角角而而变变。半半扩扩散散角角直直接接反反映映声场中声能集中的程度和几何边界。声场中声能集中的程度和几何边界。换换能能器器声场声场传播方向传播方向角角半扩散角半扩散角的大小可按下式计算的大小可按下式计算式中式中 D-圆形压电晶片的直径圆形压电晶片的直径 a-方形晶片边长

23、方形晶片边长换换能能器器声场声场传播方向传播方向角角也也就就是是说说，半半扩扩散散角角取取决决于于晶晶片片尺尺寸寸和和波波长长。提提高高频频率率和和加加大大晶晶片片尺尺寸寸，均均可可改改善善超超声的指向性。声的指向性。换换能能器器声场声场传播方向传播方向角角辐辐射射器器辐辐射射的的超超声声波波能能量量的的80%以以上上集集中中在在主主瓣瓣的的声声束束上上，副副瓣瓣的的能能量量小小，传传播播距距离离短短，因因此可以认为副瓣束集中在近场区。此可以认为副瓣束集中在近场区。换换能能器器声场声场传播方向传播方向角角 超超声声检检测测大大多多采采用用脉脉冲冲波波，而而在在介介绍绍基基本本理理论时，一般采用

24、连续波。论时，一般采用连续波。这这是是由由于于分分析析脉脉冲冲形形状状非非常常复复杂杂，而而从从实实际际应应用用来来说说，近近似似用用连连续续波波代代替替脉脉冲冲波波，但但二二者者的声场特性上别很大。的声场特性上别很大。由由于于脉脉冲冲波波是是持持续续时时间间很很短短的的波波动动，所所以以它它们可能不产生干涉或只产生不完全干涉。们可能不产生干涉或只产生不完全干涉。脉脉冲冲波波中中脉脉冲冲个个数数对对近近场场区区内内的的声声压压分分布布影影响响极极大大。当当脉脉冲冲个个数数小小于于等等于于6时时，近近场场区区声声压压明显变得简单，副瓣数目和尺寸减小。明显变得简单，副瓣数目和尺寸减小。2-1-4

25、超声波在异质界面上的超声波在异质界面上的 透射、反射和折射透射、反射和折射 所所谓谓异异质质界界面面，是是指指由由两两种种特特性性阻阻抗抗不不同同的的介介质质所所构构成成的的界界面面，如如气气/界界面面、气气/固固界界面面、液液/固界面和不同固体界面等。固界面和不同固体界面等。介质介质 I介质介质 II界面界面 超超声声波波从从一一种种介介质质传传播播到到另另一一种种介介质质，相相对对于于异异质质界界面面而而言言，当当垂垂直直入入射射时时只只有有反反射射和和透透射，波的类型射，波的类型(纵波或横波纵波或横波)不发生变化。不发生变化。介质介质 I介质介质 II界面界面当当倾倾斜斜入入射射时时除除

26、反反射射波波外外，透透射射波波产产生生干干射射，同同时时伴伴随随有波型转换。有波型转换。超超声声波波以以一一定定倾倾角角入入射射固固体体界界面面，反反射射波波和和折折射射波波都都分分裂裂成成两两种种波波型型，除除原原有有波波型型的的反反射射和和折折射射波波外外，还还存存在在不不同同波波型型的的反反射射波波与折射波。与折射波。入入射射纵纵波波(L)除除产产生生反反射射纵纵波波(L1)和和折折射射纵纵波波(L2)外外，还还产产生生反反射射横横波波(S1)和和折折射射横横波波(S2)，与与法法线线夹夹角角分分别别L、L1、L2、S S1 1和和S2这这些些角角度度与与波波速速之之间间的的关关系系符符

27、合合反反射射和和折折射定理如下式射定理如下式 由于由于CL=CL1，所以，所以L与与L1相等相等。对相同介质对相同介质CLCS，所，所以以L1大于大于S1，L2大大于于S2 即纵波的反射角和折即纵波的反射角和折射角分别大于横波的反射角分别大于横波的反射角和折射角。射角和折射角。当波速小的介质入射当波速小的介质入射到波速大的介质时，折到波速大的介质时，折射角大于入射角，随着射角大于入射角，随着入射角度增大，折射角入射角度增大，折射角也增大。也增大。当当L增大到增大到LK1时，时，使使L2等于等于90o，继续增，继续增大，纵波在界面被完全大，纵波在界面被完全反射，介质反射，介质中只存在中只存在横波

28、，此时纵波入射角横波，此时纵波入射角LK1称为第一临界角。称为第一临界角。当当L1继续增大到继续增大到LK2时、使时、使S2等等于于90o，再增大时横，再增大时横波也被全反射波也被全反射 此时的纵波入射此时的纵波入射角角LK2称为第二临称为第二临界角界角不不同同介介质质具具有有不不同同的的临界角，计算公式为临界角，计算公式为超超声声波波入入射射到到特特性性阻阻抗抗不不同同的的界界面面，一一部部分分能能量量透透过过界界面面进进入入另另一一介介质质，另另一一部部分分反反射射回回原原有介质，从介质有介质，从介质I到介质到介质的声压透过率为的声压透过率为反射率为反射率为式中式中 Z1、Z2分别为介质分

29、别为介质I和和的特性阻抗的特性阻抗从上述公式可见透过率与反射率之间关系为从上述公式可见透过率与反射率之间关系为超声检测中常采用同一探头发射和接收超声超声检测中常采用同一探头发射和接收超声波，若把往返两者结合起来考虑，则声压的波，若把往返两者结合起来考虑，则声压的往返透过率为往返透过率为 当用油耦合剂探测测试件时，在油与钢界面当用油耦合剂探测测试件时，在油与钢界面上的往返透过率约为上的往返透过率约为11%。两种介质的特性阻抗相差很大时两种介质的特性阻抗相差很大时(如固体和气如固体和气体界面体界面)，超声在界面上几乎全反射，声波既不，超声在界面上几乎全反射，声波既不能从固体进入气体，也不能从气体进

30、入固体。能从固体进入气体，也不能从气体进入固体。超声检测时，要保证探头和工件之间完全耦合，超声检测时，要保证探头和工件之间完全耦合，否则由于气隙的存在影响超声的进入。否则由于气隙的存在影响超声的进入。例如钢的特性阻抗为例如钢的特性阻抗为4.5106(Pa.s)/m，空气的，空气的声阻抗为声阻抗为0.0004106(Pa.s)/m，当超声波传输到，当超声波传输到钢与空气的界面时，几乎钢与空气的界面时，几乎100%被反射。被反射。钢中有气隙存在时很容易被发现，而钢试件中钢中有气隙存在时很容易被发现，而钢试件中的非金夹杂物，由于它的特性阻抗与基体比较接的非金夹杂物，由于它的特性阻抗与基体比较接近，因

31、此其反射波比较弱。近，因此其反射波比较弱。当当探探头头与与钢钢试试件件之之间间存存在在空空气气时时，超超声声波波基基本本上上不不能能透透入入钢钢中中，采采用用机机油油为为耦耦合合剂剂时时，约约有有16%的发射声压进入钢中，已足够了。的发射声压进入钢中，已足够了。可可把把超超声声波波看看作作和和光光线线一一样样是是直直线线传传播播，用用几几何何光光学学理理论论来来探探讨讨超超声声波波的的曲曲面面反反射射和和折折射射规规律律。当当平平面面波波入入射射到到曲曲界界面面时时，超超声声的的透透射射情情况如图况如图曲曲界界面面对对相相邻邻介介质质中中的的透透射射波波所所起起作作用用，就就如如光光学学上上聚

32、聚焦焦透透镜镜和和发发散散透透镜镜一一样样，要要考考虑虑界界面面的弯曲方向和两种介质的声速比。的弯曲方向和两种介质的声速比。聚聚焦焦声声透透镜镜，是是超超声声检检测测中中提提高高检检测测灵灵敏敏度度的的有有效效途途径径。超超声声波波检检测测用用的的聚聚焦焦透透镜镜往往往往采采用用平平凹凹面的型式，如图所示面的型式，如图所示聚聚焦焦探探头头通通常常用用有有机机玻玻璃璃或或环环氧氧树树脂脂作作声声聚聚焦焦透透镜镜，透透镜镜与与晶晶片片接接触触的的面面仍仍为为平平面面，而而声声透透视视面面为凹曲面。为凹曲面。当当与与声声透透镜镜凹凹曲曲面面接接触触的的第第二二介介质质的的声声速速c2小小于于透透镜镜

33、中中声声速速c1时时、透透射射声声波波具具有有聚聚焦焦作作用用，透透镜镜的凹面曲率半径为的凹面曲率半径为在环氧透镜水浸聚焦的情况下，在环氧透镜水浸聚焦的情况下，r可近似为可近似为当当聚聚焦焦声声束束射射入入工工件件时时，工工件件中中的的焦焦点点深深度度如如图图所所示示，并并可可根根据下列公式进行计算据下列公式进行计算式式中中、f及及 H图图中中已已标标明明，c1、c2分分别别为为水水中和工件中的声速。中和工件中的声速。2-1-5 超声波传播中的衰减超声波传播中的衰减 超超声声波波传传播播过过程程中中遇遇到到障障碍碍物物，就就可可能能产产生生若若干现象，这些现象与障碍物的大小有关。干现象，这些现

34、象与障碍物的大小有关。如如果果障障碍碍物物的的尺尺寸寸比比超超声声波波的的波波长长小小得得多多，则则它们对超声波的传播几乎没有影响。它们对超声波的传播几乎没有影响。如如果果障障碍碍物物的的尺尺寸寸与与超超声声波波的的波波长长近近似似，其其声声阻阻抗抗与与周周围围介介质质不不同同，则则超超声声波波将将发发生生不不规规则则反反射、折射和透射。射、折射和透射。这这些些现现象象都都是是波波的的散散射射，是是造造成成超超声声波波在在介介质质传传播播时时、随随着着传传播播距距离离的的增增加加其其能能量量逐逐渐渐减减弱弱的的主要因素，称为衰减。主要因素，称为衰减。其其它它两两种种造造成成超超声声波波衰衰减减

35、的的因因素素是是由由于于声声束束传传播时扩散和由于介质的吸收。播时扩散和由于介质的吸收。在在多多晶晶体体金金属属材材料料中中，散散射射是是造造成成超超声声波波衰衰减减的主要原因。的主要原因。散散射射现现象象主主要要取取决决于于材材料料内内部部组组织织、超超声声波波波波长和散射体的形状。长和散射体的形状。当当组组织织为为粗粗晶晶(如如铸铸态态组组织织、奥奥氏氏体体焊焊缝缝等等)或或组组织织中中有有大大量量第第二二相相时时，特特别别是是当当它它们们的的尺尺寸寸与与超声波波长相当时，散射现象特别严重。超声波波长相当时，散射现象特别严重。超超声声散散射射时时产产生生的的不不规规则则反反射射波波和和折折

36、射射波波现现象象，在在荧荧光光屏屏上上表表演演为为林林状状回回波波(或或草草状状回回波波)干扰信号，使信噪比下降，降低检测灵敏度。干扰信号，使信噪比下降，降低检测灵敏度。工工件件表表面面粗粗糙糙度度也也对对衰衰减减产产生生影影响响，采采用用的的超声波频率愈高时散射愈严重。超声波频率愈高时散射愈严重。吸吸收收是是由由于于介介质质的的粘粘滞滞性性造造成成的的质质点点之之间间的的摩擦引起的，它使一部分能量转变为热能。摩擦引起的，它使一部分能量转变为热能。吸吸收收与与介介质质粘粘滞滞系系数数、导导热热系系数数及及频频率率的的某某次方成正比，与声速三次方和密度成反比。次方成正比，与声速三次方和密度成反比

37、。超声波在液体和气体中的衰减主要是吸收。超声波在液体和气体中的衰减主要是吸收。有有机机玻玻璃璃等等高高分分子子材材料料的的声声速速和和密密度度较较小小，粘滞系数较大，吸收也很强烈。粘滞系数较大，吸收也很强烈。而而一一般般金金属属材材料料对对超超声声波波吸吸收收较较小小，与与散散射射衰减比几乎可以忽略。衰减比几乎可以忽略。为为消消除除吸吸收收造造成成的的能能量量减减弱弱，可可增增强强发发射射电电压压和增益以及适当降低频率。和增益以及适当降低频率。消消除除散散射射则则比比较较困困难难，此此时时不不但但使使传传播播能能量量减减弱弱，而而且且产产生生许许多多所所谓谓的的林林状状反反射射波波，它它也也随

38、随着着发发射射电电压压和和增增益益的的增增强强而而增增大大。较较好好的的办办法法是是降降低频率，但这就限制了小缺陷的检出。低频率，但这就限制了小缺陷的检出。目目前前已已研研制制出出各各种种新新型型超超声声换换能能器器、新新型型超超声声探探伤伤仪仪以以及及计计算算机机信信号号处处理理等等技技术术来来减减少少和和消消除除散射的影响。散射的影响。超超声声波波衰衰减减，可可用用衰衰减减系系数数表表示示。如如能能测测到到材材料料内内部部不不同同位位置置(x1和和x2)超超声声的的声声压压p1和和p2，则则衰减系数衰减系数0为为0单位为奈培单位为奈培(Np)，若用分贝，若用分贝(dB)表示，则表示，则 在

39、在超超声声检检测测中中，声声衰衰减减影影响响回回波波高高度度，在在缺缺陷定量中必须加以修正。陷定量中必须加以修正。另另一一方方面面，测测量量超超声声波波在在介介质质中中传传播播时时的的衰衰减减变变化化规规律律，可可以以判判断断材材料料和和工工件件中中是是否否有有异异常常组组织织、组组织织有有无无变变化化、晶晶粒粒大大小小、热热处处理理和和应变情况、内应力的大小和位错密度等。应变情况、内应力的大小和位错密度等。总之，在材料研究中有着广阔的前景。总之，在材料研究中有着广阔的前景。以以镍镍铬铬钢钢为为例例，采采用用2MHz纵纵波波检检测测时时，其其不不同工件材料的衰减值为同工件材料的衰减值为 锻件锻

40、件 91010-3dB/mm 轧件轧件 1810-3dB/mm 铸件铸件 408010-3dB/mm 检检测测焊焊缝缝时时，频频率率对对衰衰减减的的影影响响如如图图所所示示，可可见见，随随着着频频率率增增大大衰衰减减迅迅速变大。速变大。另另外外，奥奥氏氏体体钢钢焊焊缝缝的的衰衰减减值值大大大大高于母材。高于母材。检检测测铸铸件件时时，所所用用频频率愈高衰减愈大。率愈高衰减愈大。在在同同样样大大小小的的频频率率情情况况下下，球球墨墨铸铸铁铁的的衰衰减减值值大大大大低低于于灰灰铸铸铁铁件，如图所示。件，如图所示。检检测测塑塑料料时时，频频率率对对衰衰减减的的影影响响也也是是随随频频率率增增加加而而衰衰减减值值迅迅速速增增大，如图所示大，如图所示