材料的结构检测8超声波检测方法

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1、第4讲材料的结构检测材料概论李阳东北大学2006年11月第4讲材料的结构检测4.1光学显微镜、定量金相分析技术4.2X射线衍射分析4.3扫描电镜、透射电镜分析4.4表面成分分析4.5电子显微技术的新进展4.6差热分析4.7超声波检测4.7超声波检测方法超声波检测的物理基础超声波发射声场与规则放射体的回波声压仪器、探头和试块超声波探伤方法和通用探伤技术（一）超声波检测的物理基础物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作住复周期性的运动，称为机械振动。某质点在介质内振动能激发附近质点的振动。振动在弹性介质内的传播过程，称为波。声波是一种在气体、液体、固体中传播的弹性波

2、。它分为次声波、可闻声波、超声波及特超声波，其频率界限如图。一、超声波的一般概念1．机械振动与机械波第4讲材料的结构检测第4讲材料的结构检测（1）超声波方向性好。在材料检测中，使用超声波的频率为毫米数量级。它可以像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，犹如一束手电筒灯光可以在黑暗中寻找所需物品一样在材料中发现缺陷。（2）超声波能量高。超声波的频率远高于声波，而声强与频率的平方成正比，因此超声波的能量远大于声波的能量。（3）穿透力强。超声波在大多数材料中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在金属材料中穿透能力可达数米。在一些非金属材料、复合材料中穿

3、透能力也可达一米，这是其它检测方法无法比拟的。（4）能在异质界面产生反射、折射和波形转换。在超声波检测中，遇到材料的异变界面，超声波要产生反射、折射和波形转换。特点第4讲材料的结构检测（1）纵波L：质点振动方向和传播方向一致的波，称纵波，它能在固体、液体、气体中传播。2．超声波的波形第4讲材料的结构检测（2）横波S：质点振动方向垂直于传播方向的波，称横波，它只能在固体中传播。第4讲材料的结构检测（3）表面波R：当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波。它是瑞利1887年首光提出来的，因此表面波又称瑞利波。表面波在介质表面传播时，介质表面

4、质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波和横波的合成，因此表面波只能在固体介质中传播，且表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。第4讲材料的结构检测（4）板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，称为板波。按介质质点振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。SH波：SH波是水平偏振的横波在薄板中传播。薄板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向，相当于固体介质表面的横波。兰姆波：兰姆波又分为对称型(S型)和非对称则(A型)。对称(S型)兰姆波的特点是薄板中心质点作纵向振动，上下表面

5、质点作椭圆运动，振动相位相反、并对称于中心。非对称(A型)兰姆波特点是薄板中心质点作横向振动，上下表面质点作椭圆运动，相位相同，不对称。第4讲材料的结构检测3．超声波的传播速度（1）气体和液体中的声速第4讲材料的结构检测（2）固体中的声速第4讲材料的结构检测二、超声场的特征量1．声压p超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强p1与没有超声波存在时同一点的静态压强p0之差称为该点的声压，用p表示p＝p1–p0对于平面波，它的波动方程可以证明第4讲材料的结构检测2．声阻抗Z介质中某一点的声压p与该处质点振动速度V之比．称为声阻抗，用Z表示声阻抗表示超声场中介质对质点振

6、动的阻碍作用。同一声压下，Z越大，质点的振动速度越小。不同的介质有不同的阻抗，同一介质p传播速度不同，阻抗也不同。同时，温度对阻抗也有一定的影响。第4讲材料的结构检测单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用I表示。3．声强I平面波声强超声场中，声强与声压平方成正比，与频率平方成正比。由于超波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波可以用于检测的重要依据。第4讲材料的结构检测通常规定引起听觉的最弱声强I0=10-16W/cm2为声强标准。在声学上称为“闻阈”，即f=1000Hz时引起人耳听觉的声强最小值。某一声强I与标准声强I0之比I/I0，取常用对数得

7、到二者相差的数量级，称为声强级，用L1表示。4.分贝第4讲材料的结构检测三、超声波垂直入射到异质界面上的反射和透射当超声波垂直人射到足够大的光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与人射方向相同的透射波，如图。反射波与透射波的声压(或声强)是按一定规律分配的。这分配关系用反射率和透射率来表示。界面的声压反射率，记为1．平界面第4讲材料的结构检测界面的声压透射率声强反射率声强透射率第4讲材料的结构检测第4讲材料的结构检测2．薄层界面（1）当Z1=Z3≠Z2，对均匀介质中的异质薄层第4讲材料的结构检测（2）当Z1≠Z3≠Z

8、2，对非均匀介质中的异质薄层第4讲材料