超声波检测技术

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1、6.1超声检测6.1.1超声检测的基础知识1.描述超声波的基本物理量超声波的产生依赖于做高频机械振动的“声源”和传播机械振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测的物理基础。描述超声波波动特性的基本物理量有：声速c、频率f、波长λ、周期T、角频率ω。其中频率和周期是由波源决定的，声速与传声介质的特性和波型有关。这些量之间的关系如下：（6-1）2.超声波的特点超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测。1)方向性好超声波具有像光波一样定向束射的特性。2）穿透能力强对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。3）能量

2、高超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。4）遇有界面时，将产生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。3.超声波的分类超声波的分类方法很多，如图6.1所示。主要有：按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系分类，即按波型分类；按波振面的形状分类，即按波形分；按振动的持续时间分类等。其中，按波型是研究超声波在介质中传播规律的重要理论依据，将着重讨论。图6-1超声波的分类1）超声波的波型超声波的波型指的是介质质点的振动方向与波的传播方向的关系。按波型可分为纵波、横波、表面波和板

3、波等。（1）纵波。介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波，用L表示(见图6-2)。介质质点在交变拉压应力的作用下，质点之间产生相应的伸缩变形，从而形成了纵波。纵波传播时，介质的质点疏密相间，所以纵波有时又称为压缩波或疏密波。图6-2纵波（2）横波。介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波叫横波，用S或T表示(见图6-3)。横波的形成是由于介质质点受到交变切应力作用时，产生了切变形变，所以横波又叫做切变波。液体和气体介质不能承受切应力，只有固体介质能够承受切应力，因而横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。（3）表面波（瑞利波）。当超声波在固体介质中传播时，对

4、于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波即表面波(见图6-4)。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，因此表面波又称为瑞利波，常用R表示。图6-3横波图6-4表面波（4）板波（兰姆波）。在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波叫板波(或兰姆波)。板波传播时声场遍及整个板的厚度。薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合，质点振动的轨迹为一椭圆，在薄板的中间也有超声波传播(见图6-5)。板波按其传播方式又可分为对称型（S型）和非对称型（A型）两种，这是由质点相对于板的中间层作对称型还是非对称型运动来决定的。图6-5板波(a)对称型；(b)非对称型2)超声波的波形超声波由声源向周围传播的过程可

5、用波阵面进行描述。如图6-6所示，在无限大且各向同性的介质中，振动向各方向传播，用波线表示传播的方向；将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面称为波阵面；某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面称为波前。在各向同性介质中波线垂直于波阵面。在任何时刻，波前总是距声源最远的一个波阵面。波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。图6-6波线、波前与波阵面(a)平面波；(b)柱面波；(c)球面波根据波阵面的形状(波形)，可将超声波分为平面波、柱面波和球面波等。平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵面为同轴圆柱面，球面波的波阵面为同心球面，如图6-6所示。当声源是一个点时，在各向

6、同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。当声源的尺寸远小于测量点距声源的距离时，可以把超声波看成是球面波。球面波的波动方程为（6-2）3）连续波与脉冲波连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波是质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波。对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率。6.1.2超声场及介质的声参量简介1.超声场的物理量1)声压当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1

7、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,即(6-3)对于平面余弦波，可以证明：（6-4）式中：　为介质的密度;c为介质中的声速；　为介质质点的振幅；V为介质质点振动的角频率；为质点振动速度的幅值；t为时间；x为质点距声源的距离；为声压幅值。由上式可知：超声场中某一点的声压幅值Pm与角频率成正比，也就与频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于声波的频率，故超声波的声压一般也远大于声波的声压。2）声阻抗介质