超声波检测物理基础
超声检测-物理基础
机械振动
机械波
机械振动——谐振动
振动：质点不停地在平衡位置附近往复运动的状态。 谐振动：质点受到跟位移成正比、方向总是指向平衡位置的回 复力作用下的振动。
振动方程：
y A cos t A : 振幅
＝2 f ：角频率 ：初始相位
机械振动——谐振动
特点： 位移随时间的变化符合余弦规律； 振幅和频率始终保持不变、自由、周期的振 动——最基本、最简单的理想的振动； 固有频率由系统本身决定； 只有弹力或重力做功，机械能守恒。
频谱分析在超声检测中的应用 ——提高超声无损检测分辨率的方法 （《无损检测》 1997（4），P91 ）
远场分辨率：两相距2mm反射体
c d 2f 测得：f 1.4MHz d 2.1mm
频谱分析在超声检测中的应用 ——提高超声无损检测分辨率的方法 （《无损检测》 1997（4），P91 ）
机械波——产生与传播
机械波 机械振动在介质中传播形成机械波。 弹性介质 由以弹性力保持平衡的各个质点所构成。
机械波——产生与传播
产生机械波的条件 机械振动源、弹性介质。 特点： 机械振动是机械波的根源、机械波是机械振动状态的 传播。 机械波的传播不是物质的传播，而是振动状态和能量 的传播。
超声检测的历史
1964年，焊缝超声检测技术。
70’，裂纹高度测量，结合断裂力学，评估结 构强度和寿命预测。 80’，随着电子技术和计算机的发展，超声检 测自动化和成像技术发展迅速。
超声波的特点
超声波能量高
超声波穿透力强 超声波方向性好
超声检测第一、二、三章
两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒 定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强。而 另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象。产生 干涉的波叫相干波，其波源叫相干源。
31
当两列波的波程差等于波长的整数倍时， 二者互相加强，合成幅度达最大值。
当两列波的波程差等于半波长的奇数倍时， 二者互相抵消，合成幅度达最小值。 二、驻波
换； 4）穿透能力强。
12
第二节 波的类型
一、根据质点的振动方向分类 1、纵波L（压缩波、疏密波） 质点振动方向与波的传播方向相互平行的波。
纵波传播时，质点受交变拉伸应力作用，质 点之间发生相应伸缩形变，质点疏密相间。
纵波可在固体、气体和液体中传播。 固体介质能承受拉伸或压缩应力,因此固体介 质可以传播纵波;液体和气体虽不能承受
波动与振动是相互关联的，振动是波动的根 源，波动是振动形式和振动能量的传播。这种 传播是通过质点的连续位移变化来实现的，质 点并不发生迁移。
8
2、波长、频率和波速 波长λ—同一波线上相位相同的相邻两质点 间的距离。或简单地说：介质任一质点完成一 次全振动波的传播距离。 频率f—波动过程中，任一给定点在1秒钟内 所通过的完整波的个数。与质点振动频率相等。 波速C—波在单位时间内所传播的距离。 λ、f、C之间的关系：
弹性模量和密度有关。
C B
2、声速与温度的关系 除水以外，液体中的声速随温度升高而降低； 水中声速随温度升高而升高。
28
三、声速测量 1、超声波探伤仪 a.比较法测量：（已知水中声速） 将探头置于待测试件上，使底波对准某一刻
度，试件中传播时间为： t=2d/C1
将探头置于水中，调节探头位置使水层底面 回波对准同一位置。则水中传播时间为：
超声基础知识部分
第一单元超声波检测的物理基础1、机械振动：有些物体在某一固定的位置（即平衡位置）附近作周期性的往复运动，这种运动形式被称为机械振动，简称振动。
2、自由振动：做振动的系统在外力的作用下物体离开平衡位置以后就能自行按其固有频率振动，而不再需要外力的作用，这种不在外力作用下的振动称为自由振动。
3、无阻尼自由振动：理想情况下的自由振动叫无阻尼自由振动。
自由振动时的周期叫固有周期，自由振动时的频率叫固有频率，它们由振动系统自身条件所决定，与振幅无关。
4、简谐振动：最简单最基本的直线无阻尼自由振动称为简谐振动，简称谐振。
5、在周期性外力的作用下产生的振动称为受迫振动，这个周期性的外力称为策动力。
6、机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波。
机械波产生的条件：有机械振动振源和传播振动的弹性介质。
7、波长：在同一波线上两个相邻的振动相位相同的质点之间的距离，称为波长（即一个“波”的长度），用符号λ表示。
波长的常用单位是毫米（mm）或米（m）。
8、频率：单位时间内波动通过某一位置的完整波的数目，称为波动频率，也是质点在单位时间内的振动次数，用符号f表示。
频率的常用单位是赫兹（Hz），即（次）/秒。
波的频率是波源的振动频率，与介质无关。
9、周期：周期在数值上等于频率的倒数，它是波动前进一个波长的距离所需要的时间，用符号T表示。
周期的常用单位有秒（s）。
10、波速：在波动过程中，某一振动状态（即振动相位）在单位时间内所传播的距离叫做波速，用c表示，其常用单位为米/秒（m/s）。
波速的影响因素有：（1）介质的弹性模量和密度；（2）波的类型；（3）传播过程中的温度。
11、惠更斯原理：媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，在其后的任一时刻，这些子波的包迹就决定新的波阵面。
惠更斯原理对任何波动过程都适用，不论是机械波或电磁波，不论这些波动经过的媒质是均匀的或非均匀的。
利用惠更斯原理可以确定波前的几何形状和波的传播方向。
超声基础-物理基础
物理基础第一节声波的定义及分类一、定义物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动，而引起听觉器官有声音感觉的波动则称为声波。
根据声波的传导方向与介质的的振动方向的关系，声波有纵波和横波之分。
二、横波所谓横波是指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波。
人体的骨骼中，不但传播纵波，还传播横波。
三、纵波即介质中质点沿传播方向运动的波。
在纵波通过的区域内，介质各点发生周期性的疏密变化，因此纵波是胀缩波。
理想流体(气体和液体)中声振动传播方向与质点振动方向是平行的，只存在于纵波。
人体中含水70—80％，故除骨路、肺部以外软组织中的声速和密度均接近于水。
目前医用超声的研究和应用主要是纵波传播方式。
第二节超声显像物理基础一、超声波基本物理量1、超声波是声源振动的频率大于20000 Hz的声波。
2、超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（λ），声速（c），它们的关系是：c=f·λ或λ=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质，不同频率的超声波在相同介质中传播时，声速基本相同。
3、相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同，人体软组织中超声波速度总体差异约为5％。
因此目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m/s。
通过该声速可测量软组织的厚度，由于目前超声仪所采用的是脉冲回声法，故该回声测距的公式是：t组织厚度=Ｃ·───2利用超声方法进行测距的误差也是5％左右。
4、声阻抗是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度ρ与声波在该介质中的传播速度c的乘积所决定，即：Z=ρ·c单位为Kg／m2·s。
5．临床常用的超声频率在2～10 MHz之间。
二、超声波的物理性能l、超声波在介质中传播时，遇到不同声阻的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射，反射的能量由反射系数R I=〔（Z2-Z1）/（Z2+Z1）〕2决定。
Z1、Z2为两种介质的特性声阻抗，Z=ρ·c (密度·声速）当Z1=Z2，为均匀介质，则RI＝0，无反射。
第一章-超声波探伤的物理基础
c λf
波动比较： 概念：振动的传播过程称为波动. 波动的分类: 机械波 机械振动在弹性介质中的传播.
波动 电磁波 交变电磁场在空间的传播.
两类波的不同之处:
机械波的传播需要介质,电磁播的传播可不需要介质
相同之处: 能量传播,反射,折射,干涉,衍射
(1 )纵波(L)：介质中质点有振动 方向相对于波的 传播方向互相平行的波。 (2) 横波S(T)： 介质中质点有振动 方向与波的传播 方向互相垂直的波。 当介质表面受到交变应力作用产生 (3) 表面波R： 沿 介质表面传播的波。 (4 )兰姆波 2 根据波阵面的形状分类 （1）平面波: 波阵面为互相平行的平面的波。 表达式： (2) 球面波:
p A cos( ωt kx )
波阵面为同心球面的波
纵波特点：具有交替出现的疏部和密部
横波特点
A 表达式： p cos(ωt kx ) r
(3) 柱面波： 波阵面为同轴圆柱面的波
A cos(ωt kx ) 表达式： p r
(4) 活塞波 3 按振动的持续时间分类 (1 ) 连续波: 波源持续不断地振动所幅射的波 (2 ) 脉冲波: 波振源作瞬态振动所幅射的波
P P P0 ( )ρ0 dρ ρ
dρ ρ ρ0
2
p C ρ1
P C ρ
2
P 2 ρ1 ——状态方程 …① C t t
P p ( ) ρ 0 ρ1 ρ
C ——为声速
(二)连续性方程(ρ 和μ 的关系)
ρ1 ——连续性方程 …② (ρμ ) t
从而可看出10MHZ的分辨率比1MHZ的分辨率要高出一个 数量级。
结论：在超声检测中,为了提高分辨率力,Qm应尽量提高 探测频率。但Qm低会使幅射能量减小，检测灵敏度降 低,故应根据探伤灵敏度和分辨率综合考虑适当选择Qm， 选择适当的Qm晶片和适当和β 值（β =Rm/2m，由阻尼 吸声层决定）。
超声波检测总复习
λ=C/f 波长与频率成反比，与波速成正比。
3
⑸、声波、次声波和超声波
①次声波：频率＜20Hz的机械波；
②声波：频率=20～20000Hz的机械波；
T往(1r2)r'
16
声压反射率、透射率和声压往复透射 率计算： Ⅱ(458)例题1：不锈钢与碳钢的声阻抗差 约为1%，试计算复合界面上的声压反射 率？ 解：设碳钢的声阻抗Z钢=1，则不锈钢的 声阻抗Z不=1-1%=0.99
rZ 钢 Z 不 10 .9 90 .0 1 0 .00 0 .5 5 % Z 钢 Z 不10 .991 .99
阻抗不同的界面时产生散乱反射引起超声波的衰 减，同时在示波屏上形成草状回波。
③吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介 质中质点间内磨擦（即粘滞性）和热传导引起超 声波的衰减。
通常所说衰减指吸收和散射衰减，不包括扩散 衰减。
27
⑵、影响衰减的因素
介质的衰减程度与介质的晶粒尺寸、各向 异性系数和超声波的频率有关。晶粒尺寸越 大、各向异性越强、超声波频率越高，衰减 越大。
10
5、波的衍射 波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，
能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象， 称波的衍射或绕射。
波的绕射和障碍物尺寸Df及波长λ的相对大 小有关。当Df＜＜λ时，波的绕射强，当Df＞ ＞λ时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射。 6、超声场的特征值
⑴、声压P 超声场中某点在某一时刻所具有的压强P1与 没有超声波存在时的静压强P0之比称为该点的 声压。
超声波检测的物理基础
周期、频率、波长、波速为四个特征量。
令波在一个周期T内所传播的路程为波长，用λ 表示。根据频率f和波速C的 定义，四者关系如下：
C=fλ =λ /T
(1-4)
波动每传播一个波长，波的相位就变化ω λ /C=2π，也即相隔整数倍波
长的各点是作同相位振动的。令k=ω /c=2π/λ ，k称为波数，描述波动的常
2 t T
弹簧振子受力振动后，振子Q离开平衡位置位移量X随时间 t的变化规律可由下列余弦函数（或正弦函数）描述：
X=Acos（2πt/T+φ）
或 X=Acos (ωt+φ)=Asin (ωt+φ+ π/2)
（1-2）
式中，X为t时刻振子Q离开平衡位置的距离；
A为振幅，表示振子Q在振动过程中的最大位移量；
钢板、锻件探伤
横波 振动方向垂直于播向 固体介质
焊缝、钢管探伤
表面波 质点椭圆运动，
长轴垂直播向
固体介质
钢管、薄板探伤
短轴平行播向
板波 对称(S)型
上下表面：椭圆运动
中心：纵向振动
固体介质(波长薄板)薄板薄壁管探伤
非对称(A)型上下表面：椭圆运动 中心：横向振动
主要特征量
质点振动方向与波动传播方向相互垂直的波型称为横波。当固体弹性介质 受到交变的剪切应力作用时，产生剪切变形，介质质点就会产生相应的横 向振动，质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波型称为横波。因 横波是在剪切应力作用下产生的，故也称剪切波或切变波，用S表示。
横波S
图2.2.2
质 点 振 动 方 向
球面波
超声检测2 第2章 超声波检测物理基础
16
Xi' an Polytechnic University
三.按波持续时间分类
17
Xi' an Polytechnic University
频谱分析图
峰值频率 : f p
中心频率：fc f1 fu / 2
频带宽度：f
fu
f1
[20
lg(
H
1
/
H
0)
20
lg(1
/
2)
6dB带宽] 18
一.固体介质的声速
1.细棒中的纵波声速 c E Ld
2.无限大固体介质中的声速
1) 纵波速度
2
Xi' an Polytechnic University
2.1 机械振动与机械波
机械振动 机械波
3
Xi' an Polytechnic University
一.机械振动
1.定义：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。
T1 f
2.分类：谐振动、阻尼振动、受迫振动
4
Xi' an Polytechnic University
(1) 谐振动
胡克定律：F Kx
谐振动方程：y Acost
5
Xi' an Polytechnic University
谐振动物体的能量遵守机械能守恒定律（动能与势能相互转换）
6
Xi' an Polytechnic University
11
Xi' an Polytechnic University
一.按波型分类
1.纵波(压缩波、疏密波)