超声波的反射和折射.
超声波探伤仪原理
超声波探伤仪原理一、前言超声波探伤仪是一种常见的无损检测设备，广泛应用于各种材料的质量检测和缺陷检测。
本文将从超声波探伤仪的原理入手，对其工作原理进行详细解析。
二、超声波的特性超声波是指频率高于20kHz的机械振动波，其具有以下特性：1. 能够穿透物体：超声波在介质中传播时会发生折射和反射，但同时也能够穿透物体并到达另一侧。
2. 反射和散射：当超声波遇到不同密度或不同介电常数的物质时，会发生反射和散射现象。
3. 吸收：超声波在介质中传播时会发生能量损失，被介质吸收。
4. 速度与密度有关：在同一介质中，超声波传播速度与介质密度成正比例关系。
三、探伤仪的组成一个典型的超声波探伤仪主要由以下几个部分组成：1. 发射器：产生高频脉冲信号并将其转换为机械振动，从而产生超声波。
2. 接收器：将接收到的超声波信号转换为电信号并放大。
3. 显示器：将接收到的电信号转换为图像并显示出来。
4. 控制器：控制发射和接收过程，以及对数据进行处理和分析。
四、超声波探伤原理超声波探伤是利用超声波在材料中传播的特性来检测材料中的缺陷。
其基本原理如下：1. 发射超声波：探伤仪通过发射器产生高频脉冲信号，并将其转换为机械振动，从而产生超声波。
这些超声波穿过被检测物体并被反射或散射回来。
2. 接收反射信号：接收器将反射或散射回来的超声波信号转换为电信号，并放大到适当的水平，以便进一步处理和分析。
3. 分析反射信号：控制器对接收到的反射信号进行处理和分析，以确定是否存在缺陷。
如果存在缺陷，则可以确定其位置、形状、大小等信息。
4. 显示结果：最后，控制器将分析结果转换为图像并显示出来，供操作人员进行进一步分析和评估。
五、超声波探伤的应用超声波探伤广泛应用于各种材料的质量检测和缺陷检测，包括：1. 金属材料：超声波探伤可以检测金属材料中的裂纹、夹杂、气孔等缺陷。
2. 塑料材料：超声波探伤可以检测塑料材料中的气孔、裂纹、夹层等缺陷。
3. 混凝土结构：超声波探伤可以检测混凝土结构中的裂缝、空洞、蜂窝等缺陷。
《超声波》PPT课件
谐振方程
• y=Acon(ωt+φ)
y—质点的位移 A—振幅 ω—角频率 φ—初相位
阻尼振动： 在阻力作用下的简谐运动。
振动过程中受到阻力的振动，振幅逐渐减小，直至振动停止。
机械波：
机械振动在弹性介质中的传播过程 • 产生机械波必须具备的两个条件： • （1）作机械振动的波源 • （2）能传播机械振动的弹性介质
超声波的衰减
• 扩散衰减 超声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状，与介质的
性质无关。 • 散射衰减
散射衰减与材质的晶粒密切相关，当材质晶粒粗大时， 散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的路径传播到 探头，在屏上引起林状回波（又叫草波），使信噪比下 降，严重时噪声会湮没缺陷波。 • 吸收衰减
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 • 通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减，不包括 扩散衰减。以线衰减系数μ表示。
体中传播)
•
(三)表面波R：沿介质表面传播，质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，
椭圆短轴平行于波的传播方向，可视为纵波和横波的合成。(又称瑞利波)
•
(四)板波： 在板厚与波长相当的薄板中传播的波。可分为SH波和兰姆波。
波的类型
超声波的传播特性
• 波长与声速
C= λ f
CL > Ct >CR
y= A cosω(t-x/c) X
y=
A X
cosω(t-x/c)
超声波的波动特性
• 波的叠加 • 波的干涉 • 驻波
.振动频率、振幅和传播速度相同而传播方向相反的两列波叠加时，就产生驻
波。比如水波碰到岸边反射回来时，前进和反射波的叠合就产生驻波。
超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义
超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义摘要：本文主要讲述了超声的反射、折射、衍射、散射以及超声场在超声的医学诊断中的重要意义。
关键字：超声医学，反射，折射，衍射，散射，超声场Abstract:This paper describes ultrasonic reflection, refraction, diffraction, scattering, and ultrasonic field of medical ultrasonic diagnosis significance. Keyword:UltrasoundMedicine,reflection,refraction,diffraction,scattering,ultrasonic field正文：一、反射与折射发生的先决条件:①介质的声阻抗在界面处发生突变②界面的线度远大于声波波长及声束的直径原理：当声波从一种介质向另一种传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质。
另一部分能量，穿过界面进入第二种介质，继续向前传播。
如遇两声速不同的介质时可引起传播方向的改变，即为折射。
超声波的折射与反射示意图△Z＞0.1%即可产生反射。
声阻抗差越大，反射越强。
如果界面的尽寸大于声束的直径为大界面，这时其反射规律遵循几何学的反射定律，即；反射角（β）等于入射角（α）。
显然，当超声的入射角大于0°时，由于反射角等于入射角，反射的声束就不能被一探头全部接收。
当入射角接近0°时，反射的声束就可全部为同一探头所接收，所以，在超声诊断中，应注意手法，不断地转动或侧动探头，使入射声束方向与被探测脏器的表面垂直，以期得到尽可能多的回声。
二、衍射与散射原理：超声波在介质内传播过程中，如果所遇到的物体界面或障碍物的线度与超声波长相近时，超声可以绕过障碍物的边缘，此时反射回波很少，这种现象叫衍射。
第3节 超声波在介质中的传播特性
气泡的振动也会产生相应的谐波，且这种谐波比组 织谐波强的多。
32
3. 反射增强 声波在传播过程中会出现反射增强现象。由
于衰减，要对不同深度的回波信号进行不同的放 大，目的是使同种均匀介质在不同深度回波信号 的强度基本相同。图7-11。
状态。
rp
Z2 Z2
Z1 Z1
8
2.
声强反射系数rI
定义：反射声强与入射声强之比：rI
因为
p2 I
Z c
Ir Ii
Z
所以
I
pr2 Z1
pi2
pr pi
2
2 p
Z1
9
3. 全反射 超声波的折射定律与光波的折射定律相同：
sini c1 sint c2
体软组织中，蛋白质成分的张驰过程是造成驰豫吸收的主要 因素。
吸收与声波的频率关系甚大，介质对声波的吸收有 影响。
24
2. 介质吸收衰减规律
强度的减少量-dI，根据实验： I0
dI
I
dI Idx
x0
x
dI Idx
dI I
dx
ln I x
I0 I ex I0
但在不同介质传播时，声波在液体介质中衰减 较小，而在软组织中衰减较大，而每一束声波放 大处理相同。当使软组织反射信号均匀一致，则 液体介质中传播的声波回波信号强度比入射波信 号强度还大，从而形成反射增强。
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五、声束通过介质薄层的特征
初三物理超声波知识点总结
初三物理超声波知识点总结超声波的产生超声波是指频率高于人类听觉范围（20Hz~20000Hz）的机械波。
在实际生活中，我们可以通过一些物理现象来产生超声波，比如压电效应、热效应和电磁效应。
1. 压电效应压电效应是指某些晶体或陶瓷材料在受到外力作用时会产生电荷分布不均，从而产生电压差。
当外力消失时，电荷分布又恢复均匀。
利用压电效应，可以使晶体或陶瓷材料发生振动，产生超声波。
2. 热效应热效应是指当物体受到热作用时，分子或原子会产生振动，进而产生声波。
通过热效应，可以利用特定材料的特性产生超声波。
3. 电磁效应电磁效应是指电磁场对物质产生的作用，可以通过电磁场产生机械振动，从而产生超声波。
常见的超声波发生器就是利用电磁效应产生超声波的。
超声波的传播在空气、液体、固体中，超声波的传播速度不同。
在空气中，超声波速度大约为343米/秒；在水中，超声波速度约为1500米/秒；在钢铁中，超声波速度可达5000米/秒以上。
此外，超声波在传播时会发生折射、反射和衍射等现象。
1. 折射当超声波从一种介质传播到另一种介质时，由于介质密度和声速的不同，超声波会发生折射现象。
根据折射定律，超声波入射角和折射角之间的关系可以用Snell定律表示。
2. 反射当超声波遇到障碍物时，会发生反射现象。
反射波产生后，可以用超声探测仪来探测反射波，从而得到目标物体的位置和形状信息。
3. 衍射如果障碍物的尺寸与超声波波长相当，就会出现衍射现象。
衍射是指波在穿过障碍物后，扩散到未经过的区域。
通过衍射现象，可以利用超声波来探测目标物体的轮廓和结构。
超声波的应用超声波具有穿透力强、无辐射、非侵入性等优点，因此在医学、工业、地质、海洋等领域有着广泛的应用。
1. 医学领域超声波在医学领域有着广泛的应用，比如超声波影像技术、超声波治疗技术和超声波麻醉技术等。
超声波影像技术可以用来检测人体内部器官的结构和功能，如超声心动图、超声肝胆胰等；超声波治疗技术可以用来治疗一些疾病，如肌肉损伤、骨折等；超声波麻醉技术可以用来麻醉手术患者，减轻术中疼痛。
2.6 超声波垂直入射到界面的反射和折射
r Z2 Z1 0.15 4.5 0.935 Z2 Z1 0.15 4.5
t 2Z2 2 0.15 0.065 Z2 Z1 0.15 4.5
R r2 0.9352 0.875
当Z1>Z2时，如钢/水
直探头保护膜的设计
2.6.3 声压往复透射率
在超声波单探头检测中，探头兼作发射和接收超声波。探头发出的超声波透过 界面进入工件，在固/气底面产生全反射后再次通过同一界面被探头接收
这时探头接收到的回波声压与入射波声压之比，称为声压往复透射率T往
T往
Pa P0
Pt P0
Pa 4Z1Z2 Pt (Z2 Z1)2
超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗 有关，而且与薄层厚度同其波长之比d2/λ2有关
2.6.2薄层界面的反射率与透射率
1.均匀介质中的异质薄层（Z1=Z3≠Z2）
（1）当
d2
n
2 2
（n为整数）时，r
0,t
1。这说明当薄层两侧介质声阻抗相等，
薄层厚度为其半波长的整数倍时，超声波全透射，几乎无反射，好象不存在异
4Z1Z3
(Z1 Z3)2。这说明超声波垂直入射到两侧介质声
阻抗不同的薄层时，若薄层厚度等于半波长的整数倍，则通过薄层的声强透射
率与薄层的性质无关，好象不存在薄层一样
（2）d2 (2n 1) 4（2 n为整数）时，且 Z2 Z1 Z3 时，此时T＝1，即声强透射率等于
1，超声波全透射。
T
4Z1Z2 (Z2 Z1)2
说明超声波反射,折射定律和和式中各参数的物理意义
说明超声波反射,折射定律和和式中各参数的物理意义超声波在工业、医疗、科研等多个领域具有广泛的应用。
了解超声波的反射、折射定律及其相关参数的物理意义，有助于我们更好地应用这一技术。
本文将详细解释超声波反射、折射定律以及和式中各参数的物理意义。
一、超声波反射定律超声波在遇到界面时，会发生反射现象。
超声波反射遵循以下定律：1.入射角等于反射角：当超声波从一个介质入射到另一个介质时，入射角（入射波与法线的夹角）等于反射角（反射波与法线的夹角）。
2.反射波与入射波在同一平面内：反射波、入射波和法线三者共面。
3.反射系数：反射系数是描述反射波与入射波幅度比的一个参数，用R表示。
其计算公式为：R = (反射波幅度) / (入射波幅度)反射系数的取值范围在-1到1之间，正值表示同相位反射，负值表示反相位反射。
二、超声波折射定律当超声波从一个介质进入另一个介质时，会发生折射现象。
超声波折射遵循以下定律：1.斯涅尔定律：入射角（θ1）和折射角（θ2）的正弦值之比等于两个介质的波速之比，即：sin(θ1) / sin(θ2) = v1 / v2其中，v1和v2分别为两个介质的波速。
2.折射波与入射波在同一平面内：折射波、入射波和法线三者共面。
3.折射系数：折射系数是描述折射波与入射波幅度比的一个参数，用n表示。
其计算公式为：n = (折射波幅度) / (入射波幅度)折射系数的取值范围在0到1之间。
三、和式中各参数的物理意义在超声波反射、折射定律中，和式通常表示为：E = E0 * (R * cos(θ1) + n * cos(θ2))其中，E表示接收到的超声波总能量，E0表示入射的超声波能量，R表示反射系数，n表示折射系数，θ1表示入射角，θ2表示折射角。
各参数的物理意义如下：1.E0：入射的超声波能量，反映超声波在传播过程中的强度。
2.R：反射系数，描述反射波与入射波的关系，用于分析反射波的强度和相位。
3.n：折射系数，描述折射波与入射波的关系，用于分析折射波的强度。
超声波垂直入射到界面的反射和折射
第5页
2.6.1 单一平界面反射率与透射率
以上讨论为超声波纵波垂直到单一平界面上声压、声 强反射率和透射率
一样适合用于横波入射情况, 但必须注意是在固体/液 体或固体/气体界面上, 横波全反射。因为横波不能在 液体和气体中传输。
超声波垂直入射到界面的反射和折射
第6页
2.6.2薄层界面反射率与透射率
薄层界面反射透射示意图
超声波经过异质薄层时声压反射率和透射率不但与介质声阻抗和薄层声阻抗相 关, 而且与薄层厚度同其波长之比d2/λ2相关
超声波垂直入射到界面的反射和折射
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2.6.2薄层界面反射率与透射率
1.均匀介质中异质薄层（Z1=Z3≠Z2）
（1）等当，薄层d2厚 n度（22 为n为其整半数波）长时整，数r 倍0,时t ，1。超这声说波明全当透薄射层，两几侧乎介无质反声射阻，抗好相象 不存在异质薄层一样。这种透声层常称为半波透声层。
强透射率与薄层性质无关，好象不存在薄层一样
（2）
d2 (2n 1（) 42n为整数）时，且 Z2 Z1 Z3
时，此时T＝1，即声强透射
率等于1，超声波全透射。
直探头保护膜设计
超声波垂直入射到界面的反射和折射
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2.6.3 声压往复透射率
在超声波单探头检测中, 探头兼作发射和接收超声波。探头发出超声波透过界面 进入工件, 在固/气底面产生全反射后再次经过同一界面被探头接收
这时探头接收到回波声压与入射波声压之比, 称为声压往复透射率T往
T往
Pa P0
Pt P0
Pa Pt
4Z1Z2 (Z2 Z1)2
声压往复透射率与界面两侧介质声阻抗相关, 与从何种介质入射到界面无关。界
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2
T
1c1 2c2 2
4 1c1 2c2
由式 $$$ 和式可知，若 1c1≈2c2 ，则反射系数 R≈0 ，透射系数 T≈1 ，此时声波几乎没有反射，全 部从第一介质透射入第二介质；若 2c2>> 1c1时， 反射系数 R≈1 ，则声波在界面上几乎全反射，透射 极少。同理1c1>>2c2时，反射系数R≈1，声波在界 面上几乎全反射。如20℃水温时，水的特性阻抗为 1c1=1.48×106Kg/(m2 ． s) ， 空 气 的 特 性 阻 抗 为 2c2=0.000429×106Kg/(m2 ． s) ， 1c1>>2c2 ， 故 超 声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。
入射波
介质1 b
折射波
超声波的反射和折射
sin a c1 sin b c2
声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得：
I t 4 1c1 2c2 cos 2 a T I 0 1c1 cos b 2c2 2
cos b 2c2 I r cos a 1c1 R I 0 cos b 2c2 cos a c 1 1
超声波的反射和折射
声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介 质的分界面上一部分声波被反射，另一部分透射过 界面，在另一种介质内继续传播。这样的两种情况 称之为声波的反射和折射，如下页图所示。
由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射 角 a 的正弦与反射角 a′ 的正弦之比等于波速之比。 当波在界面处产生折射时，入射角 a 的正弦与折射 角 b 的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速 c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即
2
式中：I0、Ir、It——分别为入射波、反射波、透射 波的声强；
a、b——分别为声波的入射角和折射角； 1c1、2c2——分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2
分别为反射波和折射波的速度。 当超声波垂直入射界面，即a=b=0时，则
1 2 c2 1c1 R 1 2 c2 c 1 1