超声II级讲稿

1 超声II级讲稿 第一章 超声波检测的物理基础

复习题： 1 试简要说明下列各组名词的不同点：

（1）声波与电磁波； 答：声波是在弹性介质中传播的机械波，电磁波是以光速在空间传播的交变电磁场 （2）可闻声与超声； 答：可闻声波的频率在20Hz~20KHz范围，超声波的频率高于20KHz （3）连续波与脉冲波； 答：连续波传播时介质中各质点作相同频率的连续谐振动，而脉冲波传播时介质中各质点是间歇振动，其振动频率是多个不同频率连续波的叠加 （4）纵波与横波； 答：纵波传播时，介质中的质点运动方向与波的传播方向一致，横波传播时，介质中的质点运动方向与波的传播方向垂直 （5）瑞利波与兰姆波； 答：瑞利波是在半无限大固体介质（厚度远大于波长）与气体介质的交界面上沿固体表面层传播，有效透入深度一般在一个波长之内，质点的运动轨迹呈椭圆，长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向；兰姆波是在厚度与波长相当的薄板中传播，在传播时板的整个厚度都在作复杂的振动，其质点的运动轨迹亦呈椭圆，但是随振动模式的不同，其椭圆长、短轴的方向也不同 （6）质点振速与声速； 答：质点自身的振动位移速度是质点振速，它远小于声波在介质中的传播速度即声速，这是两个完全不同的概念。 （7）声压与声强； 答：声压是在有声波传播的介质中，某一点在某一瞬间所具有的压强与没有声波存在时该点的静压强之差，声强是在垂直于声波传播方向上单位面积在单位时间内通过的声能量 （8）平面波与球面波； 答：波阵面形状为平面的称为平面波，波阵面为球面的称为球面波，其形成与声源形状、尺寸有关。 （9）波的叠加与干涉； 答：当几列波同时在一个介质中传播时，如果在某些点相遇，则相遇处质点的振动是各列波所引起的振动的合成，合成声场的声压等于每列声波声压的矢量和，此即声波的叠加原理；如果发生叠加的声波波列具有频率相同、波型相同、相位相同或者相位差恒定的波源，则合成声压的频率与各列相同，但是幅度不等于各列声波声压幅度之和，而与声波波列的相位差有关，在某些位置上的振动始终加强，在另一些地方的振动始终减弱或者完全抵消，这种现象就是声波的干涉现象。 （10）反射与折射； 答：声波从第一介质入射到第二介质，这两种介质具有不同的声阻抗时，在两种介质之间的界面上，入射声波的一部分或者所有能量改变入射方向返回第一介质的现象，称为声波的反射；声波从第一介质入射到第二介质，这两种介质具有不同的声阻抗时，在两种介质之间的界面上，入射声波的一部分进入第二介质但是改变了原来的入射方向，这种现象称为声波的折射。 （11）反射系数与透射系数； 2

答：就单一界面的情况，反射系数与透射系数分为四种： 反射波声压与入射波声压之比称为声压反射系数：r=Pr/P0=(Z2-Z1)/(Z2+Z1

)

透射波声压与入射波声压之比称为声压透射系数：t=Pt/P0=2Z2/(Z2+Z1

)

反射波声强与入射波声强之比称为声强反射系数：R=Ir/I0=r2=[(Z2-Z1)/(Z2+Z1

)]2

透射波声强与入射波声强之比称为声强透射系数： T=It/I0=( Pt2/2Z2)/( P02/2Z1)=4 Z1 Z2/(Z2+Z1)2 （12）聚焦与发散； 答：一束声波从第一介质透射进入声速不同于第一介质的第二介质且界面弯曲的情况下，发生声束汇聚的现象称为聚焦，而发生扩散的现象时称为发散，取决于两种介质的声速差异、界面的弯曲方向。 （13）近场与远场； 答：声轴线上最后一个极大值点至声源的距离称为近场长度，在近场长度范围内，整个声束轴线上存在声压极大值和声压极小值的波动；大于近场长度范围的称为远场，在远场中的声压呈指数规律单调下降。 （14）散射与衍射（绕射） 答：声波在传声介质中遇到诸如材料中的晶界、相质点，或者媒介物中的悬浮粒子、杂质、气泡等声阻抗（数值上等于声速与密度的乘积）有差异（哪怕是微小的差异）的区域时，会因为发生反射或折射而改变原来的传播方向，散乱地向各方向传递，这种现象称为散射；声波在介质中传播时，遇到异质界面（例如缺陷），根据惠更斯原理，在其边缘会有衍射现象发生，产生新激发的衍射波，从表观上看，能使原来的超声波绕过缺陷继续前进，但在缺陷后面会形成声影（没有超声波的空间），这种现象称为绕射。 2 用反射定律与折射定律按下图解答下列折射问题：

1-有机玻璃，纵波速度2.73x106mm/s 2-钢，纵波速度5.85x106mm/s，横波速度3.23x106mm/s （1）已知入射角α=30°，试求折射纵波的折射角？ 解：C1/C2

=sinα/sinβ，2.73/5.85=sin30°/ sinβ，β=94.1°，即不存在折射纵波，亦即

入射角大于第一临界角 （2）已知入射角α=45°，试求折射横波的折射角？ 解：C1/C2

=sinα/sinβ，2.73/3.23=sin45°/ sinβ，β=56.8°

（3）已知在钢中横波折射角为70°，试求入射角？ 解：C1/C2

=sinα/sinβ，2.73/3.23=sinα/ sin70°，α=52.6°

（4）已知入射角α=20°，试问在钢中能否有折射纵波存在？如果有，试求其折射角？如果没有，为什么？ 解：C1/C2

=sinα/sinβ，2.73/5.85=sin20°/ sinβ，β=47.13°，存在折射纵波

3 利用下列已知条件试求各小题中的近场长度和指向角： 已知：钢中纵波速度=5.85x106mm/s，铝中纵波速度=6.25x106mm/s

（1）圆盘形换能器，直径为20mm，频率为2.5MHz，检验钢制件； 解：N=D2/4λ θ=70(λ/D) λ=C/f，

N=202/[4(5.85/2.5)]=42.74mm，θ=70[(5.85/2.5)/20]= 9.3° （2）圆盘形换能器，直径为14mm，频率为5MHz，检验铝制件； 3

解：N=D2/4λ θ=70(λ/D) λ=C/f，

N=142/[4(6.25/5)]=39.2mm，θ=70[(6.25/5)/14]= 6.25° （3）圆盘形换能器，直径为10mm，频率为10MHz，检验铝制件； 解：N=D2/4λ θ=70(λ/D) λ=C/f，

N=102/[4(6.25/10)]=40mm，θ=70[(6.25/10)/10]= 4.38° （4）圆盘形换能器，直径为20mm，频率为1.25MHz，检验钢制件； 解：N=D2/4λ θ=70(λ/D) λ=C/f，

N=202/[4(5.85/1.25)]=21.37mm，θ=70[(5.85/1.25)/20]= 16.38° 4 描述圆盘声源辐射声压在中心轴线的变化规律。 答：在近场区存在声压极大值和声压极小值的波动；在远场中的声压呈指数规律单调下降。 5 简述超声波传播过程产生衰减的原因和规律。

答：扩散衰减-取决于波的几何形状而与传声介质的性质无关，单位面积上的声能（或声压）随传播距离的增大而减弱；散射衰减-与传声介质中质点的声阻抗特性均匀性有关，最终变成热能损耗，散射衰减系数αS包括瑞利散射（d<αS=C3Fdf2）和漫散射（d>>λ时αS≈C4F/d）三种情况（C2、C3、C4为常数，F为各向异性因子，d为晶粒直径）；吸收衰减-与传声介质的粘滞性、热传导、分子弛豫等特性有关而导致声能被吸收，吸收衰减系数αa可表示为αa=C1f（C1为与晶粒大小和各向异性无关的常数，f为超声波频率）。

第二章 超声波检测仪、探头及试块 复习题 1 试叙述A型显示超声波仪的工作原理

答：略 2 使用增益旋钮、抑制旋钮、衰减器以及距离-幅度补偿旋钮，均可改变仪器荧光屏上回波

的幅度，试说明它们的作用有何不同之处。 答：增益旋钮-调整接收电路放大倍数；抑制旋钮-接收电路中的削波电路；衰减器-接收电路前的前置放大电路输入端的电阻分压电路；距离-幅度补偿-放大能力随时间增大... 3 试述直探头、斜探头的结构及各部分的功能；使用时应注意哪些事项。

答：直探头-压电晶片、吸收块（阻尼块、背衬）、保护膜、匹配线圈、壳体、接头；保护膜通常用刚玉材料，脆性大，使用中注意不要摔碰 斜探头--压电晶片、吸收块（阻尼块、背衬）、斜楔、匹配线圈、壳体、接头；斜楔通常为有机玻璃、丙烯酸树脂等，不耐磨，使用中容易发生磨偏，导致入射点位置、折射角发生改变，声轴线偏斜等 4 在A型显示仪器中，仪器和探头的组合性能包括哪些内容？

答：水平线性、垂直线性、分辨力、灵敏度和噪声 5 用A型显示超声波仪以单探头脉冲反射方式进行纵波检测时，盲区的大小受哪些因素的

影响？ 答：主要是脉冲持续时间，涉及始波占宽、发射强度、脉冲宽度、探头阻尼等 6 试块有哪几种，其功能有何异同，使用时应注意哪些事项？

答：标准试块-材质、形状、尺寸及表面状态等经由国际或国家权威机构制定并认证；对比试块-用于以特定方法检测特定试件所用的试块

第三章 超声波检测的基本问题