超声波探伤的物理基础——(第三节超声平面波在大平界面上垂直入射的行为)
第一章 超声波探伤的物理基础第三节 超声平面波在大平界面上垂直入射的行为超声波在异质界面上的反射、透射和折射规律是超声波探伤的重要物理基础。
当超声波垂直入射于平面界面时，主要考虑超声波能量经界面反射和透射后的重新分配和声压的变化，此时的分配和变化主要决定于界面两边介质的声阻抗。
一、超声波在单一的平面界面的反射和透射(1) 反射、透射规律的声压声强表示当平面超声波垂直入射于两种声阻抗不同的介质的大平界面上时，反射波以与入射波方向相反的路径返回，且有部分超声波透过界面射入第二介质，见图1–17所示。
平面界面上入射声强为I ，声压为P ；反射声强为I a ，声压为P a ；透射声强为I t ，声压为P t 。
若声束入射一侧介质的声阻抗为Z 1，透射一侧介质声阻抗为Z 2，根据界面上声压连续和振速连续的原则，并令21Z Z m =(称声阻抗比)，就可得到：声压反射系数m1m1Z Z Z Z P P 2112a P +-=+-==γ (1–21a) 声压透射系数m12Z Z Z 2P P 212t P +=+==τ (1–21b) 若把声压看作是单位面积上受的力，那么作用于同一平面的力应符合力的平衡原理，因此，声压变化就可写作t P Pa P =+，等式两边除以P ，得PP P Pa 1t =+即P P 1τ=γ+ (1–22)若把Ia/I 和It/I 分别定义为声强反射率(R)和声强透射率(D)，就可得到：声强反射率22a 1212a P P Z 2P Z 2P I Ia R === (1–23)声强透射率II D t=(1–24) 声强是一种单位能量，作用于同一界面的声强，应满足能量守恒定律，所以声强变化可写作I = Ia+It ，等式两边除以I ，得到图1–17 平面波在大平面上的反射和透射1D R I I I Ia I I t =++= (1–25) 从式(1–23)可知2221122P m 1m 1Z Z Z Z R ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=γ= (1–26) 从式(1–22)和(1–25)可知2221212P )m 1(m4)Z Z (Z Z 41D +=+⋅=γ-= (1–27)(2) 声压往复透过率实际探伤中的探头常兼作发射和接收声波用，并认为透射至工件底面的声压在钢/空气界面上被完全反射后，再次透过界面后被探头所接收，因此，探头接收到的返回声压t P '与入射声压之比，即为声压往复透过率Tp 。
见图1–18所示。
21t t t p p PP P P P P Tp τ⋅τ='⋅='=因为212t 1Z Z Z 2P P p +==τ，121t 2Z Z Z 2Pt P p +='=τ，所以22212121)m 1(m4)Z Z (Z Z 4p p Tp +=+⋅=τ⋅τ= (1–28)比较式(1–27)和式(1–28)可以看出，声压往复透射率和声强透射率在数值上相等。
(3) 介质对反射、透射的影响超声波垂直入射于两种不同声阻抗介质的平面界面，可以有以下四种常见的反射和透射情况。
1. Z 2＞Z 1若超声波从水入射到钢中，此时Z 1(水)=1.5×106 kg/m 2·s ，Z 2(钢)=46×106 kg/m 2·s 。
水/钢界面上声压反射系数为：937.0465.15.146Z Z Z Z p 2112=+-=+-=γ声压透射系数为937.11Z Z Z 22p 212p =γ+=+=τ图(1–19)表示从水入射到钢时，界面两边的声压分布情况。
由图可知，入射声波自声阻抗小的介质入射至声阻抗大的介质，其反射声压略低于入射声压；透射声压高于入射声压，并等于入射声压与反射声压之和。
这是由于声压与介质声阻抗成正比的缘故，但透射波的声强不可能大于入射声强，即22P 937.011D -=γ-==0.12，表示100%的入射声强中只有12%的声强变为第二介质(钢)中的透射波声强；故钢材水浸超声波探伤应适当提高探测灵敏度以弥补钢中透射声强的减小。
图1–18 声压往复透过率图19 从水入射至钢时界面两边声压分布2. Z2＜Z1若超声波从钢入射到水中(即钢材水浸探伤时工件底面的钢/水界面)，此时若Z1(钢)=46×106 kg/m2·s，Z2(水)=1.5×106 kg/m2·s。
钢/水界面上声压反射系数为：937.05.146465.1ZZZZ2112p-=+-=+-=γ式中：负号表示入射声波与反射声波的相位差180°。
声压透射系数为：063.0937.011ZZZ2p212p=-=γ-=+=τ图(1–20)表示从钢入射到水时界面双边的声压分布情况。
由图可知，入射波自声阻抗大的介质入射至声阻抗小的介质，其反射声压绝对值小于入射声压，而两者相位正好相反(pγ得负值)，且透射声压也因两者相位相反，互相抵消而数值极小，但透射到第二介质(水)中的声强%121D2p=γ-=，与上述情况相同。
3. Z1>>Z2超声波从固体入射到空气中，如钢工件底面，或如探头直接置于空气中均属具有固体/空气界面的情况。
此时若Z1(钢)=46×106 kg/m2·s，Z2(空气)=0。
0004×106 kg/m2·s，钢/空气界面上的声压反射系数为：10004.046460004.0ZZZZ2112p-≈+-=+-=γ声压透射系数为：)1(11pp=-+=γ+=τ这也说明超声波探头若与工件硬性接触而无液体耦合剂，若工件表面毛糙，则相当于探头直接置于空气，超声波在晶片/空气界面上将产生100%的反射，而无法透射进入工件。
4. Z1≈Z2超声波入射至两种声阻抗接近的介质界面上时就是这种情况，如普通碳钢焊缝金属与母材金属两者声阻抗通常仅差1%(即Z2=(1+0.01)Z1)，此时，界面上的声压反射系数为：图1–20 从钢入射至水的界面两边的声压分布%5.001.0201.0Z )01.01(Z Z Z )01.01(Z Z Z Z 11112112p ≈+=++-+=+-=γ声压透射系数为：1%5.011p p ≈+=γ+=τ这表明在声阻抗接近的异质界面上反射声压极小，基本上可以忽略，而透射声压与入射声压基本相同，透射声强1%)5.0(11D 2p ≈-=γ-=，声能也几乎全部透射到第二介质。
二、多层平面界面垂直入射在实际超声波探伤中时常遇到声波透过多层介质，例如，钢材中与探测面平行的异质薄层、探头晶片入射声波进入工件之前所经过的保护膜、耦合剂等均是具有多层平面界面的实例。
(1) 透声层图1–21为超声波入射至均质材料中的双层平面界面的情况，这时Z 1=Z 3，Z 2为异质层的声阻抗。
该异质层双层平面界面上的声压反射系数和透射系数可用下列公式计算：222222p d 2sin m 1m 411d2sin m 1m 41λπ⎪⎭⎫ ⎝⎛-+λπ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=γ(1–29)222p d 2sin m 1m 4111λπ⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=τ(1–30)式中：21Z Z m =，d 为异质厚度，2λ为超声波在异质层中的波长。
由公式(1–29)和(1–30)可以看出：1. 若Z 1=Z 3(异质层声阻抗为Z 2)，当异质层厚度刚好是该层中传播声波的半波长整数倍时，即)3 2 1n ( n 2d 正整数、、， =⋅λ=，则0n s i n n 22s i n d 2s i n =π=λ⋅λπ=λπ，于 是式(1–30)的0P =γ，式(1–35)的1P =τ。
这种情况如果发生在钢板中，那么，当采用某种探测频率探测钢板中一种均匀的分层，而分层厚度恰 为二分之一波长时，0P =γ，就得不到该分层的反射回波(或反射回波很低)，从而导致该分层缺陷的漏检。
1P =τ，超声波通过这一介质时，声压没有变化，这层异质层似乎不存在这时称其为透声层。
为避免这种漏检，可采用改变探测频率的方法，改变后的探测频率不应是原探测频率的整数倍。
这种情况如果发生在直探头的透声层中，那么，为探头采用钢质保护膜，并用来探测钢工件时，保护膜与工件表面之间的耦合层就是一层异质层。
要使探头发射的超声波经过耦合层后达到较高的透射效果(即P τ→1)，就须使耦合层厚度为其半波长的整数倍，这种透声层又称为半波透声层。
2. 若Z 1≠Z 3(异质层声阻抗为Z 2)，要使超声波能以较高效率透过异质层，就要求异质层变为声波在其中传播波长的四分之一的奇数倍，即)3 2 1n ( )1n 2(4d 正整数、、， =-⋅λ=，此时有最大的声强透射率，即图1–21 均质材料中的双层平面界面222313221max)Z Z Z (Z Z Z 2D +⋅⋅⋅= (1–31) 当n 2d ⋅λ=时，异质层的声强透射率最低，即 23131min )Z Z (Z Z 4D +⋅= (1–32)直探头选用非钢质保护膜，并探测钢工件时就属此种情况，此时耦合层的厚度应该为4/λ的奇数倍时，才有较好的透声效果。
3. 若将直探头保护膜看作处于晶片与耦合层之间的异质层，(见)所示因晶片声阻抗总是不等于耦合层声阻抗(即Z 1≠Z 3)，因此，要使保护膜有较高的透声效果，其厚度也应是4/λ的奇数倍。
探头保护膜除了要求有合适的厚度外，还应有一个适当的声阻抗。
当保护膜声阻抗Zm 满足下列关系时，声强的透射率就较高。
Zm=工件晶片Z Z ⋅ (1–33)4. 实际探伤中探头上施以一定压力，探头与工作接触紧密，得到的反射回波也较高，其原因是当耦合厚度d →0时，式(1–30)中λπd2sin→0，P τ→1，透过的声能 也较多。
在仪器和探头性能测试时，或制作距离一波幅曲线时，为了使探头获得均匀的压力，可用一定量的重块压在探头上。
当然，对于现场实际探伤时就没有这种必要。
(2) 异质薄层的检测灵敏度在超声波探伤中，当缺陷反射声压仅为入射压的1%时，探伤仪示波屏上就可得到可分辨的反射回波。
被检工件中的缺陷(如裂缝缝隙、层状偏析和夹杂物等)薄层，当它们的反射面与声束垂直或接近垂直时，都可以看成均质材料中的异质薄层。
从图(1–23)中可以看出，钢中气隙厚度为10－4～10－5毫米(如两块高精度块规之间的缝隙)时，用1 MHz 直探头探测，也就能得到几乎100%的反射。
实际缺陷由于表面不平整和带有附着物，其间隙厚度还要大得多，因此更容易被检测出来。
这说明了反射法探测裂缝有较高灵敏度的原因、但当钢中1微米缝隙中充满油(或水)时，仍用1 MHz 直探头探测，可获得6%的反射声压。
图(1–24)为钢和铝中油层界面的声压反射率。
超声波探伤的物理基础——(第三节超声平面波在大平界面上垂直入射的行为)
第一章 超声波探伤的物理基础第三节 超声平面波在大平界面上垂直入射的行为超声波在异质界面上的反射、透射和折射规律是超声波探伤的重要物理基础。
当超声波垂直入射于平面界面时，主要考虑超声波能量经界面反射和透射后的重新分配和声压的变化，此时的分配和变化主要决定于界面两边介质的声阻抗。
一、超声波在单一的平面界面的反射和透射(1) 反射、透射规律的声压声强表示当平面超声波垂直入射于两种声阻抗不同的介质的大平界面上时，反射波以与入射波方向相反的路径返回，且有部分超声波透过界面射入第二介质，见图1–17所示。
平面界面上入射声强为I ，声压为P ；反射声强为I a ，声压为P a ；透射声强为I t ，声压为P t 。
若声束入射一侧介质的声阻抗为Z 1，透射一侧介质声阻抗为Z 2，根据界面上声压连续和振速连续的原则，并令21Z Z m =(称声阻抗比)，就可得到：声压反射系数m1m1Z Z Z Z P P 2112a P +-=+-==γ (1–21a) 声压透射系数m12Z Z Z 2P P 212t P +=+==τ (1–21b) 若把声压看作是单位面积上受的力，那么作用于同一平面的力应符合力的平衡原理，因此，声压变化就可写作t P Pa P =+，等式两边除以P ，得PP P Pa 1t =+即P P 1τ=γ+ (1–22)若把Ia/I 和It/I 分别定义为声强反射率(R)和声强透射率(D)，就可得到：声强反射率22a 1212a P P Z 2P Z 2P I Ia R === (1–23)声强透射率II D t=(1–24) 声强是一种单位能量，作用于同一界面的声强，应满足能量守恒定律，所以声强变化可写作I = Ia+It ，等式两边除以I ，得到图1–17 平面波在大平面上的反射和透射1D R I I I Ia I I t =++= (1–25) 从式(1–23)可知2221122P m 1m 1Z Z Z Z R ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=γ= (1–26) 从式(1–22)和(1–25)可知2221212P )m 1(m4)Z Z (Z Z 41D +=+⋅=γ-= (1–27)(2) 声压往复透过率实际探伤中的探头常兼作发射和接收声波用，并认为透射至工件底面的声压在钢/空气界面上被完全反射后，再次透过界面后被探头所接收，因此，探头接收到的返回声压t P '与入射声压之比，即为声压往复透过率Tp 。
超声波探伤教材
第一章 超声波检测的物理基础
一、波动 (一)振动与波 物体或质点在某一平衡位置附近作往复运
动，这种运动状态就叫做机械振动，简称 振动。如果物体或质点作周期性直线振动， 它离开平衡位置的距离与时间可以用正弦 或余弦函数表示，称为简谐振动。 这是最基本最重要的周期性直线振动。
适用的频率
超声波探伤常用的频率为 0.25MHz~15MHz。
对金属材料一般频率为 0.5~10MHz。
钢结构焊缝常用频率为1~5MHz。 陶瓷常用频率则为2.25~10MHz。 对铸铁、非金属声衰减强烈的粗晶材料，
甚至采用25KHz~0.25MHz 的频率。
(二)超声波的特性之一
T为周期，振子Q在平衡位置附近振动一次所需要的时间；
f为频率，单位时间内振子Q振动次数，与周期互为倒数， 即f=1/T。赫兹（Hz）单位为每秒振动一次1兆赫为1MHz；
（ωt+φ)为相位角，振子Q在振动过程中某一瞬间（t时刻） 所处的位置。在t=0时刻的相位角，称为初始相位；
ω为圆频率，表示在秒内的振动周期数? (每振动一次时间为360度)。
思考
为什么超声波会在工件中衰减？什么是第一、 第二、第三临界角？什么时候纵波入射会产生 横波全反射现象？超声检测底波高度法调节仪 器应满足的条件是什么？为什么超声纵波直探 头在钢中近场长度比水中的短？
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
伤
中心：纵向振动
固体介质(波长薄板)薄板薄壁管探
超声波探伤的物理基础
第一章超声波探伤的物理基础By adan超声波探伤是目前应用最广泛的无损探伤方法之一。
超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。
超声波探伤中，主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概念。
如几何声学中的反射、折射定律及波型转换，物理声学中波的叠加、干涉、绕射及惠更斯原理等。
深入理解几何声学和物理声学中的有关概念，掌握其中的基本定律，对于灵活运用超声波理论去解决实际探伤中的各种问题无疑是十分有益的。
第一节振动与波宇宙间的一切物质，大至宏观天体，小至微观粒子都处于一定的运动状态，振动和波动是物质运动的基本形式一、振动1．振动的一般概念物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。
日常生活中到处可以见到振动现象，如弹簧振子的运动、钟摆的运动和汽缸中活塞运动等都是可以直接觉察到的振动现象。
另外，如固体分子的热运动，一切发声物体的运动以及超声波波源的运动等则是人们难以觉察到的振动现象。
物体(或质点)受到一定力的作用，将离开平衡位置，产生一个位移，该力消失后，它将回到其平衡位置；并且还要越过平衡位置移到相反方向的最大位移位置，然后返回平衡位置。
这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振动”。
振动是，往复、周期性的运动，振动的快慢常用振动周期和振动频率两个物理量来描述。
周期T——振动物体完成一次全振动所需要的时间，称为振动周期，用T表示。
常用单位为秒(s)。
频率f——振动物体在单位时间内完成全振动的次数，称为振动频率，用f表示。
常用单位为赫兹(H s)，1赫兹表示1秒钟内完成全振动，即1H s=1次/秒。
此外还有千赫(KH z),兆赫(MH z)。
1kH z=103H z,1MH z由周期和频率的定义可知，二者互为倒数(1.1)如某人说话的频率f=1000H z，表示其声带振动为1000次/秒，声带振动周期T=1/f=1/1000=0.001秒。
2.谐振动最简单最基本的直线强动称为谐振动。
超声波探伤教材2
超声波声波归属于机械振动范畴。因此，产生超 声波的条件：(1)要有产生高频机械振动的声源；
(2)要有传播超声波的弹性介质。
y Acos(t kx)
2、波动方程
描述介质中质点相对于平衡位置的位移随时间变化的方程 称为行波的波动方程。波动方程式也可写成：
y=Acos（ ωt-- kx）
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
动的常用物理量。
四、波形
1、束射特性 因为超声波频率较高，波长较短，声束指
向性较好，可使超声能量向一个确定的方 向集中辐射，所以利用超声波可在被检工 件内部发现缺陷，又便于缺陷定位；
超声波的特性之二
2、反射特性 超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界
面时会产生反射、透射或折射，这些现象 主要由入射角度和不同介质的声学特性决 定。例如超声脉冲反射法的基本原理就是 利用超声波在缺陷与材料间异质界面的反 射来发现缺陷的；
T为周期，振子Q在平衡位置附近振动一次所需要的时间；
f为频率，单位时间内振子Q振动次数，与周期互为倒数， 即f=1/T。赫兹（Hz）单位为每秒振动一次1兆赫为1MHz；
（ωt+φ)为相位角，振子Q在振动过程中某一瞬间（t时刻） 所处的位置。在t=0时刻的相位角，称为初始相位；
ω为圆频率，表示在秒内的振动周期数? (每振动一次时间为360度)。
波阵面的形状即波形。波阵面是指波动传 播过程中某一瞬时振动相位相同的所有质 点联成的面。某一时刻，最前面的波阵面， 也即该时刻波动到达的空间所有的点的集 合称为“波前”，这是波阵面的特例。波 动传播方向称为“波线”。 若按波阵面的 形状来区分可把不同波源激发的超声波分 为平面波、活塞波、球面波和柱面波等。
第一章 超声检测物理基础
第一章超声检测物理基础Chapter 1 Physical Foundations for Ultrasonic Testing本章简要介绍声波的本质、声波的传播、声场、规则反射体回波声压计算和A VG曲线等超声检测的物理基础。
掌握这些基础对正确理解超声波的特性、合理选择超声检测条件、有效解释超声波传播的现象等都极其重要。
1.1声波的本质essence of sound wave1.1.1振动与波vibration & wave波有两种类型：电磁波（如无线电波、X射线、可见光等）和机械波（如声波、水波等）。
声波的本质是机械振动在弹性介质中传导形成的机械波。
声波的产生、传播和接收都离不开机械振动，如人体发声是声带振动的结果；声音从声带传播到人耳，是声带引起空气振动的结果；人能听见声音是因为空气中的振动引起了人耳鼓膜的振动的结果。
所以，声波的实质就是机械振动。
1、机械振动质点不停地在平衡位置附近往复运动的状态称为机械振动。
如钟摆的运动、气缸中活塞的运动等。
(1) 谐振动如图1-1所示的质点——弹簧振动系统，在静止状态下往下轻拉一下装在弹簧上的小质点，松手后质点便在平衡点附近进行往复运动。
如空气阻力为零，则质点——弹簧系统自由振动的位移随时间的变化符合余弦（或正弦）规律：()ωφ(1-1)cos=+y A t式中：y——质点的位移，单位：米（m）A——质点的振幅，单位：米（m）t——时间，单位：秒（s）图1-1 加载弹簧的振动这种位移随时间的变化符合余弦规律的振动称为谐振动。
谐振动是一种周期振动，质点在平衡位置往复运动一次所需的时间称为周期，用T表示，单位为秒（s）；单位时间（即1秒钟）内完成的振动次数称为频率，用f表示，单位为赫兹（Hz）。
二者之间的关系为：1(1-2)Tf谐振动是一种振幅和频率始终保持不变的、自由的、周期振动，因而是最基本、最简单、最理想的机械振动。
其振动频率是由系统本身决定的，称为固有频率。
超声波探伤物理基础
第二章 超声波探伤的物理基础
4、板波 概念：在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板波
根据质点的振动方向又分为SH波和兰姆波。
在表面上下振动的波称为兰姆波，在表面横向振动的波 为SH波 小结：以上4种波除纵波外其它波只能在固体中传播，纵 波可以在固体、液体、气体中传播。
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第二章 超声波探伤的物理基础
波阵面：球面；
特征：波束向四面八方扩散，振幅与距离成反比。 超声波探伤的波源近似活塞振动，在各向同性的介质 中的波叫活塞波，当离源的距离足够大时，活塞波类 似球面波。
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第二章 超声波探伤的物理基础
三、按振动的持续时间分
连续波：波源持续不断的振动，穿透法常采用连续波
脉冲波：短时间的脉冲波，持续时间很短。微秒级。
不同的介质有不同的声速度
超声波波型不同时，介质弹性变形型式不同，声速也不 一样 一 、 固体介质中纵波、横波与表面波声速 1、无限大固体介质中纵波、横波与表面波声速
第二章 超声波探伤的物理基础
纵波1.10
横波1.11
表面波1.12
对于钢材有：CL≈1.8CS ；CR≈0.9CS ；
第二章 超声波探伤的物理基础
如：人能听到的声音就是空气的机械振动
人能听到的声音频率范围是20——20000Hz， 中音一般在1000——1500Hz。 因人而异，每人说话的音频不一样，所以能 区分不同人的声音。 音调、音域；高音、低音不是声音高低，而 是频率高低；声音大小用振幅表示。 如果人说话的频率是1000Hz，即每秒钟声带 振动1000次。
超声波探伤的物理基础
第一章 绪论
1.1 超声检测的定义和作用 1.2 超声检测的发展简史和现状 1.3 超声检测的基础知识
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）。
《超声波探伤》理论要点汇总
第一章 超声波探伤的物理基础
超声场的特征值 声阻抗的物理意义 声阻抗随温度变化的关系 声强与频率、声压的函数关系 界面两侧的声波必须符合的两个条件 由Z1、Z2相对大小的4种情况计算出反射率和透射率，得出4个结论 Z1＝Z3≠Z2时异质薄层厚度对反射率和透射率的影响(半波透声层) 超声波频率f对异质薄层的声压反射率和透射率的影响 Z1≠Z2≠Z3时薄层厚度对反射率和透射率的影响(直探头保护膜)
仪 器
定量要求高----垂直线性好、衰减器精度高
的 大型工件----灵敏度余量大、信噪比高、功率强
选 为发现近表面缺陷和区分相邻缺陷----盲区小、分辨力好 择
现场探伤----重量轻、荧光亮度高、抗干扰能力强
第四章 超声波探伤方法和通用技术
第二节 仪器与探头的选择
探头型式的选择----根据缺陷可能出现的位置及方向
双探头法—原理、计算方法、局限性
端部回波峰值法—原理、计算方法、影响测量精度的因素、局限性
横波端角反射法—原理、衡量方法 、局限性
第八节 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射 纵波倾斜入射到钢/空气界面的反射率 横波倾斜入射到钢/空气界面的反射率 纵波倾斜入射水/钢界面时的声压往复透射率(及实际意义) 纵波倾斜有机玻璃/钢界面时的声压往复透射率(及实际意义) 纵波入射时的端角反射率 横波入射时的端角反射率(最高最低时的αS、K值)
第一章 超声波探伤的物理基础
谐振动的特点(3点) 阻尼振动的特点(3点) 受迫振动的特点(4点) 阻尼振动、受迫振动、共振在超声波探伤中的应用 产生机械波必须具备的两个条件 机械波的本质 波长与波源和质点振动的关系 波动频率与振动频率的关系
第一章 超声波探伤的物理基础
超声波探伤所用频率范围 金属检验所用频率范围 超声波用于检测的重要特性(优点) 纵波的受力、形变、质点运动特点、传播介质 横波的受力、形变、质点运动特点、传播介质 表面波的受力、质点运动特点、传播介质、能量传播特点 板波质点运动特点、传播介质 波线与波阵面、波前的空间关系(各向同性介质中) 平面波的形成(3要素) 柱面波的形成(3要素) 球面波的形成(3要素)
超声波探伤
波传播途径，是为缺陷定位计算提供的一个有用数 据。 2．前沿长度
声束入射点至探头前端面的距离称前沿长度， 又称接近长度。它反映了探头对有余高的焊缝可接 近的程度。
能力知识点1 超声波探头
3．声轴偏离角 探头主声速轴线与晶片中心法线之间的夹角称 为声速轴线偏向角。 三、探头型号 探头型号由五部分组成，用一组数字和字母表示，其排列顺序如下： （1）基本频率 单位为MHz。 （2）晶片材料 常用的晶片材料（压电材料）及其 代号见表。
1．散射引起的衰减
2．介质吸收性引起的衰减
3．声束扩散引起的衰减
1.超声波的波型 横波、纵波、表面波。
2.超声波的性质 第一临界角 第二临界角
小结
练习题
1．超声波的定义？它有哪些重要特性？ 2．超声波是如何产生的？ 3．超声波的波长、频率与声速的相互关系是怎样的？ 4．超声波是否具有较大的探测深度这一优势与其哪项特性有关
第四节 焊缝的超声波探伤技术
超声波探伤一般包括探伤前的准备、实时探伤 操作、缺陷的评定、检验结果的分级、记录与报告等过程。 焊缝超声波探伤是通过探伤仪示波屏上反射回波的位置、高度、波形的静态和动态特征来显示被探
焊件质量优劣的.采用超声波探伤法对焊缝探伤时,应根据焊件的材质、结构、焊接方法、使用条 件、载荷等,确定不同的探伤方案。
能力知识点1 直接接触法
垂直入射法和斜角探伤法是直接接触法超声波 探伤的两种基本方法。 1、垂直入射法
垂直入射法（简称垂直法）是采用直探头将声 束垂直入射工件探伤面进行探伤。由于该法是利用 纵波进行探伤，故又称纵波法。
垂直法探伤能发现与探伤面平行或近于平行的 缺陷，适用于厚钢板、轴类、轮等几何形状简单的 工件。
超声波探伤的物理基础
超声波探伤的物理基础第一节基本知识超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。
物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。
振动的传播过程，称为波动。
波动分为机械波和电磁波两大类。
机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。
超声波就是一种机械波。
机械波主要参数有波长、频率和波速。
波长l：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长，波源或介质中任意一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离，常用单位为米(m)；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称为频率，常用单位为赫兹(Hz)；波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，常用单位为米/秒（m/s）。
由上述定义可得：C=l f ，即波长与波速成正比，与频率成反比；当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。
次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。
它们的区别在主要在于频率不同。
频率在20~20000Hz之间的能引起人们听觉的机械波称为声波，频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20000Hz的机械波称为超声波。
次声波、超声波不可闻。
超声探伤所用的频率一般在0.5~10MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为1~5MHz。
超声波波长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛用于无损探伤。
1. 方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米级；超声波象光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，易于在被检材料中发现缺陷。
2. 能量高：由于能量（声强）与频率平方成正比，因此超声波的能量远大于一般声波的能量。
3. 能在界面上产生反射、折射和波型转换：超声波具有几何声学的上一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射、折射和波型转换等。
4. 穿透能力强：超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。