超声波的检测原理反射折射
超声波的反射和折射.
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。
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。
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
入射波
介质1 介质2
a a′
0
反射波
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
超声波无损检测基础原理
超声波无损检测基础原理超声波无损检测（Ultrasound Non-Destructive Testing，简称UT）是利用超声波在材料中传播、反射、折射以及散射现象，来检测材料的内部缺陷、异物、尺寸和性能的一种方法。
它具有非接触、无损、高精度、高效率、可定量测量等优点，广泛应用于航空航天、核工业、电力、石化等领域。
超声波无损检测的基本原理是利用超声波在材料中传播时发生的传播、反射、折射和散射现象来评估材料的完整性和性能。
其中，超声波是一种振动频率超过人耳听觉范围的机械波，具有频率高、穿透力强、传播速度快等特点。
超声波在材料中传播是通过介质粒子的弹性振动完成的。
当超声波进入材料后，会遇到材料内部的缺陷、异物等结构的界面，其中的一部分能量将被反射回来，称为反射波；另一部分能量则继续传播并发生折射或散射，称为透射波。
通过测量和分析反射波和透射波的信号，可以确定材料的内部缺陷、异物的位置、形状、大小等参数。
超声波无损检测通常采用传感器（也称为探头）将超声波引入到被检测物体中。
传感器由晶体材料制成，具有压电效应，即在受到外加电压作用下产生机械振动。
当外加电压施加在传感器上时，晶体会振动产生超声波，然后将超声波传播到被检测物体中。
当超声波在被检测物体中传播并遇到缺陷、界面等结构时，会有部分超声波能量被反射回来，在传感器上产生电信号。
这个信号经过放大、滤波、变换等处理后，可以得到被检测物体内部结构的信息。
超声波无损检测的信号处理是关键环节。
一般来说，反射信号的振幅和时间可以提供缺陷的大小和位置信息，而透射信号的强度和传播时间则可以提供材料的均质性和变质情况。
根据反射信号的波形和强度，可以判断缺陷种类（如裂纹、气孔、异物等）和位置。
通过对信号的波形、幅度以及时间的分析，可以获得材料的尺寸、形状、深度等更加详细的参数信息。
总之，超声波无损检测通过利用超声波在材料中传播的物理特性和反响情况，来评估材料的完整性和性能。
超声检测直射波的原理
超声检测直射波的原理
超声检测直射波的原理是利用超声波在介质中的传播特性进行检测。
当超声波以一定的角度射向介质的表面时，会发生反射、折射和透射三种现象。
首先，超声波在介质表面上发生反射，其中一部分能量以直角反射回来。
这部分反射波被接收器接收，并通过信号处理系统进行分析和处理。
反射波的特征包含了介质表面的信息，比如缺陷和界面。
其次，超声波透过介质表面后发生折射，其传播方向会改变。
由于介质的折射率与入射角度的关系已知，可以通过测量折射后的波的传播方向来计算介质的折射率，从而了解介质的性质。
最后，超声波在通过介质后，一部分能量透射到另一侧的介质中。
如果介质中存在缺陷或界面，部分能量会被散射、衰减或反射回来。
这些反射和散射的波可以通过接收器接收到，并分析其特征来检测和评估材料中的缺陷、异物或界面的状态。
综上所述，超声检测直射波的原理是通过测量和分析超声波在介质中反射、折射和透射的特性来检测和评估材料中的缺陷和界面状态。
超声波成像的原理
超声波成像的原理
超声波成像是利用超声波在不同介质中传播时会发生反射、散射和折射等现象，通过对反射信号的处理和成像技术，获得生物组织的内部形态和组织结构的一种医学成像技术。
其工作原理主要包括以下几个方面：
1.超声波的产生和发射：超声波通过连接到特定设备上的超声探头产生。
探头由许多压电晶体组成，当施加高频电流时，晶体会震荡产生超声波。
2.超声波的传输：超声波在人体组织中传输时，会遇到不同介质界面反射、散射、折射等反应。
这些反应会改变超声波的传播方向、速度和幅度等特性，从而产生不同的回波信号。
3.回波信号的检测和处理：探头可以测量回波信号的时间、强度和频率等信息，并将这些信息传输到计算机处理。
计算机根据反射时间和反射强度等参数，对对应的组织进行成像处理，以便医生能够观察。
4.成像技术：超声波成像可以通过多种成像技术来展示不同组织的内部形态和结构。
其中最常用的技术是B模式成像，它将回波信号显示为灰度图像以显示组织的内部结构。
其他技术包括彩色多普勒成像、3D超声成像和血管注射超声成像。
超声波无损检测概述
超声波无损检测概述超声波无损检测一、超声波无损检测基本介绍超声检测（UT）是利用其在物质中传播、界面反射、折射(产生波型转换)和衰减等物理性质来发现缺陷的一种无损检测方法，应用较为广泛。
按其工作原理不同分为：共振法、穿透法、脉冲反射法超声检测;按显示缺陷方式不同分为：A型、B型、C型、3D型超声检测；按选用超声波波型不同分为：纵波法、横波法、表面波法超声检测；二、超声波的产生（发射）与接收（1）超声波的物理本质：它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性介质中的转播行为。
即超声频率的机械波。
一般地说，超声波频率越高，其能量越大，探伤灵敏度也越高。
超声检测常用频率在0.5～10 MHZ。
（2）超声波的产生机理——利用了压电材料的压电效应。
压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
(3)超声波的发射与接收①发射——在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电压，由于逆压电效应，晶片中就会产生超声频率的机械振动——产生超声波；若此机械振动与被检测的工件较好地耦合，超声波就会传入工件——这就是超声波的发射。
②接收——若发射出去的超声波遇到界面被反射回来，又会对探头的压电晶片产生机械振动，由于正压电效应，在晶片的上下电极之间就会产生交变的电信号。
将此电信号采集、检波、放大并显示出来，就完成了对超声波信号的接收。
可见，探头是一种声电换能元件，是一种特殊的传感器，在探伤过程中发挥重要的作用3．超声波检测方法的分类（1）按原理分类：超声波探伤方法按原理分类，可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。
超声波检测的三种基本方法
超声波检测的三种基本方法
超声波检测方法可以根据其原理分为以下三种：
1. 脉冲反射法：这种方法利用超声波探头发射脉冲波到被检测物体内，根据反射波的情况来检测物体缺陷。
它包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。
2. 穿透法：这种方法依据脉冲波或连续波穿透物体之后的能量变化来判断缺陷情况。
穿透法常采用两个探头，一收一发，分别放置在物体的两侧进行探测。
3. 共振法：当声波（频率可调的连续波）在被检测物体内传播，当物体的厚度为超声波的半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率。
当物体内存在缺陷或物体厚度发生变化时，将改变物体的共振频率，依据物体的共振频率特性，来判断缺陷情况和物体厚度变化情况。
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超声波检测仪原理
超声波检测仪原理
超声波检测仪的原理是利用声波在不同介质中传播的特性进行物体检测和测量。
当超声波传播到不同介质的界面时，会发生反射、折射和透射等现象，从而可以获取目标物体的信息。
超声波由发射器产生，经过介质传播到目标物体，并被目标物体的表面或内部结构部分反射回来。
接收器接收到反射回来的超声波信号，并转化为电信号进行分析和处理。
通过检测所接收到的超声波信号的强度、时间、频率等参数的变化，可以推断出目标物体的性质、形状、位置以及存在的缺陷等信息。
例如，当超声波检测仪用于非破坏性检测时，可以通过分析反射信号来识别目标物体的缺陷，如裂纹、孔洞等。
超声波检测仪的原理基于声波在物质中传播速度的特性，不同物质对声波的传播速度有不同的影响。
因此，超声波检测仪可以根据声波在物体内部传播的速度变化来推断物体的内部结构和材料特性。
总的来说，超声波检测仪利用声波在物体中传播的特性进行物体检测，通过分析反射信号来获取物体的信息。
该技术在工程、医疗、材料科学等领域有着广泛的应用。
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。
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超声波的检测原理反射折射2超声波及超声检测原理2. 1超声波的基本性质通常人耳能听到声音的频率范围在 20}20KHz 之间，把超过20KHz 的声波 称为超声波。
超声波在本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖两个条件， 一是有机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。
波的种类是根据介质质点的震动方向和波动传播方向的关系来区分的。
超 声波在介质中传播的波形有许多种，有纵波、横波、表面波等。
2.1.1超声场的特征量充满超声波的空间叫做超声场。
声压、声强度、声阻抗是描述超声场 特征的几个重要物理量。
a. 声压超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时的静态 压强之差被称为声压，常用 P 表示，单位为帕。
超声波在介质中传播时，介质 中每一点的声压随着时间t 、距离x 而变化，其公式为：Xp =「Awpsi nw(t ) = pcvc 式中P 为介质的密度、必为介质的角频率 C 为超声波在介质中的波速， v 为介质质点的振动速度。
可见声压的绝对值与波速以及角频率成正比。
b. 声强度在垂直于超声波方向上的单位面积内通过的声能量被称为声强度，也称声强。
式中A 为超声波的振幅。
从公式可见声强与质点振动的位移振幅的平方成 正比，与质点振动的角频率的平方成正比。
C.声阻抗从声压的公式可见，在同一声压下辉越大，质点振动速度就越小，反之亦 然，它反映了声学特性，故将声的乘积作为介质的声阻抗，以符号 Z 表示。
2. 1. 2超声波的速度及波长超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对 一定的介质其弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。
不同的介质有不同的 声速。
超声波的频率、波长和声谏之间的关系如下 ：其中入超声波的波长、c 为超声波的速度、f 为超声波的频率。
p cA 2 a)22 2 pc2.1.3超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量会逐渐减弱，这种现象叫超声的衰减。
从理论上讲，超声波能量衰减的起因有以下几个方面：乩由声束扩展引起的衰减在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面波的声束在不断扩展增大，因此单位面积上的声能(或声压)随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减，扩散衰减仅取决与波的几何形状而与传播介质的性质无关。
b・由散射引起的衰减由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中有外来杂质、金属的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗的不均，从而引起声的散射。
被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终将变成热能，这种衰减称为散射衰减。
C.由介质吸收引起的衰减超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转换成热能。
同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及分子弛豫造成的吸收，这就是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。
超声波的衰减特性在探伤中有很实际的用途，如果能掌握经过介质后的超声波的性质，就可以对介质的特性进行某些判断。
2. 1. 4超声波在平面异质界面上的效应所谓异质界面，是只有两种声阻抗不同的介质所构成的界面，如气体液体界面、气体/固体界面、液体/固体界面以及不同固体界面等。
由于两种介质的声阻抗不一样，会产生反射、折射和衍射等现象。
例如:在电缆芯线上挤压绝缘材料时，钢模到绝缘材料为一个界面，绝缘材料到铜芯为另一个界面。
当超声波入射到一个光滑界面上时，产生反射;若发生在粗糙界面上时，产生波的散射。
超声波通过两种介质的界面时，一部分将被界透射波。
当超声波从一种介质传播到另一种介质时，其入射方向相对于异质界面而言，可以是垂直入射，也可以是倾斜入射。
当垂直入射时，只有反射和透射;当倾斜入射，除反射外，透射波要发生折射现象，同时伴随着有波型转换。
(1)单界面垂直入射时的情况:当声波垂直入射到两种不同介质的界面上时, 将产生一个与入射方向相反的反射波和一个与入射方向相同的透射波，如图所zj\o介质声限抗Z2Pd声波由单界面垂直入射示意图在两种介质界面上，用反射声压（振幅）Pr和入射声压Po的比值表示声压反射率R，即:R=i在两种介质的界面上，透射率D,即：用透射声压（振幅）P},和入射声压Po的比值表示声压D = ^~Po经过理论推导可知Z’+Z|若Z i=Z2,因0而D~ 1,说明当界面两边声阻抗相同时，声波几乎没有反射，而全部从第一介质透射到第二介质。
当Z i<Z2时，如声波从水入射钢中，则R>0，反射声压只和入射声压Po 同相位，在界面上入射声压Po与反射声压只叠加类似于驻波。
合成声压振幅P=Pr+Po，对于水Z1 =0.5 x106g/cm2.s,¥冈二乜R = $ 、“935ZZ2ZD= 2 ^1 935 Zj + Z)以上计算结果表明，超声波垂直入射到水/钢界面时，其声压反射率R=0.935>0,声压透射率D=1.935>1似乎违反了能量守恒定律。
其实不然，界面两边应当平衡。
当Z1> Z2时，例如，声波从钢入水，声压反射系数说明反射波声压和入射波声压相位相反，其合成振幅减小。
应以钢和水为例: R =--------- =-0 * 9350-15 + 4*5_2X O115_=()065D =0J5 + 4.5计算结果表明，当声波传播到两种介质声阻抗相差很大的界面上时，声波几乎全部被反射，无透射波。
(2)声波斜入射到平面上的反射和折射：当超声波与界面成一定角度入射时，在固体介质中将发生波形转换，原来入射的纵波在第一和第二介质中除有纵波外，还将被转换成横波，两种波形传播方向不同，如图2-2所示，并可按反射定律和折射定律计算：声波斜入射到平面上的反対和折射示意图G - c Li一 5 _ c小sin^ sina Z] sin sin a s sin J3S式中Cl i，是第一介质的纵波声速；Cl2是第二介质的纵波声速；Cs i是第一介质的横波声速；CS2是第二介质的横波声速。
根据反射定律和折射定律，可以改变入射角和第一介质的材料来获得横波、表面波、板波等各种不同的波形。
从公式可以得出纵波折射角卩、-arcsin -^sina}队 =arcsin」Lsifia|可见，当ci2大于ci i时B i大于a i,若Cs2大于ci i时B s大于a i,而在同种介质材料的条件B L大于B s。
如果增大入射角，折射角也随之增大，发生B L= 900的现象，折射在界面上产生表面波；若继续增大入射角使B L大于900时, 纵波反射第一介质，而第二介质内就只有横波存在了。
2. 2超声换能器(1)超声换能器的定义、分类及工作原理顾名思义，换能器就是将一种能量转换为另一种能量，进行能量转换的器件。
超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或将外部的声信号转换为电信号的能量转换器件。
超声换能器是超声检测装置中非常重要的一部分，它的性能和特点往往决定了超声检测的方法，对检测的效果有很大的影响。
超声换能器的种类很多，目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器，而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钦酸钡压电陶瓷、错钦酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT), PVDF等。
近年来，新型的PVDF压电薄膜材料得到了发展和应用，它除有良好的物理性能外，在厚度、面积上有很大的选择余地，而且有易于加工和频率范围宽的特点，常用来制成40KHz--300KHz的超声换能器，如德国Flowline公司LU3 0系列产品。
因此，目前压电材料呈现石英晶体、压电陶瓷多晶体及新型压电材料三方鼎立的局面。
压电型超声换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应超声波发生器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵向运动。
压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为(1 一10 um)，但这种振动的加速度很大，约(10-l0lg)，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动能量，若这种能量沿着一定方向传播出去，就形成超声波。
当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。
相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。
在一般工业领域，超声波的发送和接收在同一个传感器中完成，这样不仅可以降低成本，而且在一定程度上减小了测量误差。
市售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波。
兼用型就是接收一体，只一个传感器头，具有发送和接收超声波的双重作用。
市售超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23KHz, 40KHz, 75KHz, 200KHz, 400KHz 等几种。
谐振频率越高，距离分辨率也越高，但由于声衰减，测距范围将降低。
（2）超声换能器的主要性能参数衡量超声检测系统中的换能器，其性能参数比较多，但主要有两个：- 换能器的灵敏度，二是换能器的带宽。
前者取决于振型、换能器的材料及机械系统结构，后者是换能器的频率带宽特性，包括功率、声压、阻抗及敏度灵等随频率变化的带宽特性。
3常规超声波的检测方法就超声检测来说，由于使用的波形，发射和接收的方法、信号显示的方式和工件的藕合形式不同，可分为多种类型，但这些分类一般都是相互重叠的交叉的，所以，严格的分类是不大可能的，而也没有必要。
本章按其检测的基本原理可分为脉冲反射法（或叫回波法）、穿透法以及共振法三种方法来分析讨论。
3. 1脉冲反射法脉冲反射法是超声检测法中最基本的一种方法。
是由超声波探头在脉冲源的激励下发出间断的超声脉冲进入介质。
在介质中遇到不连续处，由于介质的连续处和不连续处的声阻抗不相同，声能在阻抗不连续处发生反射，其中一部分声能被反射回来，由一个探头（或另外一个探头）接收回波，再把它变成电信号显示出来，这种方法叫脉冲反射法。
在脉冲反射法中，根据声束传播情况可分为直探法和斜探法；根据探伤所用波形可分为纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法；根据探头个数和作用可分为单探头法、双探头法和多探头法；根据声祸合方式可分为直接接触法和水浸法等等。
由于这些方法具有各自的特点，所以广泛用来对金属和非金属材料及其制品进行无损检验。
脉冲反射法的工作原理如图3-1所示。
换能器发射的超声波在工件内部传播时，若遇有不同介质时，将发生反射。
反射信号的强度与反射率R的大小有关，而反射率R只与入射介质和反射介质的材料有关，由于反射信号通过的声程是一定的，结合其衰减公式分析，换能器获得的反射信号的强度也是一定的。