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
2.7 超声波倾斜入射到界面的反射和折射
对于钢：cL1=5900m/s，CS1=3230m/s ， αⅢ 当 S ≥33.2°时，钢中横波全反射。
2.7.2 声压反射率
1.纵波倾斜入射到钢/空气界面的反射 纵波倾斜入射，当 L 60左右时产生一个较强的变型反射横波。 2.横波倾斜入射到钢/空气界面的反射 当 当
S 30左右时， SS
（1）第一临界角 1 （2）第二临界角αⅡ：
L 90
S 90
1 arcsin
cL1 cL 2
1 arcsin
cL1 cS 2
2.7.1 波型转换与反射、折射定律
由αⅠ 和αⅡ 的定义可知：
① < αⅠ 时，第二介质中既有折射纵波L″又有折射横波S″。 ②αⅠ ～αⅡ 时，第二介质中只有折射横波S″，没有折射纵波L″，这就是常用横波探 头制作和横波检测的原理。 ③ ≥αⅡ 时，第二介质中既无折射纵波L″，又无折射横波S″。这时在其介质的表 面存在表面波R，这就是常用表面波探头的制作原理。 例如，纵波倾斜入射到有机玻璃/钢界面时，有机玻璃中cL1=2730m/s，水中 cL1=1480m/s，钢中：cL2=5900m/s，cS2=3230m/s。则第一、二临界角分别为：
a 0
（1）纵波入射时，端角反射率都很低，这是因为纵波在端角的两次反射 中分离出较强的横波。 （2）横波入射时，入射角 30 或 60 附近时，端角反射率最低。 s 35 ~ 55 时，端角反射率达100%。
S
图2－45
图2－46
2.7.4 端角反射
超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射。在端角反射中， 超声波经历了两次反射，当不考虑波型转换时，二次反射回波与入射波 P // P , 且 90 互相平行，即 P
超声成像技术的原理与应用
超声成像技术的原理与应用超声成像是一种通过声波的反射来获取生物组织图像的成像技术。
该技术已被广泛应用于医学、工业等领域，在医疗领域中，超声成像的使用频率极高，成为了常规医疗检查的一项重要手段。
本文将介绍超声成像技术的原理和应用。
一、超声成像的原理超声成像是利用超声波在物体内部传播的特性进行成像。
超声波是一种高频声波，它的频率一般在1-20MHz之间。
当超声波从一个介质传播到另一个介质时，会发生反射、透射和折射。
这种反射现象可以用于成像。
超声波在不同组织之间的反射能够提供关于组织内部形态和结构的信息。
超声波在不同组织中传播的速度不同，反射强度也不同，这些信息被接收器接收到后，经过信号放大、滤波、数字化处理等步骤，就可以在屏幕上显示出一幅组织的图像。
二、超声成像的应用1. 临床医疗中的应用超声成像是医学界最常用的成像技术之一。
它可以对人体各部位进行检查，如心脏、肝脏、肾脏、乳腺、甲状腺、骨骼等，在临床上有着广泛应用。
例如，心脏超声可以检测心肌和瓣膜的功能，是最常用的心脏疾病诊断方法之一；乳腺超声可以检测女性乳腺的异常组织，是乳腺癌早期诊断的重要手段。
此外，超声成像还可以用于产前检查，通过检查胎儿的心脏、脑部、肢体等器官的发育状况来判断胎儿是否存在异常情况。
2. 工业领域中的应用除了应用于医学领域，超声成像技术还有广泛的应用于工业制造中。
例如，在汽车制造过程中，超声成像可以用于检测轮轴、发动机零部件的内部缺陷和质量问题；在飞机制造中，超声成像则可用于检测航空发动机的叶片、涡轮、轴等重要部件，确保其安全性。
超声成像还可以应用于材料检测、无损探伤等行业，发挥着重要的作用。
三、超声成像技术的发展趋势随着科学技术的不断进步，超声成像技术也在不断改进和发展。
现代超声成像已经不仅仅只是对结构的检测，而是涉及到对功能、代谢等更多的方面的探测。
例如，现代超声心动图的应用已经不仅仅是对心脏结构的扫描，而是涉及到心肌活动、心脏血流动力学、器官灌注等多方面的检测。
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。
以上内容仅供参考，建议查阅专业超声波书籍获取更全面和准确的信息。
超声波检测裂纹原理
超声波检测裂纹原理
超声波检测裂纹原理是利用超声波在材料中传播时遇到裂纹或其他缺陷会发生反射、折射、散射等现象的特性来检测材料中的裂纹。
当超声波传播到材料中，如果材料中存在裂纹，裂纹会对超声波产生反射和折射。
超声波的传播速度在不同介质中不同，当超声波由一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象，折射角度与材料的声速有关，通过测量折射角度可以计算出裂纹的深度。
另外，当超声波遇到裂纹时，会产生散射现象。
散射会导致超声波的一部分从裂纹处散射回来，这些反射回来的超声波可以被接收器接收到。
通过接收反射回来的超声波信号，可以判断出材料中是否存在裂纹以及裂纹的位置、形状和大小。
综上所述，超声波检测裂纹的原理是利用超声波在材料中传播时遇到裂纹会产生反射、折射和散射等现象，通过测量这些现象可以确定材料中裂纹的存在及其相关参数。
超声波探测器原理
超声波探测器原理
超声波探测器的原理是利用超声波在介质中传播和反射的特性来探测目标物体或表面的性质和存在状态。
其工作过程可以概括为：发射超声波、接收反射波、测量波的传播时间和特性。
在超声波探测器中，一个发射器产生高频率的超声波，通常使用压电晶体或石英晶体作为发射器。
这些晶体会产生机械振动，从而在介质中发出超声波。
超声波具有高频率和短波长的特点，所以可以在多种介质中传播，包括空气、液体和固体。
一旦超声波遇到物体或表面，它会被物体吸收、反射或折射。
超声波探测器中的接收器会接收到这些来自目标物体的反射波，并将其转换成电信号。
接收器通常也是基于压电晶体或石英晶体的，它们将收到的超声波转换成电信号，然后通过电路进行放大和处理。
通过测量超声波发送和接收之间的时间间隔，可以确定超声波的传播时间。
然后，根据声速（超声波在介质中传播的速度）和时间，可以计算出超声波在介质中传播的距离。
通过对物体的距离和反射特性的分析，可以判断目标物体的性质、存在状态以及其他相关信息。
总之，超声波探测器利用超声波在介质中传播和反射的原理，通过发射和接收超声波来探测目标物体的性质和存在状态。
它在医学影像、工业检测、非破坏检测等领域具有广泛的应用。
超声波反射原理
超声波反射原理
超声波反射原理是一种利用超声波在介质中传播并发生反射的原理。
当超声波入射到介质的边界处时，一部分能量会被反射回来，而另一部分则会继续传播入射介质内部。
超声波的反射原理基于声学传导理论，即超声波传播过程中，能量以波的形式沿着介质中的分子传播。
当超声波遇到不同的介质或介质内部的接触界面时，由于介质的密度、弹性模量等性质的差异，会发生部分声能的反射和透射。
在超声波的反射过程中，波的传播速度和波长会发生变化，而频率则保持不变。
根据反射规律，入射角和反射角相等，即入射波束到达边界面时，其角度与反射波束离开边界面时的角度相等。
超声波反射原理在多个领域有广泛的应用，如医学超声、无损检测、地质勘探等。
在医学超声中，通过向人体内部发射超声波，利用反射波来获取人体内部结构的信息，从而进行诊断。
在无损检测中，超声波的反射可以用于检测材料中的缺陷、裂纹等问题。
在地质勘探中，超声波的反射可以用于判断地下地层的特征及变化。
总之，超声波反射原理是利用超声波在介质中传播并发生反射的基本物理现象，通过对超声波的反射进行分析和处理，可以获取到所需的信息，并应用于多个领域。
超声的物理原理
超声的物理原理
超声是利用超声波在物质中传播的特性进行成像和诊断的一种技术。
超声波是指频率超过人耳听力范围（20赫兹至20千赫兹）的声波。
它在物质中传播时，会发生多种现象和相互作用，其中包括反射、折射、散射、吸收等。
超声成像的物理原理主要包括超声波的发射和接收两个过程。
当超声波从超声换能器中传播到被检物体中时，会部分被物体吸收、散射和反射。
其中，被吸收的能量会转化为热能，散射的能量会在物体内部传播和衰减，而反射的能量则会返回到超声换能器中。
超声换能器既可以作为发射器发射超声波，也可以作为接收器接收反射的超声波。
在发射过程中，超声换能器中的压电晶体受到电压刺激后，会产生机械振动并将电能转化为超声能。
这些超声波以脉冲形式向被检物体传播。
在接收过程中，超声波端面与物体接触后，其一部分会被物体吸收或散射，剩下的部分则会以同样的形式返回到超声换能器中，并再次激励压电晶体振动。
这时，压电晶体将机械振动转化为电能，再通过电路放大和处理，最终形成可视化的超声图像。
超声成像的基本原理是利用超声波在不同组织和介质中传播的速度不同来反映不同组织的特性。
不同组织的声阻抗（声学阻力和密度的乘积）差异造成了超声波的反射和折射现象。
在图像中，不同组织或结构的反射强度不同，形成了明暗不同的区域，通过这些区域的分布和特征，医生可以判断出可能存在的病变和异常情况。
总之，超声成像利用超声波在物质中的传播特性和不同组织的声阻抗差异来形成图像，从而实现对组织结构和异常情况的检测和诊断。
这一成像技术在医学领域有着广泛的应用，并具有较高的安全性和无创性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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:pcv cx t w Awp p =--=)(sin 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。
2. 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:a.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，如图所示。
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:在两种介质的界面上，用透射声压(振幅)P},和入射声压Po的比值表示声压透射率D，即:经过理论推导可知若Z1=Z2，因R≈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Z1<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,钢以上计算结果表明，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: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:式中Cl1，是第一介质的纵波声速;Cl2 是第二介质的纵波声速;Cs1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可见，当Cl2大于Cl1时βl大于a1，若Cs2大于Cl1时βs大于a1，而在同种介质材料的条件βL大于βS。
如果增大入射角，折射角也随之增大，发生β= 900的现象，折射在界面上产生表面波;若继续增大入射角使βL大于900时，L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:一是换能器的灵敏度，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。
当工件无缺陷时，只有始发射脉冲波和底面反射回波，两者之间没有其它回波，这时可由两波间距确定工件的厚度。
如工件中间有缺陷，则会在始波和底波之间出现缺陷回波。
缺陷回波在时间轴上的位置可以确定缺陷在工件中的位置。
脉冲反射发的工作原理3. 2穿透法穿透法又叫透射法，是超声用于检测较早的一种方法，它是利用声波穿过被检物体的超声波的穿透率，进行测量或探伤检验的方法称为穿透法。
穿透法采用双探头，一个在工件或材料的这面作为发射，一个放在工件或材料的另一面作为接收超声波。
例如测纸张的厚度或探伤。
穿透法有连续波穿透法、脉冲穿透法和共振穿透法等。
此方法的优点是适用于薄工件，由于超声波传播路程仅为反射法的一半，故适用于检查衰减大的材料。