超聲波檢測理論基礎第一章緒論1.1超聲檢測的定義及作用超聲檢測一般是指超聲波與工件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對工件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的技術。特種設備行業(yè)中，超聲檢測通常指宏觀缺陷測量和材料厚度測量。超聲檢測是五大常規(guī)無損檢測技術之一。作用：實現(xiàn)質量控制、節(jié)約原材料、改進工藝、提高勞動生產(chǎn)率。設備維護中不可或缺的手段之一。4/20/20252超聲波檢測理論基礎1.2超聲檢測的基礎知識1.2.1次聲波、聲波和超聲波機械波是機械振動在彈性介質中的傳播。如水波、聲波、超聲波聲波是在彈性介質中的傳播的機械縱波，頻率在20~20000Hz頻率低于20Hz的聲波不能被人聽到，稱為次聲波頻率高于20000Hz的聲波人耳也聽不到，稱為超聲波。探傷用超聲波頻率在(0.5~10)MHz4/20/20253超聲波檢測理論基礎超聲波的特點超聲波波長很短，這決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛應用于無損檢測。1、方向性好超聲波具有像光波一樣定向束射的特性。2、穿透能力強對于大多數(shù)介質而言，它具有較強的穿透能力。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達數(shù)米。

3、能量高超聲檢測的工作頻率遠高于聲波的頻率，超聲波的能量遠大于聲波的能量。

4、遇有界面時，將產(chǎn)生反射、折射和波型的轉換。利用超聲波在介質中傳播時這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過巧妙的設計，使超聲檢測工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。5、對人體無害。4/20/20254超聲波檢測理論基礎1.2.2超聲檢測工作原理原理：1、聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定方式進入工件2、超聲波在工件中傳播，與工件材料和其中缺陷相互作用，傳播方向或特征被改變3、改變后的超聲波通過檢測設備被接收，并對其處理分析4、根據(jù)接收的超聲波的特征，評估工件本身及其內部是否存在缺陷及缺陷的特征通常用來發(fā)現(xiàn)缺陷和用來評估的基本信息：1、是否存在來自缺陷的超聲波信號及其幅度2、入射聲波與接收聲波之間的傳播時間3、超聲波通過材料后能量的衰減4/20/20255超聲波檢測理論基礎1.2.3超聲檢測方法的分類1、按原理：脈沖反射法、衍射時差法、穿透法、共振法2、按顯示方式：A型顯示、超聲成像顯示3、按波型：縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法4、按探頭數(shù)目：單探頭法、雙探頭法、多探頭法5、按探頭與工件的接觸方式：接觸法；液浸法、電磁耦合法6、按人工干預的程度：手工檢測、自動檢測4/20/20256超聲波檢測理論基礎1.2.4超聲檢測的優(yōu)點和局限性1、優(yōu)點適用于金屬、非金屬和復合材料等多種材料的無損檢測穿透力強，多較大厚度工件內部缺陷進行檢測缺陷定位較準確面積型缺陷的檢出率高靈敏度高檢測成本低、速度快、設備輕便、使用方便，對人和環(huán)境無害4/20/20257超聲波檢測理論基礎1.2.4超聲檢測的優(yōu)點和局限性2、局限性對工件中的缺陷進行精確的定性和定量仍需做深入研究對具有復雜形狀或不規(guī)則外形的工件檢測困難缺陷的位置、取向和形狀對檢測結果有一定影響工件材質和晶粒度對檢測有較大影響常用的手工A型脈沖反射法檢測時結果顯示不直觀，檢測結果無直接見證記錄4/20/20258超聲波檢測理論基礎第二章超聲檢測的物理基礎2.1機械振動和機械波2.1.1機械振動物體或質點在某一平衡位置附近做來回往復的運動，稱為機械振動。產(chǎn)生的必要條件：物體一離開平衡位置就會受到回復力的作用；阻力要足夠小。振幅：振動物體離開平衡位置的最大距離，A。周期：當物體作往復運動時完成一次全振動所需要的時間，T（s）。頻率：振動物體在單位時間內完成全振動的次數(shù)，f（Hz）1KHz=103Hz1MHz=106HzT=1/f4/20/20259超聲波檢測理論基礎諧振動物體（或質點）在受到跟位移大小成正比，而方向總是指向平衡位置的回復力的作用下的振動。位移隨時間的變化符合余弦定理（或正弦）規(guī)律的振動形式稱為諧振動。Y=Acos（ωt+φ）ω=2πf=2π/T平衡位置勢能為零，動能最大，位移最大位置勢能最大，動能為零。只有彈力或重力做功。4/20/202510超聲波檢測理論基礎2.1.2機械波振動的傳播過程稱為波動。機械波是機械振動在彈性介質中的傳播過程。必備條件：1、要有作機械振動的波源2、要有能傳播機械振動的彈性介質4/20/202511超聲波檢測理論基礎機械波的主要物理量1、聲速c：單位時間內，超聲波在介質中傳播的距離；超聲波的速度就是聲音的速度,即聲在空氣(15℃)中的速度是340米/秒,只不過它們的頻率不同而已；超聲波在20℃的鋼中是5900米/秒;在鋁中的傳播速度為5100米/秒。2、頻率f：單位時間內，超聲波在介質中任一給定點所通過完整波的個數(shù)；3、波長λ：聲波在傳播時，同一波線上相鄰兩個相位相同的質點之間的距離；4/20/202512超聲波檢測理論基礎機械波的主要物理量4、周期T：聲波向前傳播一個波長距離時所需的時間；5、角頻率ω：其中頻率和周期是由波源決定的，聲速與傳聲介質的特性和波型有關。4/20/202513超聲波檢測理論基礎2.2波的類型2.2.1按波型分類1、縱波L：介質中質點振動方向和波的傳播方向平行的波。壓縮波疏密波承受壓縮或拉伸應力即可傳播4/20/202514超聲波檢測理論基礎2.2.1按波型分類2、橫波S：介質中質點的振動方向和波的傳播方向相互垂直的波。切變波剪切波能承受剪切應力才能傳播4/20/202515超聲波檢測理論基礎2.2.1按波型分類3、表面波R：當介質表面受到交變應力作用時，產(chǎn)生沿介質表面?zhèn)鞑サ牟āＨ鹄?887年首提，又稱瑞利波。介質表面的質點作橢圓運動。橢圓的長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向，介質質點的橢圓振動可視為縱波與橫波的合成。瑞利首先對這種波給予了理論上的說明，因此表面波又稱為瑞利波（Rayleighwave），常用R表示。如采用表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)工件的表面缺陷。一般只能發(fā)現(xiàn)距離工件表面兩倍波長深度范圍內的缺陷。4/20/202516超聲波檢測理論基礎表面波4/20/202517超聲波檢測理論基礎2.2.2按波形分類波的形狀是指波陣面的形狀。波線：用波線表示傳播的方向波陣面：將同一時刻介質中振動相位相同的所有質點所連成的面波前：某一時刻振動傳播到達的距聲源最遠的各點所連成的面稱為波前。在各向同性介質中波線垂直于波陣面。在任何時刻，波前總是距聲源最遠的一個波陣面。波前只有一個，而波陣面可以有任意多個。4/20/202518超聲波檢測理論基礎2.2.2按波形分類波線、波前與波陣面(a)平面波；

(b)柱面波；

(c)球面波

4/20/202519超聲波檢測理論基礎2.2.2按波形分類根據(jù)波陣面的形狀(波形)，可將超聲波分為平面波、柱面波和球面波等。平面波即波陣面為平面的波，而柱面波的波陣面為同軸圓柱面，球面波的波陣面為同心球面。當聲源是一個點時，在各向同性介質中的波陣面為以聲源為中心的球面?？梢宰C明，球面波中質點的振動幅度與距聲源的距離成反比。當聲源的尺寸遠小于測量點距聲源的距離時，可以把超聲波看成是球面波。4/20/202520超聲波檢測理論基礎2.2.3按振動的持續(xù)時間分類1、連續(xù)波波源持續(xù)不變的振動所輻射的波。2、脈沖波波源振動持續(xù)時間很短，間歇輻射的波稱為脈沖波。通常是微秒數(shù)量級4/20/202521超聲波檢測理論基礎2.3波的疊加、干涉和衍射2.3.1波的疊加：幾列波在空間某處相遇，則相遇處質點的振動是各列波引起振動的合成，在任意時刻該質點的位移是各列波引起位移的矢量和。相遇后各列波的波長、頻率、振動方向和傳播方向都保持不變，波的疊加原理或者波的獨立性原理。4/20/202522超聲波檢測理論基礎2波的干涉兩列頻率相同、振動方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇，介質中某些地方的振動互相加強，而另外一些地方的振動互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫波的干涉現(xiàn)象。A=（A21+A22+2A1A2cos2πδ/λ）1/2注意：（1）當δ=nλ（n為正數(shù)）時，A=A1+A2，（2）當δ=(2n+1)λ/2時，A=∣A1-A2∣.4/20/202523超聲波檢測理論基礎2.3.2波的繞射1.惠更斯-菲涅爾原理2.波的繞射（衍射）TOFD成為可能繞射能使超聲波在介質中順利傳播繞射使小缺陷回波幅度顯著下降，造成漏檢超聲檢測靈敏度約為λ/24/20/202524超聲波檢測理論基礎2.4超聲波的傳播速度聲速表示聲波在介質中傳播的速度，它與超聲波的波型有關，還與介質的密度和彈性模量有關。聲速是一個表征介質聲學特性的重要參量。2.4.1固體介質中的聲速：縱波、橫波和表面波的聲速主要是由介質的彈性性質、密度和泊松比決定的，而與頻率無關，不同材料聲速值有較大的差異。在給定的材料中，頻率越高，波長越短。

4/20/202525超聲波檢測理論基礎1.無限大固體介質中的聲速無限大固體介質中的縱波聲速：無限大固體介質中的橫波聲速：4/20/202526超聲波檢測理論基礎1.無限大固體介質中的聲速無限大固體介質中的表面波聲速：CR=[（0.87+1.12σ）/(1+σ)]CSE-------介質的楊氏彈性模量，MPa

；G-------介質的剪切彈性模量，MPa;Ρ------介質的密度Σ------介質的泊松比0~0.5同一固體介質中，縱波聲速CL大于橫波聲速Cs，橫波聲速Cs又大于表面波聲速CR。對于鋼材，CL≈1.8Cs，Cs≈1.1CR。4/20/202527超聲波檢測理論基礎1.無限大固體介質中的聲速2.細長棒中的縱波聲速CLb3.聲速和溫度、應力、均勻性的關系溫度高，聲速低應力增加，聲速增加（緩慢）晶粒細，聲速大4/20/202528超聲波檢測理論基礎2.4.2液體、氣體介質中的聲速1.聲速公式C=（B/P）1/2式中B—容變彈性模量；P密度2.液體介質中聲速與溫度的關系水CL=1557-0.0245（74-t）2其他，溫度升高，B減小，聲速降低4/20/202529超聲波檢測理論基礎2.4.3聲速的測量1.超聲檢測儀器測量法（1）檢測儀器按時間刻度（2）檢測儀器按深度刻度2.測厚儀測量法（1）共振式測厚儀（2）脈沖反射式測厚儀3.示波器測量法4/20/202530超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值2.5.1聲壓P：當介質中有超聲波傳播時，由于介質質點振動，使介質中壓強交替變化。超聲場中某一點在某一瞬時所具有的壓強p1與沒有超聲波存在時同一點的靜態(tài)壓強P0之差稱為該點的聲壓，用p表示,單位為帕，Pa，4/20/202531超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值2.5.2聲阻抗Z任一點的聲壓p與該處質點振動速度之比叫聲阻抗Z，單位：g/(cm2.s)；kg/(m2.s)。聲阻抗表示聲場中介質對質點振動的阻礙作用。在同一聲壓下，介質的聲阻抗越大，質點的振動速度就越小。實驗證明，氣體、液體與金屬之間的特性聲阻抗之比大約為1:3000:8000。Z=P/V=ρC一般材料隨溫度升高而Z降低。4/20/202532超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值2.5.3聲強I：在超聲場的傳播方向上，單位時間內垂直通過單位面積上的聲能叫聲強，用I表示，單位W/cm2。I=ρcA2ω2/2=ZV2/2=P2/2Z超聲波的聲強和頻率的平方成正比，同一介質中，超聲波的聲強和聲壓成正比。4/20/202533超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值2.5.4分貝和奈培分貝的概念以引起聽覺的最弱聲強I0=10-16W/cm2為聲強標準，在聲學上稱為“聞閾”，即f=1000Hz時引起人耳聽覺的聲強最小值。將某一聲強I與標準聲強I0之比取常用對數(shù)得到二者相差的數(shù)量級，稱為聲強級，聲強級的單位為貝爾B，即

△=lg(I2/I1)貝爾（B）在實際應用過程中，貝爾這個單位太大，常用分貝（dB）作為聲強級的單位。4/20/202534超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值1分貝人類耳朵剛剛能聽到的聲音20分貝以下認為是安靜的，15分貝以下,認為是“死寂”的20-40分貝大約是情侶耳邊的喃喃細語40-60分貝正常的交談聲音60分貝以上屬于吵鬧范圍70分貝很吵的，而且開始損害聽力神經(jīng)汽車噪音介乎80-100分貝90分貝以上會使聽力受損100-120分貝如無意外，一分鐘人類就得暫時性失聰（致聾）4/20/202535超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值在實際應用過程中，超聲波的幅度或強度也用相同的方法即分貝表示，4/20/202536超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值目前市售的超聲波探傷儀，其示波屏上波高與聲壓成正比，即任意兩點的波高之比等于相應的聲壓之比，二者的分貝差實際檢測時，常按此式計算超聲波探傷儀示波頻上任意兩個波高的分貝差。4/20/202537超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值若對二者取自然對數(shù)，則其單位為奈培NP：奈培與分貝的關系為：4/20/202538超聲波檢測理論基礎2.6超聲波垂直入射到界面的反射和透射超聲波在無限大介質中傳播時，將一直向前傳播，不改變方向。但遇到異介質界面（即聲阻抗差異較大的異質界面）時，會產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象當超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時，將在第一介質中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射波。4/20/202539超聲波檢測理論基礎2.6.1單一平界面的反射率和透射率反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0的比值稱為聲壓反射率r，透射波聲壓Pt和P0的比值稱為聲壓透射率t。

r和t的數(shù)學表達式為：式中：

Z1、Z2分別為兩種介質的聲阻抗。

4/20/202540超聲波檢測理論基礎2.6.1單一平界面的反射率和透射率聲強反射率R和聲強透射率T：R為反射波聲強(Ir)和入射波聲強(I0)之比；T為透射波聲強(It)和入射波聲強(I0)之比。

聲波垂直入射到平界面上時，聲壓和聲強的分配比例僅與界面兩側介質的聲阻抗有關。4/20/202541超聲波檢測理論基礎2.6.1單一平界面的反射率和透射率在垂直入射時，界面兩側的聲波必須滿足兩個邊界條件：（1）一側總聲壓等于另一側總聲壓，否則界面會發(fā)生運動；（2）兩側質點速度振幅相等，以保持波的連續(xù)性。上述超聲波縱波垂直入射到單一平界面上的聲壓、聲強與其反射率、透射率的計算公式，同樣適用于橫波入射的情況。但在固液、固氣界面上，橫波將發(fā)生全反射，這是因為橫波不能在液體和氣體中傳播。4/20/202542超聲波檢測理論基礎2.6.1單一平界面的反射率和透射率幾種情形的討論：（1）Z2＞Z1（2）Z1＞Z2（3）Z1遠大于Z2（4）Z1≈Z24/20/202543超聲波檢測理論基礎2.6.2薄層界面的反射率和透射率薄層界面在進行超聲檢測時，經(jīng)常遇到很薄的耦合層和缺陷薄層，這些都可以歸納為超聲波在薄層界面的反射和透射問題。

在兩個界面上的反射和透射d2超聲波由聲阻抗為Z1的第一介質入射到Z1和Z2的交界面，然后通過聲阻抗為Z2的第二介質薄層射到Z2和Z3的交界面，最后進入聲阻抗為Z3的第三介質。當然在有三層介質時，很多情況是第一介質和第三介質為同一種介質（超聲波檢測即是這種情況）。4/20/202544超聲波檢測理論基礎2.6.2薄層界面的反射率和透射率1.均勻介質中的異質薄層（Z1=Z3≠Z2）4/20/202545超聲波檢測理論基礎2.6.2薄層界面的反射率和透射率由公式可知：（1）半波透聲層（2）薄層厚度為1/4波長的奇數(shù)倍時4/20/202546超聲波檢測理論基礎2.薄層兩側介質不同的雙界面即超聲波垂直入射到兩側介質聲阻抗不同的薄層，如薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍時，通過薄層的聲壓往復透射率與薄層的性質無關。4/20/202547超聲波檢測理論基礎2.薄層兩側介質不同的雙界面此時為全透射的情況。4/20/202548超聲波檢測理論基礎2.6.3聲壓往復透射率在單探頭超聲檢測中，探頭發(fā)出的超聲波透過界面進入工件，在固-氣底面產(chǎn)生全反射后再次通過同一界面被探頭接收，這時探頭接收到的回波聲壓Pa和入射波聲壓P0之比，稱為聲壓往復透射率。垂直入射，底面全反射的情況下，聲壓往復透射率在數(shù)值上和聲強透射率相等。聲壓往復透射率與界面兩側介質的聲阻抗有關，與從何種介質入射無關，聲阻抗相差越小，聲壓往復透射率越高。聲壓往復透射率高低直接影響檢測靈敏度高低，往復透射率高，檢測靈敏度就高。4/20/202549超聲波檢測理論基礎2.7超聲波傾斜入射到界面時的反射和透射超聲波傾斜入射到界面時，除產(chǎn)生同種類型的發(fā)射和折射波外，還會產(chǎn)生不同種類型的反射和折射波，這就是波型轉換。4/20/202550超聲波檢測理論基礎2.7超聲波傾斜入射到界面時的反射和透射超聲波傾斜入射到平界面上的反射、折射(a)縱波入射；

(b)橫波入射

4/20/202551超聲波檢測理論基礎1.縱波斜入射當縱波傾斜入射到界面時，除產(chǎn)生反射縱波和折射縱波外，還會產(chǎn)生反射橫波和折射橫波，各種反射波和折射波的方向符合反射、折射定律。折射角相對于入射角的大小和折射波聲速與入射波聲速的比率有關。同時，由于縱波聲速總是大于橫波聲速，因此縱波折射角βL要大于橫波折射角βS。4/20/202552超聲波檢測理論基礎（1）第一臨界角當入射波為縱波，且cL2>cL1時，折射角大于入射角，使縱波折射角達到90°的縱波入射角稱為第一臨界角，用符號αⅠ表示。當縱波入射角大于第一臨界角時，第二介質中不再有折射縱波，只有折射橫波。4/20/202553超聲波檢測理論基礎（2）第二臨界角當入射波為縱波，第二介質為固體，且CS2>CL1時，使橫波折射角達到90°的縱波入射角為第二臨界角，用符號αⅡ表示。通常在超聲檢測中，臨界角主要應用于第二介質為固體，而第一介質為固體或液體的情況。這種情況下，可利用入射角在第一臨界角和第二臨界角之間的范圍，在固體中產(chǎn)生一定角度范圍內的純橫波，對試件進行檢測。第二介質中既無折射縱波，又無折射橫波，介質的表面將產(chǎn)生表面波R。4/20/202554超聲波檢測理論基礎（2）第二臨界角如：有機玻璃和鋼界面，αⅠ=27.6°αⅡ=57.7°4/20/202555超聲波檢測理論基礎（3）第三臨界角第三臨界角是在固體介質與另一種介質的界面上，用橫波作為入射波時產(chǎn)生的。使縱波反射角達到90°時的橫波入射角稱為第三臨界角，用表示αⅢ。此時，介質中只存在反射橫波。鋼中，αⅢ=33.2°4/20/202556超聲波檢測理論基礎2.7.2聲壓反射率超聲波反射、折射定律只討論了超聲波傾斜入射到界面上時，各種類型反射波和折射波的傳播方向，沒有涉及它們的聲壓反射率和透射率。斜入射時反射波和透射波的聲壓關系較為復雜。但在超聲檢測中，關心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的變化。對脈沖反射法，更關心的是聲壓往返透過率隨入射角度的變化。在斜入射情況下，各種類型反射波和折射波的聲壓反射率和透射率不僅與界面兩側介質的聲阻抗有關，還與入射波的類型及入射角的大小有關。由于理論計算公式復雜，因此借助于公式或實驗得到幾種常見界面的聲壓反射率和透射率。見圖2-32，2-334/20/202557超聲波檢測理論基礎2.7.3聲壓往復透射率超聲波傾斜入射時，聲壓往復透射率等于兩次相反方向通過同一界面的聲壓透射率的乘積，即4/20/202558超聲波檢測理論基礎2.7.4端角反射當工件的兩個相鄰表面構成直角，超聲波束傾斜射向任一表面，且其反射波束指向另一表面時，即構成端角反射的情況。在這種情況下，同類型的反射波和入射波總是相互平行，方向相反；不同類型的反射波和入射波互不平行，且難以被發(fā)射探頭接收。橫波入射時，入射角在30°和60°附近時，端角反射率很低，入射角在35°~55°時，端角反射率很高。4/20/202559超聲波檢測理論基礎2.8超聲波的聚集和發(fā)散2.8.1聲壓距離公式1.平面波聲束不擴散，而是互相平行，聲壓不隨距離變化。2.球面波的聲壓與距離成反比。（振幅與距離成反比，聲壓與振幅成正比）P1--距離為單位1處的聲壓X---某點至波源的距離4/20/202560超聲波檢測理論基礎2.8超聲波的聚集和發(fā)散3.柱面波聲壓距離公式柱面波的波陣面為同軸柱面，某處質點的振幅與距離的平方根成反比，而聲壓與振幅成正比。4/20/202561超聲波檢測理論基礎2.8.2球面波在平界面上的反射與折射1.單一的平界面上的反射球面波入射到平界面上，反射波仍為球面波，且波源與入射波源對稱。r–聲壓反射率X—從虛擬波源算起的距離4/20/202562超聲波檢測理論基礎2.8.2球面波在平界面上的反射與折射2.雙界面上的反射球面波在相互平行的雙界面間的多次反射仍符合球面波的變化規(guī)律。當入射角較小，r=1.0時，距離d較大不產(chǎn)生干涉，對于脈沖波，前壁各次聲壓比為：后壁各次波的聲壓比為：4/20/202563超聲波檢測理論基礎2.8.2球面波在平界面上的反射與折射3.單一界面上的折射球面波入射到平界面上，其折射波不再是嚴格的球面波，只有其張角較小時，可視為近似的球面波，且有對于水-鋼界面：折射波聲壓：4/20/202564超聲波檢測理論基礎2.8.3平面波在曲界面上的反射與折射1.平面波在曲界面上的反射平面波入射到曲界面時，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散。從入射上看，凹界面的反射波聚焦，凸界面的反射波發(fā)散。4/20/202565超聲波檢測理論基礎2.8.3平面波在曲界面上的反射與折射（1）平面波入射到球面時，其反射波可視為從焦點發(fā)出的球面波，在軸線上距離曲面頂點x處的反射波聲壓為：（2）平面波入射到柱面時，其反射波可視為從焦點發(fā)出的柱面波，在軸線上距離曲面頂點x處的反射波聲壓為：f—焦距，f=r/2±--+用于發(fā)散，-用于聚焦Po--曲面頂點處入射波聲壓實際檢測中，球形、柱形氣孔的反射波就屬于以上兩種情形。4/20/202566超聲波檢測理論基礎2.8.3平面波在曲界面上的反射與折射2.平面波在曲界面上的折射平面波入射到曲面上時，其折射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散。折射波的聚焦或發(fā)散不僅與曲面的凹凸有關，而且與界面兩側介質的聲速有關。對于凹面，c1<c2時聚焦，c1>c2時發(fā)散；對于凸面，c1>c2時聚焦，c1<c2時發(fā)散。4/20/202567超聲波檢測理論基礎2.8.3平面波在曲界面上的反射與折射平面波在曲界面的折射聚焦c1＜c2c1＞

c2c1＞

c2c1＜c2發(fā)散凹面凹面凸面凸面4/20/202568超聲波檢測理論基礎2.平面波在曲界面上的折射（1）平面波入射到球面透鏡時，（2）平面波入射到柱面透鏡時，實際檢測用的水浸聚焦探頭就是根據(jù)平面波入射到c1＞c2的凸透鏡上，折射波會聚焦的特點設計的，可以提高檢測靈敏度。聚焦探頭中的聲透鏡，如果為球面，將獲得點聚焦；如果為柱面，將獲得線聚集。目前在實際檢測中，線聚焦多用于機械化自動檢測，點聚焦多用于人工檢測。4/20/202569超聲波檢測理論基礎2.8.4球面波在曲面上的反射與折射1.球面波在曲界面上的反射球面波入射到曲界面上，其反射波要發(fā)生聚焦或發(fā)散，凹曲面聚焦，凸曲面發(fā)散。見書圖2-44（1）球面波在球面上的反射波P1/a--球面頂點處入射波聲壓f—焦距，f=r/2±--+用于發(fā)散，-用于聚焦a—球面頂點至波源的距離實際檢測中，距離較大的球形氣孔，就屬于此類情形。4/20/202570超聲波檢測理論基礎1.球面波在曲界面上的反射（2）球面波在柱面上的反射波此反射波既不是單純的球面波，也不是單純的柱面波，而是近似兩個不同的柱面波疊加。實際檢測中，超聲波徑向檢測大型圓柱形鍛件。4/20/202571超聲波檢測理論基礎2.球面波在曲界面上的折射球形界面柱形界面C2/C1---透射介質與入射介質中波速之比4/20/202572超聲波檢測理論基礎2.9超聲波的衰減超聲波在介質中傳播時，隨著距離的增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波衰減。2.9.1.衰減的原因主要原因是波束的擴散、晶粒散射和介質吸收。1.擴散衰減：聲波在介質中傳播時，因波前在逐漸擴展，從而導致聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波的擴散衰減。它主要取決于波陣面的幾何形狀，與傳播介質無關。平面波不存在擴散衰減，而球面波和柱面波有擴散衰減現(xiàn)象。4/20/202573超聲波檢測理論基礎2.9超聲波的衰減2.散射衰減：超聲波在介質中傳播時，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射引起衰減的現(xiàn)象。散射衰減與材質的晶粒度密切相關。晶粒度粗大，散射衰減嚴重。3.吸收衰減：超聲波在介質中傳播時，由于介質中質點間內摩擦和熱傳導引起的超聲波衰減叫吸收衰減。在超聲檢測中，談到超聲波在材料中的衰減時，通常關心的是散射衰減和吸收衰減，而不包括擴散衰減。4/20/202574超聲波檢測理論基礎2.9.2衰減方程與衰減系數(shù)1.衰減方程平面波不存在擴散衰減，只存在介質衰減，其聲壓衰減方程為：Px=P0e-αx球面波和柱面波既存在擴散衰減，又存在散射衰減，其聲壓衰減方程分別為：4/20/202575超聲波檢測理論基礎2.9.2衰減方程與衰減系數(shù)2.衰減系數(shù)2.1對金屬材料等固體介質：衰減系數(shù)等于散射衰減系數(shù)αs和吸收衰減系數(shù)αa之和。α=αs+αa注意：（1）介質的吸收衰減和頻率成正比。（2）介質的散射衰減與f、d、F有關。4/20/202576超聲波檢測理論基礎2.9.2衰減方程與衰減系數(shù)2.2對液體介質而言，主要是介質的吸收衰減。α=αa=8π2f2η/2ρc3由于η、c、ρ都和溫度有關，所以一般α隨溫度升高而降低。工作中可根據(jù)底波次數(shù)和幅度來判斷衰減情況，從而判斷材料晶粒度大小、缺陷密集程度等。η---介質的粘滯系數(shù)ρ—介質的密度C---波速4/20/202577超聲波檢測理論基礎2.8.3衰減系數(shù)的測定1.薄板工件衰減系數(shù)的測定條件：厚度較小，上下底面互相平行，表面光潔m、n—底波的反射次數(shù)Bm、Bn—第m、n次底波高度δ—反射損失，每次反射損失約為（0.5~1.0）dBx---薄板的厚度4/20/202578超聲波檢測理論基礎2.8.3衰減系數(shù)的測定2.厚板或粗圓柱體衰減系數(shù)的測定條件：厚度大于200mm的板材或軸類工件方法：第一、第二次底波高度測定衰減系數(shù)B1、B2—第一、二次底波高度6---擴散引起的分貝差δ—反射損失，每次反射損失約為（0.5~1.0）dBx---薄板的厚度4/20/202579超聲波檢測理論基礎第三章

超聲波反射聲場與規(guī)則反射體的回波聲壓3.1縱波發(fā)射聲場3.1.1圓盤波源輻射的縱波聲場圓盤聲源發(fā)出的聲場，由于聲源尺寸有限，必然在其邊緣發(fā)生衍射效應使聲束向周圍空間擴散，形成一個隨距離增大而波陣面面積不斷擴大的擴散聲束。另一方面，聲源上各點發(fā)出的聲波相互干涉又使得聲壓的空間分布不是隨距離單調變化的。因此，對圓盤聲源聲場中聲壓分布的描述非常復雜。從圓盤聲源的對稱性來分析，通過圓盤中心且垂直于盤面的直線應是聲場的對稱軸，稱為圓盤聲源軸線。討論圓盤聲源的聲場將從聲壓沿軸線的分布以及聲束擴散的特性著手。4/20/202580超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場圓盤聲源軸線上的聲壓分布

根據(jù)疊加原理，圓盤聲源軸線上任何一點處的聲壓等于聲源上各點輻射的聲壓在該點的疊加。如果聲源發(fā)出的波為連續(xù)簡諧波，并假定介質為無衰減的液體介質，則可推出聲源軸上聲壓幅值P的分布符合下式：

4/20/202581超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場式中：P0為聲源的起始聲壓；Rs為圓盤聲源的直徑；λ為傳聲介質中聲波的波長；x為圓盤聲源軸線上某一點距聲源的距離。當x≥2Rs（圓盤半徑Rs=D/2）時，上式可簡化為：4/20/202582超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場當x≥3Rs2/λ時，上式可簡化為：上式表明，當x≥3Rs2/λ時,圓盤聲源軸線上的聲壓與距離成反比，與波源面積成正比。4/20/202583超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場由近場區(qū)內的聲壓分布可知當p從由在聲軸線上會出現(xiàn)聲壓極大和極小值4/20/202584超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場（1）近場區(qū)：波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)的一系列聲壓極大極小值的區(qū)域，稱為超聲場的近場區(qū)。近場區(qū)長度：波源軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區(qū)長度，用N表示。由軸線上聲壓公式，經(jīng)數(shù)學推導，可以得到最后一個聲壓極大值點距聲源距離的表達式：

4/20/202585超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場當D>>λ時，λ/4可以忽略，從而得到近場長度的簡化計算公式如下，：近場區(qū)遠場區(qū)圖中標有“P球”的虛線為球面波聲壓隨距離的變化曲線，可以看出，距離大于3N以后，圓盤聲源聲軸上的聲壓幅值變化與球面波的曲線非常接近。近場區(qū)長度與波源面積成正比，與波長成反比。4/20/202586超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場在近場區(qū)內，由于聲源表面上各點輻射至被考察點的波程差大，所引起的聲源振幅差和相位差也大，且它們彼此相互干涉，結果是近場區(qū)的聲源分布十分復雜，出現(xiàn)很多極大值與極小值。在近場區(qū)內如果有缺陷存在，其反射波極不規(guī)則，對缺陷的判斷十分困難，因此，盡可能避免在近場區(qū)檢測定量。（2）遠場區(qū)：在聲場中，x>N的區(qū)域為聲源的遠場區(qū)。在遠場區(qū)，聲壓隨距離增加而減小，聲源軸線上距離為x處聲壓p的最大值為：4/20/202587超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場2.超聲場橫截面聲壓分布：超聲場近場區(qū)和遠場區(qū)各個橫截面上的聲壓分布是不同的，在x≤N的近場區(qū)，存在中心軸線上聲壓為零的截面。在x≥N的遠場區(qū)，軸線上的聲壓最高，偏離中心聲壓逐漸降低，且同一截面上聲壓的分布是完全對稱的。實際檢測中要在2N之外測定探頭聲束偏離和斜探頭K值。4/20/202588超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場4/20/202589超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場3.波束指向性和半擴散角點波源ds在至波源距離充分遠處任意一點M(r，θ)處引起的聲壓為：

整個圓盤聲源在（r，θ）處的總的聲壓幅值為：4/20/202590超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場指向性系數(shù)：波源前充分遠處任意一點的聲壓P(r,θ)與波源軸線上同距離處聲壓P(r,θ)之比，用DC表示。4/20/202591超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場DC與y的關系如圖3-7所示，可知：（1）超聲場中至波源充分遠處同一橫截面上各點的聲壓是不同的，以軸線上的聲壓為最高。（2）圓盤源輻射的聲束截面聲場中存在一些聲壓為零的點。圓盤源輻射的縱波聲場的第一零值發(fā)散角（半擴散角）：θ0=arcsin1.22λ/DS≈70λ/DS(°)（3）半擴散角θ0以外的聲場聲壓很低，超聲波的能量主要集中在半擴散角θ0以內。（4）在超聲波主波束之外存在一些副瓣，副瓣能量很低，從波源附近開始傳播后衰減很快。（5）與聲壓幅值有關的半擴散角γ（6）增加探頭直徑DS，提高檢測頻率f，可以改善波束指向性，有利提高檢測靈敏度，但近場長度增加，對檢測不利。4/20/202592超聲波檢測理論基礎3.1縱波發(fā)射聲場4.波束未擴散區(qū)與擴散區(qū)波束未擴散區(qū)b：在波源附近存在。在波束未擴散區(qū)內，波束不擴散，不存在擴散衰減，各截面平均聲壓基本相同。b≈1.64N擴散區(qū)：到波源的距離x＞b的區(qū)域。擴散區(qū)內波束擴散，存在擴散衰減。4/20/202593超聲波檢測理論基礎3.1.2矩形波源輻射的縱波聲場矩形波源輻射的縱波聲場有兩個不同的半擴散角，其聲場為矩形。

矩形波源的近場區(qū)長度為：4/20/202594超聲波檢測理論基礎3.1.2矩形波源輻射的縱波聲場矩形晶片輻射聲場4/20/202595超聲波檢測理論基礎3.1.2矩形波源輻射的縱波聲場兩個特定面內的聲場指向性系數(shù)XOZ面內，4/20/202596超聲波檢測理論基礎3.1.2矩形波源輻射的縱波聲場ZOY面4/20/202597超聲波檢測理論基礎3.1.3縱波聲場近場區(qū)在兩種介質中的分布實際檢測中，近場區(qū)分布在兩種不同的介質中，設第一種介質（水）厚度為L，則第二種介質（鋼）中剩余近場區(qū)長度N’為：基于鋼中近場區(qū)計算:基于水中近場區(qū)計算:4/20/202598超聲波檢測理論基礎3.1.4實際聲場與理想聲場比較理想聲場：液體介質，波源作活塞振動，輻射連續(xù)波等理想條件下的聲場。實際聲場：固體介質，波源非均勻激發(fā)，輻射脈沖波聲場。4/20/202599超聲波檢測理論基礎3.1.4實際聲場與理想聲場比較實際聲場與理想聲場存在區(qū)別的原因：（1）實際聲場的近場區(qū)內，軸線上聲壓變化幅度小于理想聲場，極值點減少。（2）實際聲場是許多不同頻率正弦波、余弦波聲場的疊加，疊加后的總聲壓趨于均勻，使近場區(qū)聲壓分布不均的情況得到改善。（3）實際聲場的波源是非均勻激發(fā)，產(chǎn)生的干涉小于均勻激發(fā)的理想波源。（4）實際檢測的對象為固體介質，疊加干涉小于液體介質。4/20/2025100超聲波檢測理論基礎3.2橫波發(fā)射聲場3.2.1假想橫波聲源橫波探頭輻射的聲場由第一介質中的縱波聲場與第二介質中的橫波聲場兩部分組成。將第一介質中的縱波波源轉換為與第二介質中橫波波束軸線重合的假想橫波波源，整個聲場可視為由假想橫波波源輻射出來的連續(xù)的橫波聲場。實際波源為圓形，假想橫波波源為橢圓形，橢圓的長軸等于實際波源的直徑DS，短軸為：

β---橫波折射角α---縱波入射角4/20/2025101超聲波檢測理論基礎3.2.2橫波聲場結構1.波束軸線上的聲壓由于波的干涉，橫波聲場存在近場區(qū)和遠場區(qū)。當x≥3N時，橫波聲場波束軸線上的聲壓為：P∝FS，P∝1/x。K---系數(shù)Fs---波源的面積λs2---第二介質中橫波波長X---軸線上某點到假想波源的距離4/20/2025102超聲波檢測理論基礎3.2.2橫波聲場結構2.近場區(qū)長度橫波聲場近場區(qū)長度為：

N∝FS，N∝1/λs2。第二介質中的近場區(qū)長度：式中：FS——波源面積；λs2——介質中橫波波長；

L1——入射點至波源的距離；

L2——入射點至假想波源的距離。4/20/2025103超聲波檢測理論基礎3.2.2橫波聲場結構3.半擴散角(1)縱波斜入射在第二介質中產(chǎn)生橫波聲場，波束不對稱于聲束軸線，存在上下（θ上、θ下）兩個半擴散角，且θ上＞θ下。

θ上＝β2－βθ下＝β－β1sinβ1＝a－b,sinβ2＝a＋b(2)橫波垂直入射時，其聲束對稱于軸線，半擴散角θ0為：圓形聲源：矩形正方形聲源：4/20/2025104超聲波檢測理論基礎3.3規(guī)則反射體的回波聲壓3.3.2長橫孔回波聲壓長橫孔直徑較小，長度大于波束截面尺寸，超聲波垂直入射到長橫孔的反射回波聲壓為：任意兩個距離直徑不同的長橫孔回波分貝差為：長橫孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降9dB長橫孔距離一定，直徑增加一倍，其回波上升3dB4/20/2025106超聲波檢測理論基礎3.3規(guī)則反射體的回波聲壓3.3.3短橫孔回波聲壓短橫孔長度明顯小于波束截面尺寸，超聲波垂直入射到短橫孔的反射回波聲壓為：任意兩個距離、長度和直徑不同的短橫孔回波分貝差為：

短橫孔直徑和長度一定，距離增加一倍，其回波下降12dB短橫孔直徑和距離一定，長度增加一倍，其回波上升6dB短橫孔長度和距離一定，直徑增加一倍，其回波升高3dB4/20/2025107超聲波檢測理論基礎3.3規(guī)則反射體的回波聲壓3.3.4球孔回波聲壓超聲波在球孔上的反射類似于球面波在球面上的反射，球孔回波聲壓為：任意兩個距離、直徑不同的球孔回波分貝差為：球孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降12dB球孔距離一定，直徑增加一倍，其回波上升6dB4/20/2025108超聲波檢測理論基礎3.3規(guī)則反射體的回波聲壓3.3.5大平底面回波聲壓超聲波在在與波束軸線垂直、表面光潔的大平底面上的反射是球面波在平面上的反射，大平底面回波聲壓為：任意兩個距離不同的大平底面回波分貝差為：大平底距離增加一倍，其回波下降6dB4/20/2025109超聲波檢測理論基礎3.3規(guī)則反射體的回波聲壓3.3.6圓柱曲底面回波聲壓1.實心圓柱體：超聲波徑向檢測x≥3N的實心圓柱體，類似于球面波在凹柱曲底面上的反射。實心圓柱體凹曲底面的回波聲壓為：2.空心圓柱體：探頭置于外圓周徑向檢測空心圓柱體，類似于球面波在凸柱面上的反射。其回波聲壓為：探頭置于圓柱體內側，從內孔檢測圓柱體，類似于球面波在凹柱面上的反射。其回波聲壓為：注意：x≥3N4/20/2025110超聲波檢測理論基礎3.3規(guī)則反射體的回波聲壓考慮介質衰減，各種規(guī)則反射體的回波聲壓公式(x≥3N)：平底孔回波聲壓：長橫孔回波聲壓：短橫孔回波聲壓：4/20/2025111超聲波檢測理論基礎3.3規(guī)則反射體的回波聲壓球孔回波聲壓：大平底與實心圓柱體回波聲壓：空心圓柱體外圓檢測回波聲壓：空心圓柱體內孔檢測回波聲壓：4/20/2025112超聲波檢測理論基礎3.4AVG曲線3.4.1縱波平底孔AVG曲線1通用AVG曲線，當x≥3N，大平底：

平底孔：

歸一化處理：得：大平底：平底孔：4/20/2025113超聲波檢測理論基礎3.4AVG曲線用dB表示相對波高，則：

V1＝[B]－[T]＝20lg(HB/H0)＝20lg(π/2A)V2＝[f]－[T]＝20lg(Hf/H0)＝40lg(πG/A)式中：A——歸一化距離；G——歸一化缺陷當量大??；V1——大平底回波與始波高度dB差；V2——平底孔回波與始波高度dB差。4/20/2025114超聲波檢測理論基礎3.4AVG曲線2.實用AVG曲線實用AVG曲線：以橫坐標表示實際聲程，縱坐標表示規(guī)則反射體波高，用來描述距離、波幅、當量尺寸之間得關系曲線。4/20/2025115超聲波檢測理論基礎3.4AVG曲線3.4.2橫波平底孔AVG1.通用AVG曲線縱波平底孔AVG曲線原則上可用于橫波，但要作如下變換：

式中：α——橫波斜探頭中得縱波入射角；

β——橫波檢測時工件中的橫波折射角；

L1——入射點至波源的距離；

L2——入射點至假想波源的距離，；

x——從入射點算起工件中的距離；

Df——平底孔直徑；

DS——波源的直徑。4/20/2025116超聲波檢測理論基礎3.4AVG曲線2.實用AVG曲線：橫坐標表示橫波聲程，縱坐標表示相對波高的dB值。只適用于特定探頭。圖中距離由假想波源算起。4/20/2025117超聲波檢測理論基礎由公式PB=PX/2可以得出大平底的返回聲壓，由公式Pf=PXFf/（λX）可以得出平底孔的返回聲壓。兩個聲壓的比即為平底孔與大平底之間的聲壓差。dB差由公式：Δ=20㏒πΦ2/（2λX）Φ—平底孔直徑X—聲程3.5.同聲程平底孔和大平底之間的聲壓計算4/20/2025118超聲波檢測理論基礎超聲波檢測理論基礎第一章緒論1.1超聲檢測的定義及作用超聲檢測一般是指超聲波與工件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對工件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的技術。特種設備行業(yè)中，超聲檢測通常指宏觀缺陷測量和材料厚度測量。超聲檢測是五大常規(guī)無損檢測技術之一。作用：實現(xiàn)質量控制、節(jié)約原材料、改進工藝、提高勞動生產(chǎn)率。設備維護中不可或缺的手段之一。4/20/2025120超聲波檢測理論基礎1.2超聲檢測的基礎知識1.2.1次聲波、聲波和超聲波機械波是機械振動在彈性介質中的傳播。如水波、聲波、超聲波聲波是在彈性介質中的傳播的機械縱波，頻率在20~20000Hz頻率低于20Hz的聲波不能被人聽到，稱為次聲波頻率高于20000Hz的聲波人耳也聽不到，稱為超聲波。探傷用超聲波頻率在(0.5~10)MHz4/20/2025121超聲波檢測理論基礎超聲波的特點超聲波波長很短，這決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛應用于無損檢測。1、方向性好超聲波具有像光波一樣定向束射的特性。2、穿透能力強對于大多數(shù)介質而言，它具有較強的穿透能力。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達數(shù)米。

3、能量高超聲檢測的工作頻率遠高于聲波的頻率，超聲波的能量遠大于聲波的能量。

4、遇有界面時，將產(chǎn)生反射、折射和波型的轉換。利用超聲波在介質中傳播時這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過巧妙的設計，使超聲檢測工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。5、對人體無害。4/20/2025122超聲波檢測理論基礎1.2.2超聲檢測工作原理原理：1、聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定方式進入工件2、超聲波在工件中傳播，與工件材料和其中缺陷相互作用，傳播方向或特征被改變3、改變后的超聲波通過檢測設備被接收，并對其處理分析4、根據(jù)接收的超聲波的特征，評估工件本身及其內部是否存在缺陷及缺陷的特征通常用來發(fā)現(xiàn)缺陷和用來評估的基本信息：1、是否存在來自缺陷的超聲波信號及其幅度2、入射聲波與接收聲波之間的傳播時間3、超聲波通過材料后能量的衰減4/20/2025123超聲波檢測理論基礎1.2.3超聲檢測方法的分類1、按原理：脈沖反射法、衍射時差法、穿透法、共振法2、按顯示方式：A型顯示、超聲成像顯示3、按波型：縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法4、按探頭數(shù)目：單探頭法、雙探頭法、多探頭法5、按探頭與工件的接觸方式：接觸法；液浸法、電磁耦合法6、按人工干預的程度：手工檢測、自動檢測4/20/2025124超聲波檢測理論基礎1.2.4超聲檢測的優(yōu)點和局限性1、優(yōu)點適用于金屬、非金屬和復合材料等多種材料的無損檢測穿透力強，多較大厚度工件內部缺陷進行檢測缺陷定位較準確面積型缺陷的檢出率高靈敏度高檢測成本低、速度快、設備輕便、使用方便，對人和環(huán)境無害4/20/2025125超聲波檢測理論基礎1.2.4超聲檢測的優(yōu)點和局限性2、局限性對工件中的缺陷進行精確的定性和定量仍需做深入研究對具有復雜形狀或不規(guī)則外形的工件檢測困難缺陷的位置、取向和形狀對檢測結果有一定影響工件材質和晶粒度對檢測有較大影響常用的手工A型脈沖反射法檢測時結果顯示不直觀，檢測結果無直接見證記錄4/20/2025126超聲波檢測理論基礎第二章超聲檢測的物理基礎2.1機械振動和機械波2.1.1機械振動物體或質點在某一平衡位置附近做來回往復的運動，稱為機械振動。產(chǎn)生的必要條件：物體一離開平衡位置就會受到回復力的作用；阻力要足夠小。振幅：振動物體離開平衡位置的最大距離，A。周期：當物體作往復運動時完成一次全振動所需要的時間，T（s）。頻率：振動物體在單位時間內完成全振動的次數(shù)，f（Hz）1KHz=103Hz1MHz=106HzT=1/f4/20/2025127超聲波檢測理論基礎諧振動物體（或質點）在受到跟位移大小成正比，而方向總是指向平衡位置的回復力的作用下的振動。位移隨時間的變化符合余弦定理（或正弦）規(guī)律的振動形式稱為諧振動。Y=Acos（ωt+φ）ω=2πf=2π/T平衡位置勢能為零，動能最大，位移最大位置勢能最大，動能為零。只有彈力或重力做功。4/20/2025128超聲波檢測理論基礎2.1.2機械波振動的傳播過程稱為波動。機械波是機械振動在彈性介質中的傳播過程。必備條件：1、要有作機械振動的波源2、要有能傳播機械振動的彈性介質4/20/2025129超聲波檢測理論基礎機械波的主要物理量1、聲速c：單位時間內，超聲波在介質中傳播的距離；超聲波的速度就是聲音的速度,即聲在空氣(15℃)中的速度是340米/秒,只不過它們的頻率不同而已；超聲波在20℃的鋼中是5900米/秒;在鋁中的傳播速度為5100米/秒。2、頻率f：單位時間內，超聲波在介質中任一給定點所通過完整波的個數(shù)；3、波長λ：聲波在傳播時，同一波線上相鄰兩個相位相同的質點之間的距離；4/20/2025130超聲波檢測理論基礎機械波的主要物理量4、周期T：聲波向前傳播一個波長距離時所需的時間；5、角頻率ω：其中頻率和周期是由波源決定的，聲速與傳聲介質的特性和波型有關。4/20/2025131超聲波檢測理論基礎2.2波的類型2.2.1按波型分類1、縱波L：介質中質點振動方向和波的傳播方向平行的波。壓縮波疏密波承受壓縮或拉伸應力即可傳播4/20/2025132超聲波檢測理論基礎2.2.1按波型分類2、橫波S：介質中質點的振動方向和波的傳播方向相互垂直的波。切變波剪切波能承受剪切應力才能傳播4/20/2025133超聲波檢測理論基礎2.2.1按波型分類3、表面波R：當介質表面受到交變應力作用時，產(chǎn)生沿介質表面?zhèn)鞑サ牟?。瑞?887年首提，又稱瑞利波。介質表面的質點作橢圓運動。橢圓的長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向，介質質點的橢圓振動可視為縱波與橫波的合成。瑞利首先對這種波給予了理論上的說明，因此表面波又稱為瑞利波（Rayleighwave），常用R表示。如采用表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)工件的表面缺陷。一般只能發(fā)現(xiàn)距離工件表面兩倍波長深度范圍內的缺陷。4/20/2025134超聲波檢測理論基礎表面波4/20/2025135超聲波檢測理論基礎2.2.2按波形分類波的形狀是指波陣面的形狀。波線：用波線表示傳播的方向波陣面：將同一時刻介質中振動相位相同的所有質點所連成的面波前：某一時刻振動傳播到達的距聲源最遠的各點所連成的面稱為波前。在各向同性介質中波線垂直于波陣面。在任何時刻，波前總是距聲源最遠的一個波陣面。波前只有一個，而波陣面可以有任意多個。4/20/2025136超聲波檢測理論基礎2.2.2按波形分類波線、波前與波陣面(a)平面波；

(b)柱面波；

(c)球面波

4/20/2025137超聲波檢測理論基礎2.2.2按波形分類根據(jù)波陣面的形狀(波形)，可將超聲波分為平面波、柱面波和球面波等。平面波即波陣面為平面的波，而柱面波的波陣面為同軸圓柱面，球面波的波陣面為同心球面。當聲源是一個點時，在各向同性介質中的波陣面為以聲源為中心的球面?？梢宰C明，球面波中質點的振動幅度與距聲源的距離成反比。當聲源的尺寸遠小于測量點距聲源的距離時，可以把超聲波看成是球面波。4/20/2025138超聲波檢測理論基礎2.2.3按振動的持續(xù)時間分類1、連續(xù)波波源持續(xù)不變的振動所輻射的波。2、脈沖波波源振動持續(xù)時間很短，間歇輻射的波稱為脈沖波。通常是微秒數(shù)量級4/20/2025139超聲波檢測理論基礎2.3波的疊加、干涉和衍射2.3.1波的疊加：幾列波在空間某處相遇，則相遇處質點的振動是各列波引起振動的合成，在任意時刻該質點的位移是各列波引起位移的矢量和。相遇后各列波的波長、頻率、振動方向和傳播方向都保持不變，波的疊加原理或者波的獨立性原理。4/20/2025140超聲波檢測理論基礎2波的干涉兩列頻率相同、振動方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇，介質中某些地方的振動互相加強，而另外一些地方的振動互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫波的干涉現(xiàn)象。A=（A21+A22+2A1A2cos2πδ/λ）1/2注意：（1）當δ=nλ（n為正數(shù)）時，A=A1+A2，（2）當δ=(2n+1)λ/2時，A=∣A1-A2∣.4/20/2025141超聲波檢測理論基礎2.3.2波的繞射1.惠更斯-菲涅爾原理2.波的繞射（衍射）TOFD成為可能繞射能使超聲波在介質中順利傳播繞射使小缺陷回波幅度顯著下降，造成漏檢超聲檢測靈敏度約為λ/24/20/2025142超聲波檢測理論基礎2.4超聲波的傳播速度聲速表示聲波在介質中傳播的速度，它與超聲波的波型有關，還與介質的密度和彈性模量有關。聲速是一個表征介質聲學特性的重要參量。2.4.1固體介質中的聲速：縱波、橫波和表面波的聲速主要是由介質的彈性性質、密度和泊松比決定的，而與頻率無關，不同材料聲速值有較大的差異。在給定的材料中，頻率越高，波長越短。

4/20/2025143超聲波檢測理論基礎1.無限大固體介質中的聲速無限大固體介質中的縱波聲速：無限大固體介質中的橫波聲速：4/20/2025144超聲波檢測理論基礎1.無限大固體介質中的聲速無限大固體介質中的表面波聲速：CR=[（0.87+1.12σ）/(1+σ)]CSE-------介質的楊氏彈性模量，MPa

；G-------介質的剪切彈性模量，MPa;Ρ------介質的密度Σ------介質的泊松比0~0.5同一固體介質中，縱波聲速CL大于橫波聲速Cs，橫波聲速Cs又大于表面波聲速CR。對于鋼材，CL≈1.8Cs，Cs≈1.1CR。4/20/2025145超聲波檢測理論基礎1.無限大固體介質中的聲速2.細長棒中的縱波聲速CLb3.聲速和溫度、應力、均勻性的關系溫度高，聲速低應力增加，聲速增加（緩慢）晶粒細，聲速大4/20/2025146超聲波檢測理論基礎2.4.2液體、氣體介質中的聲速1.聲速公式C=（B/P）1/2式中B—容變彈性模量；P密度2.液體介質中聲速與溫度的關系水CL=1557-0.0245（74-t）2其他，溫度升高，B減小，聲速降低4/20/2025147超聲波檢測理論基礎2.4.3聲速的測量1.超聲檢測儀器測量法（1）檢測儀器按時間刻度（2）檢測儀器按深度刻度2.測厚儀測量法（1）共振式測厚儀（2）脈沖反射式測厚儀3.示波器測量法4/20/2025148超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值2.5.1聲壓P：當介質中有超聲波傳播時，由于介質質點振動，使介質中壓強交替變化。超聲場中某一點在某一瞬時所具有的壓強p1與沒有超聲波存在時同一點的靜態(tài)壓強P0之差稱為該點的聲壓，用p表示,單位為帕，Pa，4/20/2025149超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值2.5.2聲阻抗Z任一點的聲壓p與該處質點振動速度之比叫聲阻抗Z，單位：g/(cm2.s)；kg/(m2.s)。聲阻抗表示聲場中介質對質點振動的阻礙作用。在同一聲壓下，介質的聲阻抗越大，質點的振動速度就越小。實驗證明，氣體、液體與金屬之間的特性聲阻抗之比大約為1:3000:8000。Z=P/V=ρC一般材料隨溫度升高而Z降低。4/20/2025150超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值2.5.3聲強I：在超聲場的傳播方向上，單位時間內垂直通過單位面積上的聲能叫聲強，用I表示，單位W/cm2。I=ρcA2ω2/2=ZV2/2=P2/2Z超聲波的聲強和頻率的平方成正比，同一介質中，超聲波的聲強和聲壓成正比。4/20/2025151超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值2.5.4分貝和奈培分貝的概念以引起聽覺的最弱聲強I0=10-16W/cm2為聲強標準，在聲學上稱為“聞閾”，即f=1000Hz時引起人耳聽覺的聲強最小值。將某一聲強I與標準聲強I0之比取常用對數(shù)得到二者相差的數(shù)量級，稱為聲強級，聲強級的單位為貝爾B，即

△=lg(I2/I1)貝爾（B）在實際應用過程中，貝爾這個單位太大，常用分貝（dB）作為聲強級的單位。4/20/2025152超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值1分貝人類耳朵剛剛能聽到的聲音20分貝以下認為是安靜的，15分貝以下,認為是“死寂”的20-40分貝大約是情侶耳邊的喃喃細語40-60分貝正常的交談聲音60分貝以上屬于吵鬧范圍70分貝很吵的，而且開始損害聽力神經(jīng)汽車噪音介乎80-100分貝90分貝以上會使聽力受損100-120分貝如無意外，一分鐘人類就得暫時性失聰（致聾）4/20/2025153超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值在實際應用過程中，超聲波的幅度或強度也用相同的方法即分貝表示，4/20/2025154超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值目前市售的超聲波探傷儀，其示波屏上波高與聲壓成正比，即任意兩點的波高之比等于相應的聲壓之比，二者的分貝差實際檢測時，常按此式計算超聲波探傷儀示波頻上任意兩個波高的分貝差。4/20/2025155超聲波檢測理論基礎2.5超聲場的特征值若對二者取自然對數(shù)，則其單位為奈培NP：奈培與分貝的關系為：4/20/2025156超聲波檢測理論基礎2.6超聲波垂直入射到界面的反射和透射超聲波在無限大介質中傳播時，將一直向前傳播，不改變方向。但遇到異介質界面（即聲阻抗差異較大的異質界面）時，會產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象當超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時，將在第一介質中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射波。4/20/2025157超聲波檢測理論基礎2.6.1單一平界面的反射率和透射率反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0的比值稱為聲壓反射率r，透射波聲壓Pt和P0的比值稱為聲壓透射率t。

r和t的數(shù)學表達式為：式中：

Z1、Z2分別為兩種介質的聲阻抗。

4/20/2025158超聲波檢測理論基礎2.6.1單一平界面的反射率和透射率聲強反射率R和聲強透射率T：R為反射波聲強(Ir)和入射波聲強(I0)之比；T為透射波聲強(It)和入射波聲強(I0)之比。

聲波垂直入射到平界面上時，聲壓和聲強的分配比例僅與界面兩側介質的聲阻抗有關。4/20/2025159超聲波檢測理論基礎2.6.1單一平界面的反射率和透射率在垂直入射時，界面兩側的聲波必須滿足兩個邊界條件：（1）一側總聲壓等于另一側總聲壓，否則界面會發(fā)生運動；（2）兩側質點速度振幅相等，以保持波的連續(xù)性。上述超聲波縱波垂直入射到單一平界面上的聲壓、聲強與其反射率、透射率的計算公式，同樣適用于橫波入射的情況。但在固液、固氣界面上，橫波將發(fā)生全反射，這是因為橫波不能在液體和氣體中傳播。4/20/2025160超聲波檢測理論基礎2.6.1單一平界面的反射率和透射率幾種情形的討論：（1）Z2＞Z1（2）Z1＞Z2（3）Z1遠大于Z2（4）Z1≈Z24/20/2025161超聲波檢測理論基礎2.6.2薄層界面的反射率和透射率薄層界面在進行超聲檢測時，經(jīng)常遇到很薄的耦合層和缺陷薄層，這些都可以歸納為超聲波在薄層界面的反射和透射問題。

在兩個界面上的反射和透射d2超聲波由聲阻抗為Z1的第一介質入射到Z1和Z2的交界面，然后通過聲阻抗為Z2的第二介質薄層射到Z2和Z3的交界面，最后進入聲阻抗為Z3的第三介質。當然在有三層介質時，很多情況是第一介質和第三介質為同一種介質（超聲波檢測即是這種情況）。4/20/2025162超聲波檢測理論基礎2.6.2薄層界面的反射率和透射率1.均勻介質中的異質薄層（Z1=Z3≠Z2）4/20/2025163超聲波檢測理論基礎2.6.2薄層界面的反射率和透射率由公式可知：（1）半波透聲層（2）薄層厚度為1/4波長的奇數(shù)倍時4/20/2025164超聲波檢測理論基礎2.薄層兩側介質不同的雙界面即超聲波垂直入射到兩側介質聲阻抗不同的薄層，如薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍時，通過薄層的聲壓往復透射率與薄層的性質無關。4/20/2025165超聲波檢測理論基礎2.薄層兩側介質不同的雙界面此時為全透射的情況。4/20/2025166超聲波檢測理論基礎2.6.3聲壓往復透射率在單探頭超聲檢測中，探頭發(fā)出的超聲波透過界面進入工件，在固-氣底面產(chǎn)生全反射后再次通過同一界面被探頭接收，這時探頭接收到的回波聲壓Pa和入射波聲壓P0之比，稱為聲壓往復透射率。垂直入射，底面全反射的情況下，聲壓往復透射率在數(shù)值上和聲強透射率相等。聲壓往復透射率與界面兩側介質的聲阻抗有關，與從何種介質入射無關，聲阻抗相差越小，聲壓往復透射率越高。聲壓往復透射率高低直接影響檢測靈敏度高低，往復透射率高，檢測靈敏度就高。4/20/2025167超聲波檢測理論基礎2.7超聲波傾斜入射到界面時的反射和透射超聲波傾斜入射到界面時，除產(chǎn)生同種類型的發(fā)射和折射波外，還會產(chǎn)生不同種類型的反射和折射波，這就是波型轉換。4/20/2025168超聲波檢測理論基礎2.7超聲波傾斜入射到界面時的反射和透射超聲波傾斜入射到平界面上的反射、折射(a)縱波入射；

(b)橫波入射

4/20/2025169超聲波檢測理論基礎1.縱波斜入射當縱波傾斜入射到界面時，除產(chǎn)生反射縱波和折射縱波外，還會產(chǎn)生反射橫波和折射橫波，各種反射波和折射波的方向符合反射、折射定律。折射角相對于入射角的大小和折射波聲速與入射波聲速的比率有關。同時，由于縱波聲速總是大于橫波聲速，因此縱波折射角βL要大于橫波折射角βS。4/20