超聲波探傷教材

1、教學引入超聲波探傷是目前應用最廣泛的無損探傷方法之一。 超聲波是一種機械波，機械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎。這也是我們開始一段時間要討論的主要內容，深入理解幾何聲學和物理聲學中的有關概念，掌握其中的基本定律，對于靈活運用超聲波理論去解決實際探傷中的各種問題無疑是十分有益的。我們今天開始討論振動和波動。機械振動：物體沿直線或曲線在某一平衡位置附近作往復周期性的運動。波動：振動的傳播過程新課內容第一節(jié) 振動與波 一、振動 1、振動的一般概念 1）定義：物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復周期性的運動，稱為機械振動。2）例子：直接覺察彈簧振子、鐘擺和汽缸中活塞運動。難以覺察固體分子的熱運

2、動，一切發(fā)聲物體的運動以及超聲波波源的運動。3）描述： （1）周期T振動物體完成一次全振動所需要的時間，稱為振動周期，用T表示。常用單位為秒(s)。（2）頻率f振動物體在單位時間內完成全振動的次數(shù)，稱為振動頻率，用f表示。常用單位為赫茲(Hz)。 2、諧振動 1）定義：最簡單最基本的直線振動稱為諧振動。2）特點：（1）回復力大小與位移成正比，方向總指向平衡位置。（2）振幅不變，為自由振動，其頻率為固有頻率。（3）物體做諧振動時，只有彈性力或重力做功，其它力不做功，符合機械能守恒的條件，因此諧振物體的能量遵守機械能守恒。在平衡位置時動能最大勢能為零，在位移最大位置時勢能最大動能為零，其總能量保持

3、不變。 3、阻尼振動1）定義：振幅或能量隨時間不斷減少的振動。2）振動方程式： y=Ae-tcs(t+) 阻尼系數(shù)；阻尼振動的圓頻率， 為物體的固有頻率。 3）特點：振幅不斷減少，而周期卻不變。阻尼振動受到阻力作用，不符合機械能守恒。4、受迫振動1）定義：物體受周期性變化的外力作用時產生的振動。 2）特點：受迫振動剛開始時情況很復雜，經過一段時間后達到穩(wěn)定狀態(tài)，變?yōu)橹芷谛缘闹C振動。其振動頻率與策動力頻率相同，振幅保持不變。受迫振動物體受到策動力作用，不符合機械能守恒。 3）共振：受迫振動的振幅與策動力的頻率有關，當策動力頻率P與受迫振動物體固有頻率w。相同時，受迫振動的振幅達最大值。這種現(xiàn)象稱

4、為共振。 4）共振在超聲的應用：設計探頭中的壓電晶片時，應使高頻電脈沖的頻率等于壓電晶片的固有頻率；從而產生共振，這時壓電晶片的電聲能量轉換效率最高。 二、波動 1、機械波的產生與傳播 1）定義：振動的傳播過程。波動分為機械波和電磁波。 （1）機械波是機械振動在彈性介質中的傳播過程。如水波、聲波、超聲波等。 （2）電磁波是交變電磁場在空間的傳播過程。如無線電波、紅外線、可見光、紫外線、又射線、y射線等。 2）產生機械波的條件： （1）要有作機械振動的波源 （2）有能傳播機械振動的彈性介質3）特點：（1）振動與波動是互相關聯(lián)的，振動是產生波動的根源，波動是振動狀態(tài)的傳播。波動中介質各質點并不隨波

5、前進，只是以交交的振動速度在各自的平衡位置附近往復運動。 （2）波動是振動狀態(tài)的傳播過程，也是振動能量的傳播過程。但這種能量的傳播，不是靠物質的遷移來實現(xiàn)的，也不是靠相鄰質點的彈性碰撞來完成的，而是由各質點的位移連續(xù)變化來逐漸傳遞出去的，猶如人們傳遞磚塊一樣。 2、波長、頻率和波速 1）波長：同一波線上相鄰兩振動相位相同的質點間的距離，用表示。常用單位為毫米(mm)或米(m)。 2）頻率f：波動中，任一點在1秒內所通過的完整波個數(shù)。波動頻率在數(shù)值上同振動頻率，單位為赫茲(HZ)。 3）波速C：波動中，波在單位時間內所傳播的距離，用C表示。常用單位為米/秒(m/s)或千米/秒(km/s)。 4）

6、三者關系： C=f或=C/f 由上式可知，波長與波速成正比，與頻率成反比。當頻率一定時，波速愈大，波長就愈長；當波速一定時，頻率愈低，波長就愈長。三、次聲波、聲波和超聲波 1、次聲、聲波和超聲波的劃分 相同點：次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質中傳播的機械波，在同一介質中的傳播速度相同。區(qū)分點：頻率 1）能引起聽覺的機械波稱為聲波，頻率在20-20000Hz之間。2）頻率低于20Hz的機械波稱為次聲波。3）頻率高于20000Hz的機械波稱為超聲波。 2、超聲波的應用 超聲探傷所用的頻率一般在0.5-10MHz之間，對鋼等金屬材料的檢驗，常用的頻率為1-5MHz。超聲波波長很短，由此決定了超聲波

7、具有一些重要特性，使其能廣泛用于無損探傷。 (1)超聲波方向性好：超聲波是頻率很高、波長很短的機械波，在無損探傷中使用的波長為毫米數(shù)量級。超聲波像光波一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射。 (2)越聲波能量高：超聲波探傷頻率遠高于聲波，而能量(聲強)與頻率平方成正比。因此超聲波的能量遠大于聲波的能量。 (3)能在界面上產生反射、折射和波型轉換；在超聲波探傷中。特別是在超聲波脈沖反射法探傷中，利用了超聲波具有幾何聲學的一些特點。 (4)超聲波穿透能力強：超聲波傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強。在一些金屬材料中其穿透能力可達數(shù)米。這是其他探傷手段所無法比擬的。 超聲波除用于無損探傷外，還可以用

8、于機械加工，如加工紅寶石、金剛石、陶瓷石英、玻璃等硬度特別高的材料；可以用于焊接，如焊接鈦、釷、锝等難焊金屬。此外，在化學工業(yè)上可利用超聲波作催化劑，在農業(yè)上可利用超聲波促進種子發(fā)芽，在醫(yī)學上可利用超聲波進行診斷、消毒等。 3、次聲波的應用 次聲波的頻率很低，波長很長，繞射能力強，傳播衰減小、距離遠。在大自然的許多活動中伴隨著次聲波的發(fā)生，例如地震、火箭起飛等。次聲波近似平面波，沿著與地球表面平行的方向傳播。課堂小結1 振動的含義；振動的快慢的描述的物理量。2 波動定義；產生機械波的條件；，C，f關系。3 超聲波的特點和應用。4 本次課的知識是我們后面學習的基礎，要求大家搞清楚相關的概念，課后

9、認真完成作業(yè)。作業(yè)：1、2、6、7知識回顧1、提問振動的一般概念，振動快慢的描述物理量。2、什么是波動頻率、波速和波長？三者有何關系？3、什么是超聲波？它的特性及應用？教學引入上次課我們討論了機械波按頻率的劃分：次聲波，超聲波，聲波及波動的概念，重點講了聲波，在實際中，由于產生方法、傳播情況等條件的區(qū)別，有很多不同的類型，這些不同的波在實際應用中也有著不同的特點和作用，比如說聲速，這堂課我們就先來討論波的類型。新課內容第二節(jié) 波的類型一、據(jù)質點的振動方向分類 根據(jù)波動傳播時介質質點的振動方向相對于波的傳播方向的不同，可將波動分為縱波、橫波、表面波和板波等。1、縱波L（壓縮波，疏密波）1）定義：

10、介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相平行的波。 2）特點：當介質質點受到交變拉壓應力作用時，質點之間產生相應的伸縮形變，從而形成縱波。這時介質質點疏密相間，故縱波又稱為壓縮波或疏密波。3）傳播介質：固體，液體，氣體介質 2、橫波S(T)（切變波）1）介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波。2）特點：當介質質點受到交變的剪切應力作用時，產生切變形變，從而形成橫波。3）傳播介質：固體介質 3、表面波R（瑞利）1）定義：當介質表面受到交變應力作用對，產生沿介質表面?zhèn)鞑サ牟ā?）特點：表面波在介質表面?zhèn)鞑r，介質表面質點作橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運動

11、可視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫波的合成。表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱。當傳播深度超過兩倍波長時，質點的振幅就已經很小了。因此，一般認為，表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長深度內的缺陷。3）傳播介質：固體表面?zhèn)鞑ァ?、板波：在板厚與波長相當?shù)谋“逯袀鞑サ牟?。根?jù)質點的振動方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。 1)SH波：水平偏振的橫波在薄板中傳播的波。薄板中各質點的振動方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當于固體介質表面中的橫波。 2)蘭姆波：蘭姆波又分為對稱型(S型)和非對稱型(A型)。 （1）對稱型(S波)蘭姆波的特點是薄板中心質點作縱向振動，上下表面質點作橢圓運動、

12、振動相位相反并對稱于中心。（2）非對稱型(A型)蘭姆波特點是薄板中心質點作橫向振動，上下表面質點作橢圓運動、相位相同，不對稱。二、按波的形狀分類1有關概念：1）波的形狀(波形)是指波陣面的形狀。 2）波陣面：同一時刻，介質中振動相位相同的所有質點所聯(lián)成的面稱為波陣面， 3）波前：某一時刻，波動所到達的空間各點所聯(lián)成的面稱為波前。 4）波線：波的傳播方向稱為波線。2、分類：平面波、柱面波和球面波。 1）平面波：波陣面為互相平行的平面的波。平面波的波源為一平面。尺寸遠大于波長的剛性平面波源在各向同性的均勻介質中輻射的波可視為平面波。平面波波束不擴散，平面波各質點振幅是一個常數(shù)，不隨距離而變化。 2

13、）柱面波；波陣面為同軸圓柱面的波。柱面波的波源為一條線。長度遠大于波長的線狀波源在各向同性的介質中輻射的波可視為柱面波。柱面波波束向四周擴散，柱面波各質點的振幅與娩離平方根成反比。 3）球面波：波陣面為同心球面的波稱。球面波的波源為一點。尺寸遠小于波長的點波源在各向同性的介質中輻射的波可視為球面波。球面波波束向四面八方擴散，球面波各質點的振幅與距離成反比。 三、按振動的持續(xù)時間分類 1、連續(xù)波：波源持續(xù)不斷地振動所輻射的波。超聲波穿透法探傷常采用連續(xù)波。 2、脈沖波：波源振動持續(xù)時間很短(通常是微秒數(shù)量級，1微秒=10-6秒)，間歇輻射的波。目前超聲波探傷中廣泛采用的就是脈沖波。 課堂小結：本

14、次課的內容不多，主要討論了不同情況下的波的類型，希望大家重點注意橫波、縱波和表面波的特點和區(qū)別，這將是我們在后面的實際探傷內容的學習重點。以下是各種類型波的比較歸納圖： 知識回顧1、縱波、橫波、表面波和板波的定義?2、上題各波型的特點及各波型傳播的介質？教學引入超聲波、次聲波和聲波的實質一樣，都是機械波。它們在同一介質中的傳播速度相同。超聲波在介質中的傳播速度與介質的彈性模量和密度有關。對特定的介質，彈性模量和密度為常數(shù)，故聲速也是常數(shù)。不同的介質，有不同的聲速。超聲波波型不同時，介質彈性變形型式不同聲速也不一樣。超聲波在介質中的傳播速度是表征介質聲學特性的重要參數(shù)。新課內容第三節(jié) 超聲波的傳

15、播速度一、固體介質中的縱波、橫波與表面波聲速 1、固體介質不僅能傳播縱波，而且可以傳播橫波和表面波等，但它們的聲速是不相同的。此外介質尺寸的大小對聲速也有一定的影響，無限大介質與細長棒中的聲速也不一樣。 2、無限大固體介質中的聲速1）在無限大的固體介質中（無限大固體介質是相對于波長而言的，當介質的尺寸遠大于波長時，就可以視為無限大介質。）縱波聲速為： 橫波聲速為： 表面波聲速為：其中E介質的楊氏彈性模量，等于介質承受的拉應力F/S與相對伸長L/L之比. G介質的切變彈性模量，等于介質承受的切應力Q/S與切應變r之比. 介質的密度，等于介質的質量M與其體積V之比，即=M/V 介質的泊松比，等于介

16、質橫向相對縮短1=d/d與縱向相對伸長=L/L之比即=1/由以上三式可知： （1）固體介質中的聲速與介質的密度和彈性橫量等有關，不同的介質，聲速不同；介質的彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。 （2）聲速還與波的類型有關，在同一固體介質中、縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并且相互之間有以下關系：CLCSCR 這表明，在同一種固體材料中，縱波聲速大于橫波聲速，橫波聲速又大于表面波聲速。 （3）對于鋼材，0.28，CL1.8Cs，CR0.9Cs，即CL :Cs: CR1.8:1: 0.9。 2、細長棒中的縱波聲速CLb 在細長棒中(棒徑d)軸向傳播的縱波聲速與無限大介質中縱波聲速不同，細長棒中的

17、縱波聲速為： 3、聲速與溫度、應力、均勻性的關系 1）一般固體中的聲速隨介質溫度升高而降低。2）固體介質的應力狀況對聲速有一定的影響，一般應力增加，聲速增加，但增加緩慢。3）固體材料組織均勻性對聲速的影響在鑄鐵中表現(xiàn)較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快，晶粒細，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。此外，鑄鐵中石墨含量和尺寸對聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。二、板波聲速 1、由于板波傳播時受到上下板面的影響，因此板波聲速與縱波、橫波、表面波不同，它不僅與介質性質有關，而且與板厚、頻率等有關。只有當板厚、頻率、聲速之間滿足一定關系時，板波才能順利傳播。

18、2、板波聲速分為相速度和群速度。1）相速度是指單一頻率的聲波在介質中的傳播速度。2）群速度是指多個相差不多的頻率的波在同一介質中傳播時互相合成后的包絡線的傳播速度。 3、板波聲速Cp與f·d、CS、CL有關。對于確定的介質，CS、CL為定值，因此Cp僅是fd的函數(shù)。對于某一個Cp值對應有無數(shù)個df值。 4、實際探傷中，若是頻率單一的連續(xù)波，那么板波聲速就是相速度；若是脈沖波，那么板波聲速就是群速度。 三、液體、氣體介質中的聲速 1、液體、氣體中聲速公式1）由于液體和氣體只能承受壓應力，不能承受剪切應力，因此液體和氣體介質中只能傳播縱波，不能傳播橫波和表面波。液體和氣體中的縱波波速為：

19、 2）由公式可知，液體、氣體介質中的縱波聲速與其容變彈性模量和密度有關，介質的容變彈性模量愈大、密度愈小，聲速就愈大。 2、液體介質中的聲速與溫度的關系1）幾乎除水以外的所有液體，當溫度升高時，容變彈性模量減小，聲速降低。2）水溫度在74左右時聲速達最大值，當溫度低于74時，聲速隨溫度升高而增加；當溫度高于74時，聲速隨溫度升高而降低。 課堂小結：本次我們討論了不同介質中的聲速問題，在學習時大家首先要注意介質對不同類型波的傳導，然后再注意聲速的大小及影響因素?？v波，橫波，表面波的波速都和頻率沒有關系，而板波的頻率卻是和頻率又關系的，這點大家一點要分清楚。作業(yè)：11知識回顧1、無限大固體介質中的

20、聲速（縱波，橫波，表面波）公式？與何物理量有關？縱波，橫波，表面波在同一固體材料中的大小關系？2、細長棒中的縱波聲速？3、固體介質中聲速與溫度、應力、均勻性的關系？液體、氣體介質中聲速與溫度的關系？教學引入在實際生活中，常常有多個波同存的現(xiàn)象，那這些波在共存的時候，它們相互間會有什么影響，又會出現(xiàn)什么效果，這是我們這節(jié)課將要討論的內容。新課內容：第四節(jié) 波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理 一、波的迭加與干涉1、波的迭加原理（波的獨立性原理）：1）定義：當幾列波在同一介質中傳播時，如果在空間某處相遇，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。相遇后仍

21、保持自己原有的頻率、波長、振動方向等特性并按原來的傳播方向繼續(xù)前進，好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣。2）現(xiàn)象舉例：石子落水， 樂隊合奏或幾個人談話。 2、波的干涉：1）定義：兩列頻率相同，振動方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時，介質中某些地方的振動互相加強，而另一些地方的振動互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象。產生干涉現(xiàn)象的波叫相干波，其波源稱為相干波源。 2）如圖1.20所示，點波源S1、S2在M點引起的振動為： 質點M的合振動為 由上可知： (1)當n<n為整數(shù))時，A=A1+A2。這說明當兩相干波的波程差等于波長的整數(shù)倍時，二者互相加強，合振幅達最大值。 (2)當=(2n+1)/2

22、(n為整數(shù))時，A=A1-A2。這說明當兩相干波的波程差等于半波長的奇數(shù)倍時，二者互相抵消，合振幅達最小值。若A1=A2，則A=0，即二者完全抵消。 二、駐波 1、定義：兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播時互相迭加而成的波，稱為駐波。2、波腹、波節(jié)駐波迭加時，有的點振幅恒為0，即這些點始終靜止不動，稱為波節(jié)。而有些點振動得到最大幅度的增大。振幅最大，稱為波腹。波線上其余各點的振幅在0和2A之間。可見，駐波波線上各點似乎在作分段振動。 三、惠更斯原理和波的衍射 1、惠更斯原理：波動中任何質點都可以看作是新的波源。 2、波的衍射(繞射) 1）定義：波在傳播過程中遇到與波長相當?shù)恼系K物時

23、，能繞過障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進的現(xiàn)象。2）特點：波的衍射使波的傳播方向改變，從而使缺陷背后的聲影縮小，反射波降低；波的繞射和障礙物尺寸及波長的相對大小有關，當<<時，波的繞射強，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢。超聲探傷靈敏度約為/2，這是一個重要原因。當>>時反射強，繞射弱，聲波幾乎全反射。3）對探傷的利和弊：有利：使超聲波產生晶粒繞射順利地在介質中傳播。不利：使一些小缺陷回波顯著下降，以致造成漏檢。課堂小結：波的疊加和干涉是常見的物理現(xiàn)象，對我們的探傷也有一定指導意義，學習時能夠用它來解釋惠更斯原理及波的衍射現(xiàn)象。在課程結尾的部分提到了靈敏度的概念，這個概念的理解

24、對我們以后的學習非常重要。作業(yè)：14、15、16知識回顧：1、什么是波的迭加原理?什么是坡的干涉現(xiàn)象？2、如何利用惠更斯原理理解解釋波的繞射？3、波的繞射對超聲波探傷影響如何?教學引入充滿超聲波的空間或超聲振動所波及的部分介質，叫超聲場。超聲場具有一定的空間大小和形狀，只有當缺陷位于超聲場內時，才有可能被發(fā)現(xiàn)。描述超聲場的特征值(即物理量)主要有聲壓、聲強和聲阻抗。今天我們來討論這些特征。新課內容第五節(jié) 超聲場的特征值一、聲壓P 1、定義：超聲場中某一點在某一時刻所具有的壓強與沒有超聲波存在時的靜態(tài)壓強之差，稱為該點的聲壓，用表示。 2、單位：帕斯卡(Pa)，微帕斯卡(Pa)1Pa=1N/m2

25、 1Pa=106Pa3、表達式：4、特點：聲壓的幅值與介質密度、波速和頻率成正比。 5、超聲波探傷儀示波屏上的波高與聲壓成正比。二、聲阻抗Z 1、定義：超聲場中任一點的聲壓與該處質點振動速度之比稱為聲阻抗，常用Z表示。Z=p/u=cu/u=c 2、單位：克/厘米2秒(g/cm2s)或千克/米2(kg/m2s)。 3、特點：聲阻抗是表征介質聲學性質的重要物理量。超聲波在兩種介質組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質的聲阻抗密切相關。4、相關量：材料的聲阻抗與溫度有關，一般材料的聲阻抗隨溫度升高而降低。這是因為聲阻抗Z=C，而大多數(shù)材料的密度和聲速C隨溫度增加而減少。三、聲強I1、定義：單位時間內

26、垂直通過單位面積的聲能稱為聲強，常用I表示。2、單位：瓦/厘米2(W/cm2)或焦耳/厘米2秒(J/cm2s)。 3、當超聲波傳播到介質中某處時，該處原來靜止不動的質點開始振動。因而具有動能。同時該處介質產生彈性變形，因而也具有彈性位能，其總能量為二者之和。 4、經推導可知平均聲強為： 由以上公式可知： 1)超聲波傳播過程中，單位體積元所具有的總能量周期性地變化，時而達最大，時而為零。這說明體積元在不斷地接收和放出能量，超聲波的能量是一層接一層地傳播出去的。體積元的動能和勢能同時最大，同時為0，這與單獨的振動系統(tǒng)完全不同，單獨的振動系統(tǒng)符臺機械能守恒，動能最大時勢能為0，勢能最大時動能為0，動

27、能與勢能之和等于常數(shù)。這是因為機械能守恒的條件是系統(tǒng)只受到重力或彈性力作用。而這里介質中質點除受到彈性力外，還受到質點間摩擦力。因此不符合機械能守恒。 2)由于超聲波的聲強與頻率平方成正比，而超聲波的頻率遠大于可聞聲波。因此超聲波的聲強也遠大于可聞聲波的聲強。這是超聲波能用于探傷的重要原因。例如，大炮的聲強為10-4瓦/厘米2，已震耳欲聾，而超聲波的聲強可達105瓦/厘米2，等于大炮聲強的109倍，又如一個600瓦/厘米2超聲波發(fā)生器，10分鐘可燒開一壺水，其能量相當于700萬人集中在一起講話1.5小時所釋放出來的能量總和。(3)在同一介質中，超聲波的聲強與聲壓的平方成正比。課堂小結：本節(jié)課講

28、的超聲場的特征值，聲壓，聲強，聲阻抗，都是我們以后經常接觸到的名詞，對于前兩項經過微分，積分推導出公式的過程，不要求大家掌握，但希望大家在三者概念理解的基礎上靈活運用在以后的學習當中。作業(yè)：17、18、19、20 知識回顧： 1、什么是超聲場?描述超聲場的物理量有哪些? 2、什么是聲壓?聲壓的常用單位是什么? 3、什么是聲強?聲強的常用單位是什么?聲強與哪些因素有關?4、什么是聲阻抗?聲阻抗的常用單位是什么?聲阻抗與哪些因素有關?教學引入：在我們以后的學習和實驗中，我們經常會碰到一些衡量聲強的單位，這些單位相互之間有密切聯(lián)系，各有各的用處，理解這些單位的概念，是我們必有掌握基本知識。如引起聽覺

29、的聲強最大值與最小值相差12個數(shù)量級，顯然采用絕對量來度量是不方便的，于是我們引進對其比值取對數(shù)的計算，分貝，奈培就是取對數(shù)后的單位。 新課內容：第六節(jié) 分貝與奈培 一、分貝與奈培的概念 1、產生的背景：生產科學實驗中，聲強數(shù)量級往往相差懸殊，如引起聽覺的聲強范圍為，最大值與最小值相差12個數(shù)量級。顯然采用絕對量來度量是不方便的,但如果對其比值(相對量)取對數(shù)來比較計算則可大大簡化運算。分貝與奈培就是兩個同量綱的量之比取對數(shù)后的單位。 2、通常規(guī)定引起聽覺的最弱聲強為作為聲強的標準，另一聲強與標準聲強之比的常用對數(shù)稱為聲強級，單位為貝爾(BeL)。 (BeL) 3、實際應用貝爾太大，故常取1/

30、10貝爾即分貝(dB)來作單位。 (dB) 4、通常說某處的噪聲為多少分貝，就是以10-16瓦/厘米2為標準利用上式計算得到的。 各種聲音的分貝數(shù)大致如下： 引起聽覺的聲強 0 dB 樹葉沙沙聲 10 dB 耳語 20 dB 談話 50 dB 大炮聲 100 dB 超聲波 200 dB 、在超聲波探傷中，當超聲波探傷儀的垂直線性較好時，儀器示波屏上的波高與聲壓成正比。這時有 (dB) 注：這里聲壓基準P1或波高基準H1可以任意選取。 1）當時，0dB，說明兩波高相等時，二者的分貝差為零 2）當時，6dB，說明H2為H1的2倍時，H2比H1，高6dB。 3）當時，-6dB，說明H2為H1的l/2

31、時，H2比H1低6dB。 4）常用聲壓（波高比）對應的dB值列于下表。P2/P1或H2/H1104211/21/41/10dB201260-6-12-20 6、對或取自然對數(shù)，則其單位為奈培（NP） （NP） 7、單位轉換：1NP=8.68dB 1dB=0.115NP二、分貝與奈培的應用 用分貝值表示回波幅度的相互關系，不僅可以簡化運算，而且在確定基準波高以后，可直接用儀器衰減器的讀數(shù)表示缺陷渡榴對波高。因此，分貝概念的引用對超聲探傷有很重要的實用價值。例1，示波屏上一波高為80mm，另一波高為20mm，問前者比后者高多少dB？ 解：=20lgH2/H1=20lg80/20=12 (dB) 答

32、：前者比后者高12dB。例2，示波上有A、B、C三個波，其中A波比B波高3dB，已知B波高為50mm，求A、C各為多少mm? 解：由已知得=20lgA/B=3 A=100.15，B=70.6(mm) 又=20lgC/B=-3 C=10-0.15B=35.4(mm) 答：A、C分別為70.6mm和35.4mm。課堂小結：分貝和奈培是我們超聲波探傷中常用的單位，這一點大家要注意，同時也要掌握它們在超聲中的計算方法，注意找到兩個單位之間的聯(lián)系。超聲波的波高與聲壓成正比，這個知識點的理解及運用在我們以后學習規(guī)則體反射聲壓中也得以應用，所以，希望大家對于上課講解的兩道例題的同類型題目，課后自己再多加練習

33、。作業(yè)：21知識回顧： 1、什么是分貝和奈培?二者有何關系?2、平常說某人講話的聲音為50dB是相對什么而言的?教學引入：從我們常見的光到鏡面的反射引出超聲波入射到界面時的反射，并且還能發(fā)生透射或者折射。本次課先討論超聲波垂直入射到平界面上時的反射和透射情況，重點是聲能的分配比例。超聲波從一種介質傳播到另一種介質時，在兩種介質的分界面上，一部分能量反射回原介質內，稱反射波；另一部分能量透過界面在另一種介質內傳播，稱透射波。在界面上聲能(聲壓、聲強)的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規(guī)律。新課內容：第七節(jié) 超聲波垂直入射到界面時的反射和透射（一）一、單一平界面的反射率與透射率1、當超聲波垂直入

34、射到光滑平界面時，將在第一介質中產生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質中產生一個與入射波方向相同的透射波，如教材圖1.26所示。2、反射波與透射波的聲壓(或聲強)是按一定規(guī)律分配的。這個分配比例由聲壓反射率(或聲強反射率)和透射率(或聲強透射率)來表示。 3、設入射波的聲壓為 (聲強為),反射波的電壓為 (聲強為)透射波的聲壓為 (聲強為). 1）界面上反射波聲壓與入射波聲壓之比稱為界面的聲壓反射率，用r表示，即。 2）界面上透射波聲壓與入射波聲壓之比稱為界面的聲壓反射率，用t表示，即。 4、在界面兩側的聲波，必須符合下列兩個條件： 1)界面兩側的總聲壓相等，即。 2)界面兩側質點振動速

35、度幅值相等，即 5、由上述兩邊界條件和聲壓反射率，透射率定義得： 解上述聯(lián)立方程得聲壓反射率r和透射率t分別為6、界面上反射波聲強與入射波聲強之比稱為聲強反射率，用R表示。 7、界面上透射波聲強It與入射波聲強Io之比稱為強透射率，用T表示。 8、以上各式說明超聲波垂直入射到平界面上時，聲壓或聲強的分配比例僅與界面兩側介質的聲阻抗有關。由以上幾式可以導出： 二、幾種常見界面上的聲壓、聲強反射和透射情況討論。 1、當時，反射波聲壓與入射波聲壓同相位。界面上反射波與入射波疊加類似駐波，合成聲壓振幅增大為例如超聲波平面波垂直入射到水/鋼界面，如圖1.27所示。 ，則： 以上計算表明，超聲波垂直入射到

36、水/鋼界面時，其聲壓反射率，r=0.935，聲壓透射率t=1.935。粗略地看，t>1，似乎違反能量守恒，其實不然，因為聲壓是力的概念而力只會平衡(o+r=Pt)不會守恒，只有能量才會守恒。事實上，從聲強方面看，這里R+T=0.875+0.125=1，說明符合能量守恒。 2、當時， 即反射波聲壓與入射波聲壓相位相反，反射波與入射波合成聲壓振幅減小。例如超聲波平面波垂直入射到鋼/水界面。如圖1.28所示。 ，則： 以上計算表明，超聲波垂直入射到鋼/水界面時，聲壓透射率很低，聲壓反射率很高。聲強反射率與透射率與超聲波垂直入射到水/鋼界面相同。由此可見-超聲波垂直入射到某界面時的聲強反射率與透

37、射率與從何種介質入射無關。3、當時，(如鋼/空氣界面)，則：計算表明，當入射波介質聲阻抗遠大于透射波介質聲阻抗時，聲壓反射率趨于-1，透射率趨于0，即聲壓幾乎全反射，無透射，只是反射波聲壓與入射波聲壓有180°相位變化。 探傷中，探頭和工件間如不施加耦合劑，則形成固(晶片)/氣界面，超聲波將無法進入工件。4、當時，即界面兩側介質的聲阻抗近似相等時。如鋼的淬火部分與非淬火部分及普通碳鋼焊縫的母材與填充金屬之間的聲阻抗相差很小，一般為1%左右。設，則： 這說明超聲波垂直入射到兩種聲阻抗相差很小的介質組成的界面時,幾乎全透射，無反射。因此在焊縫探傷中，若母材與填充金屬結合面沒有任何缺陷，是

38、不會產生界面回波的。 5、以上討論的超聲波垂直到單一平界面上的聲壓、聲強反射率和透射率公式同樣適用于橫波入射的情況，但必須注意的是在固體/液體或固體/氣體界面界上，橫波全反射。因為橫波不能在液體和氣體中傳播。課堂小結：超聲波的反射和透射是我們實際探傷中主要應用，因此內容很重要，大家一定要認真理解反射和透射的原理，掌握不同界面上的聲壓、聲強反射和透射情況，為我們會面討論探傷中的超聲波打下基礎。作業(yè)：22，23知識回顧1、界面兩邊聲波必須滿足什么條件？2、聲強，聲壓透射率，反射率的公式？3、探頭與工件間不施加耦合劑會出現(xiàn)什么情況？教學引入：超聲波探傷時，經常遇到耦合層和缺陷薄層等問題，這些都可歸結

39、為超聲波在薄層界面的反射和透射問題。此時，超聲波是由聲阻抗為Zl的第一介質入射到Z1和Z2界面，然后通過聲阻抗為Z2的第二介質薄層射到Z2和Z3界面，最后進入聲阻抗為Z3的第三介質。今天我們來討論這種薄層界面的反射率與透射率。新課內容：第七節(jié) 超聲波垂直入射到界面時的反射和透射（二）一、薄層介面的反射與透射情況1、超聲波通過一定厚度的異質薄層時，反射和透射情況與單一的平界面不同。異質薄層很薄，進入薄層內的超聲波會在薄層兩側界面引起多次反射和透射，形成一系列的反射波和透射波，如圖1.29(a)所示。1）當超聲波脈沖寬度相對于薄層較窄時，薄層兩側的各次反射波、透射波互不干涉。2）當脈沖寬度相對于薄

40、層較寬時，薄層兩側的各次反射波、透射波互相疊加產生干涉。2、超聲波通過異質薄層時的聲壓反射率和透射率不僅與介質聲阻抗和薄層聲阻抗有關，而且與薄層厚度同其波長之比有關。 3、均勻介質中的異質薄層() 1）對于，即均勻介質中的異質薄層，其聲壓反射率與透射率為： 2）由以上公式可知：（1）當 (n為整數(shù))時，r0，t1。這說明當薄層兩側介質聲阻抗相等，薄層厚度為其半波長的整數(shù)倍時，超聲波全透射，幾乎無反射(r0)，好象不存在異質薄層一樣。這種透聲層常稱為半波透聲層。（2） (n為整數(shù))時，即異質薄層厚度等于其四分之一波長的奇數(shù)倍時，聲壓透射率最低，聲壓反射率最高。圖1.30和圖1.31分別表示在鋼和

41、鋁中存在一個充滿空氣或水的縫隙時的聲壓反射率和聲壓透射率。由圖1.31可知： 當f=1MHz時，鋼中厚度為d=10-5毫米的氣隙幾乎能100%反射。兩塊緊貼在一起的十分精密的塊規(guī)之間隙也有10-5毫米?？梢姵暡▽μ綔y含有氣體介質的裂紋等缺陷的靈敏度是很高的。當材料中的氣隙或水隙厚度一定時，頻率增加，聲壓反射率也隨著增加。例如對于鋼中的氣隙d=10-7毫米時，f=1MHz,r=20%，f=5MHz，r=60%。可見提高超聲波探傷頻率對于提高探傷靈敏度是有利的。 4、薄層兩側介質不同的雙界面 1）對于，即非均勻介質中的薄層，例如晶片一保護膜一工件，其聲強透射率為：2）由上式可知：（1）(n為整數(shù)

42、)時 即超聲波垂直入射到兩側介質聲阻抗不同的薄層時，若薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍，則通過薄層的聲強透射率與薄層的性質無關，好象不存在薄層一樣。（2） (n為整數(shù))時 表明超聲波垂直入射到兩側介質聲阻抗不同的薄層，若薄層厚度等于的奇數(shù)倍，薄層聲阻抗為其兩側介質聲阻幾何平均值時，即，其聲強透射率等于1，超聲波全透射。這對于直探頭保護膜的設計具有重要的指導意義。 二、聲壓往復透射率1、在超聲波單探頭探傷中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。2、探頭投的超聲波透過界面進入工件，在固/氣底面產生全反射后再次通過同一界面被探頭接收，如圖1.32所示。這時探頭接收到的回波聲壓與入射波聲壓之比，稱為聲壓往復透射率。

43、3、分析公式可知超聲波垂直入射時，在底面全反射的務件下聲壓往復透射率與聲強透射率在數(shù)值上相等。 例如用PZT-5晶片()對鋼制工件()探傷時，若耦合劑中聲壓全透射，鋼制工件底面聲壓全反射，則其聲壓往復透射率為：又如水浸法探傷鋼制工件時，水中聲阻抗 ，鋼中聲阻抗，若底面全反射，則超聲波在水/鋼界面的聲壓往復透射率為： 4、由公式可知聲壓往復透射率與界面兩側介質的聲阻抗有關，與從何種介質入射到界面無關。界面兩側分質的聲阻抗相差愈小，聲壓往復透射率就愈高，反之就愈低。5、往復透射率高低直接影響探傷靈敏度高低，往復透射率高，探傷靈敏度高。反之，探傷靈敏度低。作業(yè)：23、24、25、26、42知識回顧:

44、 1、怎么理解超聲波探測含有氣體介質的裂紋等缺陷的靈敏度很高？ 2、直探頭保護膜厚度應考慮什么因素？教學引入： 前面我們一直在討論超聲波垂直射向界面時的反射和透射，那么超聲波傾斜入射到界面時會出現(xiàn)什么情況呢？今天我們來討論相關的知識。新課內容：第八節(jié) 超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射一、波型轉換與反射、折射定律 1、波型轉換：當超聲波傾斜入射到界面時，除產生同種類型的反射和折射波外，還會產生不同類型的反射和折射波。 2、縱波斜入射當縱波L傾斜入射到固/固界面時，除產生反射縱波L和折射縱波L外，還會產生反射橫波S和折射橫波S如圖所示。各種反射波和折射波方向符合反射、折射定律： （1）由于同一介

45、質中縱波波速不變，因此=。又由于在同一介質中縱波波速大雨橫波波速，因此>，。1）第一臨界角:由(1)式可以看出， 當時，隨著加，也增加，當增加到一定程度時，=90°，這時所對應的縱波入射角稱為第一臨界角，用表示。2）第二臨界角：由(1)式可得當時，隨著增加，也增加，當增加到一定程度時，=90°，這時所對應的縱波入射角稱為第二臨界角，用表示。 3）由和的定義可知： （1）當時，第二介質中即有折射縱波L又有折射橫波S。 （2）當=-時，第二介質中只有折射橫波S沒有折射縱波L這就是常用橫波探頭的制作原理。 （3）當時，第二介質中既無折射縱波L”，又無折射橫波S。這時在其介質

46、的表面存在表面波R，這就是常用表面波探頭的制作原理。4）例，縱波傾斜入射到有機玻璃/鋼界面時。有機玻璃中: =273m/s,鋼中：=5900m/s，=323Om/s。則第一、二臨界角分別為： 由此可見有機玻璃橫波探頭，有機玻璃表面波探頭 3、橫波入射1）當橫波傾斜入射到圍/固界面時，同樣會產生波型轉換，如圖所示。各反射、折射波的方向符合反射、折射定律： 2）橫波傾斜入射時，同樣存在第一、二臨界角，由于在實際探傷中無多大實際意義，故這里不再討論，這里只討論第三臨界角。 由上式得， 隨增加，也增加，當增加到一定程度時，=90°，這時所對應的橫波入射角稱為第三臨界角，用表示。 當時，第一介

47、質中只有反射橫波，沒有反射縱波，即橫波全反射。 3）對于鋼：=5900m/S，=3230m/s 當as332°時，鋼中橫波全反射。二、聲壓反射率 1、超聲波反射、折射定律只討論了各種反射波、折射波的方向問題，未涉及聲壓反射率和透射率問題。由于傾斜入射時，聲壓反射率、透射率不僅與介質的聲阻抗有關，而且與入射角有關，其理論計算公式十分復雜，這里只介紹由理論計算結果繪制的曲線圖形。 2、縱波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射 如教材31頁圖1.35所示，當縱波傾斜入射到鋼/空氣界面時，縱波聲壓反射率與橫波聲壓反射率隨入射角而變化。當=60°左右時，很低，較高。原因是縱波傾斜入射，當=6

48、0°左右時產生一個較強的變型反射橫波。 3、橫波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射 如教材31頁圖1.36所示，橫波傾斜入射到鋼/空氣界面橫波聲壓反射率，與縱波聲壓反射率隨入射角as而變化。當=30°時，很低，較高。當as33.2°(a)時，=100%,即鋼中橫波全反射。三、聲壓往復透射率 1、超聲波探傷中，常常采用反射法探傷，超聲波往復透過同一探側面，因此聲壓往復透射率更具有實際意義。 2、如教材31頁圖1.37所示，超聲波傾斜入射，折射波全反射，探頭按收到的回波聲壓與入射波聲壓之比稱為聲壓往復透射率，常用表表示，。 3、圖1.38為縱波傾斜入射至水/鋼界面時的聲壓往

49、復透射率與入射角的關系曲線。當縱波入射角14.5°()時，折射縱波的往復透射率不超過13%，折射橫波的往復透射率小于6%。當=14.5-27.27°()時，鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波的往復透射率最高不到20%。實際探傷中水浸探傷鋼材就屬于這種情況。 4、圖1.39為縱波傾斜入射至有機玻璃/鋼界面對往復透射率與入射角之間的關系曲線。當<27.6°()時，折射縱波的往復透射率小于25%，折射橫波的往復透射率小于10%。當=27°-57°()時，鋼中只有折射橫波，無折射縱波。折射橫波的往復透射率最高不超過30%，這時所對應的30

50、°，37°。實際探傷中有機玻璃橫波探頭探傷鋼材就屬于這種情況。 四、端角反射 1、超聲波在兩個平面構成的直角內的反射叫做端角反射，如圖1.40。在端角反射中，超聲波經歷了兩次反射，當不考慮波型轉按時，二次反射回波與入射波互相平行，即且a+=90°。 圖1.40 端角反射 2、回波聲壓與入射波聲壓之比稱為端角反射率用T端表示。T端=3、教材33頁圖1.41為鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率。1）由圖1.4l(a)可知，縱波入射時，端角反射率都很低，這是因為縱波在端角的兩次反射中分離出較強的橫波。 2）由圖1.41(b)可知，橫波入射時，入射角=30°或60&

51、#176;附近時，端角反射率最低，=35°-55°時，端角反射率可達100%。實際工作中，橫波探傷焊縫單面焊根部未焊透或襲紋的情況就類似于這種情況，當橫波入角（等于橫波探頭的折射角）=35°-55°，即K=tgs=0.7-1.43時，探傷靈敏度較高。當56°，即K1.5時，探傷靈敏度較低，可能引起漏檢。 3）從圖1.38還可以看出，（）在0或90°附近時，無論是縱波還是橫波端角反射率理論上都很高，但實際上由于入射波、反射波在邊界互相干涉而抵消，因此實際上這時探測靈敏度不高。 作業(yè)：27、29、43、44、45、46知識回顧 1、縱波斜入射時的第一、二臨界角分別表示什么臨界狀態(tài)？2、求有機玻璃的第三臨界角。教學引入超聲波是一種頻率很高波長很短的機械波，它與可見光一樣具有聚焦和發(fā)散的特性。由于超聲波還可能產生波型轉換，因此超聲波的聚焦與發(fā)散更為復雜。今天我們就來討論這一方面的知識，為了便于討論，這里不考慮波型轉換行為。新課內容第九節(jié) 超聲波的聚焦與發(fā)散 一、聲壓距離公