项目一 超声波探伤的物理基础 广州铁路职业技术学院 陈选民

5)设备轻便,对人体 及环境无害，可作现场检测。 6）超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击（基于“空化现象”）--从而引出了“功率超声应用“技术--例如“超声波清洗”、“超声波钻孔”、“超声波去毛刺”（统称“超声波加工”）等。

超声检测的优点 超声波具有如下特性： 1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2）超声波可传递很强的能量。 3）灵敏度高,可检测材料内部尺寸很小的缺陷。 4)可较准确地测定缺陷的深度位置。

超声检测的实例 例如用于医疗上的超声诊断（如B超）、海洋学中的鱼群探测、海底形貌探测、海洋测深、地质构造探测、工业材料及制品上的缺陷探测、硬度测量、测厚、显微组织评价、混凝土构件检测、陶瓷土坯的湿度测定、气体介质特性分析、密度测定……等等。

第1章超声波检测的物理基础 超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播。 机械振动与机械波 超声波 超声波的传播 声场 规则反射体回波声压简化公式 返回

1.1 机械振动与机械波 1.1.1机械振动 机械振动，是指质点在平衡位置附近作往复的运动。 1.1 机械振动与机械波 1.1.1机械振动 机械振动，是指质点在平衡位置附近作往复的运动。 钟摆的摆动；汽缸中活塞的运动；走在铁索桥上时桥的颇动

周期和频率是描述振动的重要的物理量 ，振动质点完成一次围绕平衡位置往复运动的过程所需要的时间称为周期，．以 T 表示，单位为 S （秒）或μs（微秒）。 而单位时间内振动的次数（周期数）则称为频率，以f表示，常用单位为 Hz （赫兹）．

1 . 2 机械波 1 ．机械波 机械波是机械振动在弹性介质中的传播。产生机械波的首要条件是要有一个产生机械振动的波源．也就是说，要提供一个力使质点在其平衡位置附近作往复运动：第几个条件是．要有能传播振动的弹性介质．

机械波的传播不是物质的传播，而是能量的传播。 2．波速c 是波传播的速度，也就是单位时间内同一振动相位传播的距离

3．机械波的主要特征量 超声波在介质中的传播速度C（与介质、波型等有关）、振动频率f（单位时间内完成全振动的次数，以每秒一次为1个赫兹-Hz）和超声波的波长λ（超声波完成一次全振动时所传递的距离）三者有如下关系：C=λ·f λ=C·T 波的频率越高．波长越短。

一般以缺陷垂直于声轴线方向的面线度尺寸为缺陷中二分之一波长作为最小可检出尺寸

1.2 什么是超声波 1.2.1超声波的定义 声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz~20KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于20KHz的声波称为超声波。一般把频率在20KHz到25MHz范围的声波叫做超声波。 下一页 返回

在超声波检测技术中用以产生和接收超声波的方法最主要利用的是某些晶体的压电效应，即压电晶体（例如石英晶体、钛酸钡及锆钛酸铅等压电陶瓷）在外力作用下发生变形时，将有电极化现象产生，即其电荷分布将发生变化（正压电效应），反之，当向压电晶体施加电荷时，压电晶体将会发生应变，亦即弹性变形（逆压电效应）。 超声波的发生原理。 下一页 上一页

超声波在弹性介质中传播时，视介质支点的振动型式与超声波传播方向的关系，可以把超声波分为以下几种波型： 1.2.2超声波的波型 超声波在弹性介质中传播时，视介质支点的振动型式与超声波传播方向的关系，可以把超声波分为以下几种波型： （1）纵波（Longitudional Wave，简称L波，又称作压缩波、疏密波）-纵波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向相同（见下图所示）。 纵波是超声检测中唯一在液体、气体和固体中均可传播的波型。 下一页 上一页

纵波 横波 下一页 上一页

（2）横波（Shear Wave，简称S波，又称作Transverse wave，简称T波，也称为切变波或剪切波）-横波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向垂直。由于气体和液体中不能传播剪切力，因此，横波只能在固体中传描，不能在气体和液体中传播。横波速度通常约为纵波声速的一半，因此，相同频率时横波波长约为纵波波长的一半。实际检测中常应用横波的主要原因是，通过波型转换，很容易在材料中得到一个传播方向与表面有一定倾角的单一波型，以对不平行于表而的缺陷进行检测。 下一页 上一页

(3)表面波,通常所说的表面波就是指瑞利波。表面波是仅在无限大固体介质的表面或与其他介质的界面及其附近传播而不深入到固体内部传播的波型的总称。瑞利波是表面波的一种，是在半无限大固体介质与气体或液体介质的交界面上产生，并沿界面传播的一种波型。

1.2.3 超声波的传播速度 超声波的传播速度简称为声速。 声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的．不同材料声速值有较大的差异，表1-1中所列为儿种常用材料的密度、声速和波长数值。水中声速为1500m / s ，钢中纵波声速约 5900m / s ，有机玻璃纵波声速约 2700 m / s。除兰姆波等特殊情况以外，通常声速不随超声波的频率而变化．同一固体介质中，纵波声速大于横波声速，横波声速又大于瑞利波声速 。

1.2.4超声波的声压、声强、声阻抗 介质中有超声波存在的区域称为超声场，声压和声强是描述声场的物理量。声阻抗则是与声波在界面上的行为相关的一个重要参数。 1 .声压 声压的定义为：在声波传播的介质中，某一点在某一时刻所具有的压强与没有声波存在时该点的静压强之差．声压单位是 Pa （帕斯卡）．用 p 表示。超声检测仪荧光屏上脉冲的高度与声压成正比，因此，通常读出的信号幅度的比等于声压比。

2 ．声强 声强的定义是：在垂直于声波传播方向的平而上，单位面积上 单位时间内所通过的声能量。 声阻抗能直接表示介质的声学性质 ，声阻抗决定着超声波在通过不同介质的界面能量的分配

1.2.5幅度的分贝表示

1.2.6按波形分类 在超声波传播过程中，同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所联结构成的轨迹曲面叫做波阵面。 波阵面形状为与传播方向垂直的平行平面时称为平面波。 波阵面为同心球面时称为球面波。 波阵面为同轴园柱面时称为柱面波。

1.3超声波的传播 1.3.2 超声波垂直入射到平面上时的反射和透射

① 当Z1>>Z2，如超声波从钢中射向水的情况。 声压往返透过率，通常入射声压经过两种介质的界面透射到试件中后，均需经过相反的路径再次穿过界面回到第一介质中才被探头所接收。两次穿透界面时透射率的大小，决定着接收信号的强弱。因此，将声压沿相反方向两次穿过界而时总的透射率称为声压往返透过率

1.3.4 超声波倾斜入射到平面上时的反射、折射和波型转换 当超声波以相对于界面入射点法线一定的角度，倾斜入射到两种不同介质的界面时，在界面上会产生反射、折射和波型转换现象。入射声波与入射点法线之间的夹角“称为入射角。

1 ．反射，当纵波以入射角 a 倾斜入射到异质界面时，将会在入射波所在的介质 1 中，在界面入射点法线的另一侧，产生与法线成一定的夹角试的反射纵波。反射波与入射点法线之间的夹角称为反射角。 入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何光学的反射定律： ① 入射声束、反射声束和入射点的法线位位于同一个平面内。 ② 入射角等于反射角。

与光的反射不同的是，当介质 1 为固体时，界面上既产生反射纵波，同时又发生波型转换产生反射横波，即反射后同时产生纵波与横波两种波型。这时，横波反射角与纵波入射角之间的关系与光学中的斯奈尔定律相同：

` 2 ．折射 当两种介质声速不同时，透射部分的声波会发生传播方向的改变，称为折射。折射声束与界而入射点的法线之间的夹角称为折射角．折射波、入射波与入射点的法线位于同 一个平面内。不论是纵波入射还是横波入射，只要介质 2 为固体．则介质 2 中除与入射波相同波型的折射波外，均可因在界而发生波型转换而产生与入射波不同波型的折射波。这时，介质 2 中可能同时存在两种波型：纵波与横波（见图1- 23 ）。 折射角与入射角之间的关系符合斯奈尔定律：

各类材料在界面纵波声压的反射率

例：使用有机玻璃斜楔（纵波速度为2730m/S）的接触法斜探头检测钢质工件，若入射角分别为20°、30 °和45 ° ，试求折射纵波与折射横波的折射角 （1） 20° 时， 47.13°、 23.87° （2） 30° 时， 不存在折射纵波 36.27° （3） 45° 时，不存在折射纵波56.78°

临界角 使一种波产生90度折射的入射角叫做临界角。 1.第一临界角 超声波纵波斜入射到界面上,若第二介质纵波波速大于第一界质中纵波波速,则纵波折射角大于纵波入射角,当纵波入射角增加到一定程度时纵波折射角等于90度,这时所对应的纵波入射角称为第一临界角.

2.第二临界角 超声波纵波斜入射到界面上,若第二介质中的横波波速大于第一界质中纵波波速,则横波折射角大于纵波入射角,当纵波入射角增加到一定程度时横波折射角等于90度,这时所对应的纵波入射角称为第二临界角.

1.3.5端角反射 超声波在工件的两个互相垂直的平面构成的直角的反射称为端角反射,同类型的反射波和入射波总是互相平行方向相反。

1.3.6超声波入射到曲面上的反射、透射 平面波入射到曲面上的反射 平面波入射到曲界面上时的情况如图 所示。平面波束与曲面上各入射点的法线成不同的夹角：入射角为 0 的声线沿原方向返回，称为声轴；其余声线的反射则随着距声轴距离的增大，反射角逐渐增大。当曲面是球面时，反射线汇聚于一个焦点上；反射 平面波在曲面上的折射

1.3.7超声波的衰减 超声波的传播衰减指的是超声波在通过材料传播时．声压或声能随题离的增大逐渐减小的现象 衰减的原因:引起衰减的原因主要有三个方面，一是声束的扩散；二是材料中的晶粒或其他微小颗粒对声波的散射；三是介质的吸收。

扩散衰减是由于声束扩散引起的衰减。在一些特定波形的声场中，防着传播距离的增大，声束截面不断扩大，这种现象称为声束扩散。 散射衰减是超声波在传播过程中，由于材料的不均匀性造成多处声阻抗不同的微小界面引起声的散射，从而造成的声压或声能减弱。

吸收衰减的发生，一方面是超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能；另一方面是由于介质的热传导，介质的稠密部分和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗。

1.4声场 1.4.1圆盘声源的声场 1.圆盘声源轴线上的声压分布 N ，它代表的距离，是声源轴线上最后一个声压极大值点距声源的距离，称为近场长度。

2.指向性与扩散角

超声场中超声波的能量主要集中于以声轴为中心的某一角度范围内，这一范围称为主声束。这种声束集中向一个方向辐射的性质叫做声场的指向性。在主声束角度范围以外，还存在一些能量很低的、只存在于声源附近的副瓣声束。 将远场中第一个声压为零的角度，称为指向角或半扩散角．以表示，可得：

由于超声能量集中于主声束。对于圆形晶片，可以认为在距声源一定距离内，超声能量未逸出以晶片直径所约束的范围，声束直径小于晶片直径。这一题离之内就称为非扩散区。非扩散区之外，则称为扩散区。按几何关系，可得到非扩教区长度b为 b =1.64N

3.横截面上的声压分布

已知钢中纵波声速=5850m/S，铝中纵波声速=6250m/S，园盘形换能器的直径为20mm，频率为2.5MHZ，分别求钢、铝中的近场长度。 （1）钢N=42.74mm，Θ=9.3° （2）铝N=40mm，Θ=8.75°