1、UT 第第1章章 緒論緒論 超聲檢測通常是指工件內部宏觀缺陷檢測和材料厚度測量。超聲檢測通常是指工件內部宏觀缺陷檢測和材料厚度測量。 1.1超聲檢測基礎知識超聲檢測基礎知識 1.1.1次聲波、聲波和超聲波次聲波、聲波和超聲波 它們都是在彈性介質中傳播的機械波，它們都是在彈性介質中傳播的機械波，同一波形在同一介同一波形在同一介 質中的傳播速度是相同的，質中的傳播速度是相同的，它們的區別主要在于頻率不同。它們的區別主要在于頻率不同。 人們日常所聽到的各種聲音，是由于各種聲源的振動通過人們日常所聽到的各種聲音，是由于各種聲源的振動通過 空氣等彈性介質傳播到耳膜，引起耳膜振動，牽動聽覺神空氣等彈性介質

2、傳播到耳膜，引起耳膜振動，牽動聽覺神 經，使人產生聽覺。經，使人產生聽覺。 1 能引起人們聽覺的機械波稱為聲波，其頻率為能引起人們聽覺的機械波稱為聲波，其頻率為2020kHz之之 間；頻率低于間；頻率低于20Hz的機械波稱為次聲波；頻率高于的機械波稱為次聲波；頻率高于20kHz 的機械波稱為超聲波。次聲波和超聲波，人耳是聽不到的。的機械波稱為超聲波。次聲波和超聲波，人耳是聽不到的。 用于宏觀缺陷檢測的超聲波，其常用頻率為用于宏觀缺陷檢測的超聲波，其常用頻率為0.525MHz， 對于鋼等金屬材料的檢測，常用頻率為對于鋼等金屬材料的檢測，常用頻率為0.510MHz。超聲。超聲 波的特點就是波的特點

3、就是頻率高，頻率高，因而使超聲波具有一些重要特性，因而使超聲波具有一些重要特性， 使其能廣泛用于無損檢測。使其能廣泛用于無損檢測。 1.超聲波方向性好超聲波方向性好：超聲波頻率高，波長短，擴散角小，：超聲波頻率高，波長短，擴散角小， 可以定向發射，猶如手電筒發出的一束光，可在黑暗中找可以定向發射，猶如手電筒發出的一束光，可在黑暗中找 到所需物品一樣在被檢材料中發現缺陷。到所需物品一樣在被檢材料中發現缺陷。 2.超聲波能量高超聲波能量高：超聲波的檢測頻率遠高于聲波，其聲強：超聲波的檢測頻率遠高于聲波，其聲強 與頻率的平方成正比。與頻率的平方成正比。 2 3.超聲波能在異質界面產生反射、折射、衍射

4、和波形轉換超聲波能在異質界面產生反射、折射、衍射和波形轉換： 在超聲檢測中，特別是在脈沖反射法檢測中，利用了超聲在超聲檢測中，特別是在脈沖反射法檢測中，利用了超聲 波幾何聲學的一些特點，如在介質中直線傳播，遇界面產波幾何聲學的一些特點，如在介質中直線傳播，遇界面產 生反射、折射等。生反射、折射等。 4.超聲波穿透能力強超聲波穿透能力強：超聲波在大多數介質中傳播時，傳：超聲波在大多數介質中傳播時，傳 播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強，在很多金屬材播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強，在很多金屬材 料中其穿透能力可達數米。料中其穿透能力可達數米。 3 1.1.2 超聲檢測工作原理超聲檢測工作原

5、理 超聲檢測主要基于超聲波在工件中的傳播特性，如超聲波超聲檢測主要基于超聲波在工件中的傳播特性，如超聲波 在通過材料時能量會損失；在遇到聲阻抗不同的兩種介質在通過材料時能量會損失；在遇到聲阻抗不同的兩種介質 的界面時會發生反射等。其主要的工作過程是：的界面時會發生反射等。其主要的工作過程是： 4 1. 聲源產生超聲波，并通過一定的方式進入工件；聲源產生超聲波，并通過一定的方式進入工件； 2. 超聲波在工件中傳播并與工件材料及其中的缺陷相互作超聲波在工件中傳播并與工件材料及其中的缺陷相互作 用，使其傳播方向或特征發生改變；用，使其傳播方向或特征發生改變； 3. 改變后的超聲波通過檢測設備接收，并

6、對其進行處理和改變后的超聲波通過檢測設備接收，并對其進行處理和 分析；分析； 4. 根據接收到的超聲波信號特征，評估工件表面及其內部根據接收到的超聲波信號特征，評估工件表面及其內部 是否存在缺陷及缺陷的特征。是否存在缺陷及缺陷的特征。 通常用來發現缺陷并對其進行評估的基本信息是：通常用來發現缺陷并對其進行評估的基本信息是： 5 1. 是否存在來自缺陷的超聲信號及其幅度；是否存在來自缺陷的超聲信號及其幅度； 2. 回波的傳播時間；回波的傳播時間； 3. 超聲波通過材料后的能量衰減。超聲波通過材料后的能量衰減。 6 第第2 2章章 超聲波探傷的物理基礎超聲波探傷的物理基礎 超聲波是一種機械波，是機

7、械振動在介質中的傳播。超聲波是一種機械波，是機械振動在介質中的傳播。 機械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎。機械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎。 超聲波探傷中，主要涉及到幾何聲學和物理聲學中的一些超聲波探傷中，主要涉及到幾何聲學和物理聲學中的一些 基本定律和概念。基本定律和概念。 如如幾何聲學幾何聲學中的反射、折射定律及波型轉換；中的反射、折射定律及波型轉換； 物理聲學物理聲學中波的疊加、干涉、衍射等。中波的疊加、干涉、衍射等。 7 2.1 機械振動與機械波機械振動與機械波 2.1.1 機械機械振動振動 物體（或質點）在某一平衡位置附近作來回往復的運動，物體（或質點）在某一平衡位置附近作來回

8、往復的運動， 稱為機械振動。稱為機械振動。 振動是自然界最常見的一振動是自然界最常見的一 種運動形式。種運動形式。 8 振動產生的必要條件是：物體一離開平衡位置就會受到振動產生的必要條件是：物體一離開平衡位置就會受到回回 復力復力的作用；阻力要足夠小。的作用；阻力要足夠小。 物體（或質點）受到一定力的作用，將離開平衡位置，產物體（或質點）受到一定力的作用，將離開平衡位置，產 生一個位移；生一個位移； 該力消失后，在回復力作用下，它將向平衡位置運動，并該力消失后，在回復力作用下，它將向平衡位置運動，并 且還要越過平衡位置移動到相反方向的最大位移位置，然且還要越過平衡位置移動到相反方向的最大位移位

9、置，然 后再向平衡位置運動。后再向平衡位置運動。 9 這樣一個完整運動過程稱為一個這樣一個完整運動過程稱為一個“循環循環”或叫一次或叫一次“全振全振 動動”。 每經過一定時間后，振動體總是回復到原來的狀態（或位每經過一定時間后，振動體總是回復到原來的狀態（或位 置）的振動稱為置）的振動稱為周期性振動周期性振動，不具有上述周期性規律的振，不具有上述周期性規律的振 動稱為動稱為非周期性振動非周期性振動。 10 振動是往復的運動，振動的振動是往復的運動，振動的快慢快慢常用常用振動周期和振動頻率振動周期和振動頻率 兩個物理量來描述。兩個物理量來描述。振動的振動的強弱強弱用用振幅來表征。振幅來表征。 周

10、期：周期：當物體作往復運動時完成一次全振動所需的時間，當物體作往復運動時完成一次全振動所需的時間， 稱為振動周期，用稱為振動周期，用 T 表示。常用單位為秒（表示。常用單位為秒（s）。）。 對于非周期性振動，往復運動已不再是周期性的，但周期對于非周期性振動，往復運動已不再是周期性的，但周期 這個物理量仍然可以反映這種運動的往復情況。這個物理量仍然可以反映這種運動的往復情況。 頻率：頻率：振動物體在單位時間內完成全振動的次數，稱為振振動物體在單位時間內完成全振動的次數，稱為振 動頻率，用動頻率，用 f 表示。常用單位是赫茲（表示。常用單位是赫茲（Hz）。）。1Hz=1次次/s。 頻率和周期互為倒

11、數：頻率和周期互為倒數： T = f 1 11 振幅：振幅：振動物體離開平衡位置的最大距離，稱為振動的振振動物體離開平衡位置的最大距離，稱為振動的振 幅，用幅，用 A 標示。標示。 1.諧振動：諧振動：物體（或質點）在受到跟位移大小成正比、而物體（或質點）在受到跟位移大小成正比、而 方向總指向平衡位置的回復力作用下的振動，就叫做諧振方向總指向平衡位置的回復力作用下的振動，就叫做諧振 動。動。（P8） 12 彈簧振子的諧振動：彈簧一端固定，質量不計；另一端連彈簧振子的諧振動：彈簧一端固定，質量不計；另一端連 接一小球。接一小球。 當小球處于當小球處于O點時，所受外力為零，彈簧沒有變形，小球點時，

12、所受外力為零，彈簧沒有變形，小球 不受力，該點就是平衡位置。不受力，該點就是平衡位置。 將小球從平衡位置將小球從平衡位置O向右拉到向右拉到A點，然后釋放，小球將左點，然后釋放，小球將左 右振動。右振動。 14 小球振動過程中，其重力與表面支持力始終平衡，假定小小球振動過程中，其重力與表面支持力始終平衡，假定小 球的運動沒有任何其他阻力，對振動起作用的只有彈簧作球的運動沒有任何其他阻力，對振動起作用的只有彈簧作 用在小球上的彈力。用在小球上的彈力。 當小球受到外力作用被拉到當小球受到外力作用被拉到O點右側的點右側的A點時，它對平衡點時，它對平衡 位置的位移方向向右，而所受彈力的方向卻向左。位置的

13、位移方向向右，而所受彈力的方向卻向左。 當小球運動到當小球運動到O點左側時，位移方向向左，而彈力方向卻點左側時，位移方向向左，而彈力方向卻 向右。向右。 該彈力的方向總是跟小球對平衡位置的位移方向相反，指該彈力的方向總是跟小球對平衡位置的位移方向相反，指 向平衡位置。向平衡位置。這個彈力就是使小球振動的回復力。這個彈力就是使小球振動的回復力。 15 根據胡克定律，彈簧提供的回復力根據胡克定律，彈簧提供的回復力F的大小與小球相對平的大小與小球相對平 衡位置的位移衡位置的位移X成正比。成正比。 F=-Kx K為彈簧的倔強系數（又稱勁度系數或彈性系數為彈簧的倔強系數（又稱勁度系數或彈性系數-反映彈反

14、映彈 簧的軟硬程度，它與彈簧的材料性質，截面積和原長度有簧的軟硬程度，它與彈簧的材料性質，截面積和原長度有 關。單位是關。單位是N/m），負號表示回復力與位移方向相反。），負號表示回復力與位移方向相反。 16 從運動學角度分析，彈簧振子的運動可以用振動圖像直觀從運動學角度分析，彈簧振子的運動可以用振動圖像直觀 地表示出來，表示振動質點的位移隨時間變化的規律。地表示出來，表示振動質點的位移隨時間變化的規律。 運動學（運動學（kinematicskinematics），從幾何的角度（指不涉及物體本），從幾何的角度（指不涉及物體本 身的物理性質和加在物體上的力身的物理性質和加在物體上的力) ) 描述

15、和研究物體位置隨描述和研究物體位置隨 時間的變化規律的力學分支。時間的變化規律的力學分支。 下圖是以縱軸表示時間，橫軸表示質點位移而形成的諧振下圖是以縱軸表示時間，橫軸表示質點位移而形成的諧振 動圖像。動圖像。 17 18 x F v v F -A A x=0F=0 彈 簧 振 子 的 振 動 彈 簧 振 子 的 振 動 19 諧振動與做勻速圓周運動的質點在諧振動與做勻速圓周運動的質點在 X軸上投影的運動特點軸上投影的運動特點 完全一致。完全一致。 以振幅以振幅 A為半徑作園，質點為半徑作園，質點M沿圓周作勻速運動，質點沿圓周作勻速運動，質點M 的水平位移的水平位移X和時間和時間t的關系可用下

16、式描述：的關系可用下式描述： 20 )cos(tAx 式中：式中： A：振幅，表征振動質點離開平衡位置的最大位移；：振幅，表征振動質點離開平衡位置的最大位移； ：振動相位，表征振動質點在某一時刻：振動相位，表征振動質點在某一時刻 t的位置和的位置和 質點的運動方向，即：表征質點的運動狀態；質點的運動方向，即：表征質點的運動狀態； X：某一時刻的水平位移。：某一時刻的水平位移。 22 人們將位移隨時間的變化符合余弦（或正弦）規律的振動人們將位移隨時間的變化符合余弦（或正弦）規律的振動 形式稱為諧振動。形式稱為諧振動。 諧振動的振幅、頻率和周期保持不變，其頻率為振動系統諧振動的振幅、頻率和周期保持

17、不變，其頻率為振動系統 的固有頻率，是最簡單、最基本的一種振動。的固有頻率，是最簡單、最基本的一種振動。 任何復雜的振動都可視為多個諧振動的合成。任何復雜的振動都可視為多個諧振動的合成。 作諧振動的物體在平衡位置時動能最大、勢能為零；在位作諧振動的物體在平衡位置時動能最大、勢能為零；在位 移最大處勢能最大、動能為零。其總能量保持不變。移最大處勢能最大、動能為零。其總能量保持不變。 23 2.阻尼振動：諧振動是理想條件下的振動，不考慮摩擦和阻尼振動：諧振動是理想條件下的振動，不考慮摩擦和 其它阻力的影響。但任何實際物體的振動，總要受到阻力其它阻力的影響。但任何實際物體的振動，總要受到阻力 的作用

18、。由于要克服阻力做功，則振動物體的能量不斷減的作用。由于要克服阻力做功，則振動物體的能量不斷減 少。這種振幅或能量隨時間不斷減少的振動，稱為阻尼振少。這種振幅或能量隨時間不斷減少的振動，稱為阻尼振 動。動。 24 3.受迫振動：物體受到周期性變化的外力作用時，產生的受迫振動：物體受到周期性變化的外力作用時，產生的 振動。振動。 受迫振動剛開始時情況很復雜，經過一段時間后達到穩定受迫振動剛開始時情況很復雜，經過一段時間后達到穩定 狀態，變為周期性的諧振動。其振動頻率與策動力頻率相狀態，變為周期性的諧振動。其振動頻率與策動力頻率相 同，振幅保持不變。同，振幅保持不變。 受迫振動的振幅與策動力的頻率

19、有關，當策動力頻率與受受迫振動的振幅與策動力的頻率有關，當策動力頻率與受 迫振動物體固有頻率相同時，受迫振動的振幅達最大值。迫振動物體固有頻率相同時，受迫振動的振幅達最大值。 這種現象稱為共振。這種現象稱為共振。 超聲波探頭中的壓電晶片在發射超聲波和接收超聲波時，超聲波探頭中的壓電晶片在發射超聲波和接收超聲波時， 產生的是受迫振動和阻尼振動。產生的是受迫振動和阻尼振動。 25 在設計探頭中的壓電晶片時，若使高頻電脈沖的頻率等于在設計探頭中的壓電晶片時，若使高頻電脈沖的頻率等于 壓電晶片的固有頻率，就會產生共振，這時壓電晶片的電壓電晶片的固有頻率，就會產生共振，這時壓電晶片的電 聲能量轉換效率最

20、高。聲能量轉換效率最高。 26 2 0 LC tfNt 022f C t LL 2.1.2 機械波機械波 1.機械波的產生與傳播機械波的產生與傳播 振動的傳播過程稱為波動。分機械波和電磁波兩大類。振動的傳播過程稱為波動。分機械波和電磁波兩大類。 機械波是機械振動在彈性介質中的傳播過程；機械波是機械振動在彈性介質中的傳播過程； 電磁波是交變電磁場在空間的傳播過程。電磁波是交變電磁場在空間的傳播過程。 27 在介質內部，各質點間以彈性力連接在一起，稱為彈性介在介質內部，各質點間以彈性力連接在一起，稱為彈性介 質。質。 在彈性力的作用下在彈性力的作用下，彈性介質中一個質點的振動就會引起，彈性介質中一

21、個質點的振動就會引起 臨近質點的振動，鄰近質點的振動又會引起較遠質點的振臨近質點的振動，鄰近質點的振動又會引起較遠質點的振 動，于是振動就以一定的速度由近及遠地向各個方向傳播動，于是振動就以一定的速度由近及遠地向各個方向傳播 開來，從而就形成了機械波。開來，從而就形成了機械波。 產生機械波必須具備以下兩個條件：產生機械波必須具備以下兩個條件： （1） 要有作機械振動的波源。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。）要有能傳播機械振動的彈性介質。 28 一般固體、液體、氣體都可視為彈性介質。一般固體、液體、氣體都可視為彈性介質。 液體和氣體不能用上述彈性力的模型來描述，其彈性

22、波是液體和氣體不能用上述彈性力的模型來描述，其彈性波是 在受到壓力時體積的收縮和膨脹產生的。在受到壓力時體積的收縮和膨脹產生的。 29 振動與波動是互相關聯的，振動是產生波動的根源，波動振動與波動是互相關聯的，振動是產生波動的根源，波動 是振動狀態的傳播。是振動狀態的傳播。 波動中介質各質點并不隨波前進，而是按照與波源相同的波動中介質各質點并不隨波前進，而是按照與波源相同的 振動頻率在各自的平衡位置上振動，并將能量傳遞給周圍振動頻率在各自的平衡位置上振動，并將能量傳遞給周圍 的質點。的質點。 這種能量的傳播，不是靠物質的遷移來實現的，也不是靠這種能量的傳播，不是靠物質的遷移來實現的，也不是靠

23、相鄰質點的彈性碰撞來完成的，而是由各質點的位移連續相鄰質點的彈性碰撞來完成的，而是由各質點的位移連續 變化來逐漸傳遞出去的變化來逐漸傳遞出去的 。 因此，機械波的傳播不是物質的傳播，而是振動狀態和能因此，機械波的傳播不是物質的傳播，而是振動狀態和能 量的傳播。量的傳播。 30 機械波的傳播特點機械波的傳播特點 每個質點只在平衡位置附近振動，不向前運動。每個質點只在平衡位置附近振動，不向前運動。 后面質點重復前面質點的振動狀態，有相位落后。后面質點重復前面質點的振動狀態，有相位落后。 所有質點同一時刻位移不同，形成一個波形。所有質點同一時刻位移不同，形成一個波形。 振動狀態、波形、能量向前傳播。

24、振動狀態、波形、能量向前傳播。 31 2.機械波的主要物理量機械波的主要物理量 （1）波長）波長：同一：同一波線波線上相鄰兩振動相位相同的質點的距上相鄰兩振動相位相同的質點的距 離，稱為波長，用離，稱為波長，用表示。表示。 波源或介質中任意一質點完成一次全振動，波正好前進一波源或介質中任意一質點完成一次全振動，波正好前進一 個波長的距離。波長的常用單位為毫米（個波長的距離。波長的常用單位為毫米（mm）。或米（）。或米（ m）。）。 33 O y A A - u x （2）周期）周期T和頻率和頻率f： 為波動經過的介質質點產生機械振動的周期和頻率。為波動經過的介質質點產生機械振動的周期和頻率。

25、機械波的周期和頻率只與振源有關，與傳播介質無關。機械波的周期和頻率只與振源有關，與傳播介質無關。 波動頻率也可定義為波動過程中，任一給定點在波動頻率也可定義為波動過程中，任一給定點在1秒鐘內秒鐘內 所通過的完整波的個數，所通過的完整波的個數，與該點振動頻率數值相同，與該點振動頻率數值相同，單位單位 為赫茲（為赫茲（Hz）。）。 而波前進一個波長的距離所需要的時間，即為周期。而波前進一個波長的距離所需要的時間，即為周期。 同樣可以說：波經歷一個完整周期所傳播的距離，即為波同樣可以說：波經歷一個完整周期所傳播的距離，即為波 長。長。 34 （3）波速）波速C： 波動中，波在單位時間內所傳播的距離稱

26、為波速，用波動中，波在單位時間內所傳播的距離稱為波速，用C表表 示。常用單位為米示。常用單位為米/秒（秒（m/s）。）。 次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質中傳播的機械波，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。它們的區別主要在于頻率在同一介質中的傳播速度相同。它們的區別主要在于頻率 不同。不同。 C = f 或或 = C/f 振動的傳播速度稱為波速（聲速），不要把波速與質點的振動的傳播速度稱為波速（聲速），不要把波速與質點的 振動速度混淆起來，質點的振動方向與波動的傳播方向也振動速度混淆起來，質點的振動方向與波動的傳播方向也 不一定相同。不一定相同。

27、35 2.2 波的分類波的分類 2.2.1按波的類型分類：按波的類型分類： 1.縱波：介質中質點的振動方向與波的傳播方向相互平行縱波：介質中質點的振動方向與波的傳播方向相互平行 的波，稱為縱波（的波，稱為縱波（L） 凡能承受拉伸或壓縮應力的介質都能傳播縱波。固體介質凡能承受拉伸或壓縮應力的介質都能傳播縱波。固體介質 能承受拉伸或壓縮應力，因此固體介質可以傳播縱波。液能承受拉伸或壓縮應力，因此固體介質可以傳播縱波。液 體和氣體雖然不能承受拉伸應力，但能承受壓應力產生體體和氣體雖然不能承受拉伸應力，但能承受壓應力產生體 積的壓縮和膨脹，因此液體和氣體也可以傳播縱波。積的壓縮和膨脹，因此液體和氣體也

28、可以傳播縱波。 36 縱波：質點的振動方向與波的傳播方向一致縱波：質點的振動方向與波的傳播方向一致. 特征：具有交替出現的密部和疏部特征：具有交替出現的密部和疏部. 例如：彈簧波、例如：彈簧波、 聲波聲波 2.橫波：介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相垂直橫波：介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相垂直 的波稱為橫波，用（的波稱為橫波，用（S）或（）或（T）表示。）表示。 當介質質點受到交變的剪切應力作用時，產生切變形變，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。故橫波又稱為切變波。從而形成橫波。故橫波又稱為切變波。 只有固體介質才能承受剪切應力，液體和氣體介質不能承

29、只有固體介質才能承受剪切應力，液體和氣體介質不能承 受剪切應力，因此橫波只能在固體介質中傳播，不能在液受剪切應力，因此橫波只能在固體介質中傳播，不能在液 體和氣體介質中傳播。體和氣體介質中傳播。 38 橫波：質點振動方向與波的傳播方向相橫波：質點振動方向與波的傳播方向相垂直垂直. 特征：具有交替出現的波峰和波谷特征：具有交替出現的波峰和波谷. 3.表面波：當介質表面受到交變應力作用時，產生沿介質表面波：當介質表面受到交變應力作用時，產生沿介質 表面傳播的波，稱為表面波，常用（表面傳播的波，稱為表面波，常用（R）表示。）表示。 表面波在介質表面傳播時，介質表面質點作橢圓運動，橢表面波在介質表面傳

30、播時，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。圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。 橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫 波的合成。因此表面波同橫波一樣只能在固體介質中傳波的合成。因此表面波同橫波一樣只能在固體介質中傳 播，不能在液體或氣體介質中傳播。播，不能在液體或氣體介質中傳播。 40 表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱。當傳播深度超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，過兩倍波長時，質點的振幅就已經很小了。因此，一

31、般認一般認 為，表面波探傷只能發現距工件表面兩倍波長深度范圍內為，表面波探傷只能發現距工件表面兩倍波長深度范圍內 的缺陷。的缺陷。 41 4.板波：在板厚與波長相當的薄板中傳播的波，稱為板板波：在板厚與波長相當的薄板中傳播的波，稱為板 波。波。 根據質點的振動方向不同可將板波分為根據質點的振動方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。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。當于固體介質表面中的橫波。 42

32、 （2）蘭姆波：）蘭姆波： 分為對稱型（分為對稱型（S型）和非對稱型（型）和非對稱型（A型）。型）。 對稱型蘭姆波：薄板中心質點作縱向振動，上下表面質點對稱型蘭姆波：薄板中心質點作縱向振動，上下表面質點 作橢圓運動，振動相位相反并對稱于中心。作橢圓運動，振動相位相反并對稱于中心。 非對稱型蘭姆波：非對稱型蘭姆波： 薄板中心質點作橫向振動，薄板中心質點作橫向振動， 上下表面質點作橢圓運動，上下表面質點作橢圓運動， 相位相同，不對稱。相位相同，不對稱。 43 2.2.2按波的形狀分類：按波的形狀分類： 波的形狀是指波陣面的形狀。波的形狀是指波陣面的形狀。 波陣面：波陣面：同一時刻同一時刻，介質中振

33、動相位相同的所有質點所連，介質中振動相位相同的所有質點所連 成的面稱為波陣面。成的面稱為波陣面。 波前：波前：某一時刻某一時刻，波動所到達的空間各點所連成的面為波，波動所到達的空間各點所連成的面為波 前。前。 波線：波的傳播方向稱為波線。波線：波的傳播方向稱為波線。 波前是最前面的波陣面，是波陣面的特例。任意時刻，波波前是最前面的波陣面，是波陣面的特例。任意時刻，波 前只有一個，而波陣面卻很多。在各向同性的介質中，波前只有一個，而波陣面卻很多。在各向同性的介質中，波 線恒垂直于波陣面或波前。線恒垂直于波陣面或波前。 44 1.平面波：波陣面為相互平行的平面的波，其波源為一平平面波：波陣面為相互

34、平行的平面的波，其波源為一平 面。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，不隨距離而變化。質點振幅是一個常數，不隨距離而變化。 其波動方程為：其波動方程為： 45 2.柱面波：波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波柱面波：波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波 的波源為一直線。的波源為一直線。 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

35、面波。柱面波波束向四周擴散，柱面波各質點的可視為柱面波。柱面波波束向四周擴散，柱面波各質點的 振幅與距離的平方根成反比。振幅與距離的平方根成反比。 其波動方程為：其波動方程為： 46 3.球面波：波陣面為同心球面的波稱為球面波。球面波的球面波：波陣面為同心球面的波稱為球面波。球面波的 波源為一點。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。的振幅與距離成反比。 其波動方程為：其波動方程為： 47 實際應

36、用的超聲波探頭中的波源近似活塞振動，其在各向實際應用的超聲波探頭中的波源近似活塞振動，其在各向 同性介質中輻射的波稱為活塞波。當距波源的距離足夠大同性介質中輻射的波稱為活塞波。當距波源的距離足夠大 時，活塞波的聲場特性類似于球面波。時，活塞波的聲場特性類似于球面波。 48 2.2.3按振動的持續時間分類按振動的持續時間分類 1.連續波：波源持續不斷的振動所輻射的波稱為連續波。連續波：波源持續不斷的振動所輻射的波稱為連續波。 超聲穿透法檢測常采用連續波。超聲穿透法檢測常采用連續波。 49 2.脈沖波：波源振動持續時間很短（通常是微秒級，脈沖波：波源振動持續時間很短（通常是微秒級， 1s=10-6

37、s）、間歇輻射的波稱為脈沖波。目前超聲檢測中）、間歇輻射的波稱為脈沖波。目前超聲檢測中 廣泛采用的就是脈沖波廣泛采用的就是脈沖波 一個脈沖波可分解為多個不同頻率的諧振波的疊加。將一一個脈沖波可分解為多個不同頻率的諧振波的疊加。將一 個復雜振動分解為諧振動的方法，稱為頻譜分析。個復雜振動分解為諧振動的方法，稱為頻譜分析。 50 51 一個聲脈沖的頻譜可用專門的頻譜分析儀來進行顯示。其一個聲脈沖的頻譜可用專門的頻譜分析儀來進行顯示。其 中人們關心的頻譜特征量有：峰值頻率、頻帶寬度和中心中人們關心的頻譜特征量有：峰值頻率、頻帶寬度和中心 頻率。頻率。 峰值頻率峰值頻率fp：幅度峰值所對應的頻率值。幅

38、度峰值所對應的頻率值。 頻帶寬度：頻帶寬度：峰值兩側幅度下降為峰值的一半時的頻率值峰值兩側幅度下降為峰值的一半時的頻率值fll 和和fu u之間的頻率范圍。（之間的頻率范圍。（-6db-6db帶寬帶寬）脈沖越短，則頻帶越）脈沖越短，則頻帶越 寬。寬。 中心頻率中心頻率fe：頻率值頻率值fll和和fu u之算數平均值。之算數平均值。 52 通常超聲檢驗中使用的是窄頻帶、寬（長）脈沖的脈沖波通常超聲檢驗中使用的是窄頻帶、寬（長）脈沖的脈沖波 。 53 54 2.3波的疊加、干涉和衍射波的疊加、干涉和衍射 2.3.1波的疊加與干涉波的疊加與干涉 1.波的疊加原理波的疊加原理 當幾列波在同一介質中傳播

39、時，如果在空間某處相遇，則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。該質點的位移是各列波引起位移的矢量和。 幾列波相遇后，仍保持自己原有的頻率、波長、振動方向幾列波相遇后，仍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前進，好象在各自的途中等特性并按原來的傳播方向繼續前進，好象在各自的途中 沒有遇到其他波一樣，這就是波的迭加原理，又稱波的沒有遇到其他波一樣，這就是波的迭加原理，又稱波的獨獨 立性立性原理。原理。 55 57 2

40、.波的干涉波的干涉 波的干涉是在特定條件下波疊加所產生的現象。波的干涉是在特定條件下波疊加所產生的現象。 相遇時，介質中某些地方的振動相互加強，另一些地方的相遇時，介質中某些地方的振動相互加強，另一些地方的 振動相互減弱或完全抵消的現象稱為振動相互減弱或完全抵消的現象稱為波的干涉現象。波的干涉現象。 能產生干涉現象的波稱為能產生干涉現象的波稱為相干波。相干波。 其波源稱為其波源稱為相干波源。相干波源。 兩列波兩列波 頻率相同頻率相同 振動方向相同振動方向相同 相位相同或相位差恒定相位相同或相位差恒定 當兩相干波的波程差等于波長的整數倍時，二者相互加強，當兩相干波的波程差等于波長的整數倍時，二者

41、相互加強， 合振動振幅合振動振幅最大最大。 o x t 當兩相干波的波程差等于半波長的奇數倍時，二者相互抵當兩相干波的波程差等于半波長的奇數倍時，二者相互抵 消，合振動振幅消，合振動振幅最小最小. . o x t 水波干涉俯視圖樣水波干涉俯視圖樣 波的迭加原理是波的干涉現象的基礎，波的干涉是波動的波的迭加原理是波的干涉現象的基礎，波的干涉是波動的 重要特征。在超聲波探傷中，由于波的干涉，使超聲波的重要特征。在超聲波探傷中，由于波的干涉，使超聲波的 波源附近出現聲壓極大、極小值。波源附近出現聲壓極大、極小值。 63 2.3.3 惠更斯惠更斯菲涅耳原理與波的衍射菲涅耳原理與波的衍射 1.惠更斯惠更

42、斯-菲涅爾原理菲涅爾原理 （16901815） 波動是振動狀態的傳播，如果介質是連續的，那么介質中波動是振動狀態的傳播，如果介質是連續的，那么介質中 任何質點的振動都將引起鄰近質點的振動，鄰近質點的振任何質點的振動都將引起鄰近質點的振動，鄰近質點的振 動又會引起較遠質點的振動，因此波動中任何質點都可以動又會引起較遠質點的振動，因此波動中任何質點都可以 看作是新的波源，在其后任意時刻這些子波的包跡就決定看作是新的波源，在其后任意時刻這些子波的包跡就決定 了新的波陣面。了新的波陣面。 利用惠更斯利用惠更斯菲涅爾原理可以確定波前的幾何形狀和波的菲涅爾原理可以確定波前的幾何形狀和波的 傳播方向，解釋波

43、的反射、折射和衍射等現象。傳播方向，解釋波的反射、折射和衍射等現象。 64 2.波的衍射（繞射）：波在傳播過程中遇到障礙物時，能波的衍射（繞射）：波在傳播過程中遇到障礙物時，能 繞過障礙物的邊緣，在障礙物的陰影區內繼續傳播的現象繞過障礙物的邊緣，在障礙物的陰影區內繼續傳播的現象 。 波的繞射與障礙物尺寸波的繞射與障礙物尺寸 Df 及波長及波長 的相對大小有關。的相對大小有關。 65 當當Df 時，波的繞射強，反射弱，缺陷回波很低，容時，波的繞射強，反射弱，缺陷回波很低，容 易漏檢。易漏檢。 當當Df 時，反射強，繞射弱，聲波幾乎全反射。時，反射強，繞射弱，聲波幾乎全反射。 超聲檢測靈敏度約為超

44、聲檢測靈敏度約為 /2，這是一個重要原因。，這是一個重要原因。 66 超聲波探傷的靈敏度約為超聲波探傷的靈敏度約為/2 例例: :對鋼對鋼 , ,頻率頻率f=2.5MHz, , 根據根據 C= f 縱波聲速縱波聲速CL=5900m/s L= 2.36 mm 橫波聲速橫波聲速CS=3230m/s S= 1.29 mm 在頻率相同的條件下在頻率相同的條件下, ,橫波的檢測靈敏度高于縱波的檢測橫波的檢測靈敏度高于縱波的檢測 靈敏度靈敏度. . 相同介質中相同介質中, ,提高工作頻率可以檢出較小的缺陷提高工作頻率可以檢出較小的缺陷. . 67 2.4超聲波的傳播速度超聲波的傳播速度 超聲波、次聲波和聲

45、波的實質一樣，都是機械波。它們在超聲波、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。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，故聲速也是關。對特定的介質，彈性模量和密度為常數，故聲速也是 常數。不同的介質，有不同的聲速。超聲波波型不同時，常數。不同的介質，有不同的聲速。超聲波波型不同時， 介質彈性變形形式不同，聲速也不一樣。介質彈性變形形式不同，聲速也不一樣。 2.4.1固體介質中的聲速固體介質中的聲速 固體介質不僅能傳播縱波，而且還可以傳播橫波

46、和表面波固體介質不僅能傳播縱波，而且還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。樣。 68 1.無限大固體介質中的聲速：當介質的尺寸遠大于波長無限大固體介質中的聲速：當介質的尺寸遠大于波長 時，就可以視為無限大介質。時，就可以視為無限大介質。 無限大固體介質中縱波聲速：無限大固體介質中縱波聲速： CL = 無限大固體介質中橫波聲速：無限大固體介質中橫波聲速： CS = = 69 E )21)(1 ( 1 -

47、- G E )1 (2 1 無限大固體介質中表面波聲速：無限大固體介質中表面波聲速： CR = 式中式中 E：介質的楊氏彈性模量：介質的楊氏彈性模量 G：介質的剪切彈性模量：介質的剪切彈性模量 ：介質的密度：介質的密度 ：介質的泊松比，所有固體介質的泊松比都在：介質的泊松比，所有固體介質的泊松比都在 00.5之間之間 70 1 12. 187. 0 )1 (2 1 E 泊松比（英語：泊松比（英語：Poissons ratio），又譯蒲松比，是），又譯蒲松比，是材料力材料力 學學和和彈性力學彈性力學中的名詞，定義為材料受拉伸或壓縮力時，中的名詞，定義為材料受拉伸或壓縮力時， 材料會發生變形，而其

48、橫向變形量與縱向變形量的比值，材料會發生變形，而其橫向變形量與縱向變形量的比值， 是一是一無量綱無量綱的物理量。的物理量。 71 小結小結： （1）固體介質中的聲速與介質的密度和彈性模量有關，）固體介質中的聲速與介質的密度和彈性模量有關， 不同的介質，聲速不同；介質的彈性模量越大，密度越不同的介質，聲速不同；介質的彈性模量越大，密度越 小，則聲速越大。小，則聲速越大。 （2）聲速還與波的類型有關，在同一固體介質中，縱波、）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。橫波和表面波的聲速各不相同。 對鋼材而言，對鋼材而言， 0.28，所以，所以CLCSCR=1.81

49、0.9 72 2.細長棒中的縱波聲速（棒徑細長棒中的縱波聲速（棒徑d ）：）： CLb= 73 E 3. 聲速與溫度、應力及均勻性的關系：聲速與溫度、應力及均勻性的關系： 一般介質中的聲速隨介質溫度升高而降低；一般介質中的聲速隨介質溫度升高而降低； 當應力方向與聲波的傳播方向一致時：應力增加，聲速加當應力方向與聲波的傳播方向一致時：應力增加，聲速加 快；應力減小，聲速減小。快；應力減小，聲速減小。 固體材料組織均勻，晶粒度細，聲速大；固體材料組織不固體材料組織均勻，晶粒度細，聲速大；固體材料組織不 均勻，晶粒度粗，聲速慢。均勻，晶粒度粗，聲速慢。 74 4. 蘭姆波的聲速：蘭姆波的聲速： 由于

50、蘭姆波傳播時受到上下界面的影響，因此其聲速與縱由于蘭姆波傳播時受到上下界面的影響，因此其聲速與縱 波、橫波、表面波不同，它不僅與介質的性質有關，而且波、橫波、表面波不同，它不僅與介質的性質有關，而且 與與板厚、頻率等有關。板厚、頻率等有關。 對于特定的板厚和頻率組合，還可有多個對稱型和非對稱對于特定的板厚和頻率組合，還可有多個對稱型和非對稱 型的振動模式，型的振動模式，每個模式具有不同的波速。每個模式具有不同的波速。 蘭姆波聲速分為相速度和群速度。蘭姆波聲速分為相速度和群速度。 75 2.4.2液體、氣體介質中的聲速液體、氣體介質中的聲速 C = 式中式中 B：液體、氣體介質的容變彈性模量，表

51、示產生單：液體、氣體介質的容變彈性模量，表示產生單 位容積相對變化量所需壓強；位容積相對變化量所需壓強； ：液體、氣體介質的密度。：液體、氣體介質的密度。 液體介質中聲速與溫度的關系：液體介質中聲速與溫度的關系： 除水以外幾乎所有液體，當溫度升高時，容變彈性模量減除水以外幾乎所有液體，當溫度升高時，容變彈性模量減 小，聲速降低。但水在小，聲速降低。但水在74左右時聲速最大，水溫低于左右時聲速最大，水溫低于 74時，聲速隨溫度升高而增加；當水溫高于時，聲速隨溫度升高而增加；當水溫高于74時，聲時，聲 速隨溫度升高而降低。速隨溫度升高而降低。 76 B 2.4.3聲速的測量聲速的測量 聲速是衡量材

52、料聲學性質的重要參數。實際檢測中有時需聲速是衡量材料聲學性質的重要參數。實際檢測中有時需 要測量材料中的聲速。要測量材料中的聲速。 77 1.超聲檢測儀器測量法：超聲檢測儀器測量法： 固定時間固定時間 t ，則，則C鋼 鋼 = C水水 78 b d 這種方法測量聲速，精度不高。影響誤差的主要原因是：這種方法測量聲速，精度不高。影響誤差的主要原因是： 直探頭前面有一層保護膜，聲波在里面傳播有一段時間。直探頭前面有一層保護膜，聲波在里面傳播有一段時間。 另外另外d、b的測量存在誤差。還有工件底波和水層底波前的測量存在誤差。還有工件底波和水層底波前 沿不一定完全重合。沿不一定完全重合。 2.測厚儀測

53、聲速：測厚儀測聲速： 3.示波器測聲速：示波器測聲速： 79 2.5超聲場的特征量超聲場的特征量 充滿超聲波的空間或超聲振動所波及的部分介質，叫做超充滿超聲波的空間或超聲振動所波及的部分介質，叫做超 聲場。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，才有可能被發現。場內時，才有可能被發現。 描述超聲場的特征量主要有聲壓、聲強、聲阻抗。描述超聲場的特征量主要有聲壓、聲強、聲阻抗。 80 2.5.1 聲壓聲壓 ：超聲場中某一點在某一時刻所具有的壓強：超聲場中某一點在某一時刻所具有的壓強P1 與沒有超聲波存在時的靜態壓強與沒有

54、超聲波存在時的靜態壓強P0之差，稱為該點的聲壓之差，稱為該點的聲壓 P。 聲壓單位：帕斯卡聲壓單位：帕斯卡 1Pa = 1N/m2 P = c 式中式中 介質的密度介質的密度 c波速，波速，c=dx/dt 質點的振動速度，質點的振動速度，u=A=2fA。 超聲檢測儀器顯示的信號幅值的本質就是回波聲壓超聲檢測儀器顯示的信號幅值的本質就是回波聲壓P，示，示 波屏上的波高與回波聲壓成正比。在超聲檢側中，就缺陷波屏上的波高與回波聲壓成正比。在超聲檢側中，就缺陷 而論，其回波聲壓值反應缺陷的大小。而論，其回波聲壓值反應缺陷的大小。 81 2.5.2 聲阻抗聲阻抗 ：超聲場中任一點的聲壓與該處質點振動速：

55、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，常用度之比稱為聲阻抗，常用Z表示。表示。 Z=P/=c/=c 聲阻抗的單位為：克聲阻抗的單位為：克/厘米厘米2秒（秒（g/cm2s） 或千克或千克/米米2秒（秒（kg/m2s）。）。 聲阻抗是表征介質聲學性質的重要物理量。超聲波在兩種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。密切相關。 材料的聲阻抗與溫度有關，一般材料的聲阻抗隨溫度升高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。這是因為聲阻抗而降低。這

56、是因為聲阻抗Z=c，而大多數材料的密度，而大多數材料的密度 和和 聲速聲速 c 隨溫度增加而減少。隨溫度增加而減少。 82 2.5.3 聲強聲強 I 單位時間內垂直通過單位面積的聲能稱為聲強，常用單位時間內垂直通過單位面積的聲能稱為聲強，常用I表表 示。單位是：瓦示。單位是：瓦/厘米厘米2（W/cm2）或焦耳）或焦耳/厘米厘米2秒秒 （J/cm2s）。）。 在同一介質中，超聲波的聲強與聲壓的平方成正比。在同一介質中，超聲波的聲強與聲壓的平方成正比。 I = 83 Z p 2 2 1 2.5.4 分貝與奈培分貝與奈培 通常規定引起聽覺的最弱聲強為通常規定引起聽覺的最弱聲強為I1=10-16瓦瓦/

57、厘米厘米2作為聲強作為聲強 的標準，另一聲強（如平常談話的聲強為的標準，另一聲強（如平常談話的聲強為10-11瓦瓦/厘米厘米2） I2與標準聲強與標準聲強I1之比的常用對數稱為聲強級，單位為貝爾之比的常用對數稱為聲強級，單位為貝爾 （BeL）。）。 =lg （I2 / I1） （BeL） 實際應用貝爾太大，取實際應用貝爾太大，取1/10為單位：分貝（為單位：分貝（db ） = 10lg（I1/I2）= 20lg（P1/P2） （db） 84 在超聲探傷中，當超聲波探傷儀的垂直線性較好時，儀器在超聲探傷中，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，這時有示波屏上的波高與聲

58、壓成正比，這時有 =20lg（P2/P1）=20lg（H2/H1 ）（）（dB） 這里聲壓基準這里聲壓基準P1或波高基準或波高基準H1可以任意選取。可以任意選取。 當當H2/H1=1時，時，= 0dB，說明兩波高相等時，二者的分貝，說明兩波高相等時，二者的分貝 差為零差為零 當當H2/H1=2時，時，= 6dB，說明，說明H2為為H1的的2倍時，二者波高差倍時，二者波高差 6dB。（高）。（高） 當當H2/H1=1/2時，時，= -6dB，說明，說明H2為為H1的的1/2倍時，二者倍時，二者 波高差還是波高差還是6db。（低）。（低） 85 若若H2/H1或或P2/P1取自然對數，則其單位為奈

59、培（取自然對數，則其單位為奈培（NP）。）。 = ln（P2/P1）= ln（H2/H1）（）（NP） 令：令： P2/P1 = e 則則ln（P2/P1）= lne =1（NP） 20lg（P2/P1）= 20lge = 8.68db 即：即： 1NP = 8.68db 分貝與奈培就是兩個同量綱的量之比取對數后的單位。分貝與奈培就是兩個同量綱的量之比取對數后的單位。 86 用分貝值表示回波幅度的相互關系，不僅可以簡化運算，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表而且在確定基準波高以后，可直接用儀器衰減器的讀數表 示缺陷波的相對波高

60、。示缺陷波的相對波高。 因此，分貝概念的引用對超聲檢測有很重要的實用價值。因此，分貝概念的引用對超聲檢測有很重要的實用價值。 此外，在超聲波探傷對缺陷的定量計算和衰減系數的測定此外，在超聲波探傷對缺陷的定量計算和衰減系數的測定 中也常常用到分貝。中也常常用到分貝。 87 2.6 超聲波垂直入射到界面時的反射和透射超聲波垂直入射到界面時的反射和透射 超聲波從一種介質傳播到另一種介質時，在兩種介質的分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；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。另一部分