砼超聲檢測技術第一部分聲學基礎

第一章振動與波

一、波的產生1.波的產生質點振動－質點在一定位置附近重復運動彈性介質－相互間由彈性力聯系著的質點組成的物質2.質點在彈性介質中的振動產生波3.簡諧振動方程簡諧振動方程x=Acos(ωt+φ）x－位移A－振幅，離開平衡位置的最大位移ωt+φ－相位：確定物體在時刻t所處的位置ω－角頻率ω＝2nfφ－初相位彈性介質模型1—質點；2—小彈簧二、波的分類機械波－機械振動在彈性介質中的傳播1.波過程，如：聲波、水波等電磁波－電磁振蕩引起的變化的電場與磁場在空間的傳播，如：無線電波、紫外線、光線等2．聲波聲波是機械波，按頻率可分為：次聲波0～20Hz可聞聲波20～20kHz超聲波20kHz～1010Hz(如：砼超聲20k～250kHz）特超聲波＞1010Hz金屬超聲三、波的種類1.按質點振動方向與傳播方向關系分類縱波（P波）—質點振動方向與波的傳播方向一致，如聲波；介質時疏時密，容積變形引起壓強變化而傳播，與容變彈性有關，可以在固體、液體、氣體中傳播。橫波（S波）—質點振動方向與波的傳播方向垂直，介質剪切變形引起剪切應變力變化而傳播，與切變彈性有關，只能在固體中傳播?？v波、橫波迭加產生其它類型的波表面波（R波）－縱向振動與橫向振動迭加形成園振動，沿介質表面傳播，只能在固體中傳播

表面波板波（蘭姆波）扭轉波拉伸波2．波的形式①

聲波在無限大且各向同性介質中向各方向傳播波線－傳播的方向波前－振動傳播到的各點的軌跡波陣面－介質中振動同相位的所有質點的軌跡②

按波陣面分平面波－波陣面是平面，振源是無限大平面球面波－波陣面是球面，振源是點源柱面波－波陣面是同軸園柱面，振源是無限長園柱（a）

平面波；（b）球面波；（c）柱面波1－波線；2－波前；3－波陣面四、波動方程

1．波動方程的意義平面波在無吸收，無限大均勻介質中沿X方向傳播波動方程圖波動方程：

y：波線上任意一點（距原點X）的質點任一時刻t的位移V：波速2．波速V－振動傳播的速度周期T－質點完成一次振動的時間波長λ－在周期T內波傳播的距離頻率f－每秒振動的次數λ=v·Tλ=v/f例：V＝4000m/sf＝50kHzλ＝80mm波的頻率，振幅，相位也就是質點振動的頻率，振幅，相位第二章固固體中的的波速一、縱波波速速VP1．無限大介質2．薄板介質質（板厚<<λ）3．細長桿（橫向向尺寸<<λ）砼VP＝4500m/sVL=4368m/sVO＝4280m/s常見幾種介質質中的縱波聲聲速砼VP＝3500－－4500m/s空氣Va=340m/s水Vw＝1500m/s鋼材（鋼管））Vi＝5800m/sPVC管VP＝2350m/s縱波波速與固固體介質的特特性(密度、、彈性模量E、泊松比）和固固體介質的邊邊界條件有關關二、橫波波速速VS無限大介質中中G－切變模量三、表面波波波速VR當介質尺寸>>λ，半無限大與無無限大物體波波速相近第三章聲聲場聲場指充滿聲聲波的空間一、聲壓PP＝P1－PO單位：帕（斯斯卡）＝N/m2P1－某點某瞬時的的壓強PO－同一點沒有聲聲強時的壓強強聲壓與頻率成成正比，所以以超聲波比可可聞聲波的聲聲壓大二、聲強J垂直于聲波傳傳播方向上單單位面積，單單位時間內通通過的聲能量量為聲強，超超聲波的聲強強遠大于可聞聞聲波的聲強強三、聲聲阻抗抗率ZZ=ρ·V砼Z＝108×104g/cm2.s第四章章聲聲波波在介介質界界面的的反射射與與折射射（透透射）聲界面面指聲聲阻抗抗率Z不同介介質的的界面面一、垂垂直入入射聲壓反反射率率聲壓透透射率率Z1＝Z2R＝0，D＝1Z2>>Z1R-->1幾乎全全反射射，如如空氣氣--砼Z2<<Z1R-->－－1幾乎全全反射射，反反射射波反反相二、斜斜入射射反射定定律i=ββ折射定定律在固體體介質質的界界面聲聲波的的方向向，角角度及及波型型均要要發生生變化化第一臨臨界角角：：若若入射射波是是縱波波，且且v1p<v2p，折射角角θp＞入射角角ip當θp＝900時的入入射角角ip稱為第第一臨臨界角角i1若入射射角＞＞第一一臨界界角，，第二二種介介質中中只有有折射射橫波波，這這是產產生橫橫波的的一種種方法法第五章章聲聲波波的衰衰減聲波在在傳播播過程程中振振幅隨隨傳播播距離離的增增大而而逐漸漸減少少的現現象稱稱為衰衰減一、產產生衰衰減的的原因因1．吸吸收聲聲能熱熱能2．散散射多多次反反射、、折射射，波波型轉轉換3．擴擴散波波束擴擴散使使能量量分散散二、衰衰減系系數聲壓P=P0e-ax衰減系系數吸收衰衰減系系數aa正比于于f或f2散射衰