超声波探伤第一章 UT的物理基础第一节振动与波动一、振动：物体沿直线或曲线在某一平衡位臵附近作往复周期运动。

其快慢用周期和频率两个物理量来描述。

周期T：振动物体完成一次全振动所需的时间。

频率f：单位时间内完成的振动次数。

谐振动：最简单基本的直线振动。

二、波动：振动的传播过程。

分机械波和电磁波两大类。

超声波是一种机械波，产生机械波必须具备两个条件：波源和介质。

振动与波动的关系：振动是波动的根源；波动是振动的传播状态，也是振动能量的传播过程。

波长、频率和波速●波长、频率和波速●波长λ：同一波线上相邻两振动相位相同质点间的距离。

●频率f：波动过程中，任一给定点在1秒种内所通过的完整波的个数波动。

波动的频率数值上同振动的频率。

●波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离。

C=λf●次声波、声波和超声波1、划分：20～200002、超声波的应用探伤所用的频率一般在0.5～10M之间，金属材料检验一般1～5M超声波的特性：方向性好；能量高；能在界面上产生反射、折射和波型转换；穿透能力强。

利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等等，因此是应用最广泛的一种重要的无损检测技术--超声检测技术。

其它应用还有医疗上的超声诊断（如B超）、海洋学中的声纳、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。

第二节波的类型一、根据质点的振动方向分类1、纵波L：振动方向与传播方向平行。

压缩波、疏密波2、横波S：振动方向与传播方向垂直。

切变波3、表面波R：沿介质表面传播，质点作椭圆运动。

瑞利波按波的形状分：平面波、柱面波、球面波。

实际探伤活塞波，远场近球面波按振动持续时间分：连续波、脉冲波。

实际探伤脉冲波第三节超声波的传播速度超声波在同一介质中传播速度相同，与介质的弹性模量和密度有关。

一、固体介质中的声速（介质的尺寸对声速有影响）–不同介质，声速不同；弹性模量越大，密度越小，声速越大。

–声速与波的类型有关，同一介质中，CL>CS>CR–介质的温度、应力、均匀性影响声速。

铝、钢、聚枫的声速二、液体、气体介质中的声速液体、气体介质只能传播纵波，除水外，温度上升，声速下降。

液、气介质容变弹性模量愈大，密度愈小，声速越大。

声速的测量探伤仪法：利用时间刻度：反射法C=2d/t穿透法C=d/t*利用深度刻度：利用已知C P14测厚仪法：共振法、示波器法。

第四节波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理一、波的迭加在同一介质中传播的几列波在某点相遇，相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成。

相遇后各列波仍保持各自的特性。

二、波的干涉（源附近出现声压极大极小值）f相同、振动方向相同、位相相同或位相差恒定的两列波（相干波）相遇时，某些地方质点振动互相加强而另一些地方互相减弱或完全抵消的现象。

三、惠更斯原理介质中波动传播到的各点分别是子波波源四、波的衍射（UT探伤的灵敏度）●波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，也称绕射。

●D<<λ D=λ D>>λ●弊：漏小缺；利：绕晶（铸，f小）超声探伤灵敏度约为λ/2。

第五节超声场的特征值●充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质叫超声场。

●特征值：声压、声强、声阻抗●声压P某一点有无超声波存在时的压强差。

探伤仪示波屏上的波高与声压成正比。

P=ρcu●声阻抗Z声压与振动速度之比。

Z=P/u=ρc声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量，超声波在两种介质界面上的反射和透射情况与声阻抗紧密相关。

温度升高Z降低。

强I：单位时间内垂直通过单位面积的声能。

超声传播时，能量周期性变化；声强与频率的平方成正比，超声声强远大于可闻声波；同一介质中声强与声压的平方成正比。

第六节分贝和奈贝贝尔：某一声强与10-16瓦/厘米2之比的常用对数。

BeL分贝：1/10贝尔 dB用分贝值表示回波幅度间的相互关系，不仅可以简化运算，而且在确定基准波高后可直接用仪器衰减器读数表示缺陷相对波高。

因此分贝概念对UT有很重要的实用价值。

奈贝：对P2/P1或H2/H1取自然对数e=2.71828P22 例题第七节超声波垂直入射到界面时的反射和透射超声波在两种介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称反射波；一部分能量透过界面在另一介质中传播，称透射波。

一、单一界面的反射率与透射率由上式，声压或声强的分配比例仅与声阻抗有关常见界面上声压声强反、透射情况㈠Z2＞Z1（水/钢，水浸法）反、透射率都较高。

声压是力的概念，声强是能量㈡ Z2＜Z1（钢/水）声压透射率很低，反射率高。

声强与上同，垂直入射时声强反射率与从何种介质入射无关。

㈢ Z2＞＞Z1（钢/空气）几乎全反射，无透射。

-》耦合的重要性。

㈣ Z2≈Z1（母材/焊缝）几乎全透射，无反射。

-》熔合面无回波。

上述四条同样适用于横波，但固液固气全反射。

221111R r R T r R r t R T r t T -=-===-=+间的关系：、、、二、薄层界面的反、透射率●超声波会在薄层的两侧界面多次反、透射。

●超声波通过异质薄层时的声压反、透射率不仅与介质和薄层的声阻抗有关，还与薄层厚度与波长之比有关1、均匀介质中的异质薄层（Z1=Z3≠Z2）（缺陷）1）厚度为半波整数倍，全透射2）厚度为四分之一波长奇数倍，透射率低，反射率高。

●P27图●超声波对探测含有气体介质的缺陷如裂纹，灵敏度很高。

●薄层厚度一定时，频率增加，声压反射率也随着增加。

（提高频率对提高探伤灵敏度有利）2、薄层两侧介质不同的双界面(Z1≠Z2≠Z3)(晶片-保护膜-工件) 1）半波整数倍全透射2）四分之一波长奇数倍，如果Z2=（Z1Z3）1/2全透(保护膜)底面全反射的条件下*，数值上等于声强透射率。

只与两侧介质的声阻抗有关，差越小往越高。

往复透射率高，探伤灵敏度高。

P28 图第八节超声波倾斜入射到界面时的反射和折射波型转换：超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类型的反射波和折射波外，还会产生不同类型的反、折射波。

●当αL＜αI 时，第二介质中即有折射纵波也有折射横波。

●当αL＝αI ～αII时，第二介质中只有折射横波，无折射纵波。

（横波探头）●αL≥αII时，第二介质内无折射纵、横波，在其表面存在表面波（表波探头）P31 例题二、声压反射率●斜入射时声压反、透射率不仅与介质声阻抗有关，还与入射角有关。

●钢空气界面 P32 图三、声压往复透射率P33 图 K1四、端角反射P33 图 K≯1.5第九节超声波的聚焦和发散一、声压距离公式球面波P=P1/x柱面波p=P1/sqr(x)平面波P=P1二、球面波在曲界面上的反、折射反射与光学相同折射第十节超声波的衰减●超声波在介质中传播随距离增加能量减弱的现象。

●一、衰减的原因波束扩散：取决于波阵面的形状，与介质的性质无关。

散射衰减：遇到声阻抗不同界面产生散乱反射引起衰减，与介质的晶粒密切相关。

吸收衰减：由介质中质点间的摩擦和热传导引起的衰减，也称粘滞衰减。

介质衰减指吸收和散射衰减。

●介质的吸收衰减与频率成正比。

●介质的散射衰减与频率、晶粒直径、各向异性系数有关。

●液体介质主要是吸收衰减，温度上升衰减系数减小。

介质衰减与介质的性质密切相关，在实际工作中根据底波次数来衡量材料衰减情况。

三、衰减系数的测定第二章超声波发射声场与规则反射体的回波声压只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现第一节纵波发射场一、圆盘轴线波源辐射的纵波声场1、波源轴线上声压分布简化公式（x≥3R2/λ）：（1）近场区波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值的区域。

●近场长度（N）：波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离。

处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高。

容易引起误判甚至漏判。

因此应尽量避免在近场区探伤定量。

（2）远场区●波源轴线上至波源的距离x>N的区域。

远场区轴线上的声压随距离的增加而减小。

●X>3N时，干涉现象可忽略，声压与距离成反比。

2、波束指向性和半扩散角（1）超声远场中同一横截面上各点的声压不同，轴线上声压最高。

所以在实际探伤中波束轴线垂直缺陷时回波最高。

（2）圆盘源辐射声场中存在一些声压为零的圆锥面。

（P48 图2.4）（3）半扩散角以外的声场声压很低，能量集中在半扩散角以内。

以确定的扩散角向固定的方向辐射超声波的特性称为波束的指向性。

2θ0以内的波束称为主声束，位于主声束内的缺陷才容易被发现。

• 减小半扩散角有助于集中能量，提高探伤灵敏度。

由θ0＝70λ/D，D 、f 增大θ0减小；但由 D 、f 增大会导致近长长度N 增加，对探伤不利。

因此在实际探伤中需根据需要合理选择D 、f ，一般是在保证灵敏度的前提下尽可能减小近场区长度。

3、波束未扩散区与扩散区波束的扩散并非由声源开始，在波源附近存在一个未扩散区，长度b≈1.64N●P49 图2.5●未扩散区内波束不扩散，不存在扩散衰减。

（薄板试块前几次底波高度相差无几）二、矩形波源辐射的纵波声场2a边半扩散角2b边半扩散角近场区长度三、近场区在两种介质中的分布●实际探伤中，近场区分布在两种不同的介质中，如水-钢。

第二介质中的剩余近场长度：●例：用2.5MHz、φ14纵波直探头水浸探伤钢板，已知水层厚度为20mm，钢中 CL＝5900m/s，CS＝3230m/s，水中CL=1480m/s，求钢中近场区长度N。

四、实际声场与理想声场比较●理想声场：液体介质，波源活塞振动，辐射连续波。

●实际声场：固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波。

●实际声场在远场区轴线上的声压分布接近理想声场。

在近场区内极大值远小于2P0，极小值远大于0，极值点的数量也明显减少。

（P52 图2.12）●实际声场与理想声场不同的原因：（1）理想声场的连续波在波源附近完全干涉，而实际声场的脉冲波不完全干涉或不干涉。

所以实际声场近场区声压变化幅度小，极值点少。

（2）脉冲波由不同频率的正、余弦波组成，不同f的声场极值点不同，互相迭加后总声压趋于均匀。

（ 3）实际声场非均匀激发，中心振幅大于边缘，产生的干涉小。

当波源激发强度按高斯曲线变化时，近场区无极值。

（高斯探头）（4）固体介质的迭加干涉小于液体介质。

第二节横波发射声场一、假想横波波源目前常用的横波探头一般是通过斜入射至界面的纵波波型转换来实现的，其声场由第一介质中的纵波声场与第二介质中的横波声场组成。

为了便于理解计算，将第一介质中的转化为与第二介质波束轴线重合的假想横波波源。