【正文】 第一章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ) 黃新超 河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院 2022年 4月 第一章 超聲波檢測的物理基礎(chǔ) 超聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動在介質(zhì)中的傳播。 該章主要涉及幾何聲學(xué)和物理聲學(xué)的基本定律和概念。 幾何聲學(xué)：反射定律、折射定律、波形轉(zhuǎn)換。 物理聲學(xué)：波的疊加、干涉、衍射等 167。 1 振動與波動 ? 167。 1－ 1振動 物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復(fù)周期性的運(yùn)動 ,稱為 機(jī)械振動 . 振動產(chǎn)生的必要條件： 一是，物體一旦離開平衡位置，就會受到回復(fù)力的作用；二是阻力足夠小。 全振動： 物體受到一定力的作用，離開平衡位置，產(chǎn)生一個(gè)位移；該力消失后，在回復(fù)力的作用下，將向平衡位置移動，到達(dá)平衡位置時(shí)，它并沒有停止，而是越過平衡位置運(yùn)動到相反方向的最大位移；然后，再向平衡位置移動。 振動的表示：可用周期和頻率表示振動的快慢；用振幅表示振動的強(qiáng)弱。 –周期 T 振動物體完成一次全振動所需要的時(shí)間 ,稱為振動周期 .單位：秒（ S） –頻率 f 振動特物體在單位時(shí)間內(nèi)完成全振動的次數(shù) ,稱為振動頻率 .單位：赫茲（ Hz） –振幅 A 振動物體離開平衡位置的最大距離。 f1T ? 簡諧振動 最簡單最基本的直線振動稱為諧振 .其特點(diǎn)是物體受到的回復(fù)力大小與位移成正比 ,其方向總是指向平衡位置 . 圖 質(zhì)點(diǎn)諧振動參考圖 質(zhì)點(diǎn)諧振動等效圖 ? 簡諧振動方程 質(zhì)點(diǎn)的水平位移和時(shí)間 t的關(guān)系式： y=Acos(ωt+φ) 其中： A：振幅，最大水平位移 ω：圓頻率， ω=2πf=2π / T φ：初相位，即 t=0時(shí)質(zhì)點(diǎn)的相位 ωt+φ：質(zhì)點(diǎn)在 t時(shí)刻的相位 簡諧振動方程描述了諧振動物體在任意時(shí)刻的位移情況。 ? 阻尼振動 –在機(jī)械系統(tǒng)振動時(shí)，由于受到摩擦力或其他阻力的作用，系統(tǒng)的能量會不斷損耗，質(zhì)量振動的振幅逐漸減小，以至于振動停止。所以，阻尼振動是一個(gè)比較普遍情況，也稱為衰減振動。(不符合機(jī)械能守恒 ) ? 受迫振動 –由于振動系統(tǒng)內(nèi)部的阻尼作用，能量逐漸消耗，因初始激發(fā)引起的自由振動，將因?yàn)槟芰恐饾u損耗，振動逐漸減弱，以至運(yùn)動停止。要維持振動必須由另一系統(tǒng)不斷給以激發(fā)，即不斷地補(bǔ)充能量，這種由外加作用維持的振動，稱為強(qiáng)迫振動 。 (不符合機(jī)械能守恒 ) y=Acos(Pt+φ) 其中： A：振幅，最大水平位移 P：策動力的圓頻率 T φ：初相位 ? 167。 1－ 2波動 振動的傳播過程，成為波動。 波動分為 機(jī)械波 和 電磁波 兩大類。 機(jī)械波 是機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程。如水波、聲波、超聲波等。 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、 X射線、 γ射線等。 超聲波是機(jī)械波，因此下面只討論機(jī)械波。 ? 物質(zhì)的彈性模型 彈性介質(zhì) ：這種質(zhì)點(diǎn)間以彈性力聯(lián)系在一起的介質(zhì)稱為彈性介質(zhì)。一般固體、液體、氣體都可視為彈性介質(zhì)。 機(jī)械波的產(chǎn)生 ：彈性介質(zhì)中的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動就會引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動又會引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動，于是振動就以一定的速度由近及遠(yuǎn)地向各個(gè)方向傳播開來，從而就形成了機(jī)械波。 機(jī)械波： 是機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程 . 機(jī)械波必須具備以下兩個(gè)條件 : 1）要有作機(jī)械振動的波源； 2）能傳播機(jī)械振動的彈性介質(zhì)。 –振動與波動是互相關(guān)聯(lián)的，振動是產(chǎn)生波動的根源，波動是振動狀態(tài)的傳播。波動中介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)并不隨波前進(jìn)，只是以交變的振動速度在各自的平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動。 –波動是振動狀態(tài)的傳播過程，也是振動能量的傳播過程。這種能量的傳播，不是靠質(zhì)點(diǎn)的遷移來實(shí)現(xiàn)的，而是由各質(zhì)點(diǎn)的位移連續(xù)變化來逐漸傳播出去的 。 ? 機(jī)械波的主要物理量 波長 ： λ 單位： mm、 m 同一波線上相鄰兩振動相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離 .或者說： 沿著波的傳播方向，兩個(gè)相鄰的同相位質(zhì)點(diǎn)間的距離。 ? 頻率 ： f 單位：赫茲（ Hz） 波動過程中 ,任一給定點(diǎn)在 1秒鐘內(nèi)所通過的完整波的個(gè)數(shù) . ? 波速 ： C 單位： m/s km/s 波動中 ,波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離稱為波速 . C= λf 或 λ=C/f 波長與波速成正比，與頻率成反比。 當(dāng)頻率一定時(shí)，波速愈大，波長就愈長； 當(dāng)波速一定時(shí)，頻率愈低，波長就愈長。 167。 2 波的類型 根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動方向分類 根據(jù)波動傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)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 . 縱波 ：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動方向和波的傳播方向平行。用 L 表示，又稱壓縮波或疏密波。 當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變正應(yīng)力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波。這時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)疏密相間，故縱波又稱為壓縮波或疏密波。 凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。所以， 縱波可以在固體、液體和氣體中傳播 。 橫波： 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動方向和波的傳播方向垂直。用 S 表示 當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生切變變形，從而形成橫波。只有固體能夠承受剪切應(yīng)力，液體和氣體不能承受剪切應(yīng)力，因此，橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體中傳播 。 表面波： 當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟āＳ?R表示，表面波是瑞利在 1887年首次提出的，因此，表面波又稱瑞利波。 表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)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(yùn)動可以視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波和橫波的合成。所以， 表面波和橫波一樣，只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體中傳播。 表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?。表面波的能量隨傳播深度的增加而迅速減弱。一般認(rèn)為， 表面波檢測只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長深度范圍內(nèi)的缺陷。 ? 各 種 類 型 波 的 比 較 波的類型 質(zhì)點(diǎn)振動特點(diǎn) 傳播介質(zhì) 應(yīng)用 縱波 質(zhì)點(diǎn)振動方向平行于波傳播方向 固、液、氣體介質(zhì) 鋼板、鍛件檢測等 橫波 質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于波傳播方向 固體介質(zhì) 焊縫、鋼管檢測等 表面波 質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動，橢圓長軸垂直波 傳播方向，短軸平行于撥傳播方向 固體介質(zhì) 鋼管檢測等 按波的形狀分類 波的形狀（波形）是指波陣面的形狀。 波陣面 ：同一時(shí)刻，介質(zhì)中振動相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)所聯(lián)成的面稱為波陣面。 波 前 ：某一時(shí)刻，波動所到達(dá)的空間各點(diǎn)聯(lián)成的面積稱為波前。 波 線 ：波的傳播方向稱為為波線。 由以上定義可知，波前是最前面的波陣面。任意時(shí)刻，波前只有一個(gè)，而波陣面卻有很多。在各向同性的介質(zhì)中，波線恒垂直于波陣面或波前。 據(jù)波陣面形狀不同，可以把不同波源發(fā)出的波分為平面波、柱面波和球面波。 （ 1） 平面波 波陣面為互相平行的平面的波稱為平面波。平面波的波源為一個(gè)平面。 尺寸遠(yuǎn)大于波長的剛性平面波源在各向同性的均勻介質(zhì)中輻射的波可視為平面波。 平面波波束不擴(kuò)散，平面波各質(zhì)點(diǎn)振幅是一個(gè)常數(shù)，不隨距離而變化。 )(c oscxtAy ?? ?? （ 2） 柱面波 ? 波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波的波源為一條線 。 ? 長度遠(yuǎn)大于波長的線狀波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為柱面波。柱面波波束向四周擴(kuò)散，柱面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離平方根成反比。 )(c oscxtxAy ?? ?? （ 3） 球面波 ? 波陣面為同心圓的波稱為球面波。球面波的波源為一點(diǎn) 。 ? 尺寸遠(yuǎn)小于波長的點(diǎn)波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為球面波。球面波波束向四面八方擴(kuò)散，球面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離成反比。 ? 實(shí)際應(yīng)用的超聲波探頭中的波源近似活塞振動，在各向同性的介質(zhì)中輻射的波稱為活塞波。當(dāng)距離源的距離足夠大時(shí)，活塞波類似于球面波。 )(c oscxtxAy ?? ?? 按振動的持續(xù)時(shí)間分類 ? 根據(jù)波源振動的持續(xù)時(shí)間長短，將波動分為連續(xù)波和脈沖波。 ? （ 1） 連續(xù)波 ? 波源持續(xù)不斷地振動所輻射的波稱為連續(xù)波。 ? 超聲波穿透法檢測常采用連續(xù)波。 ? （ 2） 脈沖波 ? 波源振動持續(xù)時(shí)間很短（通常是微秒數(shù)量級），間歇輻射的波稱為脈沖波。 ? 目前超聲波檢測中廣泛采用的就是脈沖波。 167。 3 超聲波的傳播速度 超聲波在介質(zhì)中