【正文】 12mm1HHPPΔ ??（ 69） 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 2. 介質(zhì)的聲參量 1） 聲速表示聲波在介質(zhì)中傳播的速度 ， 它與超聲波的波型有關(guān) ， 但更依賴于傳聲介質(zhì)自身的特性 。 由式 (64)得 cVPZ ???mm（ 65） 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 3） 單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能 ， 稱為聲強(qiáng) ， 用 I表示 。由于超聲波的頻率很高，遠(yuǎn)大于聲波的頻率，故超聲波的聲壓一般也遠(yuǎn)大于聲波的聲壓。 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 超聲場(chǎng)及介質(zhì)的聲參量簡(jiǎn)介 1) 聲壓 當(dāng)介質(zhì)中有超聲波傳播時(shí)，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，使介質(zhì)中壓強(qiáng)交替變化。 球面波的波動(dòng)方程為 )(c os cxtxAy ?? ?（ 62） 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 3） 連續(xù)波與脈沖波 連續(xù)波是介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)間為無窮時(shí)的波。 平面波即波陣面為平面的波 ， 而柱面波的波陣面為同軸圓柱面 ， 球面波的波陣面為同心球面 ， 如圖 66所示 。 在各向同性介質(zhì)中波線垂直于波陣面 。 薄板兩表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)為縱波和橫波的組合 ， 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡為一橢圓 ， 在薄板的中間也有超聲波傳播 (見圖 65)。 瑞利首先對(duì)這種波給予了理論上的說明 ， 因此表面波又稱為瑞利波 ， 常用 R表示 。 橫波的形成是由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變切應(yīng)力作用時(shí) ， 產(chǎn)生了切變形變 ， 所以橫波又叫做切變波 。 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在交變拉壓應(yīng)力的作用下 ， 質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮變形 ， 從而形成了縱波 。 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 圖 61 超聲波的分類 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 1） 超聲波的波型指的是介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向的關(guān)系 。利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過巧妙的設(shè)計(jì)，使超聲檢測(cè)工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。 2） 穿透能力強(qiáng) 對(duì)于大多數(shù)介質(zhì)而言 ， 它具有較強(qiáng)的穿透能力 。 描述超聲波波動(dòng)特性的基本物理量有： 聲速 c、 頻率 f、 波長(zhǎng) λ、 周期 T 、 角頻率 ω。 其中頻率和周期是由波源決定的 ， 聲速與傳聲介質(zhì)的特性和波型有關(guān) 。 例如在一些金屬材料中 ， 其穿透能力可達(dá)數(shù)米 。 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 3. 超聲波的分類 超聲波的分類方法很多，如圖 。 按波型可分為縱波 、 橫波 、 表面波和板波等 。 縱波傳播時(shí) ， 介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)疏密相間 ， 所以縱波有時(shí)又稱為壓縮波或疏密波 。 液體和氣體介質(zhì)不能承受切應(yīng)力 ， 只有固體介質(zhì)能夠承受切應(yīng)力 ， 因而橫波只能在固體介質(zhì)中傳播 ， 不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播 。 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 圖 63 橫波 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 圖 64 表面波 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 （ 4） 板波 （ 蘭姆波 ） 。 板波按其傳播方式又可分為對(duì)稱型 （ S型 ） 和非對(duì)稱型 （ A型 ） 兩種 ， 這是由質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于板的中間層作對(duì)稱型還是非對(duì)稱型運(yùn)動(dòng)來決定的 。 在任何時(shí)刻 ， 波前總是距聲源最遠(yuǎn)的一個(gè)波陣面 。 當(dāng)聲源是一個(gè)點(diǎn)時(shí) ， 在各向同性介質(zhì)中的波陣面為以聲源為中心的球面 。脈沖波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)間很短的波，超聲檢測(cè)中最常用的是脈沖波。超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬時(shí)所具有的壓強(qiáng)P1與沒有超聲波存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng) P0之差稱為該點(diǎn)的聲壓，用 P表示 ,即 )Pa(01 PPP ??(63) 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 對(duì)于平面余弦波， 可以證明： cVcxtAcxtVcxtPP ??????? ??????? )(s i nc)(s i nc)(s i n mm（ 64） 式中： 為介質(zhì)的密度 。 ? ??AV ?m?? cAP ?m第 6章 常用無損檢測(cè)方法 2） 介質(zhì)中某一點(diǎn)的聲壓幅值 Pm與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值 Vm之比 ， 稱為聲阻抗 ， 常用 Z表示 。 對(duì)于平面縱波 ， 其聲強(qiáng) I為 ZPZVcAI 2m2m22212121 ??? ?? （ 66） 由式 (66)可知，超聲場(chǎng)中，聲強(qiáng)與角頻率平方成正比。 因此 ， 聲速又是一個(gè)表征介質(zhì)聲學(xué)特性的參量 。 群速度是指?jìng)鞑ヂ暡ǖ陌j(luò)上具有某種特征 （ 如幅值最大 ） 的點(diǎn)上沿傳播方向上的聲速 。 不同材料聲速值有較大的差異 。 （ 2） 板波的聲速 。 引起衰減的原因主要有三個(gè)方面：一是聲束的擴(kuò)散；二是由于材料中的晶?；蚱渌⑿☆w粒引起聲波的散射；三是介質(zhì)的吸收 。 在超聲檢測(cè)中 ， 直接可測(cè)量的量是兩個(gè)聲壓比值的分貝數(shù) 。 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 圖 67 超聲波垂直入射于平界面的反射與透射 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 通常將反射波聲壓 Pr與入射波聲壓 P0的比值稱為聲壓反射率 r， 將透射波聲壓 Pt和 P0的比值稱為聲壓透射率 t。 2121220r?????????????ZZZZrIIR? ? 21221202210t 4ZZZZPZPZIIT t????（ 614） （ 615） 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 對(duì)于脈沖反射技術(shù)來說 ， 還有一個(gè)有意義的量是聲壓往返透過率 ， 如圖 68所示 。 如圖 69所示 ， 當(dāng)超聲波從介質(zhì) 1（ 聲阻抗為 Z1） 中垂直入射到介質(zhì) 1和介質(zhì) 2（ 聲阻抗為 Z2） 的界面上時(shí) ， 一部分聲能被反射 ， 另一部分透射到介質(zhì) 2中；當(dāng)透射的聲波到達(dá)介質(zhì) 2和介質(zhì) 3（ 聲阻抗為 Z 3）的界面時(shí) ， 再次發(fā)生反射與透射 ， 其反射波部分在介質(zhì) 2中傳播至介質(zhì) 2與介質(zhì) 1的界面 ， 則又會(huì)發(fā)生同樣的過程 。 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 圖 610 (a) 縱波入射； (b) 橫波入射 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 1) 反射 如圖 610（ a） 所示 ， 當(dāng)縱波以入射角 αL傾斜入射到異質(zhì)界面上時(shí) ， 將會(huì)在介質(zhì) 1中于入射點(diǎn)法線的另一側(cè)產(chǎn)生與法線成一定夾角 αL′的反射縱波 。 這時(shí) ， 橫波反射角 α S′ 與縱波入射角之間的關(guān)系與光學(xué)中的斯奈爾定律相同 ， 為 S1sL1L s i ns i ncc?? ??（ 617） 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 若入射聲波為橫波 ， 也會(huì)產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象 ， 見圖 610（ b)， 這時(shí)橫波入射角 α S與橫波反射角 α S′ 相等 。 不論是縱波入射還是橫波入射 ， 只要介質(zhì)2為固體 ， 則介質(zhì) 2中除有與入射波相同波型的折射波外 ， 均可因在界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生與入射波不同波型的折射波 。 同時(shí) ， 由于縱波聲速總是大于橫波聲速 ， 因此縱波折射角 β L要大于橫波折射角 β S。 大于這一角度時(shí) ， 第二種介質(zhì)中不再有相應(yīng)波型的折射波 。 當(dāng)縱波入射角大于第一臨界角時(shí) ， 第二介質(zhì)中不再有折射縱波 。 通常在超聲檢測(cè)中 ， 臨界角主要應(yīng)用于第二介質(zhì)為固體 ， 而第一介質(zhì)為固體或液體的情況 。 使縱波反射角達(dá)到90176。 對(duì)脈沖反射法 ， 更關(guān)心的是聲壓往返透過率隨入射角度的變化 。 當(dāng)曲面是球面時(shí) ， 反射線或其延長(zhǎng)線匯聚于一個(gè)焦點(diǎn)上；反射面為圓柱面時(shí) ， 反射線或其延長(zhǎng)線匯聚于一條焦線上 。 折射后的焦距 F為 121ccrF??（ 620） 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 圖 612 平面波在曲面上的折射 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 1. 理想的圓盤聲源是指圓形平面的聲振動(dòng)源 ， 當(dāng)它沿平面法線方向振動(dòng)時(shí) ， 其面上各點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值和相位都相同 ， 發(fā)射的波稱為活塞波 。 從圓盤聲源的對(duì)稱性來分析 ， 通過圓盤中心且垂直于盤面的直線應(yīng)是聲場(chǎng)的對(duì)稱軸 ， 稱為圓盤聲源軸線 。 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 圖 613 圓盤聲源軸線上的聲壓分布 第 6章 常用無損檢測(cè)方法 由式 (621)，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到最后一個(gè)聲壓極