【正文】 質點振動速度的幅值； t為時間； x為質點距聲源的距離， 為聲壓的極大值。 由于超聲波的頻率很高，遠大于聲波的頻率，故超聲波的聲壓一般也遠大于聲波的聲壓。以平面縱波在均勻的各向同性固體介質中傳播時 ,有 2m2222112121 cVcpcAI m ???? ???由上式可知，超聲場中，聲強與角頻率平方成正比。 第一章 超聲波檢測 f?? 2?第 6章 常用無損檢測方法 以引起聽覺的最弱聲強 I0=1016W/cm2為聲強標準 ， 在聲學上稱為 “ 聞閾 ” ， 即 f=1000Hz時引起人耳聽覺的聲強最小值 。聲強級的單位為貝爾 BeL，即 IL=lg(I/ I0) 貝爾（ BeL） 在實際應用過程中，貝爾這個單位太大，常用分貝（ dB）作為聲強級的單位。 第 6章 常用無損檢測方法 第一章 超聲波檢測 1分貝 人類耳朵剛剛能聽到的聲音 20分貝以下 認為是安靜的， 15分貝以下 ,認為是“死寂”的 2040分貝 大約是情侶耳邊的喃喃細語 4060分貝 正常的交談聲音 60分貝以上 屬于吵鬧范圍 70分貝 很吵的，而且開始損害聽力神經 汽車噪音介乎 80100分貝 90分貝以上 會使聽力受損 100120分貝 如無意外，一分鐘人類就得暫時性失聰（致聾） 聲音與噪音對人的影響 第 6章 常用無損檢測方法 1分貝是人類耳朵剛剛能聽到的聲音 ， 20分貝以下的聲音 ， 一般來說 ， 我們認為它是安靜的 ， 當然 ， 一般來說 15分貝以下的我們就可以認為它屬于 死寂 的了 。4060分貝屬于我們正常的交談聲音 。 其中汽車噪音介乎 80100分貝 ， 以一輛汽車發(fā)出 90分貝的噪音為例 ， 在一百米處 ， 仍然可以聽到 81分貝的噪音 （ 以上標準會因環(huán)境的差異有所不同 ， 并非絕對值 ） 。 第一章 超聲波檢測 1 15 N dB8 6d N P??第 6章 常用無損檢測方法 聲波在介質中的傳播是由其聲學參量 （ 聲速 、 聲阻抗 、 聲衰減系數等 ） 決定的 ， 因此需要研究介質的聲參量 。 聲阻抗表示聲場中介質對質點振動的阻礙作用。實驗證明，氣體、液體與金屬之間的特性聲阻抗之比大約為 1:3000:8000。又可用介質的密度與聲速的乘積來表示。脈沖反射式超聲診斷儀顯示的人體組織斷面聲像，實質上是人體組織中聲阻抗差別的空間分布圖。 因此 ， 聲速又是一個表征介質聲學特性的參量 。 聲速又可分為 相速度和群速度 。 群速度是波群的能量傳播速度。 第一章 超聲波檢測 相速度隨頻率變化而變化的現象被稱為 頻散 。 縱波 、 橫波和表面波的聲速主要是由介質的彈性性質 、 密度和泊松比決定的 ， 而與頻率無關 ，即它們各自的相速度和群速度相同 ， 因此一般說到它們的聲速都是指相速度 。 在給定的材料中 ， 頻率越高 ， 波長越短 。 對于鋼材 ， cL ≈， cs≈。 板波的聲速與其他波型不同 ， 其相速度隨頻率變化而變化 ， 具有頻散特性 。 聲速的一般表達式 密度彈性率聲速 ?第 6章 常用無損檢測方法 聲衰減系數 a 超聲波在介質中傳播時 ， 隨著傳播距離的增加能量逐漸減弱的現象叫做 超聲波的衰減 。 引起衰減的原因主要有三個方面：一是聲束的擴散；二是由于材料中的晶?；蚱渌⑿☆w粒引起聲波的散射；三是介質的吸收 。它主要取決于波陣面的幾何形狀，與傳播介質無關。 （ 2）散射衰減：散射是由于物質的不均勻產生的，不均勻材料含有聲阻抗急劇變化的界面，在這兩種物質的界面上，將產生聲波的反射、折射和波形轉換現象，必然導致聲能的降低。 固體介質中，吸收衰減相對于散射衰減幾乎可忽略不計，但對液體介質，吸收衰減是主要的衰減方式。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 一 、 超聲波在無限大介質中傳播時 ， 將一直向前傳播 ， 不改變方向 。 第三節(jié) 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 超聲波垂直入射于平界面的反射與透射 當超聲波垂直入射到兩種介質的界面時， 一部分能量透過界面進入第二種介質，成為透射波 (聲強為 It)， 波的傳播方向不變；另一部分能量則被界面反射回來，沿與入射波相反的方向傳播，成為反射波 (聲強為 Ir)。 單一界面 當超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時，將在第一介質中產生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質中產生一個與入射波方向相同的透射波。 r和 t的數學表達式為： 12120rZZZZppr????1220t 2ZZZppt???式中： Z Z2分別為兩種介質的聲阻抗。 R為反射波聲強 (Ir)和入射波聲強 (I0)之比； T為透射波聲強 (It)和入射波聲強 (I0)之比 。 第 6章 常用無損檢測方法 在垂直入射時 ， 界面兩側的聲波必須滿足兩個邊界條件： （ 1） 一側總聲壓等于另一側總聲壓 ， 否則界面會發(fā)生運動； （ 2） 兩側質點速度振幅相等 ， 以保持波的連續(xù)性 。但在固液 、 固氣界面上 ， 橫波將發(fā)生全反射 ， 這是因為橫波不能在液體和氣體中傳播 。 第一章 超聲波檢測 超聲波由聲阻抗為 Z1的第一介質入射到 Z1和 Z2的交界面 ，然后通過聲阻抗為 Z2的第二介質薄層射到 Z2和 Z3的交界面 ，最后進入聲阻抗為 Z3的第三介質 。 在兩個界面上的反射和透射 d2 第 6章 常用無損檢測方法 （ 1） 當第一 、 三介質為同一介質時 )2(s)m1(m4111t)2(s)m1(m411)2(s)m1(m41r222222222222??????dindindin????透射率反射率由上兩式可知： 愈大。 第一章 超聲波檢測 超聲波測厚 1412d 31222?????tZZZn 時，有時，且）（當 ?此時為全透射的情況。時，薄層愈薄，聲壓往當 4d 22 ??第 6章 常用無損檢測方法 二 、 超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射 當超聲波相對于界面入射點法線以一定的角度傾斜入射到兩種不同介質的界面上時 ， 在界面上會產生 反射 、 折射和波型轉換現象 。 光的折射是由于光在不同介質的傳播速度不同而引起的 。 稱為 反射角 。 與光的反射不同的是 ， 當介質 1為固體時 ， 界面上既產生反射縱波 ， 同時又發(fā)生波型轉換并產生反射橫波 ， 即反射后同時產生縱波與橫波兩種波型 。s Law(光的折射定律）：光入射到不同介質的界面上會發(fā)生反射和折射。 第 6章 常用無損檢測方法 若入射聲波為橫波，也會產生同樣的現象，這時橫波入射角 α S與橫波反射角 相等。 當介質 1為液體或氣體時，則入射波和反射波只能為縱波 。 不論是縱波入射還是橫波入射 ， 只要介質 2為固體 ， 則介質 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)生波型轉換而產生與入射波不同波型的折射波 。 折射角與入射角之間的關系符合斯涅耳定律 。同時， 由于縱波聲速總是大于橫波聲速，因此縱波折射角βL要大于橫波折射角 βS。 當入射波為縱波 ， 且 cL2cL1時 ， 折射角大于入射角 ， 使縱波折射角達到 90176。 當縱波入射角大于第一臨界角時 ，第二介質中不再有折射縱波 ， 只有折射橫波 。 當入射波為縱波 ， 第二介質為固體 ， 且 cS2cL1時 ， 使橫波折射角達到 90176。 通常在超聲檢測中 ， 臨界角主要應用于第二介質為固體 ， 而第一介質為固體或液體的情況 。 或：第二介質中既無折射縱波 ， 又無折射橫波 ， 介質的表面將產生表面波 。 第三臨界角是在 固體介質 與另一種介質的界面上 ， 用橫波作為入射波時產生的 。時的橫波入射角稱為第三臨界角 ， 用表示 αⅢ 。 第一章 超聲波檢測 L1LS1S s i ns i ncc?? ?L1S1a rc s i nccI I I ??第 6章 常用無損檢測方法 4 斜入射時的聲壓反射率和透射率 斯 涅耳反射、折射定律只討論了超聲波傾斜入射到界面上時，各種類型反射波和折射波的傳播方向，沒有涉及它們的聲壓反射率和透射率。但在超聲檢測中，關心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的變化。 在斜入射情況下，各種類型反射波和折射波的聲壓反射率和透射率不僅與界面兩側介質的聲阻抗有關，還與入射波的類型及入射角的大小有關。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 聲壓往復透射率 超聲波傾斜入射時，聲壓往復透射率等于兩次相反方向通過同一界面的聲壓透射率的乘積，即 toatoappppppT ?? 第一章 超聲波檢測 見圖 110。在這種情況下， 同類型的反射波和入射波總是相互平行，方向相反 ；不同類型的反射波和入射波互不平行，且難以被發(fā)射探頭接收。的聲線沿原方向返回 ， 稱為 聲軸 ；其余聲線的反射角則隨著距聲軸距離的增大而增大 。 此時 ， 焦距 f 與曲面曲率半徑 r的關系為 2rf ? 第一章 超聲波檢測 平面波入射至曲面時的反射 （ a）凹面鏡（ b）凸面鏡 第 6章 常用無損檢測方法 超聲波入射時，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發(fā)散。反射波波陣面為球面，凹球面的反射波好像從實焦點出發(fā)的球面波，凸球面的反射波好像從虛焦點出發(fā)的球面波。反射波波陣面為柱面，凹柱面的反射波好像從實焦點出發(fā)的柱面波，凸柱面的反射波好像從虛焦點出發(fā)的柱面波。折射波的聚焦或發(fā)散不僅與曲面的凹凸有關 ， 而且與界面兩側介質的聲速有關 。 折射后的焦距 f為 121ccrf?? 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 第一章 超聲波檢測 由斯涅耳定律 ， 對于凹面 ， c1c2時聚焦 ， c1c2時發(fā)散；對于凸面 ， c1c2時聚焦 ， c1c2時發(fā)散 。如曲面為球面，則透射波陣面為球面，透射波好像是從焦點出發(fā)的球面波；曲面為柱面時，則透射波好像是從焦軸出發(fā)的柱面波。 聲束聚焦，使得聲能更為集中，中心軸線上聲壓增強，聲束指向性更加改善，對提高檢測靈敏度和分辨率均有利。 3 水浸聚焦探頭是根據平面波入射到 c1c2的凸曲面上時透射波將產生聚焦的原理設計制作的。目前在實際檢測中，線聚焦多用于機械化自動檢測，點聚焦多用于人工檢測。 將晶片接于高頻電源時 ， 晶片兩面便以相同的相位產生拉伸或壓縮效應 ， 發(fā)射超聲波的晶片恰如活塞做往復運動一樣輻射出聲能 。 理想的圓盤聲源是指圓形平面的聲振動源 ， 當它沿平面法線方向振動時 ， 其面上各點的振動速度幅值和相位都相同 ， 發(fā)射的波稱為 活塞波 。如果壓力是一種高頻震動，則產生的就是高頻電流。也就是說，壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能 。 另一方面 ， 聲源上各點發(fā)出的聲波相互干涉又使得聲壓的空間分布不是隨距離單調變化的 。 從圓盤聲源的對稱性來分析 ， 通過圓盤中心且垂直于盤面的直線應是聲場的 對稱軸 ， 稱為 圓盤聲源軸線 。 圓盤聲源遠場中任一點的聲壓推導 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 根據疊加原理 ， 圓盤聲源軸線上任何一點處的聲壓等于聲源上各點輻射的聲壓在該點的疊加 。 這是描述直探頭中心軸線上聲壓分布的公式。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 二、近場區(qū)、遠場區(qū)和超聲波的指向性 由軸線上聲壓公式，經數學推導，可以得到最后一個聲壓極大值點距聲源距離的表達式： 當 Dλ時， λ/4可以忽略，從而得到近場長度的簡化計算公式如下，可用于實際工作中近場長度的估算： ?42DN ?442 ?? ??DN 第一章 超聲波檢測 圓盤聲源軸線上的聲壓分布 近場區(qū) 遠場區(qū) 圖中標有 “ P球 ” 的虛線為球面波聲壓隨距離的變化曲線 ， 可以看出 ， 距