【正文】 為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的幅值； t為時(shí)間； x為質(zhì)點(diǎn)距聲源的距離， 為聲壓的極大值。 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。以平面縱波在均勻的各向同性固體介質(zhì)中傳播時(shí) ,有 2m2222112121 cVcpcAI m ???? ???由上式可知，超聲場(chǎng)中，聲強(qiáng)與角頻率平方成正比。 第一章 超聲波檢測(cè) f?? 2?第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 以引起聽覺的最弱聲強(qiáng) I0=1016W/cm2為聲強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn) ， 在聲學(xué)上稱為 “ 聞閾 ” ， 即 f=1000Hz時(shí)引起人耳聽覺的聲強(qiáng)最小值 。聲強(qiáng)級(jí)的單位為貝爾 BeL，即 IL=lg(I/ I0) 貝爾（ BeL） 在實(shí)際應(yīng)用過程中，貝爾這個(gè)單位太大，常用分貝（ dB）作為聲強(qiáng)級(jí)的單位。 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 第一章 超聲波檢測(cè) 1分貝 人類耳朵剛剛能聽到的聲音 20分貝以下 認(rèn)為是安靜的， 15分貝以下 ,認(rèn)為是“死寂”的 2040分貝 大約是情侶耳邊的喃喃細(xì)語(yǔ) 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(jīng) 汽車噪音介乎 80100分貝 90分貝以上 會(huì)使聽力受損 100120分貝 如無(wú)意外，一分鐘人類就得暫時(shí)性失聰（致聾） 聲音與噪音對(duì)人的影響 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)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(lái)說 ， 我們認(rèn)為它是安靜的 ， 當(dāng)然 ， 一般來(lái)說 15分貝以下的我們就可以認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)會(huì)因環(huán)境的差異有所不同 ， 并非絕對(duì)值 ） 。 第一章 超聲波檢測(cè) 1 1 5 N d B8 6 d N P??第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 聲波在介質(zhì)中的傳播是由其聲學(xué)參量 （ 聲速 、 聲阻抗 、 聲衰減系數(shù)等 ） 決定的 ， 因此需要研究介質(zhì)的聲參量 。 聲阻抗表示聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。實(shí)驗(yàn)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(zhì)的密度與聲速的乘積來(lái)表示。脈沖反射式超聲診斷儀顯示的人體組織斷面聲像，實(shí)質(zhì)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(gè)表征介質(zhì)聲學(xué)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(cè) 相速度隨頻率變化而變化的現(xiàn)象被稱為 頻散 。 縱波 、 橫波和表面波的聲速主要是由介質(zhì)的彈性性質(zhì) 、 密度和泊松比決定的 ， 而與頻率無(wú)關(guān) ，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(zhǎng)越短 。 對(duì)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(dá)式 密度彈性率聲速 ?第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 聲衰減系數(shù) a 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) ， 隨著傳播距離的增加能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做 超聲波的衰減 。 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粒或其他微小顆粒引起聲波的散射；三是介質(zhì)的吸收 。它主要取決于波陣面的幾何形狀，與傳播介質(zhì)無(wú)關(guān)。 （ 2）散射衰減：散射是由于物質(zhì)的不均勻產(chǎn)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(zhì)的界面上，將產(chǎn)生聲波的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，必然導(dǎo)致聲能的降低。 固體介質(zhì)中，吸收衰減相對(duì)于散射衰減幾乎可忽略不計(jì)，但對(duì)液體介質(zhì)，吸收衰減是主要的衰減方式。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 一 、 超聲波在無(wú)限大介質(zhì)中傳播時(shí) ， 將一直向前傳播 ， 不改變方向 。 第三節(jié) 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 超聲波垂直入射于平界面的反射與透射 當(dāng)超聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)， 一部分能量透過界面進(jìn)入第二種介質(zhì)，成為透射波 (聲強(qiáng)為 It)， 波的傳播方向不變；另一部分能量則被界面反射回來(lái)，沿與入射波相反的方向傳播，成為反射波 (聲強(qiáng)為 Ir)。 單一界面 當(dāng)超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時(shí)，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波。 r和 t的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 12120rZZZZppr????1220t 2ZZZppt???式中： Z Z2分別為兩種介質(zhì)的聲阻抗。 R為反射波聲強(qiáng) (Ir)和入射波聲強(qiáng) (I0)之比； T為透射波聲強(qiáng) (It)和入射波聲強(qiáng) (I0)之比 。 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 在垂直入射時(shí) ， 界面兩側(cè)的聲波必須滿足兩個(gè)邊界條件： （ 1） 一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總聲壓 ， 否則界面會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)； （ 2） 兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)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?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播 。 第一章 超聲波檢測(cè) 超聲波由聲阻抗為 Z1的第一介質(zhì)入射到 Z1和 Z2的交界面 ，然后通過聲阻抗為 Z2的第二介質(zhì)薄層射到 Z2和 Z3的交界面 ，最后進(jìn)入聲阻抗為 Z3的第三介質(zhì) 。 在兩個(gè)界面上的反射和透射 d2 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 （ 1） 當(dāng)?shù)谝?、 三介質(zhì)為同一介質(zhì)時(shí) )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(cè) 超聲波測(cè)厚 1412d 31222?????tZZZn 時(shí)，有時(shí)，且）（當(dāng) ?此時(shí)為全透射的情況。時(shí)，薄層愈薄，聲壓往當(dāng) 4d 22 ??第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 二 、 超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射 當(dāng)超聲波相對(duì)于界面入射點(diǎn)法線以一定的角度傾斜入射到兩種不同介質(zhì)的界面上時(shí) ， 在界面上會(huì)產(chǎn)生 反射 、 折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象 。 光的折射是由于光在不同介質(zhì)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(dāng)介質(zhì) 1為固體時(shí) ， 界面上既產(chǎn)生反射縱波 ， 同時(shí)又發(fā)生波型轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生反射橫波 ， 即反射后同時(shí)產(chǎn)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(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射和折射。 第 6章 常用無(wú)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，這時(shí)橫波入射角 α S與橫波反射角 相等。 當(dāng)介質(zhì) 1為液體或氣體時(shí)，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(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 。 折射角與入射角之間的關(guān)系符合斯涅耳定律 。同時(shí)， 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(dāng)入射波為縱波 ， 且 cL2cL1時(shí) ， 折射角大于入射角 ， 使縱波折射角達(dá)到 90176。 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 ， 只有折射橫波 。 當(dāng)入射波為縱波 ， 第二介質(zhì)為固體 ， 且 cS2cL1時(shí) ， 使橫波折射角達(dá)到 90176。 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 。 或：第二介質(zhì)中既無(wú)折射縱波 ， 又無(wú)折射橫波 ， 介質(zhì)的表面將產(chǎn)生表面波 。 第三臨界角是在 固體介質(zhì) 與另一種介質(zhì)的界面上 ， 用橫波作為入射波時(shí)產(chǎn)生的 。時(shí)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(cè) L1LS1S s ins incc?? ?L1S1a r c s inccIII ??第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 4 斜入射時(shí)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(shí)，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(cè)中，關(guān)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(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，還與入射波的類型及入射角的大小有關(guān)。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 聲壓往復(fù)透射率 超聲波傾斜入射時(shí)，聲壓往復(fù)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(cè) 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(shí) ， 焦距 f 與曲面曲率半徑 r的關(guān)系為 2rf ? 第一章 超聲波檢測(cè) 平面波入射至曲面時(shí)的反射 （ a）凹面鏡（ b）凸面鏡 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 超聲波入射時(shí)，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(shí)焦點(diǎn)出發(fā)的球面波，凸球面的反射波好像從虛焦點(diǎn)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(shí)焦點(diǎn)出發(fā)的柱面波，凸柱面的反射波好像從虛焦點(diǎn)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(guān) ， 而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速有關(guān) 。 折射后的焦距 f為 121ccrf?? 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 第一章 超聲波檢測(cè) 由斯涅耳定律 ， 對(duì)于凹面 ， c1c2時(shí)聚焦 ， c1c2時(shí)發(fā)散；對(duì)于凸面 ， c1c2時(shí)聚焦 ， c1c2時(shí)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(diǎn)出發(fā)的球面波；曲面為柱面時(shí)，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(qiáng)，聲束指向性更加改善，對(duì)提高檢測(cè)靈敏度和分辨率均有利。 3 水浸聚焦探頭是根據(jù)平面波入射到 c1c2的凸曲面上時(shí)透射波將產(chǎn)生聚焦的原理設(shè)計(jì)制作的。目前在實(shí)際檢測(cè)中，線聚焦多用于機(jī)械化自動(dòng)檢測(cè)，點(diǎn)聚焦多用于人工檢測(cè)。 將晶片接于高頻電源時(shí) ， 晶片兩面便以相同的相位產(chǎn)生拉伸或壓縮效應(yīng) ， 發(fā)射超聲波的晶片恰如活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)一樣輻射出聲能 。 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 。如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電流。也就是說，壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能 。 另一方面 ， 聲源上各點(diǎn)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(diào)變化的 。 從圓盤聲源的對(duì)稱性來(lái)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 。 圓盤聲源遠(yuǎn)場(chǎng)中任一點(diǎn)的聲壓推導(dǎo) 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 根據(jù)疊加原理 ， 圓盤聲源軸線上任何一點(diǎn)處的聲壓等于聲源上各點(diǎn)輻射的聲壓在該點(diǎn)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(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 二、近場(chǎng)區(qū)、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)和超聲波的指向性 由軸線上聲壓公式，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到最后一個(gè)聲壓極大值點(diǎn)距聲源距離的表達(dá)式： 當(dāng) Dλ時(shí)， λ/4可以忽略，從而得到近場(chǎng)長(zhǎng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下，可用于實(shí)際工作中近場(chǎng)長(zhǎng)度的估算： ?42DN ?442 ?? ??DN 第一章 超聲波檢測(cè) 圓盤聲源軸線上的聲壓分布 近場(chǎng)區(qū) 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū) 圖中標(biāo)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