超聲波無損檢測基礎原理
- 發(fā)布時間：2016-8-1
超聲波無損檢測基礎原理
1.1超聲檢測的定義和作用
指使超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對試件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的技術。
作用：質量控制、節(jié)約原材料、改進工藝、提高勞動生產率
1.2超聲檢測的發(fā)展簡史和現(xiàn)狀
利用聲響來檢測物體的好壞
利用超聲波來探查水中物體 1910‘
利用超聲波來對固體內部進行無損檢測
1929年，前蘇聯(lián)Sokolov 穿透法
1940年，美國的Firestone 脈沖反射法
20世紀60年代 電子技術大發(fā)展
20世紀70年代， TOFD
20世紀80年代以來，數(shù)字、自動超聲、超聲成像
我國 始于20世紀50年代初 范圍
專業(yè)隊伍 理論及基礎研究 標準 超聲儀器
差距
1.3超聲檢測的基礎知識
次聲波、聲波和超聲波
聲波：頻率在20～20000Hz之間 次聲波、超聲波
對鋼等金屬材料的檢測，常用的頻率為0.5～10MHz
超聲波特點：
方向性好
能量高
能在界面上產生反射、折射、衍射和波型轉換
穿透能力強
超聲檢測工作原理
主要是基于超聲波在試件中的傳播特性
聲源產生超聲波，采用一定的方式使超聲波進入試件；
超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；
改變后的超聲波通過檢測設備被接收，并可對其進行處理和分析；
根據(jù)接收的超聲波的特征，評估試件本身及其內部是否存在缺陷及缺陷的特性。
超聲檢測工作原理
脈沖反射法：
聲源產生的脈沖波進入到試件中——超聲波在試件中以一定方向和速度向前傳播——遇到兩側聲阻抗有差異的界面時部分聲波被反射——檢測設備接收和顯示——分析聲波幅度和位置等信息，評估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。
通常用來發(fā)現(xiàn)和對缺陷進行評估的基本信息為：
1、是否存在來自缺陷的超聲波信號及其幅度；
2、入射聲波與接收聲波之間的傳播時間；
3、超聲波通過材料以后能量的衰減。
超聲檢測的分類
原理：脈沖反射、衍射時差法、穿透、共振法
顯示方式：A 、超聲成像（B C D P）
波型：縱波、橫波、表面波、板波
耦合方式：直接接觸法、液浸法、EMA
按探頭個數(shù)：單、雙、多
按人工干預的程度分類：手工檢測、自動檢測
超聲檢測的優(yōu)點
適用于金屬、非金屬和復合材料等多種制件的無損檢測；
穿透能力強，可對較大厚度范圍內的試件內部缺陷進行檢測。如對金屬材料，可檢測厚度為1～2mm的薄壁管材和板材，也可檢測幾米長的鋼鍛件；
缺陷定位較準確；
對面積型缺陷的檢出率較高；
靈敏度高，可檢測試件內部尺寸很小的缺陷；
檢測成本低、速度快，設備輕便，對人體及環(huán)境無害，現(xiàn)場使用較方便。
超聲檢測的局限性
對試件中的缺陷進行的定性、定量仍須作深入研究；
對具有復雜形狀或不規(guī)則外形的試件進行超聲檢測有困難；
缺陷的位置、取向和形狀對檢測結果有一定影響；
材質、晶粒度等對檢測有較大影響；
超聲檢測的適用范圍
非常廣
從檢測對象的材料來說，可用于金屬、非金屬和復合材料；
從檢測對象的制造工藝來說，可用于鍛件、鑄件、焊接件、膠結件等；
從檢測對象的形狀來說，可用于板材、棒材、管材等；
從檢測對象的尺寸來說，厚度可小至1mm，也可大至幾米；
從缺陷部位來說，既可以是表面缺陷，也可以是內部缺陷。
2.1機械振動與機械波
機械振動
振動的基本概念
振動產生的必要條件：
物體一離開平衡位置就會受到回復力的作用；阻力要足夠小。
振動的過程
物體（或質點）在受到一定力的作用下，將離開平衡位置，產生一個位移；該力消失后，在回復力作用下，它將向平衡位置運動，并且還要越過平衡位置移動到相反方向的zui大位移位置，然后再向平衡位置運動。這樣一個完整運動過程稱為一個“循環(huán)”或叫一次“全振動”。
振動的分類
周期性振動：每經(jīng)過一定時間后，振動體總是回復到原來的狀態(tài)（或位置）的振動
非周期性振動：不具有上述周期性規(guī)律的振動
振動的表征參數(shù)
周期、頻率（振動的快慢），振幅（振動的強弱）
振幅A——振動物體離開平衡位置的zui大距離，叫做振動的振幅，用A表示。
周期T——當物體作往復運動時完成一次全振動所需要的時間，稱為振動周期，用T表示。常用單位為秒（s）。對于非周期性振動，往復運動已不再是周期性的，但周期這個物理量仍然可以反映這種運動的往復情況。
頻率f——振動物體在單位時間內完成全振動的次數(shù)，稱為振動頻率，用f表示。常用單位為赫茲（Hz）,1赫茲表示1秒鐘內完成1次全振動，即1Hz=1次/秒。此外還有千赫（kHz），兆赫（MHz）。
1、諧振動
回復力
振子在振動過程中，所受重力與支持力平衡，振子在離開平衡位置 O 點后，只受到彈簧的彈力作用，這個力的方向跟振子離開平衡位置的位移方向相反，總是指向平衡位置，所以稱為回復力。
胡克定律
在彈簧發(fā)生彈性形變時，彈簧振子的回復力F與振子偏離平衡位置的位移x大小成正比，且方向總是相反，即：
諧振動的運動方程：
質點M的水平位移y和時間t的關系式：式2－3
諧振動：位移隨時間的變化符合余弦（或正弦）規(guī)律的振動。
諧振動的特點：
1、回復力與位移成正比而方向相反，總是指向平衡位置。
2、是一種理想化的運動，振動過程中無阻力，所以振動系統(tǒng)機械能守恒。
3、諧振動的振幅、頻率和周期保持不變，其頻率為振動系統(tǒng)的固有頻率，是zui簡單、zui基本的一種振動，任何復雜的振動都可視為多個諧振動的合成
2、阻尼振動
諧振動是理想條件下的振動，即不考慮摩擦和其它阻力的影響。
任何實際物體的振動，總要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振動物體的能量不斷減少。同時，由于在振動傳播過程中，伴隨著能量的傳播，也使振動物體的能量不斷地減少。 不符合機械能守恒定律
振幅或能量隨時間不斷減少的振動稱為阻尼振動。
超聲探頭 晶片后粘貼阻尼塊
3、受迫振動
受迫振動：物體受到周期性變化的外力作用時產生的振動。如縫紉機上縫針的振動，汽缸中活塞的振動和揚聲器中紙膜的振動等。
受迫振動剛開始時情況很復雜，經(jīng)過一段時間后達到穩(wěn)定狀態(tài)，變?yōu)橹芷谛缘闹C振動。其振動頻率與策動力頻率相同，振幅保持不變。
受迫振動的振幅與策動力的頻率有關。
共振：當策動力頻率P與受迫振動物體固有頻率相同時，振幅zui大。
探頭：使高頻電脈沖的頻率等于壓電晶片的固有頻率，從而產生共振，這時壓電晶片的電聲能量轉換效率zui高。
受迫振動物體受到策動力作用，不符合機械能守恒。
超聲探頭中的壓電晶片在發(fā)射超聲波時：
在高頻電脈沖激勵下產生受迫振動；
在起振后受到晶片背面吸收塊的阻尼作用，因此又是阻尼振動
2.1.2 機械波
機械波的產生
振動的傳播過程，稱為波動。波動分為機械波和電磁波兩大類。
機械波的產生與傳播過程
如圖1.3所示的固體彈性模型。質點間以彈性力在一起的介質稱為彈性介質。（固體、液體、氣體）
當外力F作用于質點A時，A就會離開平衡位置，這時A周圍的質點將對A產生彈性力使A回到平衡位置。當A回到平衡位置時，具有一定的速度，由于慣性A不會停在平衡位置，而會繼續(xù)向前運動，并沿相反方向離開平衡位置，這時A又會受到反向彈性力，使A又回到平衡位置，這樣質點A在平衡位置來回往復運動，產生振動。與此同時，A周圍的質點也會受到大小相等方向相反的彈性力的作用，使它們離開平衡位置，并在各自的平衡位置附近振動。這樣彈性介質中一個質點的振動就會引起鄰近質點的振動，鄰近質點的振動又會引起較遠質點的振動，于是振動就以一定的速度由近及遠地傳播開來，從而就形成了機械波。
液體和氣體不能用上述彈性力的模型來描述，其彈性波是在受到壓力時體積的收縮和膨脹產生的。
產生機械波的兩個基本條件
（1）要有作機械振動的波源。
（2）要有能傳播機械振動的彈性介質
機械振動與機械波的關系
互相關聯(lián)，振動是產生機械波的根源，機械波是振動狀態(tài)的傳播。波動中介質各質點并不隨波前進，而是按照與波源相同的振動頻率在各自的平衡位置上振動，并將能量傳遞給周圍的質點。因此，機械波的傳播不是物質的傳播，而是振動狀態(tài)和能量的傳播。
機械波的主要物理量
（1）周期T和頻率f：為波動經(jīng)過的介質質點產生機械振動的周期和頻率，機械波的周期和頻率只與振源有關，與傳播介質無關。波動頻率也可定義為波動過程中，任一給定點在1秒鐘內所通過的完整波的個數(shù)，與該點振動頻率數(shù)值相同，單位為赫茲（Hz）。
（2）波長：波經(jīng)歷一個完整周期所傳播的距離，稱為波長，用表示。同一波線上相鄰兩振動相位相同的質點間的距離即為波長。波源或介質中任意一質點完成一次全振動，波正好前進一個波長的距離。波長的常用單位為米（m）或毫米（mm）。
（3）波速C：波動中，波在單位時間內所傳播的距離稱為波速，用C表示。常用單位為米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。
波速、波長和頻率的關系式：
波長與波速成正比，與頻率成反比。當頻率一定時，波速愈大，波長就愈長；當波速一定時，頻率愈低，波長就愈長。
波動方程
當振源作諧振動時，所產生的波是zui簡單zui基本的波。假設某一機械波在理想無吸收的均勻介質中沿x軸正向傳播，如圖1.4所示。波速為C，在波線上取O點為計算距離x的原點，設O點的振動方程為：
圖2.6 波動方程推導圖
當振動從O點傳播到B點時，B點開始振動，由于振動從O點傳播到B點需要時間x/c秒，因此B點的振動滯后于O點x/c秒。即B點在t時刻的位移等于O點在（tx/c）時刻的位移：
波動方程，描述了波動過程中波線上任意一點在任意時刻的位移情況。
2.2 波的類型
2.2.1 按波型分類
根據(jù)波動傳播時介質質點的振動方向相對于波的傳播方向的不同，可將波動分為多種波型，在超聲檢測中主要應用的波型有縱波、橫波、表面波和板波等。
1、縱波L
介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相平行的波，稱為縱波，用L表示。
縱波中介質質點受到交變拉壓應力作用并產生伸縮形變，故縱波亦稱為壓縮波。而且，由于縱波中的質點疏密相間，故又稱為疏密波。
凡能承受拉伸或壓縮應力的介質都能傳播縱波。固體介質能承受拉伸或壓縮應力，因此固體介質可以傳播縱波。液體和氣體雖然不能承受拉伸應力，但能承受壓應力產生容積變化，因此液體和氣體介質也可以傳播縱波。
2、橫波S（T）
介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波，稱為橫波，用S或T表示。
橫波中介質質點受到交變的剪切應力作用并產生切變形變，故橫波又稱為切變波。
只有固體介質才能承受剪切應力，液體和氣體介質不能承受剪切應力，故橫波只能在固體介質中傳播，不能在液體和氣體介質中傳播。
機械波課件\g2wlkj-10\橫波和縱波的傳播.swf
2.2.1 按波型分類
3.表面波R
當介質表面受到交變應力作用時，產生沿介質表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，常用R表示，如圖1.7所示。表面波是瑞利1887年首先提出來的，因此表面波又稱瑞利波。
表面波在介質表面?zhèn)鞑r，介質表面質點作橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫波的合成。因此表面波同橫波一樣只能在固體介質中傳播，不能在液體或氣體介質中傳播。
表面波只能在固體表面?zhèn)鞑ァ１砻娌ǖ哪芰侩S傳播深度增加而迅速減弱。當傳播深度超過兩倍波長時，質點的振幅就已經(jīng)很小了。因此，一般認為，表面波檢測只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長深度內的缺陷。
2.2.1 按波型分類
4.板波
在板厚與波長相當?shù)牟景逯袀鞑サ牟?，稱為板波。
根據(jù)質點的振動方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。
（1）SH波：SH波是水平偏振的橫波在簿板中傳播的波。簿板中各質點的振動方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當于固體介質表面中的橫波。
（2）蘭姆波：蘭姆波又分為對稱型（S型）和非對稱型（A型），如圖1.9所示。
對稱型（S型）：簿板中心質點作縱向振動，上下表面質點作橢圓運動、振動相位相反并對稱于中心。
非對稱型（A型）：簿板中心質點作橫向振動，上下表面質點作橢圓運動、相位相同，不對稱。
2.2.1 按波型分類
超聲檢測中常用的波型
2.2.2 按波形分類
波的形狀（波形）是指波陣面的形狀。
波陣面：同一時刻，介質中振動相位相同的所有質點所聯(lián)成的面稱為波陣面。
波前：某一時刻，波動所到達的空間各點所聯(lián)成的面稱為波前。
波前是zui前面的波陣面，是波陣面的特例。任意時刻，波前只有一個，而波陣面卻有很多。
波線：波的傳播方向稱為波線。
在各向同性的介質中，波線恒垂直于波陣面或波前。
2.2.2 按波形分類
2.2.3 按振動的持續(xù)時間分類
波源振動的持續(xù)時間長短，連續(xù)波/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。目前超聲檢測中廣泛采用的就是脈沖波。
脈沖波的頻譜
一個脈沖波可以分解為多個不同頻率的諧振波的疊加。 傅立葉變換
將復雜振動分解為諧振動的方法，稱為頻譜分析。
頻譜分析結果
頻譜特征量主要有峰值頻率、頻帶寬度和中心頻率
2.3 波的疊加、干涉和衍射
2.3.1 波的疊加與干涉
1.波的疊加原理
當幾列波在同一介質中傳播時，如果在空間某處相遇，則相遇處質點的振動是各列波引起振動的合成，在任意時刻該質點的位移是各列波引起位移的矢量和。幾列波相遇后仍保持自己原有的頻率、波長、振動方向等特性并按原來的傳播方向繼續(xù)前進，好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣，這就是波的疊加原理，又稱波的獨立性原理。 如：
2.波的干涉
兩列頻率相同，振動方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時，介質中某些地方的振動互相加強，而另一些地方的振動互相減弱或*抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。產生干涉現(xiàn)象的波叫相干波，其波源稱為相干波源。
波的疊加原理是波的干涉現(xiàn)象的基礎，波的干涉是波動的重要特征。在超聲檢測中，由于波的干涉，使超聲波源附近出現(xiàn)聲壓極大極小值。
3.機械波課件\g2wlkj-10\波的疊加和干涉.swf
波的干涉計算
現(xiàn)在討論在空間某點P發(fā)生干涉加強或減弱的條件。波的干涉計算用圖如下圖所示。
設有兩個相干波源，它們的振動表達式分別為：
合振動振幅的表達式：
結論：
（1）當兩相干波的波程差等于波長的整數(shù)倍時，二者互相加強，合振幅達zui大值。
（2）當兩相干波的波程差等于半波長的奇數(shù)倍時，二者互相抵消，合振幅達zui小值。若A1=A2，則A=0，即二者*抵消。
2.4 超聲波的傳播速度
超聲波在介質中的傳播速度是表征介質聲學特性的重要參數(shù)。
超聲波在介質中的傳播速度與介質的彈性模量和密度有關。對特定的介質，彈性模量和密度為常數(shù)，故聲速也是常數(shù)。不同的介質，有不同的聲速。
超聲波波型不同時，介質彈性變形型式不同，聲速也不一樣。
2.4.1 固體介質中的聲速
1.無限大固體介質中的聲速
無限大固體介質是相對于波長而言的，當介質的尺寸遠大于波長時，就可以視為無限大介質。
在無限大的固體介質中，縱波聲速為：
在無限大的固體介質中，橫波聲速為：
在無限大的固體介質中，表面波聲速為： 所有固體介質的泊松比都在0～0.5之間。
（1）固體介質中的聲速與介質的密度和彈性模量等有關，不同的介質，聲速不同；介質的彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。
（2）聲速還與波的類型有關，在同一固體介質中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并且相互之間有以下關系：
CL>CS>CR
在同一種固體材料中，縱波聲速大于橫波聲速，橫波聲速又大于表面波聲速。
對于鋼材1.8：1：0.9
2.4.1 固體介質中的聲速
2.細長棒中的縱波聲速在細長棒中（棒徑d≤）軸向傳播的縱波聲速與無限大介質中縱波聲速不同，細長棒中的縱波聲速為：
2.4.1 固體介質中的聲速
3.固體介質中聲速與溫度、應力、均勻性的關系
固體介質中的聲速與介質溫度、應力、均勻性有關。一般固體中的聲速隨介質溫度升高而降低。
固體介質的應力狀況對聲速有一定的影響，一般應力增加，聲速增加，但增加緩慢。
固體材料組織均勻性對聲速的影響在鑄鐵中表現(xiàn)較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快，晶粒細，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。此外，鑄鐵中石墨含量和尺寸對聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。
2.4.1 固體介質中的聲速
4.蘭姆波聲速
蘭姆波分為對稱型（S）和非對稱型（A）兩類。由于蘭姆波傳播時受到上下界面的影響，因此其聲速與縱波、橫波、表面波不同，它不僅與介質的性質有關，而且與板厚、頻率等有關。對于特定的板厚和頻率組合，還可有多個對稱型和非對稱型的振動模式，每個模式具有不同的波速。
蘭姆波聲速分為相速度和群速度。
相速度是振動相位傳播的速度，是對單一頻率連續(xù)諧振波定義的傳播速度，
群速度是指多個相差不多的頻率的波在同一介質中傳播時互相合成后的包絡線的傳播速度。
蘭姆波聲速的有關因素 與f·d、Cs、Cl有關。
對于確定的介質，Cs、Cl為定值，因此Cp僅是f·d的函數(shù)。對于某一個Cp值對應有無數(shù)個f·d值。
當f·d一定時，不同類型的蘭姆波相速度Cp不同
當f·d一定時，不同類型的蘭姆波群速度Cg不同
2.4.2 液體、氣體介質中的聲速
1.液體、氣體中聲速公式
由于液體和氣體只能承受壓應力，不能承受剪切應力，因此液體和氣體介質中只能傳播縱波，不能傳播橫波和表面波。液體和氣體中的縱波波速為：
液體、氣體介質中的縱波聲速與其容變彈性模量和密度有關，介質的容變彈性模量愈大、密度愈小，聲速就愈大。
2.液體介質中的聲速與溫度的關系
幾乎除水以外的所有液體，當溫度升高時，容變彈性模量減小，聲速降低。唯有水例外，溫度在74℃左右時聲速達zui大值，當溫度低于74℃時，聲速隨溫度升高而增加；當溫度高于74℃時，聲速隨溫度升高而降低。
CL=1557-0.0245(74-t)2
2.4.3 聲速的測量
1.超聲檢測儀器測量法
對檢測人員來說，用檢測儀器測量聲速是zui簡便的。用這種方法測量，可用單探頭反射法，也可用雙探頭穿透法?？捎糜跍y量縱波聲速，也可用于測量橫波聲速。
（1）檢測儀按時間刻度：
（2）檢測儀按深度刻度： 對比法
精度不高，誤差分析
2.4.3 聲速的測量
2.測厚儀測量法
常用測厚儀分為共振式和脈沖反射式兩種，利用這兩種測厚儀來測量聲速的方法有所不同。
（1）共振式測厚儀：
（2）脈沖反射式測厚儀：
3.示波器測量法
2.5超聲場的特征值
充滿超聲波的空間或超聲振動所波及的部分介質，叫超聲場。
超聲場具有一定的空間大小和形狀，只有當缺陷位于超聲場內時，才有可能被發(fā)現(xiàn)。
描述超聲場的特征值（即物理量）主要有聲壓、聲強和聲阻抗。
2.4.1 固體介質中的聲速
1.無限大固體介質中的聲速
無限大固體介質是相對于波長而言的，當介質的尺寸遠大于波長時，就可以視為無限大介質。
在無限大的固體介質中，縱波聲速為：
在無限大的固體介質中，橫波聲速為：
在無限大的固體介質中，表面波聲速為： 所有固體介質的泊松比都在0～0.5之間。
（1）固體介質中的聲速與介質的密度和彈性模量等有關，不同的介質，聲速不同；介質的彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。
（2）聲速還與波的類型有關，在同一固體介質中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并且相互之間有以下關系：
CL>CS>CR
在同一種固體材料中，縱波聲速大于橫波聲速，橫波聲速又大于表面波聲速。
對于鋼材1.8：1：0.9
2.4.1 固體介質中的聲速
2.細長棒中的縱波聲速在細長棒中（棒徑d≤）軸向傳播的縱波聲速與無限大介質中縱波聲速不同，細長棒中的縱波聲速為：
2.4.1 固體介質中的聲速
3.固體介質中聲速與溫度、應力、均勻性的關系
固體介質中的聲速與介質溫度、應力、均勻性有關。一般固體中的聲速隨介質溫度升高而降低。
固體介質的應力狀況對聲速有一定的影響，一般應力增加，聲速增加，但增加緩慢。
固體材料組織均勻性對聲速的影響在鑄鐵中表現(xiàn)較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快，晶粒細，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。此外，鑄鐵中石墨含量和尺寸對聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。
2.4.1 固體介質中的聲速
4.蘭姆波聲速
蘭姆波分為對稱型（S）和非對稱型（A）兩類。由于蘭姆波傳播時受到上下界面的影響，因此其聲速與縱波、橫波、表面波不同，它不僅與介質的性質有關，而且與板厚、頻率等有關。對于特定的板厚和頻率組合，還可有多個對稱型和非對稱型的振動模式，每個模式具有不同的波速。
蘭姆波聲速分為相速度和群速度。
相速度是振動相位傳播的速度，是對單一頻率連續(xù)諧振波定義的傳播速度，
群速度是指多個相差不多的頻率的波在同一介質中傳播時互相合成后的包絡線的傳播速度。
蘭姆波聲速的有關因素 與f·d、Cs、Cl有關。
對于確定的介質，Cs、Cl為定值，因此Cp僅是f·d的函數(shù)。對于某一個Cp值對應有無數(shù)個f·d值。
當f·d一定時，不同類型的蘭姆波相速度Cp不同
當f·d一定時，不同類型的蘭姆波群速度Cg不同
2.4.2 液體、氣體介質中的聲速
1.液體、氣體中聲速公式
由于液體和氣體只能承受壓應力，不能承受剪切應力，因此液體和氣體介質中只能傳播縱波，不能傳播橫波和表面波。液體和氣體中的縱波波速為：
液體、氣體介質中的縱波聲速與其容變彈性模量和密度有關，介質的容變彈性模量愈大、密度愈小，聲速就愈大。
2.液體介質中的聲速與溫度的關系
幾乎除水以外的所有液體，當溫度升高時，容變彈性模量減小，聲速降低。唯有水例外，溫度在74℃左右時聲速達zui大值，當溫度低于74℃時，聲速隨溫度升高而增加；當溫度高于74℃時，聲速隨溫度升高而降低。
CL=1557-0.0245(74-t)2
2.4.3 聲速的測量
1.超聲檢測儀器測量法
對檢測人員來說，用檢測儀器測量聲速是zui簡便的。用這種方法測量，可用單探頭反射法，也可用雙探頭穿透法?？捎糜跍y量縱波聲速，也可用于測量橫波聲速。
（1）檢測儀按時間刻度：
（2）檢測儀按深度刻度： 對比法
精度不高，誤差分析
2.4.3 聲速的測量
2.測厚儀測量法
常用測厚儀分為共振式和脈沖反射式兩種，利用這兩種測厚儀來測量聲速的方法有所不同。
（1）共振式測厚儀：
（2）脈沖反射式測厚儀：
3.示波器測量法
2.6 超聲波垂直入射到界面時的反射和透射
超聲波從一種介質傳播到另一種介質時，在兩種介質的分界面上，一部分能量反射回原介質內，稱反射波；
另一部分能量透過界面在另一種介質內傳播，稱透射波。
在界面上聲能（聲壓、聲強）的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規(guī)律。
2.6.1 單一平界面的反射率與透射率
當超聲波垂直入射到光滑平界面時，將在*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。
設入射波的聲壓為P0（聲強為I0）、反射波的電壓為Pr（聲強為Ir）、透射波的聲壓為Pt（聲強為It）。
界面上反射波聲壓P與入射波聲壓P0之比稱為界面的聲壓反射率，用r表示，即r=Pr/P0。
界面上透射波聲壓Pt與入射波聲壓P0之比稱為界面的聲壓透射率，用t表示，即t=Pt/P0。
在界面兩側的聲波，必須符合下列兩個條件：
（1）界面兩側的總聲壓相等，即p0+pr=pt。（相位關系，力平衡）
（2）界面兩側質點振動速度幅值相等，即（p0-pr）/Z1=pt/Z2（能量平衡）
由上述兩邊界條件和聲壓反射率、透射率定義得：
解上述聯(lián)立方程得聲壓反射率r和透射率t分別為：
2.6.1 單一平界面的反射率與透射率
界面上反射波聲強Ir與入射波聲強I0之比稱為聲強反射率，用R表示。
界面上透射波聲強It與入射波聲強I0之比稱為聲強透射率，用T表示。
超聲波垂直入射到平界面上時，聲壓或聲強的分配比例僅與界面兩側介質的聲阻抗有關。由以上幾式可以導出：
T+R=1 t-r=1
2.6.1 單一平界面的反射率與透射率
討論：
當Z2>Z1時，如水/鋼
當Z1>Z2時，如鋼/水
當Z1>>Z2時，（如鋼/空氣界面）
當Z1≈Z2時，如普通碳鋼焊縫的母材與填充金屬之間
2.6.1 單一平界面的反射率與透射率
以上討論為超聲波縱波垂直到單一平界面上的聲壓、聲強反射率和透射率
同樣適用于橫波入射的情況，但必須注意的是在固體/液體或固體/氣體界面上，橫波全反射。因為橫波不能在液體和氣體中傳播。
2.6.2薄層界面的反射率與透射率
超聲檢測時，經(jīng)常遇到耦合層和缺陷薄層等問題，這些都可歸結為超聲波在薄層界面的反射和透射問題。此時，超聲波是由聲阻抗為Z1的*介質入射到Z1和Z2界面，然后通過聲阻抗為Z2的第二介質薄層射到Z2和Z3界面，zui后進入聲阻抗為Z3的第三介質。
超聲波通過一定厚度的異質薄層時，反射和透射情況與單一的平界面不同。異質薄層很薄，進入薄層內的超聲波會在薄層兩側界面引起多次反射和透射，形成一系列的反射波和透射波
薄層界面反射透射示意圖
超聲波通過異質薄層時的聲壓反射率和透射率不僅與介質聲阻抗和薄層聲阻抗有關，而且與薄層厚度同其波長之比d2/λ2有關
2.6.2薄層界面的反射率與透射率
1.均勻介質中的異質薄層（Z1=Z3≠Z2）
（1）當 （n為整數(shù)）時， 。這說明當薄層兩側介質聲阻抗相等，薄層厚度為其半波長的整數(shù)倍時，超聲波全透射，幾乎無反射，好象不存在異質薄層一樣。這種透聲層常稱為半波透聲層。
（2） （n為整數(shù)）時，即異質薄層厚度等于其四分之一波長的奇數(shù)倍時，聲壓透射率zui低，聲壓反射率zui高。
圖2－37與圖2－38
2．薄層兩側介質不同的雙界面
（1）當 （n為整數(shù)）時， 。這說明超聲波垂直入射到兩側介質聲阻抗不同的薄層時，若薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍，則通過薄層的聲強透射率與薄層的性質無關，好象不存在薄層一樣
（2） （n為整數(shù)）時，且 時，此時T＝1，即聲強透射率等于1，超聲波全透射。 直探頭保護膜的設計
2.6.3 聲壓往復透射率
在超聲波單探頭檢測中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。探頭發(fā)出的超聲波透過界面進入工件，在固/氣底面產生全反射后再次通過同一界面被探頭接收
這時探頭接收到的回波聲壓與入射波聲壓之比，稱為聲壓往復透射率T往
聲壓往復透射率與界面兩側介質的聲阻抗有關，與從何種介質入射到界面無關。界面兩側介質的聲阻抗相差愈小，聲壓往復透射率就愈高，反之就愈低。
往復透射率高低直接影響檢測靈敏度高低，往復透射率高，檢測靈敏度高。反之，檢測靈敏度低。
2.7 超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射
2.7.1 波型轉換與反射、折射定律
當超聲波傾斜入射到界面時，除產生同種類型的反射和折射波外，還會產生不同類型的反射和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉換
2.7.1 波型轉換與反射、折射定律
當超聲波垂直入射到光滑平界面時，將在*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。
1．縱波斜入射
當縱波L傾斜入射到界面時，除產生反射縱波L′和折射縱波L″外，還會產生反射橫波S′和折射橫波S″，如圖1.30（a）所示。各種反射波和折射波方向符合反射、折射定律：
由于在同一介質中縱波波速不變，因此 。又由于在同一介質中縱波波速大于橫波波速，因此
（1）*臨界角
（2）第二臨界角αⅡ：
2.7.1 波型轉換與反射、折射定律
由αⅠ 和αⅡ 的定義可知：
① < αⅠ 時，第二介質中既有折射縱波L″又有折射橫波S″。
②αⅠ ～αⅡ 時，第二介質中只有折射橫波S″，沒有折射縱波L″，這就是常用橫波探頭制作和橫波檢測的原理。
≥αⅡ 時，第二介質中既無折射縱波L″，又無折射橫波S″。這時在其介質的表面存在表面波R，這就是常用表面波探頭的制作原理。
例如，縱波傾斜入射到有機玻璃/鋼界面時，有機玻璃中cL1=2730m/s，水中cL1=1480m/s，鋼中：cL2=5900m/s，cS2=3230m/s。則*、二臨界角分別為：
由此可見有機玻璃橫波探頭楔塊角度
有機玻璃表面波探頭楔塊角度≥ 。
2.7.1 波型轉換與反射、折射定律
2．橫波斜入射
當橫波傾斜入射到界面時，同樣會產生波型轉換
增加到一定程度時， =90°,在*介質中只有反射橫波，沒有反射縱波，即橫波全反射，這時所對應的橫波入射角稱為第三臨界角，用αⅢ表示
對于鋼：cL1=5900m/s，CS1=3230m/s ， αⅢ
當 ≥33.2°時，鋼中橫波全反射。
2.7.2 聲壓反射率
1.縱波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射
縱波傾斜入射，當 左右時產生一個較強的變型反射橫波。
2.橫波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射
當 左右時， 很低， 較高。
當 ≥33.2°時， 即鋼中橫波全反射
2.7.3 聲壓往復透射率
超聲檢測中，常常采用反射法，超聲波往復透過同一探側面，因此聲壓往復透射率更具有實際意義。
超聲波傾斜入射，折射波全反射，探頭接收到的回波聲壓Pa 與入射波聲壓P0之比稱為聲壓往復透射率，常用T表示，T=Pa/P0。
2.7.4 端角反射
超聲波在兩個平面構成的直角內的反射叫做端角反射。在端角反射中，超聲波經(jīng)歷了兩次反射，當不考慮波型轉換時，二次反射回波與入射波互相平行，即
回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比稱為端角反射率，用T端表示。
（1）縱波入射時，端角反射率都很低，這是因為縱波在端角的兩次反射中分離出較強的橫波。
（2）橫波入射時，入射角 或 附近時，端角反射率zui低。
時，端角反射率達100%。
2.8 超聲波的聚焦與發(fā)散
2.8.1 聲壓距離公式
為了便于討論，不考慮波型轉換行為。
1 .平面波
平面波波束不擴散，而是互相平行，因此聲壓不隨距離而變化。
2. 球面波
3. 柱面波
柱面波的波陣面為同軸柱面，柱面波聲場中某處質點的振幅與該點至波源的距離的平方根成反比，而聲壓與振幅成正比，因此柱面波的聲壓與距離的平方根成反比。
2.8.2 球面波在平界面上的反射與折射
1.單一的平界面上的反射
2.雙界面的反射
前壁各次反射波聲壓比為
后壁各次波的聲壓比
實際檢測中，當d較大時，超聲波探頭發(fā)出的超聲波可視為球面波，示波屏上各次底面反射波的高度之比近似符合的規(guī)律
2.8.2 球面波在平界面上的反射與折射
3.單一平界面上的折射
球面波入射到平界面上時，其折射波不再是嚴格的球面波了。只有當其張角較小時，可視為近似的球面波，圖2－51
折射波聲壓
2．8．3平面波在曲界面上的反射與折射
1.平面波在曲界面上的反射
當平面波入射到曲界面上時，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散。
反射波的聚焦或發(fā)散與曲面的凹凸（從入射方向看）有關。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發(fā)散。
（1）平面波入射到球面時，其反射波可視為從焦點發(fā)出的球面波。
（2）平面波入射到柱面時，其反射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波。
實際檢測中球形、柱形氣孔的反射就屬于以上兩種情況
2．8．3平面波在曲界面上的反射與折射
2.平面波在曲界面上的折射
平面波入射到曲界面上時，其折射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖1.46。
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波速有關。
對于凹透鏡，當 c1<c2時聚焦，當c1>c2時發(fā)散；
對于凸透鏡，當c1>c2時聚焦，當c1<c2時發(fā)散。
根據(jù)折射定理作圖即可
（1）平面波入射至球面透鏡時
（2）平面波入射到柱面透鏡
2．8．4球面波在曲界面上的反射和折射
1．球面波在曲界面上的反射
球面波入射到曲界面上，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖1.47。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發(fā)散。
（1）球面波在球面上的反射波
（2）球面波在柱面上的反射波
（圖1.49）超聲波徑向檢測空心圓柱體的情況，類似于球面波在凸柱面上的反射，反射波發(fā)散。圓柱面上入射點處的反射回波聲壓總是低于同距離的平底面的反射聲壓
2.球面波在曲界面上的折射
球面波入射到曲界面上，其折射波同樣會發(fā)生聚焦和發(fā)散
球形界面：
柱形界面：
水浸檢測柱形或球形工件 聚焦檢測
2.9 超聲波的衰減
超聲波在介質中傳播時，隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波衰減。
衰減的原因
波束擴散、晶粒散射和介質吸收
1.擴散衰減
2.散射衰減
3.吸收衰減
通常所說的介質衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包括擴散衰減。
2．9．2衰減方程與衰減系數(shù)
1.衰減方程
平面波
2.衰減系數(shù)
衰減系數(shù)α只考慮了介質的散射和吸收衰減，未涉及擴散衰減。對于金屬材料等固體介質而言，介質衰減系數(shù)α等于散射衰減系數(shù)和吸收衰減系數(shù)之和。
（1）介質的吸收衰減與頻率成正比。
（2）介質的散射衰減與f、d、F有關在實際檢測中，當介質晶粒較粗大時，若采用較高的頻率，將會引起嚴重衰減這就是晶粒較大的奧氏體鋼和一些鑄件檢測的困難所在。
（3）對于液體介質而言，主要是介質的吸收衰減。
2．9．3衰減系數(shù)的測定
薄板工件衰減系數(shù)的測定
厚板或粗圓柱體衰減系數(shù)的測定
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