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超声波北化电科第1讲
第一章、超声波检测(探伤)的物理基础
超声波检测是目前应用最广泛的无损探伤方法之一。
无损检测:X—射线检测
超声波检测
荧光、渗透检测
磁粉检测
涡流检测
X射线检测照片
荧光、渗透检测照片
磁粉检测照片
涡流检测照片
超声波是一种机械波,主要涉及几何声学和物理声学,几何声学中的反射、折射定律及波型转换,物理声学中波的叠加、干涉、绕射及惠更斯原理等。
§1.1超声波的一般概念
一、机械振动与机械波
1.机械振动
物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动,称为机械振动。
振动现象:弹簧振子的运动,
钟摆的运动
汽缸、活塞运动、超声波波源的运动
团体分子的热运动
振动是往复、周期性的, 完整运动整个过程称为一个“循环“或叫一次“全振动“。
周期T:振动物体完成一次全振动所需要的时间,称为振动周期,用T表示,单位为秒(s)
频率f:振动物体在单位时间内完成全振动的次数,称为振动频率,用f表示,单位为赫兹(Hz)
【例题】 1赫兹表示1秒钟内完成1次全振动
即1Hz=1次/秒
千赫(kHz), 兆赫(MHz)。
1kHz=Hz, 1MHz=Hz。
如某人说话的频率为f=1000Hz,表示其声带振动为1000次/秒,则声带振动周期。
最简单基本的直线振动称为谐振动,任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。
图示质点M作匀速圆周运动时,其水平、垂直投影就是一个方向的谐振动,质点M的水平位移y和时间t的关系可用谐振方程来描述。
(1.2)
2.机械波
机械波——机械振动在弹性介质中的传播过程,称为机械波。如水波、声波、超声波等都是机械波。
电磁波——交变电磁场在空间的传播过程,称为电磁波。如无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、Y射线等。
产生机械波必须具备以下两个条件:
(1)要有作机械振动的波源
(2)要有能传播机械振动的弹性介质
振动是产生波动的根源,波动是振动状态的传播。波动中介质各质点并不随波前进,只是以交变的振动速度在各自的平衡位置附近往复运动。
振动状态的传播过程,也是振动能量的传播过程。
平面余弦波在理想无吸收的均匀介质中传播时的波动方程为:
(1.3)
式中:——波速
——波的传播距离
——波数,
描述了波线上任意一点在任意时刻的位移状况
3.波长、频率和波速
(1)波长
同一波线上相邻两振动位相相同质点间的距离,称为波长。
波源或介质中任意一质点完成一次全振动,波正好前进一个波长的距离。波长的常用单位为毫米(mm),米(m)
(2)频率
波动过程中,任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数,称为波动频率,波动频率在数值上同振动频率,用f表示,单位为Hz。
(3)波速C
波动在弹性介质中,单位时间内所传播的距离称为波速,用C表示,常用单位为米/秒(m/s )或千米/秒(km/s )。
由波速,波长和频率的定义可得:
(1.4)
4.次声波、声波和超声波
次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波,它们的区别主要在于频率不同。
人们把能引起听觉的机械波称为声波,频率在20—20000Hz之间,
频率低于20Hz的机械波称为次声波,
频率高于20000Hz=20KHz的机械被称为超声波。次声波、超声波不可闻。
超声探伤所用的频率在0.5—10MHz之间,对钢等金属材料的检验,常用的频率为1—5MHz。超声波波长很短,由此决定了超声波具有一些重要特性,使其能广泛用于无损探伤。
超声波的性质:
(1)超声波方向性好
超声波是频率很高、波长很短的机械波,在无损探伤中使用的波长为mm数量级。
(2)超声波能量高
超声波探伤频率远离于声波,而能量(声强)与频率平方成正比。因此超声波的能量远大于声波的能量。如1MHz1000Hzm。
二、超声波的类型
1.据质点的振动方向分类
(1)纵波L
介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波,称为纵波,用L表示,如图
当介质质点受到交变拉、压应力作用时,质点之间产生相应的伸缩形变从而形成纵波。这时介质质点疏密相间,故纵波又称为压缩波或疏密波。
固体、液体、气体介质可以传播纵波(承受拉伸、压缩应力)。
(2)横波S(T)
介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称为横波,图示
当介质质点受到交变的剪切应力作用时,产
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