超声波北化电科第1讲.doc

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