[物理]第二章 超声波探伤物理基础-UT-II.ppt

第二章 超声波检测的物理基础 超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播。 超声检测主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概念。 如几何声学中的反射定律、折射定律、波形转换。 物理声学中波的叠加、干涉、衍射等 2.1 机械振动与机械波 2.1 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. 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.单位：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.单位：赫兹（Hz） 谐振（简谐振动） 最简单最基本的直线振动称为谐振。其特点是物体受到的回复力大小与位移成正比,其方向总是指向平衡位置。 简谐振动方程 质点的水平位移和时间t的关系式： y=Acos(ωt+φ) 其中：A：振幅，最大水平位移 ω：角频率， ω=2πf=2π / T φ：初相位，即t=0时质点的相位 ωt+φ：质点在t时刻的相位角 简谐振动方程描述了谐振动物体在任意时刻的位移情况。 阻尼振动 在机械系统振动时，由于受到摩擦力或其他阻力的作用，系统的能量会不断损耗，质量振动的振幅逐渐减小，以至于振动停止。所以，阻尼振动是一个比较普遍情况，也称为衰减振动。(不符合机械能守恒) 受迫振动 由于振动系统内部的阻尼作用，能量逐渐消耗，因初始激发引起的自由振动，将因为能量逐渐损耗，振动逐渐减弱，以至运动停止。要维持振动必须由另一系统不断给以激发，即不断地补充能量，这种由外加作用维持的振动，称为强迫振动。 (不符合机械能守恒) y=Acos(Pt+φ) 其中：A：振幅，最大水平位移 P：策动力的圆频率T φ：初相位 2.1.2 机械波 1.机械波的产生与传播 振动的传播过程，成为波动。 波动分为机械波和电磁波两大类。 机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。如水波、声波、超声波等。 电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。如无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。 超声波是机械波，因此下面只讨论机械波。 物质的弹性模型 弹性介质：这种质点间以弹性力联系在一起的介质称为弹性介质。一般固体、液体、气体都可视为弹性介质。 机械波的产生：弹性介质中的一个质点的振动就会引起邻近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动，于是振动就以一定的速度由近及远地向各个方向传播开来，从而就形成了机械波。 机械波：是机械振动在弹性介质中的传播过程. 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）能传播机械振动的弹性介质。 振动与波动是互相关联的，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。 波动是振动状态的传播过程，也是振动能量的传播过程。这种能量的传播，不是靠质点的迁移来实现的，而是由各质点的位移连续变化来逐渐传播出去的 。 2、机械波的主要物理量 描述机械波的主要物理量有周期、频率和波速。 周期T和频率f: 机械波的周期和频率只与震源有关，与传播介质无关。波动频率也可定义为波动过程中，任一给定点在1秒内所通过的完整波的个数，与该点振动频率数相同，单位为赫兹（Hz） 波长 ：波经历一个完整周期所传播的距离，称为为波长，用λ表示。 单位：mm、m 同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离.或者说：沿着波的传播方向，两个相邻的同相位质点间的距离。 波速 ：C 单位：m/s km/s 波动中,波在单位时间内所传播的距离称为波速. 由波速、波长和频率的定义可知 c= λf 或λ=c/f 波长与波速成正比，与频率成反比。 当频率一定时，波速愈大，波长就愈长； 当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。 2.2 波的类型 2.2.1 按波型分类 根据质点的振动方向分类 根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同,可将波动分为纵波、横波、表面波和板波等. 1.纵波：介质中质点的振动方向和波的传播方向平行。用 L 表示，又称压缩波或疏密波。 当介质质点受到交变正应力作用时，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。 凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。所以，纵波可以在固体、液体和气体中传播。 2.横波：介质中质点的振动方向和波的传播方向垂直。用S（T