超声波检测（教材）.doc

超 声 波 检 测 §1超声波检测物理基础 1 机械振动和机械波 1.1 机械振动：一个物理量的值在观测时间内不停地经过极大值和极小值的周期变化，这种变化状态称为振动。如果振动量是个力学量，如位移、角位移等，所作的振动称之为机械振动。图1－1(教材中的图2－1和图2－2)表示了机械振动的两个示例。 1.1.1两个表征振动的参数： 周期T：完成一次全振动所需的时间，常用单位秒(s)。 频率f：单位时间内完成全振动的次数，单位为赫芝(Hz)。 1Hz＝1次/秒＝秒－1；1MHz＝106Hz。 1.1.2振动方程： 最简单最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。描述谐振动质点M位移y与时间t关系的谐振动方程如下： y＝Acos(ωt＋φ) （1－1） 式中：y——为振动幅度在任一瞬间时t的数值； A——为振幅，是y的最大值； ω——角频率(角速度)，ω＝2πf； φ——初始相位角，即t＝0时质点M的相位； (ωt＋φ)——质点M在t时刻的相位。 可用图1－2（教材中的图2－6）来进一步说明 物体谐振动时，位移是时间的正弦或余弦函数。 1.2 机械波和声波： 1.2.1机械波的形成 机械振动在介质中的传播称为机械波，机械振动在弹性体中的传播称之为弹性波（声波）。 图1—3（教材中的图2－3）是弹性体的模型，可用来说明机械波的形成。 1.2.2产生机械波的两个条件： 1.作机械振动的波源； 2.传播振动的介质。 1.2.3超声波 如果以频率f来表征声波，并以人的可闻频率为分界线，则可把声波划分为次声波（f＜20Hz）、可闻声波（20Hz≤f≤20kHz）和超声波（f＞20kHz）。在超声波检测中最常用的频率范围为0.5～10MHz。 1.2.4三个表征波动的参数： 频率f：波在单位时间内通过给定点的完整波的个数称为波的波动频率； 波长λ：波在一个周期内传播的距离称为波长； 波速c：声波在单位时间所传播的距离称为波速。 c＝λf （1－2） 1.2.5波动方程 如图1＝4（教材中的图2－7）所示，当振动从O点传播到B点时，B点开始振动。由于振 动从O点传播到B点需要时间x / c，因此B点的振动滞后于O点x / c秒，即B点在t时刻的位移等于O点在(t－x / c)时刻的位移： y＝Acosω(t－x / c)＝Acos(ωt－kx) （1－3） 式中：k——波数，k＝ω/ t＝2π/λ； x——B至O点的距离。 波动方程式（1－3）描述了波线上任意一点在任意时刻的位移情况。 1.2.6连续波、简谐波和脉冲波 连续波：介质各质点振动持续时间为无穷的波动，见图1—5a（教材中的图2－4a）。 简谐波：介质各质点都作同频率的谐振动的连续波。 脉冲波：介质各质点振动持续时间有限的的波动，见图1—5b（教材中的图2－4b）。 脉冲波的频谱：根据傅里叶分析，对于非周期的振动都可认为是由无限多个频率连续变化的谐振动的合成，即可将脉冲波视为具有一定频率范围的连续频率的简谐波的合成。这个频率范围称之为频带宽度。脉冲越窄频谱越宽，脉冲越宽频谱越窄，图1—6（教材中的图2－5）。 2 超声波的传播 2.1波的类型 2.1.1纵波：介质中质点振动方向与波的传播方向一致的波，一般用L表示，图1—7（教材中的图2－8）。 2.1.2横波：介质中质点振动方向与波的传播方向向垂直的波，一般用S表示，图1—8（教材中的图2－9）。 2.1.3表面波：当固体半无限弹性介质表面受到交替变化的表面张力作用时，介质表面的质点就产生相应纵向振动和横向振动，其结果导致质点作这两种振动的合成振动，即绕其平衡位置作椭圆轨迹的振动，这种振动的传播形成表面波，是一种沿固体表面传播的波，图1—9（教材中的图2－10）。 由于液体和气体不能产生剪切应变，故不能传播横波和表面波，只能传播纵波。 板波：应用很少，不讲。 2.2 波形(指波的形状) 2.2.1波线、波前和波阵面的概念，图1—10（教材中的图2－12）： 波线：波动的传播方向。 波前：某一时刻振动传播到最前沿的各质点的轨迹。 波阵面：在同一时刻介质中振动的相位相同的所有轨迹。 2.2.2平面波： 波阵面为平面的波称为平面波，图1—10a，波幅不随距离变化。波动方程见式（10－3）。 2.2.3球面波： 波阵面为同心球面的波称为球面波，图1—10b，其波动方程如下式： A y＝—cos(t－kx) （1－4） x 从式中看出，波幅与距离