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第一章 超 声 波 检 测 1. 1 超声检测的基础知识 描述超声波的基本物理量 超声波的产生依赖于做高频机械振动的“声源”和传播机械振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测的物理基础。 描述超声波波动特性的基本物理量有： 声速c、频率f、波长λ、周期T 、角频率ω。其中频率和周期是由波源决定的，声速与传声介质的特性和波型有关。 这些量之间的关系如下： 超声检测的基础知识 超声波的特点 超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测。 1) 方向性好 超声波具有像光波一样定向束射的特性。 2）穿透能力强 对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。 3）能量高 超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。 4）遇有界面时，将产生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。 超声检测的基础知识 超声波的分类 超声波的分类方法很多，如图1所示。主要有：按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系分类，即按波型分类；按波振面的形状分类，即按波形分；按振动的持续时间分类等。其中，按波型是研究超声波在介质中传播规律的重要理论依据，将着重讨论。 超声检测的基础知识 超声检测的基础知识 1） 超声波的波型 超声波的波型指的是介质质点的振动方向与波的传播方向的关系。按波型可分为纵波、横波、表面波和板波等。  （1） 纵波。介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波，用L表示(见图1-2)。介质质点在交变拉压应力的作用下，质点之间产生相应的伸缩变形，从而形成了纵波。纵波传播时，介质的质点疏密相间，所以纵波有时又称为压缩波或疏密波。 超声检测的基础知识 超声检测的基础知识 （2） 横波。介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波叫横波，用S或T表示。横波的形成是由于介质质点受到交变切应力作用时， 产生了切变形变，所以横波又叫做切变波。液体和气体介质不能承受切应力，只有固体介质能够承受切应力，因而横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。  （3） 表面波（瑞利波）。当超声波在固体介质中传播时， 对于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波即表面波。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，因此表面波又称为瑞利波， 常用R表示。 超声检测的基础知识 超声检测的基础知识 超声检测的基础知识 （4） 板波（兰姆波）。在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波叫板波(或兰姆波)。板波传播时声场遍及整个板的厚度。 薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合， 质点振动的轨迹为一椭圆，在薄板的中间也有超声波传播(见图1-5)。板波按其传播方式又可分为对称型（S型）和非对称型（A型）两种，这是由质点相对于板的中间层作对称型还是非对称型运动来决定的。 超声检测的基础知识 超声检测的基础知识 2) 超声波的波形 超声波由声源向周围传播的过程可用波阵面进行描述。 如图1-6所示，在无限大且各向同性的介质中，振动向各方向传播， 用波线表示传播的方向；将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面称为波阵面；某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面称为波前。在各向同性介质中波线垂直于波阵面。在任何时刻，波前总是距声源最远的一个波阵面。 波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。 超声检测的基础知识 超声检测的基础知识 3）连续波与脉冲波 连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波是质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波。对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率。 超声场及介质的声参量简介 2.1 超声场的物理量 1) 声压 当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声压，用P表示,即 超声场及介质的声参量简介 2） 声阻抗 介质中某一点的声压幅值Pm与该处质点振动速度幅值Vm之比，称为声阻抗，常用Z表示。在同一声压下，声阻抗Z愈大，质点的振动速度就愈小。声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。 超声场及介质的声参量简介 3） 声强 单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用I表示。 对于平面纵波，其声强I为 超声场及介质的声参量简介 4） 分贝