超声(波)检测的原理.pptVIP

当波速小的介质入射到波速大的介质时，折射角大于入射角，随着入射角度增大，折射角也增大。当αL增大到αLK1时，使βL2等于90o，继续增大，纵波在界面被完全反射，介质Ⅱ中只存在横波，此时纵波入射角αLK1称为第一临界角。当αL1继续增大到αLK2时、使βS2等于90o，再增大时横波也被全反射此时的纵波入射角αLK2称为第二临界角声速、波长和频率声速是声波在介质中传播的速度(c)，波长是指声波每振动一次所走过的距离(λ)，频率是指每秒钟声波振动的次数(f)，三者之间的关系STEP01STEP02声速由介质决定，在各向同性的无限大弹性固体中，声速可用下式表示式中E-介质的正弹性模量，ρ-介质的密度，K-常数与波型有关。纵波声速横波声速式中G-介质切变模量，μ-介质的泊松比。表面波声速单击此处添加大标题内容纵波速度在气体中每秒为几百米，在液体中为1～2km/s，固体中为3～6km/s。01在固体中还有横波，横波的速度约为纵波速度的一半，表面波速度约为横波速度的0.9502某些物质的密度、声速和特性阻抗见表总之，介质弹性能越好(E和G越大)、密度ρ越小，则声波在介质中的传播速度越高。当棒的直径与波长相当时称为细棒，细棒中声波以膨胀形式传播，称为棒波。当棒的直径d≤0.1λ(波长)时，棒波的速度与泊松比无关，可表示为2-1-3声场及其特征值声场特征常用声压、声强和特性阻抗等特征值来描述。声压(p)是指声传播时，造成介质中某点的压强，单位为帕斯卡(Pa)，1Pa=1N/m2声波在介质中传播时，介质中每一点的声压将随时间和距离的变化而改变。声压与介质密度、波速和频率成正比式中v-质点振动速度上式中当声压p不变时，ρc越大，质点振动速度就越小，所以ρc被称为介质的特性阻抗，以z表示。超声检测中，可以到观察荧光屏上出现的反射波高度，该高度与声压p成正比。液体阻抗约为气体的3000倍，固体阻抗约为液体的30倍。在声场中的某点，在与指定方向垂直的单位面积上，单位时间内通过的平均声能，称为声强度，以I表示。声强度与质点位移振幅和质点振动频率的平方成正比，与质点振动速度振幅的平方成正比，与声压振幅的平方成正比。超声波的频率很高，其强度远远大于一般声音，这就是超声波能够用于检测的前提。在实际超声波检测中，超声波是由一定尺寸的探头发出的，辐射的是活塞波。离探头很近的地方可认为是平面波，远离探头的地方则视为球面波。这种声源发射的声波可以认为是由无数个能发射子波源的声波叠加的结果。探头中心轴线上的声压分布如用平面波理论分析可得下式式中a-辐射圆盘半径检测时测得的信号高度与声压成正比，中心轴上的声压分布如图所示。第一章节声压分布分为两个区域，即xN时，声压p有若干个周期性的极大值和极小值，称为近声场，N为近场区长度。最大值出现在声程相当于N、N/3、N/6、N/12…各点，而最小值出现在声程相当于N/2、N/4、N/8、N/16…各点。PARTONE这种现象，是由于声源上各单一点源辐射到轴线上同一点的声波的相位差引起的波的干涉效应造成的。01由于近场区中声压的起伏很大，在近声场中进行正确检测比较困难。02近场区长度N取决于声源的尺寸和声波波长，当D/2λ时，N值可用下式获得可见，辐射器的直径D愈大、频率愈高(波长越短)，则近场长度N也就愈长。第一章当xN时称为远场区，此时声压随距离增加而下降，但只有声程大于3N后，声压与声程才比较符合反比关系。因此，习惯上以声程大于3N时为远场区。PARTONE远场区的声压分布可由下式计算可见，中心轴线上的声压与晶片面积和起始声压成正比，而与波长和声程成反比。声场中的声压不但随距离x、时间t而变，同时还随声束的半扩散角而变。半扩散角直接反映声场中声能集中的程度和几何边界。换能器声场传播方向θ角半扩散角θ的大小可按下式计算式中D-圆形压电晶片的直径a-方形晶片边长换能器声场传播方向θ角也就是说，半扩散角θ取决于晶片尺寸和波长。提高频率和加大晶片尺寸，均可改善超声的指向性。换能器声场传播方向θ角辐射器辐射的超声波能量的80%以上集中在主瓣的声束上，副瓣的能量小，传播距离短，因此可以认为副瓣束集中在近场区。换能器声场传播方向θ角超声检测大多采用脉冲波，而在介绍基本理论时，一般采用连续波。这是由于分析脉冲形状非常复杂，而从实际应用来说，近似用连续波代替脉冲波，但二者的声场特性上别很大。由于脉冲波是持续时间很短的波动，所以它们可能不产生干涉或只产生不完全干涉。脉冲波中脉冲个数对近场区内的声压分布影响极大