第一章 超声检测物理基础 - 图文(2)

图1-8 兰姆波

a） 对称型（S型） b） 非对称型（A型）

兰姆波在薄板检测中应用广泛。 3、波形

所谓波形，是指声波的波阵面的形状。波阵面是指在同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所构成的面。

(1) 平面波

波阵面为平面的声波称为平面波。一个作谐振动的无限大平面在无限大的的弹性介质中振动所产生的声波为平面波。如果介质是各向同性、无损耗的，即均匀、理想的，则平面波质点的振幅不随与声源的距离x的增加而衰减。理想平面波的波动方程为：

y?Acos??t?kx? (1-5)

这种理想的平面波并不存在，当声源的长宽尺寸远大于声波的波长时，该声源所发射的声波可近似看作平面波。在超声检测中，探头向工件中辐射超声波时，离探头表面附近的区域内的超声波近似为平面波。

(2) 球面波

波阵面为球面的声波称为球面波。当声源为点状球体时，在无限大的弹性介质中振动所产生声波的波阵面是以声源为中心的同心圆球面。单位面积上的能量会随与声源的距离的增加而减小。球面波中质点的振幅与距声源的距离x成反比。在无限大均匀理想的弹性介质中的球面波的波动方程为：

y?Acos??t?k?x (1-6) x当观察点与声源距离远大于点状声源尺寸时，声波可近似看作球面波，所以在超声检测

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大尺寸工件中，探头所激励的超声波在足够远处近似为球面波。

(3) 柱面波

波阵面为柱面的声波称为柱面波。当声源为一无限长的线状直柱时，在无限大均匀理想 的弹性介质中振动所产生声波的波阵面是以声源为中心的同心圆柱面，且柱面波各质点的振幅与距声源的距离x的平方根成反比。在无限大均匀理想的弹性介质中的柱面波的波动方程为：

y?以上三种波形如图1-9所示。

Acos??t?kx? (1-7) x112324423143a)b)图1-9 a) 平面波 b) 柱面波 c)球面波 1－波源 2－波线 3—波阵面 4—波前

c)

(4) 活塞波

在超声检测中，声源（即产生超声波的探头）尺寸既不能看成很大，也不能看成很小，所以，其产生的超声波既不是平面波也不是球面波，而是介于二者之间的波形，称为活塞波。在离声源较近处，波阵面较复杂，质点的位移难以简单描绘；在离声源较远处，波阵面为近似球面，质点的位移可近似用球面波的波动方程描绘，使计算极为简单。这正是超声检测中用计算法进行灵敏度调整和对不连续性进行当量评定的理论基础。

4、连续波与脉冲波

如图1-10所示，连续波是质点振动时间为无穷的波，最常见的连续波是正弦波。脉冲波是质点振动持续时间很短的波，短到只有一到几个周期。

yyta)b)图1-10 连续波与脉冲波 a）连续波 b）脉冲波

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t

超声检测中应用最广的是脉冲超声波，因为与连续波相比脉冲超声波的瞬间功率高、平均功率低，所以超声波的穿透力强、又不会损害被检对象及探头；脉冲超声波的脉冲宽度窄，所以检测分辨率高。当然连续波也有特殊的用途，如共振法检测等。

一个时域中的超声脉冲可分解为多个不同频率的简谐波，并可根据不同频率的幅度绘制出频率——幅度曲线，称为频谱，这就是频谱分析法。如图1-11所示，通常以峰值两侧幅度下降6dB对应的两点频率之差为频带宽度。该两点频率的中央对应的频率称为中心频率，用fc表示；频谱曲线最高点对应的频率称为峰值频率，用fp表示。可见，单一频率的连续波的频谱为?函数；宽度越窄的脉冲信号的频带越宽；反之，宽度越宽的脉冲信号的频带越窄。

108幅度fp6dBf1fcf642fu0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 频率/MHz

图1-11 频谱分析示意图

1.1.3 声波的速度 velocity

声波在介质中的传播速度即为声波速度，简称声速，用c表示。声速是介质的重要声学参数，取决于介质的性质（密度、弹性模量），声速还与波型有关。

1、纵波声速Cl

在无限大固体介质中传播时，纵波速度为：

Cl?E1－? (1-8)

ρ(1＋?)(1?2?)在无限大液体和气体介质中，纵波声速为：

Cl?2、横波声速Ct

K? (1-9)

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在无限大固体介质中传播时，横波的速度为：

Ct?3、瑞利波声速CR

E?1 (1-10)

2(1??)在半无限大固体介质表面传播的瑞利波的速度为：

CR?0.87?1.112?1??E1 (1-11)

?2(1??)式中：E —— 介质的杨氏弹性模量，等于介质承受的拉应力F/S与相对伸长?L/L之比，

即E?F/S；

?L/L ? —— 介质的密度，等于介质的质量M与其体积V之比，即??M/V；

? —— 介质的泊松比，等于介质横向相对缩短?1??d/d 与纵向相对伸长

???L/L之比，即???1/?。

K —— 气体、液体介质的体积弹性模量

可见即使在相同的固体介质中，以上三种波型的声速各不相同，每种波型的声速是由介质的弹性性质、密度决定的，即给定波型的声速是由介质材料本身的性质决定的，而与声波的频率无关。不同的材料，声速也不同。对给定的材料和波型，声波的频率越高，波长越短。

对同一固体材料，纵波的声速大于横波声速；横波声速大于瑞利波声速即：

Cl>Ct>CR

以为钢例，Cl?1.8Ct ，CR?0.9Ct，即Cl:Ct:CR?1.8:1:0.9。 几种常见材料的声速见表1-1。

密度 材料 铝 钢 有机玻璃 甘油 水（200C） 油 空气 纵 波 横 波 (g/cm3) 2.69 7.8 1.18 1.26 1.0 0.92 0.0012 Cl(m/s) 6300 5900 2700 1900 1500 1400 340 ?/mm 1.3 1.2 0.54 0.38 0.30 0.28 0.07 Ct(m/s) 3130 3200 1120 — — — — ?/mm 0.63 0.64 0.22 — — — — 表1-1 几种材料的声速和5MHz时的波长（取易于记忆的数据）

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4、兰姆波声速

与无限大均匀介质中传导的纵波和横波不同，在薄板中传导的兰姆波的传播速度与板厚和频率有关。这种速度随频率变化的现象称为频散。对特定的板厚和频率，又有对称和非对称模式的兰姆波，不同模式兰姆波的声速也不相同。

兰姆波在板中传播的速度有相速度和群速度之分。所谓相速度是沿传导方向上相位移动的速度；群速度则是声能的传播速度。在无限大均匀介质中传导的纵波和横波，其相速度与群速度相同；而对板中传导的兰姆波，相速度和群速度相差很大。

由此可见，兰姆波的声速与频率、厚度和模式有关。 5、声速的变化

对纵波、横波和瑞利波而言，声速是由介质的材料性能（包括物理性能和力学性能）决定的。对特定介质和特定波型而言，声速是个常量。当介质的应力、流量、孔隙率或晶粒度变化时，其物理性能（如密度）、力学性能（如弹性模量）也会变化，因而声速也会变化。所以，可以先建立声速与应力、流量、孔隙率或晶粒度之间的关系，然后通过测量介质的声速来测量介质的应力、流量、孔隙率或晶粒度等参量。典型的应用是 …… 此处隐藏：1706字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……