第一章 超声检测物理基础 - 图文(3)

2800纵波声速/(m/s)2600240022002000020有机玻璃聚乙烯4060温度/℃

图1-13 有机玻璃、聚乙烯与温度的关系

当介质存在各向异性时，由于不同方向的性能不同，因而声速也不同。如超声检测粗晶粒奥氏体不锈钢时，超声波沿不同角度传导时，其声速也不同。

1.1.4 声压、声强和声阻抗 sound pressure, sound density and acoustic impedance

介质中有声波传播的区域称为声场，声场的特性可用声压、声强和声阻抗三个参量来描绘。

1、声压

在介质中，某点某时刻，当声波在介质中传导时，介质中某点在某时刻的压强与没有声波传导时该点的静压强之差，称为声压，用p表示，单位为帕斯卡(Pa)。声场中的声压是时间和位置的函数。对无限大均匀理想介质中传导的谐振平面波，声压为：

p?P0sin??t?kx???cu (1-12)

式中：P? 0??cA0——声压幅度，P?——介质密度 c——介质声速

?—— 角频率

K——波数

衡量声波的强弱的主要参数是声压幅度，所以通常将声压幅度称为声压。超声检测仪的显示屏上显示的信号高度与信号的声压幅度成正比，所以两信号的高度之比等于其声压之比。

2、声强

在垂直于声波传导方向上，单位面积单位时间内通过的声能，称为声强，亦称声的能

2流密度，用I表示，单位为瓦/米2Wm。对于谐振波，将一个周期内能流密度的平均值

??作为声强：

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P02 I? (1-13)

2?c3、声阻抗

由u?P/?c可知，在同一声压下，介质的?c越大，则质点的振动速度越小。再将声强表达式与电功率表达式W?U2R作电声类比可知，?c相当于电学中的电阻R，所以把

?c定义为声阻抗，表示介质的声学特性。

在描述超声波的反射特性以及解释不同类型不连续性的检测灵敏度的差异时，声阻抗是一个重要的概念。

1.1.5 声波幅度的分贝表示 dB

通常规定引起听觉的最小声强I1?10?16Wcm2为声强的标准，某声强I2与标准声强

I1之比的常用对数为声强级，单位为贝尔（Bel）

??lgI2?Bel? (1-14) I1单位贝尔太大，故取其1/10作单位，即分贝（dB）

??10lgI2P?20lg2 （dB） (1-15) I1P1H2的常用对数的20倍表H1在超声检测中，比较两个波的大小时，可以二者的波高之比

示，单位为dB, 因为对垂直线性良好的仪器，波高之比等于声压之比。

dB?20lgP2H?20lg2 (1-16) PH11几个常用的波高或声压之比对应的分贝数见表1-2。

P2P1 dB 100 40 10 20 8 18 4 12 2 6 1 0 1/2 -6 1/4 -12 1/8 -18 1/10 1/100 -20 -40 表1-2 几个重要的的dB值

1.2 超声波的传播

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propagation of ultrasound

声波传播时，如遇到不同介质组成的异质界面，将发生能量重新分布、传播方向改变和波型转换等现象。

1.2.1 超声波的波动特性 waviness of ultrasound 1、波的叠加

同时在介质中传导的几列声波在某时刻、某点处相遇，则相遇处介质质点的振动是各列声波引起的振动的合成。合成声场的声压为各列声波声压的矢量和，这就是声波的叠加原理。

2、波的干涉

当两列传播方向相同、频率相同、相位差恒定的声波相遇时，声波叠加的结果会发生干涉（interference）现象。合成声场的声压在某些位置始终加强，最大幅度为两列声波声压幅度之和；而另一些位置始终减弱，最小幅度为两列声波声压幅度之差。

合成声波的频率与这两列声波相同。

3、波的共振 两列频率相同、振幅相同的波沿相反方向传播时，声波干涉的结果形成驻波，产生共振（resonance）。如图1-14所示。在波线上某些点始终静止不动，振幅为零，称为波节；另一些点则波幅始终最大，称为波腹。相邻两波节和波腹之间的距离为波长的一半。

当连续超声波垂直入射于两互相平行界面时，会产生多次反射。当两界面间的距离为半波长的整数倍时，形成强烈的驻波，产生共振。超声探头就是基于共振原理工作的。当晶片的厚度为半波长的整数倍时，晶片就发生共振，以最高的效率向工件中激励超声波。此时的频率即为晶片的固有频率。超声测厚的方法之一也是基于共振原理，利用共振时工件厚度与波长的关系测厚。

图1-14 驻波形成示意图

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4、惠更斯原理

对于连续弹性介质，任何一点的振动将引起相邻质点的振动，波前在介质中达到的每一点都可以看作是新的波源向前发出球面子波，如图1-15。

图1－15 惠更斯原理示意图

5、衍射

声波在弹性介质中传播时，如遇到障碍物，当障碍物的尺寸与波长大小相当时，声波将绕过障碍物，但波阵面将发生畸变，这种现象叫衍射或绕射（diffraction），如图1-16。

图1-16 衍射示意图

a) 圆板情况 b) 壁上有孔的情况 c) 屏蔽板的情况

1.2.2 超声波垂直入射到异质界面时的反射和透射reflection & transmission

本节及下节讨论超声波在几种不同介质形成的界面（即异质界面）上的传播特性。超声波的入射方向有垂直和倾斜之分；界面的形状有平面和曲面之分；界面的数量有单层和多层之分。为简单起见，以平面波为例。本节所称界面为大平面。

1、单层界面

由两种介质形成的界面称为单层界面。如图1-17所示，

IiIrz1??1c1z2??2c2It

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图1-17 声波垂直入射到大平界面时的反射和透射

I0— 入射波声强 Ir— 反射波声强 It— 透射波声强 z1 z2

入射声波从介质1垂直入射到由介质1和2构成的大平异质界面时，将发生反射和透射现象，即部分声能被反射形成反射波，沿与入射波相反的方向在介质中传导；部分声能透过界面，沿与入射波相同方向在介质中传播，形成透射波。

根据平面波的传播规律，对于理想弹性介质可推导如下描述反射和透射程度的关系式： 声压反射率rP：表示反射波声压与入射波声压之比

rP?prZ2?Z1 (1-17) ?piZ2?Z1声压透射率tP：表示透射波声压与入射波声压之比

tP?pt2Z2 (1-18) ?piZ2?Z1两者间的关系为 1?rp?tp (1-19) 声强反射率rI：表示反射波声强与入射波声强之比

I?Z?Z1?2 rI?r??2??rp (1-20)

Ii?Z2?Z1?声强透射率tI：表示透射波声强与入射波声强之比

2tI?二者符合

It4Z1Z2Z12??tp (1-21) 2Ii?Z2?Z1?Z2 I?Ii?Ir (1-22)

即入射波的声能等于反射波的声能和透射波的声能之和，符合能量守恒定律。 根据两种介质的特征声阻抗Z的大小对比，分三种情况 …… 此处隐藏：1367字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……