超聲檢測通用技術1超聲檢測通用技術1整體概述THEFIRSTPARTOFTHEOVERALLOVERVIEW,PLEASESUMMARIZETHECONTENT第一部分2整體概述第一部分2超聲檢測的定義和作用指使超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對試件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的技術。在特種設備行業，通常指宏觀缺陷檢測和材料厚度測量。作用：質量控制、節約原材料、改進工藝、提高勞動生產率3超聲檢測的定義和作用指使超聲波與試件相互作用，就反射、透射和2.超聲檢測的物理基礎一、波動振動與波物體或質點在某一平衡位置附近作往復運動，這種運動狀態就叫做機械振動，簡稱振動。如果物體或質點作周期性直線振動，它離開平衡位置的距離與時間可以用正弦或余弦函數表示，稱為簡諧振動。這是最基本最重要的周期性直線振動波動簡稱波，它是振動或振蕩在物體或空間中的傳播；振動是產生波動的根源。波動是振動的結果，是物質的基本運動形式之一。波動可分稱兩大類，一類是機械波，另一類是電磁波。兩者有很大的本質區別，不可混淆。42.超聲檢測的物理基礎一、波動波動簡稱波，它是振動或振蕩在機械波與電磁波的區別機械波是機械振動在彈性介質中引起的波動過程。例如水波、聲波、超聲波等。電磁波則是電磁振蕩所產生的變化電場和變化磁場在物體中或空間(如真空)的傳播過程，如無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線等。5機械波與電磁波的區別機械波是機械振動在彈性介質中引起的波動過振動與波動

物體（或物體的一部分）在某一中心位置兩側所做的往復運動，就叫做機械振動鐘擺的擺動，水上浮標的浮動，擔物行走時扁擔的顫動，在微風中樹梢的搖擺，振動的音叉、鑼、鼓、琴弦等都是機械振動。6振動與波動物體（或物體的一部分）在某一中心位置兩側所做的往2.1.1振動的一般概念振動產生的必要條件：物體一離開平衡位置就會受到回復力的作用；阻力要足夠小。振動的過程物體（或質點）在受到一定力的作用下，將離開平衡位置，產生一個位移；該力消失后，在回復力作用下，它將向平衡位置運動，并且還要越過平衡位置移動到相反方向的最大位移位置，然后再向平衡位置運動。這樣一個完整運動過程稱為一個“循環”或叫一次“全振動”。振動的分類周期性振動：每經過一定時間后，振動體總是回復到原來的狀態（或位置）的振動非周期性振動：不具有上述周期性規律的振動72.1.1振動的一般概念振動產生的必要條件：7振動的表征參數周期、頻率（振動的快慢），振幅（振動的強弱）振幅A——振動物體離開平衡位置的最大距離，叫做振動的振幅，用A表示。周期T——當物體作往復運動時完成一次全振動所需要的時間，稱為振動周期，用T表示。常用單位為秒（s）。對于非周期性振動，往復運動已不再是周期性的，但周期這個物理量仍然可以反映這種運動的往復情況。頻率f——振動物體在單位時間內完成全振動的次數，稱為振動頻率，用f表示。常用單位為赫茲（Hz）,1赫茲表示1秒鐘內完成1次全振動，即1Hz=1次/秒。此外還有千赫（kHz），兆赫（MHz）。周期和頻率的關系：二者互為倒數，T=1/f8振動的表征參數周期、頻率（振動的快慢），振幅（振動的強弱）2.1.2諧振動定義：物體在受到跟位移大小成正比，而方向總是指向平衡位置的回復力作用下的振動，叫做

諧振動。特點：1、回復力與位移成正比而方向相反，總是指向平衡位置。2、是一種理想化的運動，振動過程中無阻力，所以振動系統機械能守恒。3、諧振動的振幅、頻率和周期保持不變，其頻率為振動系統的固有頻率，是最簡單、最基本的一種振動，任何復雜的振動都可視為多個諧振動的合成

92.1.2諧振動定義：物體在受到跟位移大小成正比，而方向總是2.1.3

阻尼振動諧振動是理想條件下的振動，即不考慮摩擦和其它阻力的影響。任何實際物體的振動，總要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振動物體的能量不斷減少。同時，由于在振動傳播過程中，伴隨著能量的傳播，也使振動物體的能量不斷地減少。不符合機械能守恒定律振幅或能量隨時間不斷減少的振動稱為阻尼振動。超聲探頭晶片后粘貼阻尼塊阻尼振動102.1.3阻尼振動諧振動是理想條件下的振動，即不考慮摩擦和受迫振動受迫振動：物體受到周期性變化的外力作用時產生的振動。如縫紉機上縫針的振動，汽缸中活塞的振動和揚聲器中紙膜的振動等。受迫振動剛開始時情況很復雜，經過一段時間后達到穩定狀態，變為周期性的諧振動。其振動頻率與策動力頻率相同，振幅保持不變。受迫振動的振幅與策動力的頻率有關。共振：當策動力頻率P與受迫振動物體固有頻率相同時，振幅最大。應用：探頭：使高頻電脈沖的頻率等于壓電晶片的固有頻率，從而產生共振，這時壓電晶片的電聲能量轉換效率最高。受迫振動物體受到策動力作用，不符合機械能守恒。超聲探頭中的壓電晶片在發射超聲波時：在高頻電脈沖激勵下產生受迫振動；在起振后受到晶片背面吸收塊的阻尼作用，因此又是阻尼振動11受迫振動受迫振動：物體受到周期性變化的外力作用時產生的振動。機械波的產生與傳播圖2.3彈性介質模型12機械波的產生與傳播圖2.3彈性介質模型122.1.4

機械波的產生與傳播振動的傳播過程，稱為波動。波動分為機械波和電磁波兩大類。機械波的產生與傳播過程如圖2.3所示的固體彈性模型。質點間以彈性力聯系在一起的介質稱為彈性介質。（固體、液體、氣體）當外力F作用于質點A時，A就會離開平衡位置，這時A周圍的質點將對A產生彈性力使A回到平衡位置。當A回到平衡位置時，具有一定的速度，由于慣性A不會停在平衡位置，而會繼續向前運動，并沿相反方向離開平衡位置，這時A又會受到反向彈性力，使A又回到平衡位置，這樣質點A在平衡位置來回往復運動，產生振動。與此同時，A周圍的質點也會受到大小相等方向相反的彈性力的作用，使它們離開平衡位置，并在各自的平衡位置附近振動。這樣彈性介質中一個質點的振動就會引起鄰近質點的振動，鄰近質點的振動又會引起較遠質點的振動，于是振動就以一定的速度由近及遠地傳播開來，從而就形成了機械波。液體和氣體不能用上述彈性力的模型來描述，其彈性波是在受到壓力時體積的收縮和膨脹產生的。132.1.4機械波的產生與傳播振動的傳播過程，稱為波動。波動機械波的產生與傳播產生機械波的兩個基本條件（1）要有作機械振動的波源。（2）要有能傳播機械振動的彈性介質機械振動與機械波的關系互相關聯，振動是產生機械波的根源，機械波是振動狀態的傳播。波動中介質各質點并不隨波前進，而是按照與波源相同的振動頻率在各自的平衡位置上振動，并將能量傳遞給周圍的質點。因此，機械波的傳播不是物質的傳播，而是振動狀態和能量的傳播。14機械波的產生與傳播產生機械波的兩個基本條件14波長、頻率和波速（1）周期T和頻率f：為波動經過的介質質點產生機械振動的周期和頻率，機械波的周期和頻率只與振源有關，與傳播介質無關。波動頻率也可定義為波動過程中，任一給定點在1秒鐘內所通過的完整波的個數，與該點振動頻率數值相同，單位為赫茲（Hz）。（2）波長：波經歷一個完整周期所傳播的距離，稱為波長，用表示。同一波線上相鄰兩振動相位相同的質點間的距離即為波長。波源或介質中任意一質點完成一次全振動，波正好前進一個波長的距離。波長的常用單位為米（m）或毫米（mm）。（3）波速C：波動中，波在單位時間內所傳播的距離稱為波速，用C表示。常用單位為米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。波速、波長和頻率的關系式：C=λf或λ=C/f波長與波速成正比，與頻率成反比。當頻率一定時，波速愈大，波長就愈長；當波速一定時，頻率愈低，波長就愈長。15波長、頻率和波速（1）周期T和頻率f：為波動經過的介質質點產次聲波、聲波和超聲波次聲波、聲波和超聲波次聲波：頻率＜20Hz人耳聽不到；聲波：頻率在20～20000Hz之間,人耳可聞超聲波：頻率＞20000Hz,人耳不可聞特超聲波在1000MHz以上，人耳不可聞對鋼等金屬材料的檢測，常用的頻率為0.5～10MHz超聲波特點：方向性好能量高能在界面上產生反射、折射、衍射和波型轉換穿透能力強16次聲波、聲波和超聲波次聲波、聲波和超聲波超聲波特點：16超聲波的特性

束射特性:因為超聲波頻率較高，波長較短，聲束指向性較好，可使超聲能量向一個確定的方向集中輻射，所以利用超聲波可在被檢工件內部發現缺陷，又便于缺陷定位；反射特性:超聲波在彈性介質中傳播時，遇到異質界面時會產生反射、透射或折射，這些現象主要由入射角度和不同介質的聲學特性決定。例如超聲脈沖反射法的基本原理就是利用超聲波在缺陷與材料間異質界面的反射來發現缺陷的傳播特性:超聲波在彈性介質中傳播時，質點振動位移小、振速高，強度與頻率的平方成正比，因此，其聲壓和聲強遠大于聲波，使得超聲檢測具有很強的穿透能力。在大多數介質中傳輸能量損失小，傳播距離大，在一些金屬材料中檢測范圍可達數米；

波型轉換特性:超聲波斜入射在兩個聲速不同的異質界面上容易實現波型轉換。縱波、橫波、板波、表面波都可以通過壓電晶片產生的縱波在異質界面實現不同波型的轉換。橫波探傷、表面波探傷就是利用這一轉換特性的例示。還有反射和折射橫波等。因此，波型轉換的條件是斜入射。但是在鋼/水界面，橫波無波型轉換17超聲波的特性束射特性:因為超聲波頻率較高，波長較短，超聲檢測工作原理

主要是基于超聲波在試件中的傳播特性聲源產生超聲波，采用一定的方式使超聲波進入試件；超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；改變后的超聲波通過檢測設備被接收，并可對其進行處理和分析；根據接收的超聲波的特征，評估試件本身及其內部是否存在缺陷及缺陷的特性。18超聲檢測工作原理主要是基于超聲波在試件中的傳播特性18超聲脈沖反射法檢測工作原理脈沖反射法：

聲源產生的脈沖波進入到試件中——超聲波在試件中以一定方向和速度向前傳播——遇到兩側聲阻抗有差異的界面時部分聲波被反射——檢測設備接收和顯示——分析聲波幅度和位置等信息，評估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。

通常用來發現和對缺陷進行評估的基本信息為：

1、是否存在來自缺陷的超聲波信號及其幅度；

2、入射聲波與接收聲波之間的傳播時間；

3、超聲波通過材料以后能量的衰減。19超聲脈沖反射法檢測工作原理脈沖反射法：19波的類型根據波動傳播時介質質點的振動方向相對于波的傳播方向的不同，可將波動分為多種波型，在超聲檢測中主要應用的波型有縱波、橫波、表面波和板波等.據波陣面形狀不同，可以把不同波源發出的波分為平面波、柱面波和球面波。波源振動的持續時間長短，分為連續波和脈沖波20波的類型根據波動傳播時介質質點的振動方向相對于波的傳播波的類型----縱波1、縱波L定義：介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相平行的波，稱為縱波，用L表示。縱波中介質質點受到交變拉壓應力作用并產生伸縮形變，故縱波亦稱為壓縮波。而且，由于縱波中的質點疏密相間，故又稱為疏密波。凡能承受拉伸或壓縮應力的介質都能傳播縱波。固體介質能承受拉伸或壓縮應力，因此固體介質可以傳播縱波。液體和氣體雖然不能承受拉伸應力，但能承受壓應力產生容積變化，因此液體和氣體介質也可以傳播縱波。21波的類型----縱波1、縱波L21波的類型----橫波橫波S（T）定義介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波，稱為橫波，用S或T表示。橫波中介質質點受到交變的剪切應力作用并產生切變形變，故橫波又稱為切變波。只有固體介質才能承受剪切應力，液體和氣體介質不能承受剪切應力，故橫波只能在固體介質中傳播，不能在液體和氣體介質中傳播。22波的類型----橫波橫波S（T）22波的類型----表面波板波定義：當介質表面受到交變應力作用時，產生沿介質表面傳播的波，稱為表面波，常用R表示，表面波是瑞利1887年首先提出來的，因此表面波又稱瑞利波。也可以認為表面波就是當交變的表面張力作用于固體表面時，產生沿介質表面傳播的波表面波在介質表面傳播時，介質表面質點作橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫波的合成。因此表面波同橫波一樣只能在固體介質中傳播，不能在液體或氣體介質中傳播。表面波只能在固體表面傳播。表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱。當傳播深度超過兩倍波長時，質點的振幅就已經很小了。因此，一般認為，表面波檢測只能發現距工件表面兩倍波長深度內的缺陷。23波的類型----表面波板波定義：當介質表面受到交變應力作用時波的類型----板波定義：在板厚與波長相當的簿板中傳播的波，稱為板波。根據質點的振動方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。（1）SH波：SH波是水平偏振的橫波在簿板中傳播的波。簿板中各質點的振動方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當于固體介質表面中的橫波。（2）蘭姆波：蘭姆波又分為對稱型（S型）和非對稱型（A型），如圖1.9所示。對稱型（S型）：簿板中心質點作縱向振動，上下表面質點作橢圓運動、振動相位相反并對稱于中心。非對稱型（A型）：簿板中心質點作橫向振動，上下表面質點作橢圓運動、相位相同，不對稱。

24波的類型----板波定義：在板厚與波長相當的簿板中傳播的波超聲檢測中常用的波型總結波的類型質點振動特點傳播介質應用縱波質點振動方向平行于波傳播方向固、液、氣體鋼板、鍛件檢測等橫波質點振動方向垂直于波傳播方向固體、特別粘的薄液層焊縫、鋼管檢測等表面波質點作橢圓運動,橢圓長軸垂直波傳播方向,短軸平行于波傳播方向固體表面，且固體的厚度遠大于波長鋼管檢測等板波對稱型（S型）上下表面：橢圓運動，中心：縱向振動固體介質（厚度為幾個波長的的薄板）<6mm）非對稱型（A型）上下表面：橢圓運動，中心：橫向振動25超聲檢測中常用的波型總結波的類型質點振動特點傳播介質應用縱按波形分類---定義波的形狀（波形）是指波陣面的形狀。波陣面：同一時刻，介質中振動相位相同的所有質點所聯成的面稱為波陣面。波前：某一時刻，波動所到達的空間各點所聯成的面稱為波前。波前是最前面的波陣面，是波陣面的特例。任意時刻，波前只有一個，而波陣面卻有很多。波線：波的傳播方向稱為波線。在各向同性的介質中，波線恒垂直于波陣面或波前26按波形分類---定義波的形狀（波形）是指波陣面的形狀。26按波形分類----平面波定義：波陣面為互相平行的平面波，具有相互平行平面狀波陣面的超聲波為平面波。平面波可以看成為一個無限大的平面聲源，在各向同性的彈性介質中作簡諧振動所傳播的波動。平面波的波陣面與聲源平面平行，且沿直線傳播時具有良好的方向性。若無吸收，聲壓不隨距離變化。理想的平面波是不存在的，但如果聲源截面尺寸比它所產生的波長大得多時，該聲源發射的聲波可近似地看作是指向一個方向的平面波。若不考慮介質的衰減，平面波聲壓不隨聲源距離的變化而變化。平面波的波動方程：27按波形分類----平面波定義：波陣面為互相平行的平面波，具有按波形分類----柱面波波陣面為同軸圓柱面的波，波束四周擴散，各質點振幅與距離的平方根成反比。柱面波的波動方程：28按波形分類----柱面波波陣面為同軸圓柱面的波，波束四周擴散按波形分類----球面波球面波：波陣面為同心球面的波，波束四面八方擴散，各質點振幅與距離的成反比球面波的波動方程：29按波形分類----球面波球面波：波陣面為同心球面的波，波束四按振動的持續時間分類----連續波波源振動的持續時間長短，分為連續波/脈沖波連續波波源持續不斷地振動所輻射的波稱為連續波，超聲波穿透法檢測常采用連續波。30按振動的持續時間分類----連續波波源振動的持續時間長短，分按振動的持續時間分類----脈沖波脈沖波波源振動持續時間很短（通常是微秒數量級），間歇輻射的波稱為脈沖波。目前超聲檢測中廣泛采用的就是脈沖波。31按振動的持續時間分類----脈沖波脈沖波31脈沖波的頻譜分析超聲檢測最常用的是脈沖波。一個脈沖波可分解為多個不同頻率的諧振波的疊加。主要進行頻譜分析。頻譜特征量有峰值頻率、頻帶寬度和中心頻率。帶寬：峰值兩側幅度下降為峰值的一半時的兩點頻率值之間的頻率范圍。-6dB-3dB中心頻率：峰值兩側幅度下降的兩點頻率值的算術平均值頻率fc。32脈沖波的頻譜分析超聲檢測最常用的是脈沖波。一個脈沖波可分解為脈沖波的頻譜分析33脈沖波的頻譜分析332.3.1波的疊加、干涉及駐波1、波的疊加現象在一個介質中某一點有幾個聲波在同一時刻到達時，該點的振動是各個聲波在該點所引起振動的合成，任一時刻該質點的位移是各個聲波在這一質點上引起位移的矢量和，這是聲波疊加原理。各列波相遇之后，每一個波仍保持自己原有的特性（頻率、波長、振動方向等）不變，并按自己傳播的方向繼續前進，如同在各自的傳播過途中沒有遇到其他波一樣，這說明波傳播的獨立性。因此，又稱波的獨立性原理。342.3.1波的疊加、干涉及駐波1、波的疊加現象342.3.1波的疊加、干涉及駐波2、波的干涉當兩列頻率相同、振動方向相同、相位差恒定（特殊情況是相位相同）的波動在介質某些點相遇后，因為波動的疊加，會使一些點處的振動始終加強，而在另一些點處的振動始終減弱甚至完全抵消，這稱為波的干涉現象。能夠產生干涉現象的波稱為相干波，其波源稱為相干波源。352.3.1波的疊加、干涉及駐波2、波的干涉352.3.1波的疊加、干涉及駐波現在討論點波源S1,S2在空間某點P發生干涉加強或減弱的條件。波的干涉計算用圖如下圖所示，S1,S2的振動表達式分別為：合振動振幅的表達式：結論：（1）當兩相干波的波程差等于波長的整數倍時，二者互相加強，合振幅達最大值。（2）當兩相干波的波程差等于半波長的奇數倍時，二者互相抵消，合振幅達最小值。若A1=A2，則A=0，即二者完全抵消。

362.3.1波的疊加、干涉及駐波現在討論點波源S1,S2在空間2.3.1波的疊加、干涉及駐波兩個振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播疊加而成的波，稱為駐波。駐波是波的干涉的特例。駐波中振幅最大的點稱為波腹，振幅為零處稱為波節。相鄰波腹和波節的距離為四分之一波長，其出現的位置取決于介質的聲阻抗，兩個相鄰波腹或波節之間的距離為二分之一波長。超聲波的傳播方向上的介質厚度恰為二分之一波長整數倍時，就能產生駐波現象3，駐波372.3.1波的疊加、干涉及駐波兩個振幅相同的相干波在同一直線惠更斯原理1、惠更斯原理1690年惠更斯在波動的起源和波動在彈性介質中傳播的規律研究基礎上，得出通過障礙物上小孔所形成新的波動與孔前的波動狀態有關的結論。著名的惠更斯原理：介質中波動傳到的各點都可以看作是發射子波的波源，在其后的每一時刻，這些子波的包絡就決定了新的波陣面。利用該原理，通過作圖的方式來確定波前的幾何形狀和不同波源輻射的超聲波的傳播方向。（見圖）38惠更斯原理1、惠更斯原理38波的衍射

波的衍射（繞射）

1，波在傳播過程中遇到與波長相當的障礙物時，能繞過障礙物邊緣改變方向繼續前進的現象，稱為波的衍射或波的繞射。2，根據惠更斯原理，缺陷邊緣可看作是發射子波的波源，改變波的傳播方向，從而使缺陷背后的聲影縮小，反射波降低。當障礙物尺寸小于波長時，波的繞射強，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢。反之，障礙物尺寸大于波長，則反射強，繞射弱，聲波幾乎全反射。波的繞射和障礙物尺寸及波長的相大小有關。當Df《λ時，波的繞射強，反射弱，因此超聲波檢測靈敏度約為λ/2。當Df》λ時，波的反射強，繞射弱。3，對探傷是有利：波的繞射使超聲波能順利地繞過晶粒在介質中傳播。4，不利：會使小缺陷回波顯著下降，易漏檢。39波的衍射波的衍射（繞射）392.4超聲波的傳播---聲速超聲波傳播的速度就是波動在單位時間內的傳播的距離，在聲學中又稱聲速。聲速與傳播介質的密度和彈性模量有關。在超聲波檢測中，聲速是缺陷定位的基礎。不同的波型具有不同的聲速。無限大固體介質定義：當介質尺寸遠遠大于超聲波波長時，該傳播介質就可以看成是無限大介質。402.4超聲波的傳播---聲速超聲波傳播的速度就是波動在單位時2.4.1固體介質中的聲速1,在無限大的固體介質中，縱波聲速為：2,在無限大的固體介質中，橫波聲速為：3,在無限大的固體介質中，表面波聲速為：總結：（1）固體介質中的聲速與介質的密度和彈性模量等有關，不同的介質，聲速不同；介質的彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。（2）聲速還與波的類型有關，在同一固體介質中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并且相互之間有以下關系：CL>CS>CR在同一種固體材料中，縱波聲速大于橫波聲速，橫波聲速又大于表面波聲速。對于鋼材1.8：1：0.9412.4.1固體介質中的聲速1,在無限大的固體介質中，縱波聲速2.4.1固體介質中的聲速總結：1、固體無限大彈性介質中聲速與楊氏模量E或切變模量G、介質密度有關2、介質不同，聲速不同。3、介質的彈性性能越強、即E或G越大，越小，則聲速C越大；4、如果頻率相同，則在同介質中縱波波長最長，橫波次之，瑞利波長最短。5、材料的泊松比取值范圍為[0,1]，同一介質中縱波聲速大于橫波聲速。6、同樣在同一介質中傳播時，縱波速度最快．橫波速度次之，表面波速度最慢，即CL>CS>CR7、由于缺陷檢出能力和分辨能力均與波長有關，一般波長越短，檢測靈敏度越高。所以，縱波對缺陷的檢出能力和分辨率要低于橫波422.4.1固體介質中的聲速總結：422.4.1固體介質中的聲速細長棒中的縱波聲速在細長棒中（棒徑d≤）軸向傳播的縱波聲速與無限大介質中縱波聲速不同，細長棒中的縱波聲速為：432.4.1固體介質中的聲速細長棒中的縱波聲速在細長棒中2.4.1固體介質中的聲速固體介質中聲速與溫度、應力、均勻性的關系固體介質中的聲速與介質溫度、應力、均勻性有關。一般固體中的聲速隨介質溫度升高而降低。固體介質的應力狀況對聲速有一定的影響，一般應力增加，聲速增加，但增加緩慢。固體材料組織均勻性對聲速的影響在鑄鐵中表現較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快，晶粒細，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。此外，鑄鐵中石墨含量和尺寸對聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。442.4.1固體介質中的聲速固體介質中聲速與溫度、應力、均勻性2.4.2液體介質、氣體介質的聲速1.液體、氣體中聲速公式由于液體和氣體只能承受壓應力，不能承受剪切應力，因此液體和氣體介質中只能傳播縱波，不能傳播橫波和表面波。液體和氣體中的縱波波速為：2.液體、氣體介質中的縱波聲速與其容變彈性模量和密度有關，介質的容變彈性模量愈大、密度愈小，聲速就愈大3.在液體和氣體中的縱波聲速是容變彈性模量和密度的函數。彈性模量越大、密度越小，聲速就越大。多數介質密度隨溫度升高而降低，容變彈性模量減小，因而聲速隨溫度升高而降低。但是水例外，溫度在74°C左右時聲速最大，當溫度低于74°C時，聲速隨溫度升高而增大；當溫度高于74°C時，聲速隨溫度升高而降低。452.4.2液體介質、氣體介質的聲速1.液體、氣體中聲速公式22.4.3聲速的測量1.超聲檢測儀器測量法對檢測人員來說，用檢測儀器測量聲速是最簡便的。用這種方法測量，可用單探頭反射法，也可用雙探頭穿透法。可用于測量縱波聲速，也可用于測量橫波聲速。（1）檢測儀按時間刻度：反射法直射法（2）檢測儀按深度刻度：對于按深度刻度的檢測儀，不能直接從示波屏上讀出時間，這時需要采用對比法來測聲速；方法如下圖方法：1，測試時，先把探頭對準待測工件的底面，調節儀器使底面回波對準某一刻t,這時超聲波通過工作的時間為：

2，然后將探頭放在水中，調節探頭位置使水層底面回波對準同一平刻度t，這時超聲波通過水層的時間為：由于二者所對刻度相同，即時間相同。

462.4.3聲速的測量1.超聲檢測儀器測量法462.4.3聲速的測量2.測厚儀測量法472.4.3聲速的測量2.測厚儀測量法472.4.3聲速的測量3.示波器測量法；示波器的水平坐標是按時間刻度的，因此按圖所示將檢測儀與示波器連接以后就可以從示波器熒光屏上直接讀取始脈沖與底波之間的時間差，從而計算出聲速。482.4.3聲速的測量3.示波器測量法；示波器的水平坐標是按時2.5超聲場的特征超聲場：充滿超聲波的空間；超聲波：在NDT領域，用電脈沖激勵超聲換能器的壓電晶片，使其產生機械振動，這種振動形成的波動，在與其接觸的彈性介質中傳播，產生超聲波。較為完整的概念定義：超聲波及其在傳播過程中所占據的空間稱為超聲場。超聲場的特征值：聲壓、聲強和聲阻抗等。492.5超聲場的特征超聲場：492.5.1超聲場的特征----聲壓

1，在介質中，無超聲波傳播時介質質點也會有壓強。如比重為的液體介質中，液面下h處，會有壓強P0＝h。這稱為靜壓強。2，聲壓是聲波傳播過程中介質質點在交變振動的某一瞬時所受壓強P1與靜壓強P0之差即P=P1-P03，聲壓是聲波傳播過程中所形成的附加壓強，它相對于無超聲波傳播時介質質點的靜壓強而言。聲壓的單位是帕斯卡。4，通常把聲壓振幅簡稱為“聲壓”，并使它與A型脈沖反射式探傷儀示波屏上回波高度建立一定的線性關系，通過比較不同反射體的回波高度比較其聲壓。5，由P=ρcv可知，介質中某點的聲壓幅值與介質密度、聲速和質點振動速度v成正比。502.5.1超聲場的特征----聲壓1，在介質中，無超2.5.1超聲場的特征----聲阻抗超聲場中任一點的聲壓與該處質點振動速度之比稱為聲阻，常用Z表示。在聲壓的表達式P=ρcv中，若同一聲壓，ρc越大，則v越小；反之，聲阻抗越小，質點振動速度越大。ρc稱為介質聲阻抗，是介質本身的性質，表示介質對質點振動的阻礙作用，用“Z”表示。聲阻抗能直接表示介質的聲學特性，不同介質的聲阻抗相差很大。超聲波在不同介質的分界處的行為與相關介質的聲阻抗有密切的關系。常用液體介質的密度及聲阻抗和常用固體介質的聲阻抗分別見表。氣體、液體、金屬之間特性阻抗之比接近于1：3000：80000。512.5.1超聲場的特征----聲阻抗超聲場中任一點的聲壓與該2.5.1超聲場的特征----聲強.定義單位時間內在垂直于聲波傳播方向的單位面積上所通過的聲能量為聲強。聲強也稱聲強度，以“I”表示。對于簡諧波也常將一周期中能流密度的平均值作為聲強。平均聲強與頻率的平方成正比。聲強的單位為瓦每平方米。522.5.1超聲場的特征----聲強.定義單位時間內在垂直于聲2.5.2分貝及其應用分貝聲強級Δ=lg(I1/I2)聲強級的單位為貝爾(Bel)。工程上因為貝爾的單位比較大，應用時將其縮小10倍后以分貝為單位，用符號dB表示：

Δ=10lg(I1/I2)實際應用中貝爾太大，故常取其1/10即分貝（dB)

532.5.2分貝及其應用分貝聲強級Δ=lg(I1/I2回波聲壓和波高當超聲波探傷儀具有較好的放大線性(垂直線性)時，兩個反射體的回波聲壓和與它們各自在示波屏上形成的回波高度成正比。常用聲壓比(波高比)對應的dB值見下圖54回波聲壓和波高當超聲波探傷儀具有較好的放大線性(垂直線性)時2.5.2分貝及其應用分貝奈培是兩個同量綱的量之比值取e為底自然對數(分貝則以10為底的常用對數)后的單位，以Np表示。即Δ=ln(P2/P1)=ln(H2/H1)(1-)分貝和奈培的換算關系為

1Np=8.68dB1dB=0.115Np例示：示波屏上一波高80mm，另一波高20mm，問前者比后者高多少分貝和奈培？解：Δ=20lg(H2/H1)=20lg(80/20)=12(dB)；則Δ=0.115×12=1.38(Np)。552.5.2分貝及其應用分貝奈培是兩個同量綱的量之比值取e為底2.6超聲波垂直入射單一平面界面(一)超聲平面波在大平界面垂直入射超聲波在異質界面上的反射、透射和折射規律是超聲波探傷的重要物理基礎。當超聲波垂直入射于兩種介質的分界面時，一部分能量反射回第一種介質內部，形成反射波，不考慮能量的損耗時，可認為其余的能量穿透分界面進入第二種介質繼續傳播，稱為透射波。反射波和透射波聲能的分配由兩種介質的聲阻抗決定。見圖在界面上聲能（聲壓、聲強）的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規律。562.6超聲波垂直入射單一平面界面(一)超聲平面波在大平界面垂2.6.1單一平界面的反射率與透射率

1，設入射波的聲壓為P0（聲強為I0）、反射波的聲壓為Pr（聲強為Ir）、透射波的聲壓為Pt（聲強為It）。

2，界面上反射波聲壓P與入射波聲壓P0之比稱為界面的聲壓反射率，用r表示，即r=Pr/P0。

3，界面上透射波聲壓Pt與入射波聲壓P0之比稱為界面的聲壓透射率，用t表示，即t=Pt/P0在界面兩側的聲波，必須符合下列兩個條件：（1）界面兩側的總聲壓相等，即p0+pr=pt。（相位關系，力平衡）（2）界面兩側質點振動速度幅值相等，即（p0-pr）/Z1=pt/Z2（能量平衡）由上述兩邊界條件和聲壓反射率、透射率定義得：解上述聯立方程得聲壓反射率r和透射率t分別為：572.6.1單一平界面的反射率與透射率1，設入射波的聲壓為2.6.1單一平界面的反射率與透射率1，界面上反射波聲強Ir與入射波聲強I0之比稱為聲強反射率，用R表示。2，界面上透射波聲強It與入射波聲強I0之比稱為聲強透射率，用T表示。3，超聲波垂直入射到平界面上時，聲壓或聲強的分配比例僅與界面兩側介質的聲阻抗有關。由以上幾式可以導出：582.6.1單一平界面的反射率與透射率1，界面上反射波聲強I2.6.1單一平界面的反射率與透射率討論幾種常見界面上的聲壓、聲強反射和透射情況一：592.6.1單一平界面的反射率與透射率討論幾種常見界面上的聲2.6.1單一平界面的反射率與透射率討論幾種常見界面上的聲壓、聲強反射和透射情況二：602.6.1單一平界面的反射率與透射率討論幾種常見界面上的聲2.6.1單一平界面的反射率與透射率討論幾種常見界面上的聲壓、聲強反射和透射情況三：612.6.1單一平界面的反射率與透射率討論幾種常見界面上的聲2.6.1單一平界面的反射率與透射率討論幾種常見界面上的聲壓、聲強反射和透射情況四：622.6.1單一平界面的反射率與透射率討論幾種常見界面上的聲2.6.2薄層界面的反射率與透射率超聲檢測時，經常遇到耦合層和缺陷薄層等問題，這些都可歸結為超聲波在薄層界面的反射和透射問題。此時，超聲波是由聲阻抗為Z1的第一介質入射到Z1和Z2界面，然后通過聲阻抗為Z2的第二介質薄層射到Z2和Z3界面，最后進入聲阻抗為Z3的第三介質。超聲波通過一定厚度的異質薄層時，反射和透射情況與單一的平界面不同。異質薄層很薄，進入薄層內的超聲波會在薄層兩側界面引起多次反射和透射，形成一系列的反射波和透射波薄層界面反射透射示意圖超聲波通過異質薄層時的聲壓反射率和透射率不僅與介質聲阻抗和薄層聲阻抗有關，而且與薄層厚度同其波長之比d2/λ2有關632.6.2薄層界面的反射率與透射率超聲檢測時，經常遇到耦合層2.6.2薄層界面的反射率與透射率1.均勻介質中的異質薄層（Z1=Z3≠Z2）

（1）當（n為整數）時，。這說明當薄層兩側介質聲阻抗相等，薄層厚度為其半波長的整數倍時，超聲波全透射，幾乎無反射，好象不存在異質薄層一樣。這種透聲層常稱為半波透聲層。（2）（n為整數）時，即異質薄層厚度等于其四分之一波長的奇數倍時，聲壓透射率最低，聲壓反射率最高。2．薄層兩側介質不同的雙界面（1）當（n為整數）時，。這說明超聲波垂直入射到兩側介質聲阻抗不同的薄層時，若薄層厚度等于半波長的整數倍，則通過薄層的聲強透射率與薄層的性質無關，好象不存在薄層一樣（2）（n為整數）時，且時，此時T＝1，即聲強透射率等于1，超聲波全透射，這對直探頭保護膜的設計具有重要指導意義。642.6.2薄層界面的反射率與透射率1.均勻介質中的異質薄層（2.6.3聲壓往復透射率在超聲波單探頭檢測中，探頭兼作發射和接收超聲波。探頭發出的超聲波透過界面進入工件，在固/氣底面產生全反射后再次通過同一界面被探頭接收這時探頭接收到的回波聲壓與入射波聲壓之比，稱為聲壓往復透射率T往聲壓往復透射率與界面兩側介質的聲阻抗有關，與從何種介質入射到界面無關。界面兩側介質的聲阻抗相差愈小，聲壓往復透射率就愈高，反之就愈低。往復透射率高低直接影響檢測靈敏度高低，往復透射率高，檢測靈敏度高。反之，檢測靈敏度低652.6.3聲壓往復透射率在超聲波單探頭檢測中，探頭兼作發射和2.6.3聲壓往復透射率—應用662.6.3聲壓往復透射率—應用662.7.1超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射1,波型轉換與反射、折射定律當超聲波傾斜入射到界面時，除產生同種類型的反射和折射波外，還會產生不同類型的反射和折射波，這種現象稱為波型轉換2,當超聲波垂直入射到光滑平界面時，將在第一介質中產生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質中產生一個與入射波方向相同的透射波(見圖）672.7.1超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射1,波型轉換2.7超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射1．縱波斜入射當縱波L傾斜入射到界面時，除產生反射縱波L′和折射縱波L″外，還會產生反射橫波S′和折射橫波S″。各種反射波和折射波方向符合反射、折射定律：由于在同一介質中縱波波速不變，因此。又由于在同一介質中縱波波速大于橫波波速，因此682.7超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射1．縱波斜入射62.7.1超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射（1）第一臨界角αⅠ，由反射折射定律（2）第二臨界角αⅡ692.7.1超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射（1）第一臨2.7.1超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射由αⅠ和αⅡ的定義可知：αL

<αⅠ時，第二介質中既有折射縱波L″又有折射橫波S″。αL

=αⅠ～αⅡ時，第二介質中只有折射橫波S″，沒有折射縱波L″，這就是常用橫波探頭制作和橫波檢測的原理。αL≥αⅡ時，第二介質中既無折射縱波L″，又無折射橫波S″。這時在其介質的表面存在表面波R，這就是常用表面波探頭的制作原理。例如，縱波傾斜入射到有機玻璃/鋼界面時，有機玻璃中cL1=2730m/s，水中cL水=1480m/s，鋼中：cL2=5900m/s，cS2=3230m/s。則第一、二臨界角分別為：702.7.1超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射由αⅠ和α2.7.1超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射2．橫波斜入射同樣，超聲波橫波以入射角傾斜入射到分界面時，有

sinαL/Cs1=sinγL/CL1=sinβL/CL2=sinβs/Cs2從式中可見，如果是縱波入射，反射波中的縱波的反射角等于入射角，反射橫波的反射角小于入射角；如果是橫波入射，反射波中的縱波的反射角大于入射角，橫波的反射角等于入射角。即橫波反射聲束總是位于縱波反射聲束與法線之間。另橫波折射角也總是位于縱波折聲束與法線之間。超聲波橫波傾斜入射時，產生的反射超聲波中既有橫波也有縱波。因為在同一介質中縱波波速總是大于橫波波速，故縱波的反射角總是大于入射角，并且入射角增大時縱波的反射角也會增加。將橫波斜入射至固/氣界面并產生縱波全反射γL＝90°的橫波入射角稱為第三臨界角。712.7.1超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射2．橫波斜入2.7.2聲壓反射率1.縱波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射縱波傾斜入射，當aL=60°左右時產生一個較強的變型反射橫波。2.橫波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射當as=30°左右時，rss很低，rsL較高。當as≥33.2°時，rss=100%即鋼中橫波全反射722.7.2聲壓反射率1.縱波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射2.7.3聲壓往復透射率超聲檢測中，常常采用反射法，超聲波往復透過同一探側面，因此聲壓往復透射率更具有實際意義。超聲波傾斜入射，折射波全反射，探頭接收到的回波聲壓Pa

與入射波聲壓P0之比稱為聲壓往復透射率，常用T表示，T=Pa/P0。見圖732.7.3聲壓往復透射率超聲檢測中，常常采用反射法，超聲波2.7.4端角反射超聲波在兩個平面構成的直角內的反射叫做端角反射。在端角反射中，超聲波經歷了兩次反射，當不考慮波型轉換時，二次反射回波與入射波互相平行，即回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比稱為端角反射率，用T端表示。（1）縱波入射時，端角反射率都很低，這是因為縱波在端角的兩次反射中分離出較強的橫波。（2）橫波入射時，入射角

as=30°或

60

°

附近時，端角反射率最低。時，端角反射率達100%。742.7.4端角反射超聲波在兩個平面構成的直角內的反射叫做端2.8.1超聲波的聚焦與發散為了便于討論，不考慮波型轉換行為。1.平面波平面波波束不擴散，而是互相平行，因此聲壓不隨距離而變化。2.球面波球面波的波陣面為同心球面，球面波聲場中的某處質點的振幅與該點至波源的距離成反比，而聲壓又與振幅成正比，因此球面波的聲壓與距離成反比。3.柱面波柱面波的波陣面為同軸柱面，柱面波聲場中某處質點的振幅與該點至波源的距離的平方根成反比，而聲壓與振幅成正比，因此柱面波的聲壓與距離的平方根成反比。752.8.1超聲波的聚焦與發散為了便于討論，不考慮波型轉換行2.8.2球面波在平界面上的反射與折射1.單一的平界面上的反射2.雙界面的反射前壁各次反射波聲壓比為后壁各次波的聲壓比實際檢測中，當d較大時，超聲波探頭發出的超聲波可視為球面波，示波屏上各次底面反射波的高度之比近似符合的規律

762.8.2球面波在平界面上的反射與折射1.單一的平界面上的2.8.2球面波在平界面上的反射與折射3.單一平界面上的折射球面波入射到平界面上時，其折射波不再是嚴格的球面波了。只有當其張角較小時，可視為近似的球面波，圖2－51折射波聲壓772.8.2球面波在平界面上的反射與折射3.單一平界面上的折2．8．3平面波在曲界面上的反射與折射1.平面波在曲界面上的反射當平面波入射到曲界面上時，其反射波將發生聚焦或發散。

反射波的聚焦或發散與曲面的凹凸（從入射方向看）有關。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發散。（1）平面波入射到球面時，其反射波可視為從焦點發出的球面波。在曲面軸線上的距曲面頂點x處的反射波聲壓為（2）平面波入射到柱面時，其反射波可視為從焦軸發出的柱面波。在曲面軸線上的距曲面頂點x處的反射波聲壓為實際檢測中球形、柱形氣孔的反射就屬于以上兩種情況782．8．3平面波在曲界面上的反射與折射1.平面波在曲界面上的2．8．3平面波在曲界面上的反射與折射2.平面波在曲界面上的折射平面波入射到曲界面上時，其折射波也將發生聚焦或發散，如圖1.46。

折射波的聚焦或發散不僅與曲面的凹凸有關，而且與界面兩側介質的波速有關。對于凹透鏡，當c1<c2時聚焦，當c1>c2時發散；對于凸透鏡，當c1>c2時聚焦，當c1<c2時發散。根據折射定理作圖即可（1）平面波入射至球面透鏡時，其折射波可視為從焦點發出的球面波，曲面軸線上的距曲面頂點x處的反射波聲壓為（2）平面波入射到柱面透鏡時，其折射波可視為從聚焦軸線發出的柱面波，曲面軸線上x處的反射波聲壓為792．8．3平面波在曲界面上的反射與折射2.平面波在曲界面上的2．8．4球面波在曲界面上的反射和折射1．球面波在曲界面上的反射球面波入射到曲界面上，其反射波將發生聚焦或發散，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發散。（1）球面波在球面上的反射波，可視為從像點發出的球面波，軸線上距頂點為X處的反射波聲壓為（2）球面波在柱面上的反射波，既不是單純的球面波，也不是單純的柱面波，而是近似為兩個不同的柱面波疊加，軸線上距頂點為X處的射波聲壓為：超聲波徑向檢測空心圓柱體的情況，類似于球面波在凸柱面上的反射，反射波發散。圓柱面上入射點處的反射回波聲壓總是低于同距離的平底面的反射聲壓

802．8．4球面波在曲界面上的反射和折射1．球面波在曲界面上的2．8．4球面波在曲界面上的反射和折射2.球面波在曲界面上的折射球面波入射到曲界面上，其折射波同樣會發生聚焦和發散

球形界面：

柱形界面：

水浸檢測柱形或球形工件聚焦檢測812．8．4球面波在曲界面上的反射和折射2.球面波在曲界面上的2.9超聲波的衰減超聲波在介質中傳播時，隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱的現象叫做超聲波衰減。衰減的原因波束擴散、晶粒散射和介質吸收1.擴散衰減2.散射衰減3.吸收衰減通常所說的介質衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包括擴散衰減。1,擴散衰減與傳播介質無關，衰減程度由波形和傳播距離確定。平面波聲束不擴散，聲強、聲壓不隨傳播距離的變化而變化，無擴散衰減。球面波聲強與傳播距離的平方成反比，聲壓則與傳播距離成反比。柱面波則聲強與傳播距離成反比，聲壓與傳播距離的平方根成反比。822.9超聲波的衰減超聲波在介質中傳播時，隨著距離增加，超聲2.9.1超聲波的衰減2.散射衰減3.吸收衰減832.9.1超聲波的衰減2.散射衰減3.吸收衰減832．9．2衰減方程與衰減系數1.衰減方程

平面波不存在擴散衰減，只存在介質衰減，其聲壓衰減方程為：球面波與柱面波既存在擴散衰減，又存在介質衰減，聲壓衰減方程分別為：球面波柱面波2.衰減系數衰減系數α只考慮了介質的散射和吸收衰減，未涉及擴散衰減。對于金屬材料等固體介質而言，介質衰減系數α等于散射衰減系數和吸收衰減系數之和。（1）介質的吸收衰減與頻率成正比。（2）介質的散射衰減與f、d、F有關在實際檢測中，當介質晶粒較粗大時，若采用較高的頻率，將會引起嚴重衰減這就是晶粒較大的奧氏體鋼和一些鑄件檢測的困難所在。（3）對于液體介質而言，主要是介質的吸收衰減。842．9．2衰減方程與衰減系數1.衰減方程842．9．3衰減系數的測定薄板工件衰減系數的測定厚板或粗圓柱體衰減系數的測定852．9．3衰減系數的測定薄板工件衰減系數的測定852．9．3衰減系數的測定實例：例1，用2.5MHz直探頭探測厚度為200mm的餅形鍛件，測得底波高B1=80%，B2=35%。若不計底面反射損失，求鍛件的衰減系數？解：鍛件的衰減系數=[(20lgB1/B2)-6]/2T=[(20lg80/35)-6]/2×200=0.003dB/mm例2，用5MHz直探頭探測厚度為15mm的鋼板，測得底波高B1=80%，B5=40%。若每次底面反射損失為1.2dB，求鋼板的衰減系數？解：鋼板的衰減系數

=[(20lgB1/B5)-4△]/2T=[(20lg80/40-4×1.2]/2×(5×15-15)=1.22/2×60=0.01dB/mm862．9．3衰減系數的測定實例：例1，用2.5MHz直探頭探測3.1縱波發射聲場園盤波源輻射的縱波聲場超聲場中不同點的聲壓變化，就用每點處的聲壓幅值代表該點的聲壓。介質中沒有異質物體存在時，各點的聲壓（幅值）主要由該點的位置決定。因為圓形平面晶片是典型的輻射聲源，在各向同性介質中產生的超聲場具有軸對稱特點，所以主要討論晶片輻射的縱波軸對稱超聲場。波源軸線上的聲壓分布在連續簡諧縱波且不考慮介質衰減的條件下，圖下圖所示液體介質中圓盤源上一點波源ds輻射的球面波在波源軸線上Q點引起的聲壓為：873.1縱波發射聲場園盤波源輻射的縱波聲場873.1.1園盤波源輻射的縱波聲場—近場區波源軸線上的聲壓隨距離變化的情況如下圖:圓平面晶片輻射聲源的中心軸線上的聲壓分布，在距聲源較近處，由于壓電晶片上的各個點輻射源到軸線上同一點的聲波的相位差會引起聲波的干涉現象而使得瞬時聲壓存在著若干個周期性的極大值和極小值，這使得不同的點上的聲壓變化很大，由該區域的回波信號無法正確獲取缺陷的有關信息。該區域被稱為超聲近場區,波源軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區長度，用N表示。近場區長度公式：883.1.1園盤波源輻射的縱波聲場—近場區波源軸線上的聲壓隨距3.1.1園盤波源輻射的縱波聲場—近場區遠場區，波源軸線上至波源的距離x＞N的區域稱為遠場區。遠場區超聲波聲壓與聲程有較明確關系。軸線上的聲壓隨距離增加單調減小。當聲程較大（x＞3N）時，聲壓與聲程反比關系。

對示波屏上的超聲波幅值的變化的分析，可以得到結構內部缺陷的大小、位置的明確的信息，實現對結構內部缺陷的檢查。893.1.1園盤波源輻射的縱波聲場—近場區遠場區，波源軸線上至3.1.1園盤波源超聲場橫截面聲壓分布超聲場近場區與遠場區各橫截面上的聲壓分布是不同的，見下圖注：在x＜N的近場區內，存在中心軸線上聲壓為0的截面，如X=0.5N的截面，中心聲壓為0，偏離中心聲壓較高。在x≥N的遠場區內，軸線上的聲壓最高，偏離中心聲壓逐漸降低，且同一橫截面上聲壓的分布是完全對稱的，實際檢測中，測定探頭波束軸線的偏離和橫波斜探頭的K值時，規定要是在2N以外進行就是這個原因。903.1.1園盤波源超聲場橫截面聲壓分布超聲場近場區與遠場區各3.1.1聲束指向性θ表征聲源輻射場特征的另一個重要特性是聲束的指向性。聲源向一個確定的方向集中輻射超聲波束的性質就是聲源的聲束指向性。聲束指向性反映了聲場中聲能的集中程度和幾何邊界。超聲探傷要求定量定位所用的超聲場必須具有良好的聲束指向性。主聲束的邊界與聲源軸線的夾角就稱為半擴散角，通常用θ表示。

913.1.1聲束指向性θ表征聲源輻射場特征的另一個重要特性是聲3.1.1波束未擴散區與擴散區超聲波波源輻射的超聲波是以特定的角度向外擴散的，但并不是從波源開始擴散的，而是在波源附近存在一個未擴散b,其理想化的形狀如下圖所示。例：用2.5MHz直徑20mm的縱波探頭探傷，求在鋼和水中近場長度、半擴散角和未擴散區長度多小？解：已知聲速，鋼中5900m/s，水中1480m/s，則λ鋼=5.9/2.5=2.36mm；λ水=1.48/2.5=0.6mm近場長度鋼中N=(20×20)/(4×2.36)=42.4mm；水中N=400/(4×0.6)=167mm半擴散角鋼中θ=(70×2.36)/20=8.26°

水中θ=(70×0.6)/20=2.1°未擴散區長度鋼中b=1.67N=1.67×42.4=70mm；水中b=1.67N=279mm923.1.1波束未擴散區與擴散區超聲波波源輻射的超聲波是以特定3.1.2矩形波源輻射的縱波聲場如圖3-10所示，矩形波源作活塞振動時，在液體介質中輻射的縱波聲場同樣存在近場區和未擴散角，近場區內聲壓分布復雜，理論計算困難，遠場區聲源軸線上任一點Q處的聲壓用液體介質中的聲場理論可以導出其計算公式為：933.1.2矩形波源輻射的縱波聲場如圖3-10所示，3.1.2矩形波源輻射的縱波聲束指向性θ主聲束的邊界與聲源軸線的夾角就稱為半擴散角1，聲束對應的YOZ平面內半擴散角2，聲束對應的XOZ平面內半擴散角由以上兩個情況可以看出矩形波源輻射的縱波聲場與圓盤源不同，矩形波源有兩個不同的半擴散角，其聲場為矩形，如3-12所示矩形波源的近場區長度為：943.1.2矩形波源輻射的縱波聲束指向性θ主聲束的邊界與聲源軸3.1.3縱波聲場近場區在兩種介質中的分布公式只適用均勻介質，實際檢測中，有時近場區分布在兩種不同的介質中，如圖3-13所示的水浸檢測，超聲波是先進入水，然后再進入鋼中，當水層厚度較小時，近場區就會分布在水、鋼兩種介質中。953.1.3縱波聲場近場區在兩種介質中的分布公式只適3.1.3縱波聲場近場區在兩種介質中的分布例：963.1.3縱波聲場近場區在兩種介質中的分布例：963.1.4實際聲場與理想聲場的比較1，前面討論的都是液體介質，波源作活塞振動，輻射連續波等理想條件下的聲場，簡稱理想聲場，實際檢測往往是固體介質，波源非均勻激發，輻射脈沖波聲場，它與理想聲場是不完全相同的。2，由圖3—14可知，實際聲場與理想聲場在遠場區軸線上聲壓分布基本一致。這是因為，當至波源的距離足夠遠時，波源各點至軸線上某點的波程差明顯減小，從而使波的干涉大大減弱，甚至不產生干涉3，但在近場區內，實際聲場與理想聲場存在明顯區別。理想聲場軸線上聲壓存在一系列極大極小值，且極大值為2P0,極小值為零。實際聲場軸線聲壓雖然也存在極大極小值，但波動幅度小，極大值遠小于2P0,

極小值也遠大于零，973.1.4實際聲場與理想聲場的比較1，前面討論的都是液體介質3.2.1橫波發射聲場

--假想橫波波源

目前常用的橫波探頭，是使縱波頃斜入射到界面上，經過波形轉換來實現橫波檢測的。當入射波入射角大于第一臨界角而小于第二臨界角時，縱波全反射，第二介質中只有折射橫波。橫波探頭輻射的聲場由第一介質中的縱波聲場與第二介質中的橫波聲場兩部分組成，兩部分聲場是折斷的，如圖3—15所示，為了便于理解計算，可將第一介質中的縱波波源轉換為軸線與第二介質中橫波波朿軸線重合的假想橫波波源，這時整個聲場可視為由假想橫波波源輻射出來的連續的橫波聲場。當實際波源為圓形時.其假想橫波波源為橢圓形.橢圓的長軸等于實際波源的直徑DS，短軸DS

′為：983.2.1橫波發射聲場--假想橫波波源目前常用的橫波探頭3.2.2橫波聲場的結構橫波聲場同縱波聲場一樣，由于波的干涉存在近場區和遠場區。當X》3N時，橫波聲場波束軸線上的聲壓為：橫波聲場中，當X》3N時，聲束軸線上的聲壓與波源面積成正比，與至假想波源的距離成反比，類似縱波聲場。橫波聲場中，第二介質中近場區長度為:我國橫波探頭常采用K值（k=tanβ，）來表示橫波折射角的大小，常用K值為1.0,1.5,2.0和2.5等。為了便于計箅近場區長度，特將K值與cosβ/cosα，tanα/tanβ的關系列表如下993.2.2橫波聲場的結構橫波聲場同縱波聲場一樣，由于波的干涉3.2.2橫波聲場的結構1003.2.2橫波聲場的結構1003.2.2橫波聲場的結構--半擴散角

從假想橫波聲源輻射的橫波聲束同縱波聲場一樣，具有良好的指向性，可以在被檢材料中定向輻射，只是聲束的對稱性與縱波聲場有所不同，如圖3-16所示。縱波斜入射在第二介質中產生橫波聲場，其聲束不再對稱于聲束軸線，而是存在上下兩個半擴散角，其中上半擴散角θ上大于聲束下半擴散角

θ下橫波垂直入射時，其聲束對稱于軸線，這時半擴散角θ。可按下式計算

1013.2.2橫波聲場的結構--半擴散角從假想橫波聲源輻射的橫3.4規則反射體的回波聲壓前面討論的是超聲波發射聲場中聲壓分布情況，實際檢測中常用反射法。反射法是根據缺陷反射回波聲壓的高低來評價缺陷的大小。然而工件中的缺陷形狀、性質各不相同，目前的檢測技術還難以確定缺陷的真實大小和形狀。回波聲壓相同的缺陷的實際大小可能相差很大，為此特引用當量法。當量法是指在同樣的檢測條件下，當自然缺陷回波與某人工規則反射體回波等高時，則該人工規則反射體的尺寸就是此自然缺陷的當量尺寸。自然缺陷的實際尺寸往往大于當量尺寸。

1023.4規則反射體的回波聲壓前面討論的是超聲波發射聲場中聲壓分3.4.1平底孔回波聲壓

如圖3—21所示，在X≥3N的圓盤波源軸線上存在一平底孔（圓片形）缺陷，設波束軸線于垂直平底孔，超聲波在平底孔上全反射，平底孔直徑較小，表面各點聲壓近似相等。根據惠更斯原理可以把平底孔當做一個新的圓盤源，其起始聲壓就是人射波在平底孔處的聲壓

探頭接收到的平底孔冋波聲壓1033.4.1平底孔回波聲壓如圖3—21所示，在X≥3N的3.4.1平底孔回波聲壓由平底孔冋波聲壓公式可知，當檢測條件（Fs,λ）一定時，平底孔缺陷的回波聲壓或波高與平底孔面積成正比，與距離平方成反比。任意兩個距離直徑不同的平底孔冋波聲壓之比為：二者回波分貝差為：1043.4.1平底孔回波聲壓由平底孔冋波聲壓公式可知，當檢3.4.2長橫孔回波聲壓如圖3-22所示，在X≥3N的圓盤波源軸線上有一長橫孔，長橫孔直徑較小，長度大于波束截面尺寸，超聲波垂直入射到長橫孔上全反射，類似于球面波在柱面上的反射。長橫孔回波聲壓：1053.4.2長橫孔回波聲壓如圖3-22所示，在X≥3N的圓3.4.2長橫孔回波聲壓由上式可知，檢測條件（Fs,λ）—定時，長橫孔回波聲壓與長橫孔的直徑平方根成正比，與距離的二分之三次方成反比。任意兩個距離、直徑不同的長橫孔回波分貝差為這說明長橫孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降9dB這說明長橫孔距離一定，直徑增加一倍，其回波上升3dB

1063.4.2長橫孔回波聲壓由上式可知，檢測條件（Fs,λ）—3.4.3短橫孔回波聲壓短橫孔是長度明顯小于波束截面尺寸的橫孔，設短橫孔直徑為Df，長度為Lf，當x≥3N時，超聲波在短橫孔上的反射回波聲壓為由上式可知，當檢測條件（Fs,λ）一定時，短橫孔回波聲壓與短橫孔的長度成正比，與直徑的平方根成正比，與距離的平方成反比。任意兩個距離、長度和直徑不同短橫孔的回波分貝差為：1073.4.3短橫孔回波聲壓短橫孔是長度明顯小于波束截面3.4.3短橫孔回波聲壓

這說明短橫孔直徑和長度一定，距離增加一倍，其回波下降12dB，與平底孔變化規律相同這說明短橫孔直徑和距離一定，長度增加一倍，其回波上升6dB

。

這說明短橫孔長度和距離一定，直徑增加一倍，其回波升高3dB1083.4.3短橫孔回波聲壓這說明短橫孔直徑和長度一定，距3.4.4球孔回波聲壓

如圖3—23所示，設球孔直徑為Df

，超聲波垂直入射，全反射，Df足夠小。當x≥3N時，超聲波在球孔上的反射就類似于球面波在球面上的反射，球孔回波聲壓為：由上式可知，當檢測條件（Fs,λ）一定時，球孔回波聲壓與球孔的直徑成正比，與距離的平方成反比。任意兩個直徑、距離不同的球孔的回波分貝差為1093.4.4球孔回波聲壓如圖3—23所示，設球孔直徑為Df3.4.4球孔回波聲壓這說明球孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降12dB，與平底孔變化規律相同

這說明球孔距離不變，直徑增加一倍，其回波上升6dB

1103.4.4球孔回波聲壓這說明球孔直徑一定，距離增加一3.4.5大平底面回波聲壓如圖3-24所示，當x≥3N時，超聲波在與波束軸線垂直、表面光潔的大平底面上的反射就是球面波在平面上的反射，其回波聲壓PB為:由上式可知，當檢測條件（Fs,λ）一定時，大平底面的回波聲壓與距離成反比。兩個不同距離的大平底面回波分貝差為這說明大平底面距離增加一倍，其回波下降6dB

1113.4.5大平底面回波聲壓如圖3-24所示，當x≥3N時，超3.4.6圓柱曲底面回波聲壓1.實心圓柱體超聲波徑向檢測x≥3N的實心圓柱體，類似于球面波在凹柱曲底面上的反射。實心圓柱凹曲底面的回波聲壓為2.空心圓柱體探頭置于外圓周徑向檢測空心圓柱體，x≥3N

，類似于球面波在凸柱面上的反射，如圖3-25所示探頭4位置外圓檢測空心圓柱體凸拄曲底面的回波聲壓為：上式說明外圓檢測空心圓柱體，其回波聲壓低于同距離大平底面回波聲壓。因為凸柱面反射波發散。探頭置于圓柱體內側，從內孔檢測圓柱體，類似于球面波在凹柱面上的反射，如圖3-25所示探頭5位置回波聲壓為上式說明內孔檢測圓柱體，其回波聲壓大于同距離大平底面回波聲壓，因為凹柱面反射波聚焦1123.4.6圓柱曲底面回波聲壓1.實心圓柱體1123.5AVG曲線AVG曲線是描述規則反射體的距離(A)

,回波高度(V)及當量尺寸（G）之間的關系，AVG是德語字頭的縮寫，英文中縮寫是DGS。AVG曲線用于可對缺陷定量和靈敏度調整。AVG曲線有多種類型，根據通用性分為通用AVG和實用AVG;根據波型不同分為縱波AVG和橫波AVG；根據反射體不同分為平底孔AVG和橫孔AVG等。1133.5AVG曲線AVG曲線是描述規則反射體的距離(A),3.5.1縱波平底孔AVG曲線1.通用AVG當x≥3N，不考慮介質衰減時，大平底面,平底孔回波聲壓分別為大平底聲壓：平底孔聲壓：

當儀