交通強(qiáng)國·鐵路先行

超聲波的定義和產(chǎn)生交通強(qiáng)國·鐵路先行一、超聲波定義二、壓電效應(yīng)三、壓電晶片五、探頭種類及命名規(guī)則

四、超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造目錄

波的分類交通強(qiáng)國·鐵路先行電磁波是由同相且相互垂直的電場與磁場在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波。如無線電波（左圖）、光波、X射線等。電磁波機(jī)械波機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播稱為機(jī)械波，如水波（右圖）、地震波等，機(jī)械波形成條件：波源和介質(zhì)。超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則機(jī)械波與電磁波對比交通強(qiáng)國·鐵路先行超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則波類型傳播條件傳播能量傳播速度實(shí)例電磁波真空、介質(zhì)電磁能約3x108m/s無線電波、光波、X射線等機(jī)械波介質(zhì)機(jī)械能幾百至幾千m/s水波、地震波、聲波請思考聲波屬于電磁波還是機(jī)械波？答：人們?nèi)粘Ｋ牭降穆暡?，是由于各種聲源（如演奏小提琴時(shí)，聲源即為被擦動(dòng)的那根弦）的振動(dòng)通過空氣等彈性介質(zhì)傳播到耳膜引起的耳膜振動(dòng)，牽動(dòng)聽覺神經(jīng)，產(chǎn)生聽覺，所以聲波是機(jī)械波的一種。機(jī)械波與電磁波對比聲波的分類交通強(qiáng)國·鐵路先行聲波類型次聲波可聞聲波超聲波頻率f＜20Hz20Hz≤f≤20KHzf＞20KHz聲波的分類備注：1MHZ=103KHZ=106Hz超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則聲波，按照頻率的不同可以分成次聲波、可聞聲波、超聲波三類。

次聲波與超聲波舉例交通強(qiáng)國·鐵路先行頻率小于20Hz（赫茲）的聲波叫做次聲波。其頻率不在人耳可聞范圍內(nèi)，只不過其頻率不在人耳可聞范圍內(nèi)，人類無法聽到，但是在動(dòng)物界中大象用腳就能發(fā)送和接收次聲波（左圖）。次聲波超聲波頻率高20KHz（千赫茲）的聲波即為超聲波，超聲波的頻率超過了人耳可聞的上限，所以人聽不到超聲波，但是動(dòng)物界中蝙蝠和海豚卻可以發(fā)送和接收超聲波（右圖）。超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則獲得超聲波的方式交通強(qiáng)國·鐵路先行超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則利用機(jī)械沖擊和摩擦產(chǎn)生超聲波的機(jī)械方法；利用物體表面突然受熱時(shí)，由于熱膨脹產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力而發(fā)生超聲波的熱效應(yīng)法；利用鐵磁材料在交變磁場中產(chǎn)生交變機(jī)械變形而產(chǎn)生超聲波的磁致伸縮法；利用通有交變電流的線圈靠近導(dǎo)體，用電磁力作用于工件表面而產(chǎn)生超聲波的電磁法。在超聲探傷中應(yīng)用最多的是利用某些單晶體或多晶陶瓷的壓電效應(yīng)來獲得超聲波，包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。發(fā)明者：1880年居里兄弟正壓電效應(yīng)交通強(qiáng)國·鐵路先行當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)會(huì)發(fā)生形變，晶體的兩個(gè)受力面上會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷未施加壓力時(shí)形變方向相反時(shí)，電荷的極性也隨之改變向外拉伸晶體當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)向內(nèi)壓縮晶體這種現(xiàn)象稱之為“正壓電效應(yīng)”，此過程可以理解為晶體材料接收到超聲波的壓力（機(jī)械能）將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（電能），是接收超聲波的過程。超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則逆壓電效應(yīng)交通強(qiáng)國·鐵路先行晶體材料受到電流激發(fā)而機(jī)械振動(dòng)未施加電場時(shí)振動(dòng)的頻率大于20KHz，是發(fā)送超聲波的過程施加正向電場電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程施加反向電場當(dāng)在壓電材料表面施加電場（電壓），因電場作用壓電材料會(huì)沿電場方向伸長或收縮，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則交通強(qiáng)國·鐵路先行硫酸鋰(Li2SO4)和碘酸鋰（LiIO3）是人工培養(yǎng)的單晶，其接收靈敏度高，聲阻抗較低，適用于制成水浸探頭，但其易溶于水，所以制作水浸探頭時(shí)，要注意密封，易于阻尼，所以適用于窄脈沖探頭，分辨力高。鈮酸鋰(LiNbO3)是人工培養(yǎng)的單晶，適用于制作高頻、高壓、高溫的探頭。石英(SiO2)是天然或人工制作的單晶材料，也是最早用于制作探頭的壓電材料，其具有電性能和機(jī)械性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，適用于制成高溫、高頻探頭，其缺點(diǎn)是電聲轉(zhuǎn)換率差，靈敏度較低，因而逐漸被其他晶體材料所取代。壓電材料（單晶材料）具有壓電效應(yīng)的晶體材料分為單晶材料和多晶材料（陶瓷材料），以上單晶材料除石英外，其他材料制造工藝復(fù)雜、成本較高。超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則壓電材料（多晶材料）交通強(qiáng)國·鐵路先行鋯鈦酸鉛(PbZrTiO3縮寫為PZT)具有較高的靈敏度，已基本取代了鈦酸鋇材料，通用探傷儀配備的探頭一般用此材料制成，不過其易于產(chǎn)生不需要的振動(dòng)，故需高效的阻尼塊，不宜制作高頻探頭。鈦酸鉛(PbTiO3)是一種新型的多晶材料，機(jī)械強(qiáng)度好，性能穩(wěn)定，適用于制作高頻探頭，鋼軌探傷小車中探頭一般用此材料制成，不過制作工藝難以控制，成本高。鈦酸鋇(BaTiO3)是最早用于制作探頭的壓電陶瓷，發(fā)射超聲性能較好，接受超聲性能一般，但是聲阻抗大，不易于阻尼吸收，分辨力差，滿足大，所以應(yīng)用日趨減少。也是一種新型陶瓷材料，適用于制作高溫、高頻、高分辨力探頭。偏鈮酸鉛（PbNb2O4）超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則發(fā)送橫波與縱波交通強(qiáng)國·鐵路先行

極化前后超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則陶瓷材料是晶粒隨機(jī)取向的多晶聚集體，因此其中各個(gè)鐵電晶粒的自發(fā)極化矢量也是混亂取向的（左圖），只有把它放在較強(qiáng)的外加電場進(jìn)行極化處理后（右圖），才能具有壓電性，當(dāng)溫度達(dá)到居里點(diǎn)或者施以強(qiáng)烈打擊時(shí)，壓電性消失。當(dāng)施加的電場方向與極化方向平行時(shí)，陶瓷向外發(fā)送縱波（超聲波的一種），左圖；當(dāng)施加的電場方向與極化方向垂直時(shí)，陶瓷向外發(fā)送橫波（超聲波的一種），如右圖。發(fā)送縱波

發(fā)送橫波

壓電晶片交通強(qiáng)國·鐵路先行具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體，為了便于生產(chǎn)，壓電晶體一般被切割和研磨成小的薄片，稱為壓電晶片。常見的壓電陶瓷片大多做成很薄的薄片，它的一面燒結(jié)在具有良好彈性的薄黃銅（或不銹鋼）基片上，另一面鍍上一層薄銀。金屬基片和鍍銀層即為壓電陶瓷片的兩個(gè)電極。壓電晶片厚度研究

晶片厚度T為其傳播波長一半時(shí)，外加的交變電壓的頻率與晶片的固有頻率一致，此時(shí)產(chǎn)生共振，晶片的中心為共振的駐點(diǎn)，晶片厚度方向的兩個(gè)面振幅最大，產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)（右圖）。超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則壓電晶片各項(xiàng)性能參數(shù)（1）交通強(qiáng)國·鐵路先行壓電電壓常數(shù)g33是衡量壓電晶體材料接收性能的重要參數(shù)。其值大，接收性能好，接收靈敏度高，所以一般要求晶片的g33值大些。介電常數(shù)ε介電常數(shù)ε越大，電容器所存儲(chǔ)電量就越多，電容器充放電時(shí)間長，頻率就相應(yīng)低。壓電應(yīng)變常數(shù)d33是衡量壓電晶體材料發(fā)射性能的重要參數(shù)。其值大，發(fā)射性能好，發(fā)射靈敏度越高，所以一般要求晶片的d33值大些。超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則壓電晶片各項(xiàng)性能參數(shù)（2）交通強(qiáng)國·鐵路先行機(jī)械品質(zhì)因子θm機(jī)械品質(zhì)因子θm值對分辨力有較大的影響。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗越小，晶片持續(xù)振動(dòng)時(shí)間長，脈沖寬度大，分辨力低。一般選擇θm值小的，以便獲得較高的分辨率和較小的盲區(qū)。頻率常數(shù)Nt壓電片的厚度T與固有頻率f的乘積是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)叫做頻率常數(shù)Nt。因此，同樣的材料，制作高頻探頭時(shí)，晶片厚度較?。恢谱鞯皖l探頭時(shí)，晶片厚度較大。機(jī)電耦合系數(shù)K是綜合反映壓電材料性能的參數(shù)，探頭晶片振動(dòng)時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生厚度方向和徑向兩個(gè)方向的伸縮變形，因此機(jī)電耦合系數(shù)分為厚度方向Kt和和徑向Kp。超聲波定義

壓電效應(yīng)

壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造交通強(qiáng)國·鐵路先行超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則壓電晶片具有電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的功能，將電能轉(zhuǎn)變成聲能（發(fā)射超聲波）是逆壓電效應(yīng)作用，將聲能轉(zhuǎn)變成電能（接收超聲波）是正壓電效應(yīng)作用，所以壓電晶片又稱換能器。硬質(zhì)保護(hù)膜和軟質(zhì)保護(hù)膜。吸聲降噪的作用超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造交通強(qiáng)國·鐵路先行超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則

探頭種類及命名規(guī)則a．直探頭，主要用于縱波探傷直探頭直探頭命名：如2.5P20，【2.5】基本頻率為2.5MHZ，【P】壓電材料為鋯鈦酸鉛陶瓷，【20】圓形壓電晶片，直徑為20mm。特殊直探頭命名如10N6，【10】基本頻率為10MHZ，【N】高阻尼窄脈沖探頭，【6】圓形壓電晶片，直徑為6mm。交通強(qiáng)國·鐵路先行超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則b．斜探頭，主要用于橫波探傷交通強(qiáng)國·鐵路先行命名規(guī)則斜探頭命名：2.5B10×10K1，【2.5】基本頻率為2.5MHZ，【B】鈦酸鋇陶瓷，【10×10】方形壓電晶片，邊長×邊長為10×10mm，【K1】斜探頭K值等于1（折射角的正切值）。超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則斜探頭c．雙晶直探頭交通強(qiáng)國·鐵路先行命名規(guī)則兩個(gè)晶片的探頭，一發(fā)一收，也叫分割探頭或雙晶聯(lián)合探頭雙晶直探頭命名：如2.5T20F10，【2.5】基本頻率為2.5MHZ，【T】壓電材料為鈦酸鉛陶瓷，【20】圓形壓電晶片，直徑為20mm【F10】聚焦焦距為10mm。超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則雙晶直探頭d．雙晶斜探頭，同雙晶直探頭交通強(qiáng)國·鐵路先行命名規(guī)則雙晶斜探頭命名：2.5B10×10K1F20，【2.5】基本頻率為2.5MHZ，【B】鈦酸鋇陶瓷，【10×10】方形壓電晶片，邊長×邊長為10×10mm，【K1】斜探頭K值等于1（折射角的正切值）【F20】聚焦焦距為20mm。超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則雙晶斜探頭e．表面波探頭，主要用于表面波探傷交通強(qiáng)國·鐵路先行命名規(guī)則表面波探頭命名：2.5P10×1062°，【2.5】基本頻率為2.5MHZ，【P】壓電材料為鋯鈦酸鉛陶瓷，【10×10】方形壓電晶片，邊長×邊長為10×10mm，【62°】有機(jī)玻璃內(nèi)的入射角為62°。超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則表面波探頭f．不銹鋼探頭，用于奧氏體不銹鋼焊縫檢測

交通強(qiáng)國·鐵路先行命名規(guī)則不銹鋼探頭命名：2.5C8×14x2-45°L-F16，【2.5】基本頻率為2.5MHZ，【C】壓電復(fù)合陶瓷，【8×14x2】長方形壓電晶片，長×寬為8×14mm，晶片數(shù)量為2塊【45°L】折射角為45°，縱波探傷【F16】聚焦焦距為16mm。超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則不銹鋼探頭g水浸式探頭和h充水式探頭交通強(qiáng)國·鐵路先行超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則充水式探頭主要由水套、探頭芯和水嘴組成水浸式探頭主要用于半自動(dòng)或者自動(dòng)化探傷系統(tǒng)中i．可變角探頭，可以調(diào)整入射角度從0°變化到90°，實(shí)現(xiàn)縱波、橫波、表面波探傷交通強(qiáng)國·鐵路先行命名規(guī)則可變角探頭命名：2.5P10×100°～90°，【2.5】基本頻率為2.5MHZ，【P】壓電材料為鋯鈦酸鉛陶瓷，【10×10】方形壓電晶片，邊長×邊長為10×10mm，【0~90°】入射角可在0~90°之間變化。超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則可變角探頭j．路軌儀探頭，主要用于鋼軌探傷小車中交通強(qiáng)國·鐵路先行命名規(guī)則以折射角命名的有0°、37°、70°。以入射角命名的有0°、30°、50°。超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則路軌儀探頭k．相控陣探頭，主要用于相控陣探傷交通強(qiáng)國·鐵路先行命名規(guī)則相控陣探頭命名：2.5L32-0.5×9-C10-P-110-2.0-P2，【2.5】基本頻率為2.5MHZ，【L】陣列類別，L為線陣，M為面陣，C為凹陣，V為凸陣【32】陣元數(shù)量為32個(gè)，也有8、16、64、128、256之分，【0.5】陣元中心距離0.5mm，【9】陣元長度為9mm，【C】探頭類別，C為分體探頭，A為集成探頭，【10】外殼型號(hào)，【P】電纜線外為PVC，U=外皮為PU，【110】電纜線電容量110-110pF/m，【2.0】電纜線長度2.0m，【P2】連接器型號(hào)超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則相控陣探頭l．TOFD探頭，適合TOFD檢測交通強(qiáng)國·鐵路先行命名規(guī)則TOFD探頭命名：2.5B6-T1，【2.5】基本頻率為2.5MHZ，【B】鈦酸鋇陶瓷，【6】晶片直徑，【T1】探頭外殼型號(hào)。超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則TOFD探頭m．輪式探頭交通強(qiáng)國·鐵路先行主要組成輪式探頭，適用于大型鋼軌探傷車和雙軌探傷儀，包含外膜、耦合液、轉(zhuǎn)軸和晶片組成。超聲波定義

壓電效應(yīng)壓電晶片超聲波探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造探頭種類及命名規(guī)則輪式探頭交通強(qiáng)國·鐵路先行

超聲波分類交通強(qiáng)國·鐵路先行目錄一、按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類二、按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分類三、按波的形狀分類

（1）縱波L交通強(qiáng)國·鐵路先行1）定義：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相平行的波。2）特點(diǎn)：當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變拉壓應(yīng)力（分子力）作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波。別名：壓縮波或疏密波。定義及特點(diǎn)傳播介質(zhì)及應(yīng)用3）傳播介質(zhì)：固體、液體、氣體介質(zhì)（三種介質(zhì)中均存在分子力）4）應(yīng)用：鋼軌探傷中直探頭或者0°探頭就是利用縱波在檢測鋼軌。一、按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類

二、按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分類

三、按波的形狀分類123456質(zhì)點(diǎn)波

（2）橫波S(T)交通強(qiáng)國·鐵路先行1）定義：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相垂直的波。2）特點(diǎn)：當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力（剪切力）作用時(shí)，產(chǎn)生切變形變，從而形成橫波。3）別名：傳遞橫波時(shí)介質(zhì)承受剪切力并產(chǎn)生切變變形，故橫波又稱為剪切波或切變波。定義及特點(diǎn)傳播介質(zhì)及應(yīng)用4）傳播介質(zhì)：因液體和氣體無法承受剪切力，所以橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。5）應(yīng)用：鋼軌探傷中斜探頭或者37°、70°探頭就是利用橫波在檢測鋼軌。一、按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類

二、按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分類

三、按波的形狀分類12345

（3）表面波R交通強(qiáng)國·鐵路先行1）定義：表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。2）特點(diǎn)：表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱，一般認(rèn)為，表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距工件表面一倍波長深度內(nèi)的缺陷。別名：1887年，瑞利（Rayleighwave）首先指出其存在，所以表面波也叫瑞利波。定義及特點(diǎn)傳播介質(zhì)及應(yīng)用3）傳播介質(zhì)：橢圓運(yùn)動(dòng)可視為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的合成，即縱波與橫波的合成，所以表面波固體表面?zhèn)鞑ァ?）應(yīng)用：鋼軌探傷中70°探頭因聲速的擴(kuò)散性有時(shí)會(huì)分離出表面波在鋼軌表面?zhèn)鞑?。一、按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類

二、按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分類

三、按波的形狀分類波

交通強(qiáng)國·鐵路先行當(dāng)固體介質(zhì)的尺寸進(jìn)一步收到限制而形成板狀，且板厚小到一定程度時(shí)，瑞利波就不會(huì)存在而只能產(chǎn)生各種類型的板波。定義及特點(diǎn)傳播介質(zhì)及應(yīng)用板波又稱蘭姆波，在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟?，一般用于檢測薄板材，在鋼軌探傷中應(yīng)用較少。（4）板波P一、按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類

二、按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分類

三、按波的形狀分類波按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分類交通強(qiáng)國·鐵路先行根據(jù)波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的長短，超聲波可分為連續(xù)波和脈沖波兩種（左圖）。其中連續(xù)波是指波源持續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波，常用于穿透法探傷和共振法測厚。而脈沖波則指波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短（微秒級(jí)，1μｓ＝10－6ｓ）、間歇輻射的波，超聲波探傷中廣泛采用的就是脈沖波。一、按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類

二、按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分類

三、按波的形狀分類按波的形狀分類交通強(qiáng)國·鐵路先行波形是根據(jù)波陣面的形狀來區(qū)分的，所謂波陣面，是指同一時(shí)刻介質(zhì)中振動(dòng)相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)聯(lián)成的面。某一時(shí)刻波動(dòng)所到達(dá)的空間各點(diǎn)所聯(lián)成的面稱為波前（波前是最前面的波陣面），任一時(shí)刻，波前只有一個(gè)。根據(jù)波陣面形狀的不同，波又可以分為三種：平面波、柱面波和球面波，它們的特性見下頁表。一、按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類

二、按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分類

三、按波的形狀分類不同波形分類及特性交通強(qiáng)國·鐵路先行波形特性平面波1．無限大平面（即波長與聲源尺寸相比可忽略不計(jì)）作諧振動(dòng)時(shí)，在各向同性的彈性介質(zhì)中傳播的波2．如不考慮介質(zhì)吸收波的能量，聲壓不隨與聲源的距離而變化球面波1．聲源為點(diǎn)狀球體，波陣面是以聲源為中心的球面2．聲強(qiáng)與距聲源距離的平方成反比柱面波1．聲源為一無限長的線狀直柱，波陣面是同軸圓柱面2．聲強(qiáng)與距聲源的距離成反比不同波形分類及特性表一、按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類

二、按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分類

三、按波的形狀分類而探傷用的超聲波是一種活塞波，是平面波和球面波的合成。交通強(qiáng)國·鐵路先行

超聲波基礎(chǔ)參數(shù)交通強(qiáng)國·鐵路先行目錄一、頻率（f）二、波長（λ）三、聲速（c）四、波長、聲速和頻率之間的關(guān)系標(biāo)稱頻率交通強(qiáng)國·鐵路先行一、頻率（f）

二、波長（λ）

三、聲速（c）

四、波長、聲速和頻率之間的關(guān)系單位時(shí)間內(nèi)（通常指1秒，以下同）質(zhì)點(diǎn)圍繞平衡位置完成全振動(dòng)的次數(shù)稱為振動(dòng)頻率，其數(shù)值與波動(dòng)頻率相等。波動(dòng)頻率是指波動(dòng)過程中任一給定質(zhì)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)通過完整波的個(gè)數(shù)，單位為赫茲（Hz）。頻率的單位還有千赫茲（KHz）和兆赫茲（MHz），他們之間的關(guān)系為：1MHz=103KHz=106Hz。探傷中常用單位是MHz，右圖中探頭的標(biāo)稱頻率為2.5MHHz。工作頻率、中心頻率交通強(qiáng)國·鐵路先行一、頻率（f）

二、波長（λ）

三、聲速（c）

四、波長、聲速和頻率之間的關(guān)系探頭發(fā)射出的超聲波并不是單一頻率，而是由各種頻率的正弦波疊加而成頻譜（右圖），探頭工作時(shí)的頻率稱為工作頻率，也稱發(fā)射頻率，理論上工作頻率應(yīng)該等于標(biāo)稱頻率，但是由于晶片與吸收塊和保護(hù)膜粘到一起后，頻率會(huì)有所降低，探頭工作一段時(shí)間后，性能有所改變，工作頻率也會(huì)發(fā)生改變，一般測定時(shí)用頻譜分析儀測定頻譜中峰值頻率作為探頭的最佳工作頻率，所以工作頻率=峰值頻率。頻譜的中心為探頭的中心頻率，理論上中心頻率=標(biāo)稱頻率，但由于制造精度會(huì)存在誤差，中心頻率往往分布在標(biāo)稱頻率附近，例如標(biāo)稱2.5MHz的探頭利用6dB法測量出的中心頻率可能為2.492MHz，2.488MHz，2.514MHz等等。脈沖重復(fù)頻率交通強(qiáng)國·鐵路先行一、頻率（f）

二、波長（λ）

三、聲速（c）

四、波長、聲速和頻率之間的關(guān)系脈沖重復(fù)頻率，是一個(gè)儀器參數(shù)?，F(xiàn)代的超聲波檢測技術(shù)使用的是脈沖反射法，單位時(shí)間（秒）里，探傷儀器驅(qū)動(dòng)探頭發(fā)射超聲波的次數(shù)，即就是脈沖重復(fù)頻率。實(shí)際生產(chǎn)中我們希望脈沖頻率高一些，這樣能防止傷損漏檢。但過高的重復(fù)頻率會(huì)導(dǎo)致發(fā)射和接收間的干擾，產(chǎn)生幻象回波（該波從屏幕左側(cè)移動(dòng)到右側(cè)，俗稱“鬼波”）。目前鋼軌探傷儀的重復(fù)頻率為500-1000HZ，而大型鋼軌探傷車的重復(fù)頻率為10-5000HZ，若是手工掃查焊縫因速度不會(huì)過快，重復(fù)頻率設(shè)置為50～500Hz都是足夠的。波長（λ）交通強(qiáng)國·鐵路先行橫波波長縱波波長一、頻率（f）

二、波長（λ）

三、聲速（c）

四、波長、聲速和頻率之間的關(guān)系同一波線上相鄰的振動(dòng)方向相同的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的距離稱為波長。波源或介質(zhì)中任一質(zhì)點(diǎn)完成一次全振動(dòng)，波正好前進(jìn)一個(gè)波長的距離，如左圖分別為縱波和橫波波長，單位為毫米（mm）或米（m），探傷中的常用單位為mm。聲速（C）交通強(qiáng)國·鐵路先行固體介質(zhì)中，縱波聲速為：固體介質(zhì)中，橫波聲速為：固體介質(zhì)中，表面波聲速為：液體和氣體中，縱波聲速：上式中E----介質(zhì)的楊氏彈性模量，G---介質(zhì)的剪切彈性模量，B---體積彈性模量，ρ----介質(zhì)密度，σ---介質(zhì)的泊松比，所有固體介質(zhì)的泊松比都在0-1之間，液體和氣體的G=0，所以無法傳遞橫波。一、頻率（f）

二、波長（λ）

三、聲速（c）

四、波長、聲速和頻率之間的關(guān)系聲波在彈性介質(zhì)中，單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離，也可稱為波速，要注意的是聲速C與介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)本身的振動(dòng)速度V是兩個(gè)不同的概念，一般V<<C。單位為米/秒（m/s）或千米/秒（km/s），其中km/s是常用單位。聲速（C）交通強(qiáng)國·鐵路先行一、頻率（f）

二、波長（λ）

三、聲速（c）

四、波長、聲速和頻率之間的關(guān)系材料聲速（km/s）材料聲速（km/s）縱波橫波縱波橫波鋁6.33.13水1.48——鋼5.93.23空氣0.34——有機(jī)玻璃2.731.43機(jī)油1.4——探傷常用材料的聲速（1）聲速與介質(zhì)的參數(shù)有關(guān)。（2）同一種波型，不同介質(zhì)，聲速不同。C固＞C液＞C氣。（3）同一種介質(zhì)，不同波型，聲速不同。CL＞CS＞CR。（4）聲速與介質(zhì)的溫度有關(guān)，且在氣體中的聲速受溫度變化明顯，液體次之，固體受影響最小。（5）固體的應(yīng)力狀況對聲速有一定影響，一般應(yīng)力增加，聲速增加，只不過增加緩慢。（6）固體材料組織均勻性對聲速的影響在鑄鐵中表面較為突出，鑄鐵表面冷卻快，晶粒細(xì)，聲速大，中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。波長、聲速和頻率之間的關(guān)系交通強(qiáng)國·鐵路先行例題：用頻率為2.5MHz的0°探頭檢測鋼軌時(shí)，縱波在鋼中的波長為多少？牢記公式判斷材料分析波形代入計(jì)算解：縱波在鋼中速度c=5.9Km/s頻率f=2.5MHz（注：單位換算中，速度的常用單位除以頻率的常用單位等于波長的常用單位）一、頻率（f）

二、波長（λ）

三、聲速（c）

四、波長、聲速和頻率之間的關(guān)系交通強(qiáng)國·鐵路先行

超聲波特征參數(shù)交通強(qiáng)國·鐵路先行目錄一、聲壓（P）二、聲阻抗（Z）三、聲強(qiáng)（I）四、分貝（dB）聲壓（P）交通強(qiáng)國·鐵路先行超聲場中某一點(diǎn)某一瞬時(shí)所具有的壓強(qiáng)（P1）與該點(diǎn)沒有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)（P0）之差稱為該點(diǎn)的聲壓（P）。單位為帕斯卡（Ｐa，1Pa＝1N/m2）。P=ρcu,ρ為介質(zhì)的密度，c為超聲波在該介質(zhì)中傳播的速度，u介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度，由于超聲波的頻率很高，遠(yuǎn)大于聲波的頻率，故超聲波的聲壓也遠(yuǎn)大于聲波的聲壓。探頭接收到的超聲波的聲壓越大，回波信號(hào)越好，儀器上產(chǎn)生的波高越高，若儀器的垂直線性良好，反射聲壓與回波高度之間成正比：P1/P2=H1/H2一、聲壓（P）

二、聲阻抗（Z）

四、分貝（dB）

三、聲強(qiáng)（I）聲阻抗（Z）交通強(qiáng)國·鐵路先行介質(zhì)中某一點(diǎn)的聲壓與該點(diǎn)的振動(dòng)速度之比稱為聲阻抗（Z），單位為kg/（m2·ｓ），1kg/（m2·ｓ）=1瑞利。數(shù)值上聲阻抗等于介質(zhì)密度（ρ）與聲速（C）的乘積，即

，聲阻抗越大，超聲波縱波傳播的速度越快，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度越小，所以它表示超聲場中介質(zhì)對質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。聲阻抗只與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，一般材料隨著溫度的升高，聲阻抗的值降低。鋼的聲阻抗Z鋼遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的聲阻抗Z空氣，兩者相差上萬倍。一、聲壓（P）

二、聲阻抗（Z）

四、分貝（dB）

三、聲強(qiáng)（I）聲強(qiáng)（I）交通強(qiáng)國·鐵路先行單位時(shí)間內(nèi)，垂直通過單位面積的聲能量稱為聲強(qiáng)（Ｉ）。常用單位為J/（cm2·s）或W/cm2。對于平面余弦波，其平均聲強(qiáng)（Ｉ）為：一、聲壓（P）

二、聲阻抗（Z）

四、分貝（dB）

三、聲強(qiáng)（I）日常生活中的噪音等級(jí)交通強(qiáng)國·鐵路先行序號(hào)分貝值類比各種環(huán)境序號(hào)分貝值類比各種環(huán)境11分貝剛能聽到的聲音785分貝汽車穿梭的馬路上215分貝以下感覺安靜895分貝摩托車啟動(dòng)聲音330分貝耳語的音量大小9100分貝裝修電鉆的聲音440分貝冰箱的嗡嗡聲10110分貝卡拉OK、大聲播放MP3的聲音560分貝正常交談的聲音11120分貝飛機(jī)起飛時(shí)的聲音670分貝相當(dāng)于走在鬧市區(qū)12150分貝燃放煙花爆竹的聲音分貝類比一、聲壓（P）

二、聲阻抗（Z）

四、分貝（dB）

三、聲強(qiáng)（I）分貝交通強(qiáng)國·鐵路先行引起人耳聽覺的最弱聲強(qiáng)Ｉ1=10-16W/cm2，一般以此作為標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)，在聲學(xué)上稱為“聞閾”，即f=1000HZ時(shí)引起人耳聽覺的聲強(qiáng)最小值，將某處環(huán)境的聲強(qiáng)Ｉ2與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)Ｉ1之比取其對數(shù)后乘以10倍就是分別的計(jì)算公式：一、聲壓（P）

二、聲阻抗（Z）

四、分貝（dB）

三、聲強(qiáng)（I）1）當(dāng)△＝0dB時(shí)，二者的分貝差為零，此時(shí)H2=H1。2）當(dāng)△＝6dB時(shí)，H2比H1高6dB，此時(shí)H2為H1的2倍。3）當(dāng)△＝-6dB時(shí)，H2比H1低6dB，此時(shí)H2為H1的1/2。調(diào)整靈敏度交通強(qiáng)國·鐵路先行我們常用的探傷儀上常有一個(gè)印有dB控鍵，稱為增益鍵，它可以控制儀器放大線性，即調(diào)整儀器dB值可以改變波高，dB值增大波高升高，dB值減小波高降低。示波屏上一波高為20%，若使其高度增加到80%，問需增加多少dB？解：△=20lgH2/H1=20lg80%/20%=12(dB)答：故需增加12dB。靈敏度調(diào)整：在探傷過程中儀器中的dB值不能太大，否則會(huì)出雜波，dB值也不能再小，小的傷損會(huì)漏檢，所以要把dB值調(diào)到一個(gè)合理的范圍，以保證不出雜波情況下發(fā)現(xiàn)小的傷損，根據(jù)工藝標(biāo)準(zhǔn)利用試塊或者某一結(jié)構(gòu)構(gòu)造物對dB值進(jìn)行調(diào)整的過程，稱為靈敏度的調(diào)整。一、聲壓（P）

二、聲阻抗（Z）

四、分貝（dB）

三、聲強(qiáng)（I）6dB法測長交通強(qiáng)國·鐵路先行一、聲壓（P）

二、聲阻抗（Z）

四、分貝（dB）

三、聲強(qiáng)（I）T1）找到傷波，波高調(diào)制80%2）增加6dB，波高160%3）移動(dòng)探頭，波高回落80%，找到第一個(gè)邊界4）移動(dòng)探頭，波高回落80%，找到第二個(gè)邊界交通強(qiáng)國·鐵路先行

超聲場結(jié)構(gòu)交通強(qiáng)國·鐵路先行一、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布二、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布三、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)

五、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)四、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)目錄縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布（1）交通強(qiáng)國·鐵路先行將圓盤波源看成活塞波聲源，圓盤上各點(diǎn)以同相位、同速度的簡諧振動(dòng)輻射聲能，通過對圓盤聲場建模（左圖），可以看成是無數(shù)多個(gè)面積為ds的小面積元組成，每個(gè)小面積元都向空間輻射球面波的點(diǎn)聲源，通過微積分運(yùn)算，得到波源軸線上的聲壓幅值P。式中P0為聲源聲壓，D為聲源直徑，λ為波長，X為離聲源的軸線距離。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)4、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)

5、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布（2）交通強(qiáng)國·鐵路先行根據(jù)牛頓二項(xiàng)式：所以：遠(yuǎn)距離時(shí)，當(dāng)θ很小時(shí)，sinθ=θ，1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)4、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)

5、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布（3）交通強(qiáng)國·鐵路先行注意：從上式可知，在遠(yuǎn)距離時(shí)，聲壓隨著距離的增大而減少，但是在靠近聲源附近時(shí)，由于波的干涉，出現(xiàn)了一系列聲壓極大值和極小值區(qū)域，這一區(qū)域稱為近場區(qū)，近場區(qū)長度N。波源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值到波源的距離，時(shí)，聲壓有極大值。

當(dāng)n=0，聲壓的最后極大值出現(xiàn)的聲程，

式中A為晶片面積。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)4、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)

5、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布（理想中）交通強(qiáng)國·鐵路先行當(dāng)時(shí)，聲壓有極小值，

當(dāng)n=1、2、3、4.........對應(yīng)的聲程約為N/2、N/4、N/8，注意聲源軸線上最后一個(gè)聲壓為0的距離為N/2。理想中圓盤聲源（指一種圓平面狀的振子）輻射的縱波聲場軸線上的聲壓分布規(guī)律如右圖所示。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)4、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)

5、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布（實(shí)際）交通強(qiáng)國·鐵路先行1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)4、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)

5、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算時(shí)假定聲源是均勻、連續(xù)激發(fā)的，而實(shí)際探頭多是非均勻激發(fā)的脈沖波源；簡化計(jì)算時(shí)假定介質(zhì)為液體介質(zhì)，實(shí)際檢測多為固體介質(zhì)；激勵(lì)脈沖包含多種頻率，每個(gè)頻率的信號(hào)激發(fā)的聲場相互疊加，使總聲壓趨于均勻。對實(shí)際聲場的研究結(jié)果表明，兩者主要差別在近場區(qū)的聲壓分布，簡化計(jì)算中近場區(qū)聲壓有多處極大值和極小值，而實(shí)際聲場（左圖）近場區(qū)聲壓分布較為均勻，幅值變化小，極值點(diǎn)的數(shù)量也明顯減少。雖然兩者近場區(qū)差異較大，但是遠(yuǎn)場區(qū)是基本符合的，可以利用簡化推導(dǎo)結(jié)果在實(shí)際檢測中進(jìn)行近似的計(jì)算。帶有延遲塊直探頭第二介質(zhì)中近場區(qū)計(jì)算交通強(qiáng)國·鐵路先行1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)4、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)

5、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)首先要把有機(jī)玻璃的延時(shí)塊想象成鋼做的，兩者之間有個(gè)速度差，折算后的有機(jī)玻璃厚度為，L為有機(jī)玻璃厚度，C1為縱波在有機(jī)玻璃里面?zhèn)鞑サ乃俣?，C2為縱波在鋼中傳播的速度，鋼中剩余的近場區(qū)長度N’為，λ為鋼中的波長,A為晶片面積。橫波斜探頭聲場上的聲壓分布交通強(qiáng)國·鐵路先行橫波探頭輻射聲場（左圖）由第一介質(zhì)中的縱波聲場和第二介質(zhì)中的橫波聲場兩部分組成，將一介質(zhì)中的縱波聲源（面積為A）轉(zhuǎn)換為第二介質(zhì)中的假想橫波波源（面積為A0），整個(gè)聲場可視為由假想橫波波源發(fā)射出來的連續(xù)的橫波聲場。由于聲源波的干涉，橫波聲場存在近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)。近場區(qū)：第二介質(zhì)中近場區(qū)長度式中，α為入射角，β為折射角，λ為波長，L為入射點(diǎn)至壓電晶片的距離。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)4、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)

5、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)交通強(qiáng)國·鐵路先行超聲場結(jié)構(gòu)：探頭發(fā)出的超聲波能量并不均勻，主要集中在一個(gè)錐形區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域稱為主聲束，當(dāng)缺陷位于主聲束范圍內(nèi)時(shí)，才容易被發(fā)現(xiàn)，并且主聲束同一截面上各點(diǎn)聲壓并不相同，以軸線上聲壓最高，稱為主聲軸，在實(shí)際探傷過程中，當(dāng)主聲軸與缺陷垂直時(shí)，缺陷回波最高，據(jù)此可對傷損進(jìn)行精確定位。主聲束邊緣聲壓為零，主聲束以外的超聲波能量很低，傳播距離小，所以常在波源附近出現(xiàn)，稱為為副聲束，左上圖為超聲場結(jié)構(gòu)簡圖，左下圖為MATLAB數(shù)值計(jì)算超聲場圖。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)4、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)

5、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)波束指向性與指向角（θ）交通強(qiáng)國·鐵路先行波束指向性與指向角（θ）:晶片發(fā)出的超聲波束（左上圖）與手電筒發(fā)出的光柱類似，在靠近晶片較短的范圍看作是筆直傳播，經(jīng)過一段距離后，按一定角度擴(kuò)展輻射，非擴(kuò)散的區(qū)域?yàn)榻鼒鲩L度（N）的1.67倍，大于1.67N為擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散程度常用指向角或半擴(kuò)散角（左下圖），用θ表示，對圓盤聲源輻射的縱波聲場，其聲束指向角（θ）計(jì)算式如下：式中D——為晶片的直徑；λ——為超聲波波長。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)4、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)

5、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)方形壓電晶片指向角（θ）交通強(qiáng)國·鐵路先行上式可知，指向角θ與λ/D比值有關(guān)，相同條件下，若晶片直徑（D）愈大或波長（λ）愈短（頻率愈高），則指向角（θ）就愈小，波束指向性就愈好，超聲波能量集中，探傷靈敏度高，分辨率好，定位精確，不過近場長度（N）也將愈大。若直探頭的壓電晶片為方形，長、寬分別為a和b的晶片聲束指向角（左圖）計(jì)算式分別為：長邊方向短邊方向1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)4、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)

5、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)交通強(qiáng)國·鐵路先行斜探頭的聲場包含兩部分，一部分是在第一介質(zhì)中的縱波聲場和第二介質(zhì)中橫波聲場，研究表明，橫波聲場在第二介質(zhì)中依然有擴(kuò)散性，但是兩個(gè)擴(kuò)散角（θ上、θ下）并不對稱，θ上=β-β1，θ下=β-β2，式中β、β1、β2但與晶片尺寸、兩種介質(zhì)的聲速、入射角、折射角、波長等有關(guān)，可以通計(jì)算得出，也可以用試驗(yàn)的方法測定。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)4、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)

5、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)交通強(qiáng)國·鐵路先行通過改變晶片的形狀，利用兩種介質(zhì)的速度差，可以實(shí)現(xiàn)超聲波的聚焦，按照幾何聲學(xué)理想情況下可以得到點(diǎn)聚焦和線聚焦，但實(shí)際上由于干涉和透鏡存在球差，得到往往是焦柱。（左上圖）焦柱長度為L，直徑為d，其中心至晶片的距離為焦距F，d≈λF/2R，L≈λF2/R2，F(xiàn)=N/B，λ為波長，R為晶片半徑。N為近場區(qū)，B為聚焦系數(shù)（B≥1），B的值越大，聚焦效果越好（左下圖），若B=1，幾乎無聚焦，所以F≤N。1、縱波圓盤波源軸線上的聲壓分布

2、橫波斜探頭聲場上的聲壓分布

3、直探頭縱波聲場結(jié)構(gòu)4、斜探頭橫波聲場結(jié)構(gòu)

5、聚焦探頭聲場結(jié)構(gòu)交通強(qiáng)國·鐵路先行

超聲波傳播特性交通強(qiáng)國·鐵路先行目錄一、波的疊加二、波的干涉三、波的散射

五、波的衍射四、波的繞射六、波的衰減1、波的疊加交通強(qiáng)國·鐵路先行當(dāng)幾列波在同一介質(zhì)中傳播并相遇時(shí)，相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是各列波引起的分振動(dòng)的合成，任一時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)的位移是各列波引起的分位移的矢量和。相遇后的各列波仍保持它們原來的特性（頻率、波長、振動(dòng)方向等）不變，并按照各自原來的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，好像在各自的傳播過程中沒有遇到其它波一樣，稱為波的疊加。1、波的疊加3、波的散射6、波的衰減

2、波的干涉4、波的繞射5、波的衍射2、波的干涉交通強(qiáng)國·鐵路先行兩列頻率和振動(dòng)相同、相位差恒定的波相遇時(shí)，由于波的疊加作用，使某些地方振動(dòng)始終互相加強(qiáng)，而另一些地方振動(dòng)始終互相減弱或完全抵消，這種現(xiàn)象稱為波的干涉。當(dāng)相干波的聲程相差等于波長的整數(shù)倍時(shí)，兩者互相加強(qiáng)；當(dāng)相干波的聲程相差等于半波長的奇數(shù)數(shù)倍時(shí)，兩者相互抵消。當(dāng)兩個(gè)振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向疊加而成的波稱為駐波，駐波中振幅最大的點(diǎn)稱為波腹，振幅為零處稱為波節(jié)，相鄰兩波腹或波節(jié)之間的距離為1/2波長，當(dāng)介質(zhì)厚度為1/2波長整數(shù)倍時(shí)，就能產(chǎn)生駐波現(xiàn)象。1、波的疊加3、波的散射6、波的衰減

2、波的干涉4、波的繞射5、波的衍射

干涉（駐波）的應(yīng)用交通強(qiáng)國·鐵路先行探頭壓電晶片（左圖）利用電脈沖波和固有頻率波產(chǎn)生駐波引發(fā)共振（右下圖），進(jìn)而發(fā)送超聲波，所以晶片厚度一般為1/2波長。壓電晶片厚度干涉現(xiàn)象示意圖干涉現(xiàn)象是波動(dòng)的重要特性，是造成活塞波超聲場呈現(xiàn)較為復(fù)雜的聲壓分析的原因，尤其在離聲源較近的近場區(qū)內(nèi)，干涉引起的聲壓極大值變化頻繁，從而給缺陷定量帶來很大的困難。1、波的疊加3、波的散射6、波的衰減

2、波的干涉4、波的繞射5、波的衍射波的散射交通強(qiáng)國·鐵路先行1、散射示意圖2、散射光彈示意圖3、草狀雜波超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到小于波長的障礙物或其它不連續(xù)性，而使超聲波向各個(gè)不同方向產(chǎn)生無規(guī)律反射、折射或衍射的現(xiàn)象稱為散射。圖1為散射示意圖，圖2是模擬超聲波的散射光彈示意圖，散射的結(jié)果使聲能分散、穿透力降低和引起不規(guī)則的草狀雜波（圖3），導(dǎo)致信噪比及靈敏度下降。1、波的疊加3、波的散射6、波的衰減

2、波的干涉4、波的繞射5、波的衍射波的繞射交通強(qiáng)國·鐵路先行1、D>λ，反射2、D≈λ，反射+繞射3、D<<λ，繞射波在傳播過程中遇到障礙物時(shí)能繞過其邊緣并繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象稱為波的繞射。超聲波在傳播過程中遇到障礙物時(shí)，一方面產(chǎn)生反射和折射，另一方面產(chǎn)生繞射。繞射現(xiàn)象取決于障礙物尺寸（D）和波長（λ）之比。當(dāng)D>λ時(shí)，以反射為主，如圖1所示；當(dāng)D≈λ時(shí)，有繞射和反射，且產(chǎn)生陰影區(qū)，如圖2所示；當(dāng)D<<λ時(shí)，聲波只有繞射，如圖3所示。1、波的疊加3、波的散射6、波的衰減

2、波的干涉4、波的繞射5、波的衍射波的繞射的應(yīng)用交通強(qiáng)國·鐵路先行根據(jù)被檢工件晶粒大小不同，要適當(dāng)選擇不同的頻率的探頭，如在焊縫探傷中閃光焊的焊縫晶粒較細(xì)，可選擇較高頻率的探頭（直探頭≤4MHZ）；而在鋁熱焊中焊縫晶粒較粗，應(yīng)選擇頻率相對低的探頭(直探頭≤2.5MHZ)；在高錳鋼整鑄轍叉中，因晶粒粗大，會(huì)出現(xiàn)很多雜波，超聲波無法穿透鋼軌，所以此部位要結(jié)合手工檢查。1、波的疊加3、波的散射6、波的衰減

2、波的干涉4、波的繞射5、波的衍射

波的衍射交通強(qiáng)國·鐵路先行波在傳播過程中遇到障礙物時(shí)，在障礙物的邊緣會(huì)激發(fā)出新的波源，并向外發(fā)散超聲波的現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象的應(yīng)用：衍射時(shí)差法（簡稱TOFD），利用缺陷部位的衍射波信號(hào)來檢測和測定缺陷尺寸的一種超聲檢測方法，一般使用一發(fā)一收模式縱波斜探頭，有缺陷存在時(shí)，在直通波和底面反射波之間，接收探頭還會(huì)接收到缺陷處產(chǎn)生的衍射波，以此來判定傷損，如左上圖所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)有：缺陷的衍射信號(hào)與缺陷的方向無關(guān)，缺陷檢出率高；超聲波束覆蓋區(qū)域大；缺陷高度測量精確；實(shí)時(shí)成像，快速分析；缺陷的定量不依賴于缺陷的回波幅度；快速、安全、方便。衍射示意圖衍射時(shí)差法示意圖1、波的疊加3、波的散射6、波的衰減

2、波的干涉4、波的繞射5、波的衍射衰減的分類交通強(qiáng)國·鐵路先行散射衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射，聲能分散，造成散射衰減。固體中尤以多晶體金屬的非均勻性(如雜質(zhì)、粗晶、內(nèi)應(yīng)力、第二相等)引起的散射衰減最為明顯。其中散射衰減與材質(zhì)的晶粒密切相關(guān)，當(dāng)材質(zhì)晶粒粗大時(shí)，散射衰減嚴(yán)重，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播到探頭，在示波屏上引起林狀回波(又叫草波)，使信噪比下降，嚴(yán)重時(shí)噪聲會(huì)產(chǎn)生缺陷波。散射衰減隨超聲波頻率的增高而增大，且橫波引起的衰減大于縱波，所以在檢測鋁熱焊焊縫時(shí)探頭的頻率不宜超過2.5MHz。吸收衰減質(zhì)點(diǎn)離開自己的平衡位置產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，必須克服介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的粘滯力(和內(nèi)摩擦力)而做功，從而造成聲能損耗，這部分損耗的聲能也將轉(zhuǎn)換成熱能。在超聲波傳播過程中，這種由于介質(zhì)的粘滯吸收而將聲能轉(zhuǎn)換成熱能，從而使聲能減少的現(xiàn)象稱為粘滯吸收衰減。在超聲波探傷中它并不占主要地位。通常所說的介質(zhì)衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包括擴(kuò)散衰減。對于固體介質(zhì)，吸收衰減相對于散射衰減可忽略不計(jì)，但對液體介質(zhì)來說，吸收衰減則是主要的。常用材料的衰減系數(shù)α值來反映超聲波在不同介質(zhì)中的衰減程度。擴(kuò)散衰減超聲波在傳播過程中，由于波束的擴(kuò)散，使超聲波的能量隨距離增加而逐漸減弱的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散衰減。超聲波的擴(kuò)散衰減僅取決于波面的形狀，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。（1）平面波波陣面為平面，波束不擴(kuò)散，不存在擴(kuò)散衰減。（2）柱面波陣面為同軸圓柱面。波束向四周擴(kuò)散，存在擴(kuò)散衰減，聲壓與距離的平方根成反比。（3）球面波陣面為同心球面，波束向四面八方擴(kuò)散，存在擴(kuò)散衰減，聲壓與距離成反比。1、波的疊加3、波的散射6、波的衰減

2、波的干涉4、波的繞射5、波的衍射衰減系數(shù)α值（1）交通強(qiáng)國·鐵路先行（1）當(dāng)工件厚度2N＜d≤200mm時(shí)，可用多次脈沖反射回波高度的比較來測定α，即：（dB/mm）式中m、n——底波反射次數(shù)（n＞m）；α——材料的單位衰減系數(shù)；Δm－n——示波屏上第m、n次底波波高Bm、Bn的分貝差，d——工件厚度；δ——表面反射損失，擴(kuò)散衰減儀器的損失，1、波的疊加3、波的散射6、波的衰減

2、波的干涉4、波的繞射5、波的衍射衰減系數(shù)α值（2）交通強(qiáng)國·鐵路先行（2）工件厚度d＞200mm時(shí)，采用多次反射可能超出儀器的測定范圍，所以用底面的第一次和第二次回波的分貝差來計(jì)算衰減系數(shù)，即：（dB/mm）1、波的疊加3、波的散射6、波的衰減

2、波的干涉4、波的繞射5、波的衍射增益補(bǔ)償交通強(qiáng)國·鐵路先行由于超聲波在傳播過程中能量有所損失，遠(yuǎn)距離的傷損回波高度偏低，容易漏檢，提高增值（dB）值，雖能解決遠(yuǎn)距離傷損的問題，但是近距離回波高度也會(huì)被放大，甚至?xí)纬呻s波干擾，所以有必要進(jìn)行增益深度補(bǔ)償。溫馨提示：增益曲線因針對不同的線路狀態(tài)，要經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)測試得出，修訂后的曲線，不要輕易改動(dòng)。1、波的疊加3、波的散射6、波的衰減

2、波的干涉4、波的繞射5、波的衍射交通強(qiáng)國·鐵路先行

超聲波垂直入射異質(zhì)界面交通強(qiáng)國·鐵路先行目錄一、超聲波垂直入射單層異質(zhì)界面二、超聲波垂直入射雙層異質(zhì)界面反射和透射現(xiàn)象交通強(qiáng)國·鐵路先行現(xiàn)象分析超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上，部分能量反射回原介質(zhì)的現(xiàn)象稱反射波，另有部分能量透過界面進(jìn)入另一種介質(zhì)的現(xiàn)象稱透射波，如左圖所示。超聲波垂直入射單層異質(zhì)界面超聲波垂直入射雙層異質(zhì)界面介質(zhì)1Z1介質(zhì)2Z2聲壓反射率、透射率交通強(qiáng)國·鐵路先行超聲波垂直入射單層異質(zhì)界面超聲波垂直入射雙層異質(zhì)界面設(shè)入射波的聲壓為P0,反射波的聲壓為Pr；界面上反射波聲壓Pr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；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。1)力的平衡：若把聲壓看作是單位面積上受的力，那么作用于同一個(gè)平面的力應(yīng)符合力的平衡原理，因此P0+Pr=Pt。2)能量平衡：界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值相等，根據(jù)公式u=p/z，得由上述兩邊界條件和聲壓反射率，透射率定義得：介質(zhì)1Z1介質(zhì)2Z2P0PrPt聲強(qiáng)反射率、透射率交通強(qiáng)國·鐵路先行超聲波垂直入射單層異質(zhì)界面超聲波垂直入射雙層異質(zhì)界面設(shè)入射波的聲強(qiáng)為I0,反射波的聲強(qiáng)為Ir,透射波的聲強(qiáng)為It；界面上反射波聲強(qiáng)與入射波聲強(qiáng)之比稱為聲強(qiáng)反射率，用R表示；界面上透射波聲強(qiáng)It與入射波聲強(qiáng)I0之比稱為聲強(qiáng)透射率，用T表示。介質(zhì)1Z1介質(zhì)2Z2I0IrIt工況1：當(dāng)Z1≈Z2時(shí)時(shí)的反射與透射交通強(qiáng)國·鐵路先行界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗近似相等時(shí)，如鋼的淬火部分與非淬火部分及普通碳鋼焊縫的母材與填充金屬之間的聲阻抗相差很小，一般為1%左右。設(shè)Z1=1，Z2=0.99，則：超聲波垂直入射單層異質(zhì)界面超聲波垂直入射雙層異質(zhì)界面這說明超聲波垂直入射到兩種聲阻抗相差很小的介質(zhì)組成的界面時(shí),幾乎全透射，無反射。因此在焊縫探傷中，若母材與填充金屬結(jié)合面沒有任何缺陷，是不會(huì)產(chǎn)生界面回波的。工況2：當(dāng)Z2＜＜Z1時(shí)的反射與透射交通強(qiáng)國·鐵路先行鋼/空氣界面，如下圖所示，Z1=0.00004x106g/(cm2·ｓ)，Z2=4.5x106g/(cm2·ｓ)則：計(jì)算表明，當(dāng)入射波介質(zhì)聲阻抗遠(yuǎn)大于透射波介質(zhì)聲阻抗時(shí)，聲壓反射率趨于-1，透射率趨于0，即聲壓幾乎全反射，無透射，只是反射波聲壓與入射波聲壓有180°相位變化。探傷中，探頭直接放在鋼軌上，鋼軌與探頭之間有層空氣膜，則形成固/氣（晶片/空氣膜）界面，發(fā)生全反射，超聲波將無法進(jìn)入工件。所以常在探頭與工件表面之間施加的一層透聲介質(zhì)，稱為耦合劑。超聲波垂直入射單層異質(zhì)界面超聲波垂直入射雙層異質(zhì)界面耦合劑交通強(qiáng)國·鐵路先行耦合劑的作用在于排除探頭與工件表面之間的空氣，使超聲波能有效地傳入工件，達(dá)到檢測的目的。此外耦合劑還有減少摩擦的作用。一般對耦合劑的要求：(1)能潤濕工件和探頭表面，流動(dòng)性、粘度和附著力適當(dāng)，不難清洗。(2)聲阻抗高，透聲性能好。(3)來源廣，價(jià)格便宜。(4)對工件無腐蝕，對人體無害，不污染環(huán)境。(5)性能穩(wěn)定，不易變質(zhì)，能長期保存。超聲波垂直入射單層異質(zhì)界面超聲波垂直入射雙層異質(zhì)界面常見耦合劑對比交通強(qiáng)國·鐵路先行耦合劑名稱聲阻抗Z×106kg/m2·s特性水1.5水的來源廣，價(jià)格低，常用于水浸檢測和現(xiàn)場中鋼軌母材探傷，但在實(shí)驗(yàn)室里水會(huì)使工件生銹，所以一般不用。機(jī)油1.28機(jī)油（圖5）和變壓器油粘度、流動(dòng)性、附著力適當(dāng)，對工件無腐蝕、價(jià)格也不貴，因此常用作鋼軌焊縫探傷的耦合劑。甘油2.43甘油聲阻抗高，透聲性能好（相同工件甘油做耦合劑的反射回波比水反射回波高6-7dB），耦合性能好，常用于一些重要工件的精確檢測，但價(jià)格較貴，對工件有腐蝕作用。水玻璃2.17水玻璃的聲阻抗較高，常用于表面粗糙的工件檢測，但清洗不太方便，且對工件有腐蝕作用。超聲波垂直入射單層異質(zhì)界面超聲波垂直入射雙層異質(zhì)界面近年來化學(xué)漿糊也常用來作耦合劑，耦合效果比較好，有些現(xiàn)場職工有拿洗潔精等作為臨時(shí)耦合劑，取得了一定效果。在我國北方冬季滴水成冰，所以探傷中有時(shí)在水中加入酒精，以降低耦合劑的冰點(diǎn)，酒精與水比例：H2O(70%)+C2H5OH(30%)，可以應(yīng)付-20C°。超聲波垂直入射雙層界面（Z1=Z3≠Z2）交通強(qiáng)國·鐵路先行式中m=Z1/Z2，d為第二介質(zhì)（缺陷）厚度，λ為第二介質(zhì)（缺陷）的波長，可以看出聲壓反射率與厚度有關(guān)，若是缺陷厚度為d=（2n-1）λ/4（n=1、2、3....正整數(shù)），即1/4波長的奇數(shù)倍時(shí)，r最大，t=0，此時(shí)缺陷最容易被發(fā)現(xiàn)；當(dāng)厚度d=λ/4的偶數(shù)倍時(shí)，或者半波長的整數(shù)倍時(shí)，r=0，t=1，發(fā)生全透射，此時(shí)缺陷處無回波反射，缺陷漏檢，呈現(xiàn)半波透聲現(xiàn)象?；野邽槭裁措y以發(fā)現(xiàn)：很多人以為現(xiàn)場焊縫探傷中光斑和灰斑往往很難發(fā)現(xiàn)，是因?yàn)榘l(fā)生了半波透聲現(xiàn)象，但是實(shí)際上探頭的頻率非單一頻率，是在一定范圍內(nèi)頻譜，所以真正難發(fā)現(xiàn)的原因是：兩者的聲阻抗接近，m=1，r=0，t=1，并且光斑和灰斑厚度很薄，當(dāng)d→0時(shí)，r越小，t越大。超聲波垂直入射單層異質(zhì)界面超聲波垂直入射雙層異質(zhì)界面超聲波垂直入射雙層界面（Z1≠Z2≠Z3）交通強(qiáng)國·鐵路先行很多情況下，我們探頭的保護(hù)膜不是鋼制的，此時(shí)探頭保護(hù)膜、耦合層、鋼軌之間構(gòu)成Z1≠Z2≠Z3，要實(shí)現(xiàn)良好的透聲性，就應(yīng)注意耦合層材料的聲阻抗和厚度的選擇，一般耦合劑的聲阻抗：其厚度為1/4波長的奇數(shù)倍透聲性最好。在路軌儀0°探頭里面都有延時(shí)塊、耦合劑、保護(hù)靴，三者之間也構(gòu)成Z1≠Z2≠Z3，若選擇不恰當(dāng)?shù)鸟詈蟿┗蚴邱詈蟿┖穸冗^厚都會(huì)使探傷靈敏度下降，實(shí)際生產(chǎn)中耦合劑的厚度很難掌控，實(shí)踐證明在排除空氣的情況下，耦合劑越薄效果越好，薄到一定程度就可以忽略不計(jì)這一層的能量損失。超聲波垂直入射單層異質(zhì)界面超聲波垂直入射雙層異質(zhì)界面雙層界面中聲壓往復(fù)透射率交通強(qiáng)國·鐵路先行透射聲波無損失（如固/氣界面產(chǎn)生全反射）的反射，返回到接收處的聲壓Pa與入射波聲壓Ｐ0之比，稱為聲壓往復(fù)透射率，聲壓往復(fù)透射率高低直接影響檢測靈敏度高低，往復(fù)透射率越高，收到的回波信號(hào)越強(qiáng)，出波越明顯。聲壓往復(fù)透射率在數(shù)值上與聲強(qiáng)透射率相等。超聲波垂直入射單層異質(zhì)界面超聲波垂直入射雙層異質(zhì)界面交通強(qiáng)國·鐵路先行

超聲波斜入射至異質(zhì)界面交通強(qiáng)國·鐵路先行一、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射二、超聲波傾斜入射時(shí)的折射三、臨界角目錄反射現(xiàn)象--波型轉(zhuǎn)換交通強(qiáng)國·鐵路先行波型轉(zhuǎn)換超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射跟光在鏡面上的反射不同，一束光斜入射至鏡面反射出去的仍是一束光，而超聲波則不然，一束超聲波斜入射反射出去有兩束超聲波，其中一束是橫波一束是縱波，這種現(xiàn)象叫波型轉(zhuǎn)換（左圖）。超聲波反射示意圖1、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2、超聲波傾斜入射時(shí)的折射3、臨界角∠1L∠2∠3LS反射定律交通強(qiáng)國·鐵路先行重要結(jié)論：在反射過程當(dāng)中速度相同角度相等，速度大的角度大。∠1入射縱波的入射角，C1

入射縱波的速度?！?反射橫波的反射角，C2

反射橫波的速度?！?反射縱波的反射角，C3

反射縱波的速度。反射過程中各波型角度關(guān)系：在同一個(gè)介質(zhì)中反射縱波和入射縱波的速度相同，即C1=C3，根據(jù)反射定律則∠1=∠3相等。同一種介質(zhì)中縱波的速度大于橫波的速度，即C1＞C2，根據(jù)反射定律則∠1＞∠2。1、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2、超聲波傾斜入射時(shí)的折射3、臨界角超聲波反射示意圖∠1L∠2∠3LSC1C2C3折射射現(xiàn)象--波型轉(zhuǎn)換交通強(qiáng)國·鐵路先行波型轉(zhuǎn)換超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面超聲波的傳播線路發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫折射，在折射過程中也發(fā)生了波型轉(zhuǎn)換，即一束超聲波斜入射折射出兩束超聲波，其中一個(gè)是橫波一個(gè)是縱波，如左圖。超聲波折射示意圖1、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2、超聲波傾斜入射時(shí)的折射3、臨界角∠1L∠2∠3LS

有機(jī)玻璃

鋼折射定律交通強(qiáng)國·鐵路先行重要結(jié)論：在折射過程當(dāng)中速度相同角度相等，速度大的角度大?！?入射縱波的入射角，C1入射縱波在有機(jī)玻璃的速度∠2折射橫波的折射角，C2折射橫波在鋼中的速度∠3折射縱波的折射角，C3折射縱波在鋼中的速度折射過程中各波型角度關(guān)系：因折射定律與反射定律數(shù)學(xué)表達(dá)式一樣，所以推出來一樣的結(jié)論：速度相同角度相等，速度大的角度大，所以∠1＜∠2＜∠3。超聲波折射示意圖1、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2、超聲波傾斜入射時(shí)的折射3、臨界角∠1L∠2∠3LS

有機(jī)玻璃

鋼C1C2C3請思考？交通強(qiáng)國·鐵路先行斜探頭在檢測鋼軌時(shí)，探頭內(nèi)部的壓電晶片發(fā)送縱波，在有機(jī)玻璃和鋼的異質(zhì)界面上既發(fā)生反射又發(fā)生折射，反射出去的縱波和橫波被探頭內(nèi)消聲槽和阻尼塊吸收，折射入鋼軌的縱波和橫波用于探傷，但是鋼軌內(nèi)既有橫波又有縱波，儀器上顯示傷波波形后無法確定到底是橫波發(fā)現(xiàn)還是縱波發(fā)現(xiàn)的，對傷損的判定及定位產(chǎn)生干擾，如何解決呢？超聲波反射、折射示意圖1、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2、超聲波傾斜入射時(shí)的折射3、臨界角第一臨界角交通強(qiáng)國·鐵路先行在折射過程中，當(dāng)入射角增大時(shí)折射角也隨之增大，當(dāng)折射縱波的折射角達(dá)到90°時(shí)，稱此時(shí)入射縱波的入射角為第一臨界角（右圖），用符號(hào)αⅠ表示。對于有機(jī)玻璃與鋼的界面，通過折射定律求得αⅠ=27.6°，產(chǎn)生第一臨界角的前提是C1＜C3，當(dāng)入射角大于第一臨界角，第二介質(zhì)中不再有折射縱波。1、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2、超聲波傾斜入射時(shí)的折射3、臨界角第二臨界角交通強(qiáng)國·鐵路先行

在折射過程中，當(dāng)入射角增大時(shí)折射角也隨之增大，當(dāng)折射橫波的折射角達(dá)到90°時(shí)，稱此時(shí)入射縱波的入射角為第二臨界角（下圖），用符號(hào)αⅡ表示。對于有機(jī)玻璃與鋼的界面，通過折射定律求得αⅡ=57.7°，產(chǎn)生第二臨界角的前提是C1＜C2，當(dāng)入射角大于第二臨界角，第二介質(zhì)中不再有任何波型。1、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2、超聲波傾斜入射時(shí)的折射3、臨界角第二臨界角實(shí)際應(yīng)用（1）交通強(qiáng)國·鐵路先行

若第一介質(zhì)中的縱波入射角小于第一臨界角，則第二介質(zhì)中既存在縱波又存在橫波；若第一介質(zhì)中的縱波入射角在第一臨界角和第二臨界角之間，則在第二介質(zhì)中只有橫波。若第一介質(zhì)中的縱波入射角大于第二臨界角，則在第二介質(zhì)內(nèi)部無任何波型。1、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2、超聲波傾斜入射時(shí)的折射3、臨界角

制作斜探頭時(shí)，探頭入射角一般選擇27.6°~57.7°之間（第一臨界角和第二臨界角之間），此時(shí)鋼中只有橫波，所以斜探頭主要利用橫波探傷。通過驗(yàn)證分析：在有機(jī)玻璃/鋼的異質(zhì)界面，折射橫波聲壓往復(fù)透射率與入射角有關(guān)，當(dāng)入射角為30°，往復(fù)透射率最高（如上圖），通過計(jì)算，此時(shí)鋼中的橫波折射角為36.3°，可以很好檢測出螺孔斜裂紋（超聲波與裂紋取向良好），通常稱這種探頭為37°探頭或者30°探頭。請思考？交通強(qiáng)國·鐵路先行實(shí)際鋼軌探傷過程中，有些地方需要二次波進(jìn)行探傷作業(yè)，當(dāng)折射橫波在鋼中傳播遇到底面時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生反射橫波和反射縱波，反射出去的兩種波型對探傷的干擾，那該怎么辦呢？1、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2、超聲波傾斜入射時(shí)的折射3、臨界角第三臨界角交通強(qiáng)國·鐵路先行

在反射過程中，隨著入射角的增加，反射角也在增大，當(dāng)反射縱波的反射角達(dá)到90°時(shí)，稱此時(shí)入射橫波的入射角為第三臨界角（右圖），用αⅢ表示。在鋼中第三臨界角利用反射定律求得：αⅢ=33.2°。1、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2、超聲波傾斜入射時(shí)的折射3、臨界角第三臨界角實(shí)際應(yīng)用(1)交通強(qiáng)國·鐵路先行1、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2、超聲波傾斜入射時(shí)的折射3、臨界角S通常稱此斜探頭為70°探頭或50°探頭。第三臨界角實(shí)際應(yīng)用(2)交通強(qiáng)國·鐵路先行

通常使斜探頭入射角α為51.7°，通過折射定律計(jì)算鋼中橫波折射角β為68.2°，根據(jù)幾何關(guān)系，此時(shí)橫波入射角也為68.2°并大于第三臨界角，所以此時(shí)鋼中反射出去的二次波里面只有橫波，通過驗(yàn)證分析：在鋼/空氣的異質(zhì)界面，入射角為68.2°時(shí)，反射橫波的聲壓發(fā)射率接近100%，見右圖，且反射橫波往往與軌頭傷損缺陷取向良好，通常稱此斜探頭為70°探頭或50°探頭。1、超聲波傾斜入射至異質(zhì)界面的反射2、超聲波傾斜入射時(shí)的折射3、臨界角交通強(qiáng)國·鐵路先行

超聲波聲壓公式交通強(qiáng)國·鐵路先行目錄一、常見的規(guī)則反射體二、規(guī)則反射體的聲壓三、相對分貝差平底孔交通強(qiáng)國·鐵路先行

平底孔的定義：從工件底部或者側(cè)邊鉆孔，孔的頂部要求平齊，這樣的孔稱之為平底孔，平底孔的制作要求較高，孔的尺寸要精確，孔的垂直度偏差要很小，平底面的光潔度要高。平底孔返回聲壓隨孔徑和距離變化規(guī)律性較好，因此在縱波直探頭探傷中幾乎都用平底孔作為傷損定量參考反射體。常見的規(guī)則反射體規(guī)則反射體的聲壓相對分貝差長橫孔交通強(qiáng)國·鐵路先行

長橫孔的定義：孔長大于聲束直徑的圓柱孔稱為長橫孔，當(dāng)長橫孔貫通試塊時(shí)又可稱為橫通孔，長橫孔作為參考反射體主要有三個(gè)原因，一、焊縫中出現(xiàn)的缺陷多為長條形，與長橫空形狀接近；二、圓柱面具有各向?qū)ΨQ性，能適應(yīng)不同角度的斜探頭；三、長橫孔反射聲壓的規(guī)律性較好，制作出的距離波幅曲線(DAC)較為圓順。常見的規(guī)則反射體規(guī)則反射體的聲壓相對分貝差短橫孔交通強(qiáng)國·鐵路先行短橫孔的定義：孔長大于孔徑，但小于聲束直徑的圓柱孔稱為短橫孔，它的反射聲壓變化規(guī)律在近場區(qū)類似于長橫孔，在遠(yuǎn)場區(qū)接近平底孔，它也能使用不同角度的探頭，短橫孔加工難度較大，為了克服邊界效應(yīng)，在試塊的側(cè)面還要加工一個(gè)半圓弧，這種試塊是我國獨(dú)有的。常見的規(guī)則反射體規(guī)則反射體的聲壓相對分貝差復(fù)習(xí)下：遠(yuǎn)場區(qū)的聲壓交通強(qiáng)國·鐵路先行在遠(yuǎn)場區(qū)中，聲束軸線上的聲壓變化隨距離的增加呈單調(diào)下降，遠(yuǎn)場中的入射聲壓P基本可按球面波的聲壓變化規(guī)律計(jì)算：常見的規(guī)則反射體規(guī)則反射體的聲壓相對分貝差式中

：D——晶片直徑；A——晶片面積；X——聲程；λ——波長。大平底的反射（底面）交通強(qiáng)國·鐵路先行遠(yuǎn)場中的大平底B，離聲源距離為XB，則大平底上的入射聲壓為：式中

：XB——聲程；若把大平底看作鏡面反射，則反射到晶片的聲壓PB，相當(dāng)于傳播2XB聲程，則為入射聲壓的一半，則大平底上的反射聲壓PB為：常見的規(guī)則反射體規(guī)則反射體的聲壓相對分貝差平底孔的反射交通強(qiáng)國·鐵路先行離探頭晶片距離X處，有一直徑Φ的平底孔（Φ<D）則入射聲壓為：把平底孔看作為一個(gè)直徑（Φ）為的新聲源，則入射聲壓P就是新聲源的起始聲壓，所以晶片上接受到的平底孔聲壓PΦ為：常見的規(guī)則反射體規(guī)則反射體的聲壓相對分貝差長橫孔的反射交通強(qiáng)國·鐵路先行當(dāng)圓柱體φ的長度大于聲束直徑時(shí)，其入射聲壓P為：反射聲壓Pφ為：式中：φ——長橫孔直徑。長橫孔的反射波具有柱面波的性質(zhì)，因此其反射聲壓的后一部分與孔徑平方根成正比，與聲程平方根成反比。常見的規(guī)則反射體規(guī)則反射體的聲壓相對分貝差短橫孔的反射交通強(qiáng)國·鐵路先行當(dāng)圓柱體的長度L小于聲束直徑時(shí)，反射聲壓為：式中

：φ短——短橫孔直徑。常見的規(guī)則反射體規(guī)則反射體的聲壓相對分貝差球孔的反射交通強(qiáng)國·鐵路先行球體直徑為d，且小于聲束直徑，球面前沿離晶片距離Xd，則反射聲壓Pd為：式中：d——球孔直徑。從以上五個(gè)規(guī)則反射體聲壓計(jì)算公式可知，返回晶片的聲壓大小與入射聲壓P和反射體形狀、尺寸有關(guān)。常見的規(guī)則反射體規(guī)則反射體的聲壓相對分貝差平底孔對平底孔相對分貝差交通強(qiáng)國·鐵路先行式中：Φ1為第一個(gè)平底孔的直徑X1為第一個(gè)平底孔距探頭的距離Φ2為第二個(gè)平底孔的直徑X2為第二個(gè)平底孔距探頭的距離由上式可知：平底孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降12dB

平底孔距離一定，直徑增加一倍，其回波上升12dB常見的規(guī)則反射體規(guī)則反射體的聲壓相對分貝差長橫通孔對長橫通孔分貝差交通強(qiáng)國·鐵路先行式中：Φ1為第一個(gè)長橫孔的直徑X1為第一個(gè)長橫孔距探頭的距離Φ2為第二個(gè)長橫孔的直徑X2為第二個(gè)長橫孔距探頭的距離由上式可知：長橫孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降9dB

長橫孔距離一定，直徑增加一倍，其回波上升3dB常見的規(guī)則反射體規(guī)則反射體的聲壓相對分貝差短橫通孔對短橫通孔分貝差交通強(qiáng)國·鐵路先行式中：Φ1為第一個(gè)短橫孔的直徑X1為第一個(gè)短橫孔距探頭的距離L1為第一個(gè)短橫孔的長度Φ2為第二個(gè)短橫孔的直徑X2為第二個(gè)短橫孔距探頭的距離L2為第二個(gè)短橫孔的長度由上式可知：短橫孔直徑和長度一定，距離增加一倍，其回波下降12dB短橫孔直徑和距離一定，長度增加一倍，其回波上升6dB短橫孔長度和距離一定，直徑增加一倍，其回波上升3dB常見的規(guī)則反射體規(guī)則反射體的聲壓