超声检测的物理基础

学原理的目的都是为了实际的应用,不能简单的以学原理而学,而要结合实际的应用来分析。

机械振动与机械波

机械振动

1.机械振动的概念

机械振动,是质点在平衡位置做往复周期性的运动。

2.机械振动的物理量

3.谐振动

4.阻尼振动

阻尼振动时,振幅和能量随时间不断减少,频率保持不变。

在超声波探头中,为了减小超声脉冲的持续时间(即脉冲宽度),应使晶片的振动尽快停止,通常在晶片后粘贴阻尼块以增大振动阻力。

5.受迫振动

受迫振动是在周期性外力作用下物体所产生的振动。

二.机械波

1.机械波的产生与传播

产生机械波的两个条件:

  1. 要有一个产生机械振动的波源
  2. 要有提供一个能传播振动的弹性介质

振动和波动的关系:振动是波动产生的根源,波动是振动的传播过程。

在机械波的传播过程中,没有质量的传递。

机械波的传播是振动和能量的传播。

2.波动方程

3.机械波的重要物理量

周期,频率,波长

超声波的特性和超声场的特征量

1.超声波及其特性

次声波,声波和超声波

超声波的特性

指向特性,穿透特性,发射特性,折射特性,波型转换特性

超声波的反射特性是脉冲反射法检测的理论基础。

超声波的折射特性是斜射法检测的理论基础。

超声波的波型转换特性是横波法,表面波法等超声检测的理论基础。

2.超声场及其特征性

(1)什么是超声场
(2) 超声场的特征量

声压

声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量,超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。

一般材料的声阻抗随着温度的升高而降低。

声强

幅度的分贝表示

超声波的分类

根据波型分类

(1)纵波
(2)横波
(3)表面波:椭圆的长轴垂直于波的传播方向,短轴平行于波的传播方向。
(4)板波
(5)波型分类归纳

根据波阵面的形状分类

(1)几个概念
(2)根据波阵面形状分类

  • 平面波
  • 球面波
  • 柱面波

根据振动的持续时间分类

(1)连续波
(2)脉冲波

超声波的传播速度

声速是表征介质声学特性的重要参数,取决于介质的弹性形变特性,即声速除于超声波的波型有关外,还与传声介质的弹性模量,密度和泊松比有关。

兰姆波的声速较为复杂,除与材料特性有关以外,还与频率,板厚和振动模式有关。

纵波,横波和表面波在固体中的声速

(1)声速在无限大固体介质中的声速
(2)细长棒中的纵波声速

液体,气体介质中的声速

液体,气体介质中的纵波声速与容变弹性模量有关,介质的容变弹性模量越大,密度越小,声速就越大。

兰姆波的声速

影响超声波传播速度的因素

(1)传播介质和波的类型对播速变化的影响
(2)材料的不均匀性引起的声速变化及对检测的影响
(3)应力对声速变化的影响
(4)温度对声速变化的影响
(5)水的声速和温度的关系

当温度在0-74°C之间时,声速随温度的升高而增加,当温度低于74°C时,声速随温度的降低而降低,或当温度高于74°C时,声速随温度的升高而降低。

超声波的传播

1.超声波的波动特性

(1)波的叠加
(2)波的干涉
(3)驻波和共振
(4)惠更斯原理
(5)超声波的衍射和散射

2.超声波垂直入射到界面时的反射和透射

(1)单一平界面的声强,声压反射率和透射率
(2)声压往复透射率

3.超声波倾斜入射到平界面上时的反射和折射

(1)超声波倾斜入射到平界面上时的现象

  • 反射
  • 折射
  • 临界角

(2)声压反射率

  • 纵波倾斜入射到钢/空气界面时的反射率
  • 横波倾斜入射到钢/空气界面时的反射率

(3)超声波斜入射时的声压往复透射率

4.端角反射

(1)端角反射特点
(2)端角反射率

在检测垂直于表面的裂纹,未焊透等缺陷时,应选用折射角为35°~55°的横波探头,避免选用纵波斜探头或折射角为60°的横波探头。

题:为检测焊缝中的未焊透,不宜选用的探头折射角为:60°

超声波的衰减

1.引起衰减的原因

(1)扩散衰减

扩散衰减取决于波阵面的形状而与传声介质的性质无关。
(2)散射衰减
(3)吸收衰减

2.衰减的规律和衰减系数

(1)声压衰减规律
(2)衰减系数
(3)超声波衰减的有关因素

介质中超声波的衰减与介质的晶粒度和超声波的频率密切相关。

3.衰减系数测量

(1)薄板工件衰减系数测量
(2)厚板工件衰减系数测量

声场

1.圆盘声源辐射的纵波声场

(1)声轴上的声压分布

  • 声轴的声压分布表达式
  • 近场区 :最后一个声压极小值距声源的距离为0.5N
  • 远场区
  • 横截面上的声压分布

(2)指向性与扩散角

  • 超声束的构成,指向性与扩散角
  • 指向角所代表的意义

(3)未扩散区

2.矩形声源辐射的纵波声场

3.纵波声场在两种介质中的分布

4.实际声源的声场

规则反射体回波声压

1.规则反射体回波声压简化公式

(1)大平面
(2)圆形平面
(3)圆柱形反射体
(4)球形反射体
(5)大直径圆柱体

  • 实心圆柱体
  • 空心圆柱体

2.AVG曲线

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