第一章 超声波探伤的物理基础

第一章 超声波探伤的物理基础

By adan 超声波探伤是目前应用最广泛的无损探伤方法之一。

超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。超声波探伤中，主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概念。如几何声学中的反射、折射定律及波型转换，物理声学中波的叠加、干涉、绕射及惠更斯原理等。深入理解几何声学和物理声学中的有关概念，掌握其中的基本定律，对于灵活运用超声波理论去解决实际探伤中的各种问题无疑是十分有益的。

第一节 振动与波

宇宙间的一切物质，大至宏观天体，小至微观粒子都处于一定的运动状态，振动和波动是物质运动的基本形式 一、振动

1．振动的一般概念

物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。

日常生活中到处可以见到振动现象，如弹簧振子的运动、钟摆的运动和汽缸中活塞运动等都是可以直接觉察到的振动现象。另外，如固体分子的热运动，一切发声物体的运动以及超声波波源的运动等则是人们难以觉察到的振动现象。

物体(或质点)受到一定力的作用，将离开平衡位置，产生一个位移，该力消失后，它将回到其平衡位置；并且还要越过平衡位置移到相反方向的最大位移位置，然后返回平衡位置。这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振动”。 振动是，往复、周期性的运动，振动的快慢常用振动周期和振动频率两个物理量来描述。

周期T——振动物体完成一次全振动所需要的时间，称为振动周期，用T表示。常用单位为秒(s)。

频率f——振动物体在单位时间内完成全振动的次数，称为振动频率，用f表示。常用单位为赫兹(Hs)，1赫兹表示1秒钟内完成全振动，即

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1Hs=1次/秒。此外还有千赫(KHz),兆赫(MHz)。1kHz=10Hz,1MHz 由周期和频率的定义可知，二者互为倒数

(1.1)

如某人说话的频率f=1000Hz，表示其声带振动为1000次/秒，声带振动周期T=1/f=1/1000=0.001秒。 2.谐振动

最简单最基本的直线强动称为谐振动。任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。

如图1.1所示，质点M作匀速圆周运动时，其水平投影就是一种水平方向的谐振动。质点M的水平位移y和时间t的关系可用谐振方程来描述：

y=Acοs(wt+θ) (1.2)

式中 A——振幅，即最大水平位移； w——圆频率，即1秒钟内变化的弧度数，

θ——初相位，即t=0时质点M的相位； wt+θ——质点M在t时刻的相位。

谐振动方程描述了谐振动物体在任一时刻的位移情况。

谐振动的特点是：物体受到的回复力大小与位移成正比，其方向总是指向平衡位置。如弹簧振子的振动，单摆与音叉的振动等。谐振物体的振幅不变，为自由振动，其频率为固有频率。由于物体做谐振动时，只有弹性力或重力做功，其它力不做功，符合机械能守恒的条件，因此谐振物体的能量遵守机械能守恒。在平衡位置时动能最大势能为零，在位移最大位置时势能最大动能为零，其总能量保持不变。 3.阻尼振动

谐振动是理想条件下的振动，即不考虑摩 擦和其它阻力的影响。但任何实际物体的振动，

总要受到阻力的作用。由于克服阻力做功，振动物体的能量不断减少。同时，由于在振动传播过程中，伴随着能量的传播，也使振动物体的能量不断地减少。这种振幅或能量随时间不断减少的振动称为阻尼振动。阻尼振动的振动方程式为：

-βt

y=Aecοs(ωt+θ) (1.3) 式中β——阻尼系数； w——阻尼振动的圆频率，

为物体的固有频率。

由上式可得阻尼振动的位移与时间的关系曲线，如图1,2所示。

1

图1.2 阻尼振动

谐振动是无阻尼振动，其振幅与周期不变。阻尼振动的振幅不断减少，而周期却不断增大。阻尼振动受到阻力作用，不符合机械能守恒。 4.受迫振动

受迫振动是物体受到周期性变化的外力作用时产生的振动。如缝纫机上缝针的振动，汽缸中活塞的振动和扬声器中纸盆的振动等。

受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间后达到稳定状态，变为周期性的谐振动。其振动频率与策动力频率相同，振幅保持不变。其振动方程为

y=Acοs(Pt+θ) (1.4)

式中 A——受迫振动的振幅； P——策动力的圆频率； θ——受迫振动的初相位。

受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动力频率P与受迫振动物体固有频率w。相同时，受迫振动的振幅达最大值。这种现象称为共振。 受迫振动物体受到策动力作用，不符合机械能守恒。

超声波探头中的压电晶片在发射超声波时，一方面在高频电脉冲激励下产生受迫振动，另一方面在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用，因此又是阻尼振动。压电晶片在接收超声波时同样产生受迫振动和阻尼振动。在设计探头中的压电晶片时，应使高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率；从而产生共振，这时压电晶片的电声能量转换效率最高。 二、波动

1.机械波的产生与传播

振动的传播过程，称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。

机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。如水波、声波、超声波等。

电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。如无线电波、红外线、可见光、紫外线、又射线、y射线等。

由于这里研究的超声波是机械波，因此下面只讨论机械波。

为了简单说明机械波的产生和传播，不妨建立如图1.3所示的弹性模型。图中质点间以小弹簧联系在一起，这种质点间以弹性力联系在一起

的介质称为弹性介质。一般固体、液体、气体都可视为弹性介质。

当外力F作用于质点A时，A就会离开平衡位置，这时A周围的质点将对A产生弹性力使A回到平衡位置。当A回到平衡位置时。具

有一定的速度，由于惯性A不会停在平衡位置，而会继续向前运动，并沿相反方向离开平衡位置，这时A又会受到反向弹性力，使A又回到平衡位置，这样质点A在平衡位置来回往复运动，产生振动。与此同时，A周围的质点也会受到大小相等方向相反的弹性力的作用，使它们离开平衡位置，并在各自的平衡位置附的振动。这样弹性介质中一个质点的振动就会引起邻近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动，于是振动就以一定的速度由近及远地向各个方向传播开来，从而就形成了机械波。 由此可见，产生机械波必须具备以下两个条件： (1)要有作机械振动的波源。

(2)要有能传播机械振动的弹性介质

振动与波动是互相关联的，振动是产生波动的根源，波动是振动状态的传播。波动中介质各质点并不随波前进，只是以交交的振动速度在各自的平衡位置附近往复运动。

波动是振动状态的传播过程，也是振动能量的传播过程。但这种能量的传播，不是靠物质的迁移来实现的，也不是靠相邻质点的弹性碰撞来完成的，而是由各质点的位移连续变化来逐渐传递出去的，犹如人们传递砖块一样。 2.波长、频率和波速

(1)波长λ：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，称为波长，用λ表示。波源或介质中任意一质点完成一次全振动，波正好前进一个渡长的距离。波长的常用单位为毫米(mm)。米(m)。

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(2)频率f：波动过程中，任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数，称为波动频率。波动频率在数值上同振动频率，用单位表示，单位为赫兹(HZ)。

(3)波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，用C表示。常用单位为米/秒(m/s)或千米/秒(km/s)。 由波速，波长和频率的定义可得：

C=λf或λ=C/f (1.5)

由上式可知，波长与波速成正比，与频率成反比。当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。 3. 波动方程

设一平面余弦波在理想无吸收的均匀介质中沿χ轴正向传播，如图l.4所示。波速为C，在波线上取O点为计算距离χ的原点，设O点的振动方程为

y=Acοsωt

当振动从O点传播到B点时，B点开始振动。由于振动从O点传播到B点需要时间χ/c 秒，因此B点的振动滞后于O点χ/c秒。即B点在t时刻的位移等于0点在(t-χ/c)时刻的位移： 式中 K—波数，

；

(1.6)

X—B至O点的距离。

上式就是波动方程，它描述了波动过程中波线上任意一点在任意时刻的位移精况。 三、次声波、声波和超声波 1.次声、声波和超声波的划分

次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。它们的区别主要在于频率不同。

人们日常所听到的各种声音，是由于各种声源的搬动通过空气等弹性介质传播到耳膜引起的耳膜振动，牵动昕觉神经，产生听觉，但并不是任何频率的机械振动都能引起听觉，只有当频率在一定的范围内的搬动才能引起听觉。人们把能引起听觉的机械波称为声波，频塞在20～20000Hz之间。频率低于20Hz的机械波称为次声波。频率高于20000Hz的机械波称为超声波。次声波、超声波不可闻。 2.超声波的应用

超声探伤所用的频率一般在0.5～10MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为1～5MHz。超声波波长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛用于无损探伤。 (1)超声波方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米数量级。超声波像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，犹如一束手电筒灯光可以在黑暗中寻找到所需物品一样在被检材料中发现缺陷。

(2)越声波能量高：超声波探伤频率远高于声波，而能量(声强)与频率平方成正比。因此超声波的能量远大于声波的能量。如1MHz的超声波的能量相当于1kHz的声波的100万倍。

(3)能在界面上产生反射、折射和波型转换；在超声波探伤中。特别是在超声波脉冲反射法探伤中，利用了超声波具有几何声学的一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射、折射和波型转换等。

(4)超声波穿透能力强：超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强。在一些金属材料中其穿透能力可达数米。这是其他探伤手段所无法比拟的。

超声波除用于无损探伤外，还可以用于机械加工，如加工红宝石、金刚石、陶瓷石英、玻璃等硬度特别高的材料；可以用于焊接，如焊接钛、钍、锝等难焊金属。此外，在化学工业上可利用超声波作催化剂，在农业上可利用超声波促进种子发芽，在医学上可利用超声波进行诊断、消毒等。

3.次声波的应用

次声波的频率很低，波长很长，绕射能力强，传播衰减小、距离远。在大自然的许多活动中伴随着次声波的发生，例如地震、台风、火山爆发、核爆炸、火箭起飞等。次声波近似平面波，沿着与地球表面平行的方向传播。次声波在气象学、海洋学、地震学和地质勘探等方面得到应用。

第二节 波的类型

波的分类方法很多，下面简单介绍几种常见的分类方法。 一、据质点的振动方向分类

根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，可将波动分为纵波、横波、表面波和板波等。 1.纵波L

介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的波，称为纵波，用L表示。如图1.5所示。

当介质质点受到交变拉压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。这时介质质点疏密相间，故纵波又称为压缩波或疏密波。

凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。固体介质能承受拉伸或压缩应力，因此固体介质可以传播纵波。液体和气体虽然不能承受拉伸应力，但能承受压应力产生容积变化，因此液体和气体介质也可以传播纵波。

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2.横波S(T)

介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称为横波，用S或T表示。如图1.6所示。当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变形变。从而形成横波。故横波又称为切变波。

只有固体介质才能承受剪切应力．液体和气体介质不能承受剪切应力，因此横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。

3.表面波R

当介质表面受到交变应力作用对，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，常用R表示，如图1.7所示。表面波是瑞利1887年首先提出来的，因此表面波又称瑞利波。

表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行予波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成。因此表面波同横液一样只只能在固体介质中传播，不能在液体或气体介质中传播。

表面波只能在固体表面传播。表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了。因此，一般认为，表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。 4.板波

在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板波。

根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。

(1)SH波：如图1.8所示，SH波是水平偏振的横波在薄板中传播的波。薄板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向，相当于固体介质表面中的横波。

(2)兰姆波：兰姆波又分为对称型(S型)和非对称型(A型)，如图1.9所示。

对称型(S波)兰姆波的特点是薄板中心质点作纵向振动，上下表面质点作椭圆运动、振动相位相反并对称于中心，如图1．9(a)所示。 非对称型(A型)兰姆波特点是薄板中心质点作横向振动，上下表面质点作椭圆运动、相位相同，不对称。如图1.9(b)所示。 各种类型波的比较归纳在表1.1中。

表1.1 各种类型波的比较

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波的类型 纵 波 质点振动特点 传播介质 应 用 钢板、锻件探伤等 质点振动方向平行于波传固、液、气体介质 播方向 横 波 质点振动方向垂直于波传固体介质 播方向 焊缝、钢管探伤等 表面波 质点作椭圆运动，椭圆长轴固体介质 垂直波传播方向，短轴平行于波传播方向 钢管探伤等 板 波 对称型 (S型) 上下表面：椭圆运动, 中固体介质(厚度与波长相当薄板、薄壁钢管等 心：纵向振动 的薄板) (δ<6mm) 非对称型(A型) 上下表面；椭圆运动，中心：横向振动 注。SH波应用较少，未列入表中。

二、按波的形状分类

波的形状(波形)是指波阵面的形状。

波阵面：同一时刻，介质中振动相位相同的所有质点所联成的面称为波阵面， 波前：某一时刻，波动所到达的空间各点所联成的面称为波前。 波线：波的传播方向称为波线。

由以上定义可知，波前是最前面的波阵面，是波阵面的特例。任意时刻，波前只有一个，而波阵面却有很多。在各向同性的介质中，波线恒垂直于波阵面或波前。

据波阵面形状不同，可以把不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波。 1.平面波

波阵面为互相平行的平面的波称为平面波。平面波的波源为一平面，如图1.10所示。 尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的均匀介质中辐射的波可视为平面波。 平面波波束不扩散，平面波各质点振幅是一个常数，不随距离而变化。 平面波的波动方程为：

(1.7)

2．柱面波

波阵面为同轴圆柱面的渡称为柱面波。柱面波的波源为一条线，如图1.11所示。 长度远大于波长的线状波源在各向同性的介质中辐射的波可视为柱面波。柱面波波束向四周扩散，柱面波各质点的振幅与娩离平方根成反比。 柱面波的波动方程为：

(1.8)

3．球面波

波阵面为同轴圆柱面的渡称为柱面波。柱面波的波源为一条线，，如图1.12所示。

尺寸远小于波长的点波源在各向同性的介质中辐射的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩散，球面波各质点的振幅与距离成反比。

(1.9)

实际应用的越声波探头中的波源近似活塞振动，在各向同性的介质中辐射的波称为活塞波。当距离源的距离足够大时，活塞波类似于球面波。 三、按振动的持续时间分类

根据波源振动的持续时间长短，将波动分为连续波和脉冲波。 1.续波

波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波，如图1.13(a)所示。超声波穿透法探伤常采用连续波。 2.脉冲波

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波源振动持续时间很短(通常是微秒数量级，1微秒=10秒)，间歇辐射的波称为脉冲波，如图1.13(b)所示。 目前超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。

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