超声波的检测原理反射折射

超声波的检测原理反射折射

2超声波及超声检测原理

2. 1超声波的基本性质

通常人耳能听到声音的频率范围在 20}20KHz 之间，把超过20KHz 的声波 称为超

声波。超声波在本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖两个条件， 一是有机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。

波的种类是根据介质质点的震动方向和波动传播方向的关系来区分的。超 声波在介

质中传播的波形有许多种，有纵波、横波、表面波等。

2.1.1超声场的特征量

充满超声波的空间叫做超声场。声压、声强度、声阻抗是描述超声场 特征的几

个重要物理量。

a. 声压

超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时的静态 压强之差

被称为声压，常用 P 表示，单位为帕。超声波在介质中传播时，介质 中每一点的声压随着时间t 、距离x 而变化，其公式为：

X

p =「

Awpsi nw(t ) = pcv

c 式中P 为介质的密度、必为介质的角频率 C 为超声波在介质中的波速， v 为介

质质点的振动速度。可见声压的绝对值与波速以及角频率成正比。

b. 声强度

在垂直于超声波方向上的单位面积内通过的声能量被称为声强度，也

称声强。

式中A 为超声波的振幅。从公式可见声强与质点振动的位移振幅的平方成 正比，与

质点振动的角频率的平方成正比。

C.声阻抗

从声压的公式可见，在同一声压下辉越大，质点振动速度就越小，反之亦 然，它反

映了声学特性，故将声的乘积作为介质的声阻抗，以符号 Z 表示。

2. 1. 2超声波的速度及波长

超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对 一定的介

质其弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质有不同的 声速。超声波的频率、波长和声谏之间的关系如下 ：

其中入超声波的波长、c 为超声波的速度、f 为超声波的频率。

p cA 2 a)2

2 2 pc

2.1.3超声波的衰减

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量会逐渐减弱，

这种现象叫超声的衰减。

从理论上讲，超声波能量衰减的起因有以下几个方面：

乩由声束扩展引起的衰减

在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面波的声束在不断扩展增大，因此单位面积上的声能(或声压)随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减，扩散衰减仅取决与波的几何形状而与传播介质的性质无关。

b・由散射引起的衰减

由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中有外来杂质、金属的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗的不均，从而引起

声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终将变成热能，这种衰减称为散射衰减。

C.由介质吸收引起的衰减

超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从

而使一部分声能转换成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部

分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及分子弛豫造成的吸收，这就是

介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。

超声波的衰减特性在探伤中有很实际的用途，如果能掌握经过介质后的超

声波的性质，就可以对介质的特性进行某些判断。

2. 1. 4超声波在平面异质界面上的效应

所谓异质界面，是只有两种声阻抗不同的介质所构成的界面，如气体液体界面、气体/固体界面、液体/固体界面以及不同固体界面等。由于两种介质的声阻抗不一样，会产生反射、折射和衍射等现象。例如:在电缆芯线上挤压绝缘材料时，钢模到绝缘材料为一个界面，绝缘材料到铜芯为另一个界面。当超声波入射到一个光滑界面上时，产生反射;若发生在粗糙界面上时，产生波的散射。超声波通过两种介质的界面时，一部分将被界透射波。

当超声波从一种介质传播到另一种介质时，其入射方向相对于异质界面而言，可以是垂直入射，也可以是倾斜入射。当垂直入射时，只有反射和透射;当倾斜入射，除反射外，透射波要发生折射现象，同时伴随着有波型转换。

(1)单界面垂直入射时的情况:当声波垂直入射到两种不同介质的界面上时, 将产生一个与入射方向相反的反射波和一个与入射方向相同的透射波，如图所

zj\

o

介质声限抗Z2

Pd

声波由单界面垂直入射示意图

在两种介质界面上，用反射声压（振幅）Pr和入射声压Po的比值表示声压反射率R，即:

R=i

在两种介质的界面上，

透射率D,即：

用透射声压（振幅）P},和入射声压Po的比值表示声压

D = ^~

Po

经过理论推导可知

Z’+Z|

若Z i=Z2,因0而D~ 1,说明当界面两边声阻抗相同时，声波几乎没有反射，而全部从第一介质透射到第二介质。

当Z i0，反射声压只和入射声压Po 同相位，在界面上入射声压Po与反射声压只叠加类似于驻波。合成声压振幅

P=Pr+Po，对于水Z1 =0.5 x106g/cm2.s,¥冈二乜

R = $ 、“935

ZZ

2Z

D= 2 ^1 935 Zj + Z)

以上计算结果表明，超声波垂直入射到水/钢界面时，其声压反射率R=0.935>0,声压透射率D=1.935>1似乎违反了能量守恒定律。其实不然，界面

两边应当平衡。

当Z1> Z2时，例如，声波从钢入水，声压反射系数

说明反射波声压和入射波声压相位相反，其合成振幅减小。应以钢和水为例: R =--------- =-0 * 935

0-15 + 4*5