超声波检测的物理基础

超声波检测(船舶教材)（幻灯片稿本编写：孟传亨）§1超声波检测物理基础1 机械振动和机械波1.1 机械振动：一个物理量的值在观测时间内不停地经过极大值和极小值的周期变化，这种变化状态称为振动。

如果振动量是个力学量，如位移、角位移等，所作的振动称之为机械振动。

图1－1(教材中的图2－1和图2－2)表示了机械振动的两个示例。

1.1.1两个表征振动的参数：周期T：完成一次全振动所需的时间，常用单位秒(s)。

频率f：单位时间内完成全振动的次数，单位为赫芝(Hz)。

1Hz＝1次/秒＝秒－1；1MHz＝106Hz。

1.1.2振动方程：最简单最基本的直线振动称为谐振动，任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。

描述谐振动质点M位移y与时间t关系的谐振动方程如下：y＝Acos(ωt＋φ) （1－1）式中：y——为振动幅度在任一瞬间时t的数值；A——为振幅，是y的最大值；ω——角频率(角速度)，ω＝2πf；φ——初始相位角，即t＝0时质点M的相位；(ωt＋φ)——质点M在t时刻的相位。

可用图1－2（教材中的图2－6）来进一步说明物体谐振动时，位移是时间的正弦或余弦函数。

1.2 机械波和声波：1.2.1机械波的形成机械振动在介质中的传播称为机械波，机械振动在弹性体中的传播称之为弹性波（声波）。

图1—3（教材中的图2－3）是弹性体的模型，可用来说明机械波的形成。

1.2.2产生机械波的两个条件：1.作机械振动的波源；2.传播振动的介质。

1.2.3超声波如果以频率f来表征声波，并以人的可闻频率为分界线，则可把声波划分为次声波（f＜20Hz）、可闻声波（20Hz≤f≤20kHz）和超声波（f＞20kHz）。

在超声波检测中最常用的频率范围为0.5～10MHz。

1.2.4三个表征波动的参数：频率f：波在单位时间内通过给定点的完整波的个数称为波的波动频率；波长λ：波在一个周期内传播的距离称为波长；波速c：声波在单位时间所传播的距离称为波速。

第一单元超声波检测的物理基础1、机械振动：有些物体在某一固定的位置（即平衡位置）附近作周期性的往复运动，这种运动形式被称为机械振动，简称振动。

2、自由振动：做振动的系统在外力的作用下物体离开平衡位置以后就能自行按其固有频率振动，而不再需要外力的作用，这种不在外力作用下的振动称为自由振动。

3、无阻尼自由振动：理想情况下的自由振动叫无阻尼自由振动。

自由振动时的周期叫固有周期，自由振动时的频率叫固有频率，它们由振动系统自身条件所决定，与振幅无关。

4、简谐振动：最简单最基本的直线无阻尼自由振动称为简谐振动，简称谐振。

5、在周期性外力的作用下产生的振动称为受迫振动，这个周期性的外力称为策动力。

6、机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波。

机械波产生的条件：有机械振动振源和传播振动的弹性介质。

7、波长：在同一波线上两个相邻的振动相位相同的质点之间的距离，称为波长（即一个“波”的长度），用符号λ表示。

波长的常用单位是毫米（mm）或米（m）。

8、频率：单位时间内波动通过某一位置的完整波的数目，称为波动频率，也是质点在单位时间内的振动次数，用符号f表示。

频率的常用单位是赫兹（Hz），即（次）/秒。

波的频率是波源的振动频率，与介质无关。

9、周期：周期在数值上等于频率的倒数，它是波动前进一个波长的距离所需要的时间，用符号T表示。

周期的常用单位有秒（s）。

10、波速：在波动过程中，某一振动状态（即振动相位）在单位时间内所传播的距离叫做波速，用c表示，其常用单位为米/秒（m/s）。

波速的影响因素有：（1）介质的弹性模量和密度；（2）波的类型；（3）传播过程中的温度。

11、惠更斯原理：媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，在其后的任一时刻，这些子波的包迹就决定新的波阵面。

惠更斯原理对任何波动过程都适用，不论是机械波或电磁波，不论这些波动经过的媒质是均匀的或非均匀的。

利用惠更斯原理可以确定波前的几何形状和波的传播方向。

物理基础第一节声波的定义及分类一、定义物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动，而引起听觉器官有声音感觉的波动则称为声波。

根据声波的传导方向与介质的的振动方向的关系，声波有纵波和横波之分。

二、横波所谓横波是指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波。

人体的骨骼中，不但传播纵波，还传播横波。

三、纵波即介质中质点沿传播方向运动的波。

在纵波通过的区域内，介质各点发生周期性的疏密变化，因此纵波是胀缩波。

理想流体(气体和液体)中声振动传播方向与质点振动方向是平行的，只存在于纵波。

人体中含水70—80％，故除骨路、肺部以外软组织中的声速和密度均接近于水。

目前医用超声的研究和应用主要是纵波传播方式。

第二节超声显像物理基础一、超声波基本物理量1、超声波是声源振动的频率大于20000 Hz的声波。

2、超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（λ），声速（c），它们的关系是：c=f·λ或λ=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质，不同频率的超声波在相同介质中传播时，声速基本相同。

3、相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同，人体软组织中超声波速度总体差异约为5％。

因此目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m/s。

通过该声速可测量软组织的厚度，由于目前超声仪所采用的是脉冲回声法，故该回声测距的公式是：t组织厚度=Ｃ·───2利用超声方法进行测距的误差也是5％左右。

4、声阻抗是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度ρ与声波在该介质中的传播速度c的乘积所决定，即：Z=ρ·c单位为Kg／m2·s。

5．临床常用的超声频率在2～10 MHz之间。

二、超声波的物理性能l、超声波在介质中传播时，遇到不同声阻的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射，反射的能量由反射系数R I=〔（Z2-Z1）/（Z2+Z1）〕2决定。

Z1、Z2为两种介质的特性声阻抗，Z=ρ·c (密度·声速）当Z1=Z2，为均匀介质，则RI＝0，无反射。

超声波检测主要公式Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】超声波检测主要公式1.物理基础部分:设B为波线上任意一点,距原点O的距离为x.因为振动从O点传播到B点所需的时间为x/c,所以B点处质点在时间t的位移等于O点上质点在时间(t-x/c)的位移,即:1.13衰减系数的测定和计算(1)试件厚度:2N<T≤200㎜(2)试件厚度>200㎜(3)薄试件(试件中多次底波的声程在未扩散区内)1.14声压公式(1)活塞波声压公式(2)球面波声压公式(3)近场区公式(a)第二介质剩余近场区长度N’(b)横波在第二介质中的近场区长度N’(c)非扩散区长度b≈1.64N(4)指向角公式(5)大平底面回波公式(6)平底孔回波公式(7)长横孔回波公式(8)短横孔回波公式(9) 球孔回波公式(10) 圆柱曲底面回波公式(11) 不同距离处的大平底与平底孔回波声压dB 差:(12) 考虑衰减系数时,不同距离处的大平底与平底孔回波声压dB 差(即与探伤仪实测情况对应):(13) 考虑衰减系数时,不同距离不同孔径两平底孔回波声压dB 差(即与探伤仪实测情况对应):2. 缺陷位置2.1平面检测2.1.1声程定位(a)缺陷水平距离(c) 缺陷深度2.1.2水平定位(a)缺陷水平距离(b)缺陷深度k n d ff τ=(当缺陷分别是二次波、三次波或四次波发现时,按2.1.1方法计算缺陷深度)2.1.3深度定位(a)缺陷水平距离(b)缺陷深度f f n d τ=(当缺陷分别是二次波、三次波或四次波发现时,按2.1.1方法计算缺陷深度)2.2曲面检测2.2.1圆柱曲面外圆检测(a)缺陷深度R-试件外半径;k-探头k值;d-平板试件中的缺陷深度(b)缺陷水平弧长2.2.2圆柱曲面内孔检测(a)缺陷深度r-试件内半径.(b)缺陷水平弧长2.2.3横波外圆周向探测圆柱形筒体试件时的最大探测厚度T m3.迟到波、三角形回波和61°波3.1纵波迟到波在钢中迟到距离3.2圆柱体试件径向检测时的三角形回波3.2.1纵波-纵波-纵波的三角形回波声程3.2.2纵波-横波-纵波的三角形回波声程3.361°反射波(在IIW试块上的声程)3.445°反射波(在IIW试块上的声程)4钢板水浸检测水层厚度公式5小径管水浸检测5.1偏心距x5.2焦距F5.3声透镜的曲率半径6复合层检测6.1复合良好时,底面回波与复合界面回波的dB差(底面与空气接触,超声波在底面全反射)6.2复合良好时,底面回波与复合界面回波的dB差(超声在底面不是全反射,底面反射率为r’)。

超声波检测主要公式1.物理基础部分：1.1f -Tf频率：单位时间内质点振动的次数；T周期：质点完成一次完全振动所需时间.1.2c波长,波在一个周期内所传播的路程; c波速，波在单位时间内所传播的距离Array波动方程推导用图设B为波线上任意一点，距原点0的距离为X.因为振动从0点传播到B点所需的时间为x/c,所以B点处质点在时间t的位移等于0点上质点在时间(t-x/c)的位移,即：1.3y Acos (t x/c) Acos( t kx)圆频率,即1秒钟内变化的弧度数k波数.^ -—c1.42I _E m2ZI 声强.在垂直声波传播方向上，单位面积上在单位时间内通过的平均声能. p 声压弹性质点在传播声时，相邻质点所受到的附加 压力. Z 声阻抗.其能直接表示介质的声 学性质.数值上Zc1.5dB 20 lg -P l 20lg 也p 2 H 2P 1和p 2两个比较声压.分母中的p 2为基准声压.已和H 2两个比较的反射回波幅 度.分母中的H 2为基准反射回波幅度. 1.6 声速c EkVE 介质的杨氏弹性模量，等于介质承受的拉应力F / S 与相对伸长 L/L 之比. 即:E 3L/ L介质的密度.等于介质的质量M 与其体积V 之比,即 M/Vk 与介质的泊松比有关的常数.介质的泊松比，等于介质横向相对缩短 1 d/d 与纵向相对伸长 L/L之比，即 1/1.7 在钢中c/c t1.82; C r 0.92c t1.8反射折射定律sin I sin isin tsin isin tc nc i1c t1c i2c t2l , h t 分别是第一介质的纵波入射角，纵波反射角，横波反射角C l1,C t1,Q 2,Q 2分别是第一介质纵波速 度,横波速度，第二介质纵波速度,横波速度i , t分别是第二介质纵波折 射角,横波折射角1.9第一临界角:纵波斜入射时，第二介质折射纵波的折 射角等于90°时的纵波入射角为第一临界角。

超声波检测主要公式1.物理基础部分 :1.11fTf频率：单位时间内质点振动的次数;T周期：质点完成一次完全振动所需时间 .1.2cf波长 ,波在一个周期内所传播的路程;c波速 ,波在单位时间内所传播的距离设 B 为波线上任意一点 ,距原点 O 的距离为 x.因为振动从 O 点传播到 B 点所需的时间为 x/c,所以 B 点处质点在时间 t 的位移等于 O 点上质点在时间 (t-x/c)的位移 ,即:1.3y A cos (t x / c) A cos( t kx)2圆频率 ,即1秒钟内变化的弧度数 . 2 fT2k 波数 .kc1.4Ip m 2 2ZI 声强 .在垂直声波传播方向上 ,单位面积上在单位时间 内通过的平均声能 . p 声压.弹性质点在传播声时 , 相邻质点所受到的附加 压力. Z 声阻抗 .其能直接表示介质的声 学性质 .数值上 Zc1.5dB 20 lgp 120lg H1p 2 H 2p 1和 p 2 两个比较声压 .分母中的 p 2为基准声压 . H 1和H 2 两个比较的反射回波幅 度.分母中的 H 2为基准反射回波幅度 .1.6声速 cE kE 介质的杨氏弹性模量 , 等于介质承受的拉应力F / S 与相对伸长L/ L 之比.即 : EF / SL / L介质的密度 .等于介质的质量 M 与其体积 V 之比 ,即M / Vk 与介质的泊松比有关的常数 .介质的泊松比 , 等于介质横向相对缩短1d / d 与纵向相对伸长L / L之比 ,即 1 /1.7在钢中 c l / c t 1.82;c r 0.92c t1.8反射折射定律sinsin, sin tsin lsinlltcl1cl 1ct1cl 2ct 2l ,l ,, t 分别是第一介质的纵波 入射角 ,纵波反射角 ,横波反射角 .c l1 ,c t1, c l 2 , c t 2 分别是第一介质纵波速度 ,横波速度 , 第二介质纵波速度 ,横波速度l ,t分别是第二介质纵波折 射角 , 横波折射角1.9第一临界角 : 纵波斜入射时，第二介质折射纵波的折射角等于 90o时的纵波入射角为第一临界角。