第二章 超声检测物理基础.pdf
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1、中国机械工程学会无损检测分会中国机械工程学会无损检测分会 UT培训讲义UT培训讲义 本讲义由学会常务委员 晏荣明编写 (仅供参考) 中国机械工程学会无损检测分会深圳市无损检测人员培训中心 电话:021-65550277 电话:13538291001 邮箱:chsndt2008 邮箱:yanrongming 第二章 超声检测的物理第二章 超声检测的物理 基础基础 Chapter 2 Physical Foundations for Ultrasonic Testing 内容内容 Contents 机械振动与机械波机械振动与机械波 声波的种类声波的种类 声波的叠加、干涉、衍射声波的叠加、干涉、衍射
2、 声波的传播速度声波的传播速度 声场的特征值声场的特征值 声波垂直入射到界面时的反射和折射声波垂直入射到界面时的反射和折射 声波倾斜入射到界面时的反射、折射与波型转换声波倾斜入射到界面时的反射、折射与波型转换 超声波的聚焦与发散超声波的聚焦与发散 超声波的衰减超声波的衰减 超声波的声场超声波的声场 规则反射体的回波声压规则反射体的回波声压 AVG曲线曲线 机械振动与机械波机械振动与机械波 Mechanic Vibration and Wave 机械振动机械振动 机械波机械波 机械振动机械振动谐振动谐振动 振动:质点不停地在平衡位置附近往复运动的状态。 谐振动:质点受到跟位移成正比、方向总是指向
3、平衡位置的回 复力作用下的振动。 振动方程: cos : 2 yAt A f 振幅 :角频率 :初始相位 机械振动机械振动谐振动谐振动 特点: 位移随时间的变化符合余弦规律; 振幅和频率始终保持不变、自由、周期的振 动最基本、最简单的理想的振动; 固有频率由系统本身决定; 只有弹力或重力做功,机械能守恒。 机械振动机械振动阻尼振动阻尼振动 定义:振幅或能量随时间不断减少的振动。 振动方程 特点 质点的振幅随时间不断减小,直至为零; 不符合机械能守恒。 00 22 0 cos() t yA et :阻尼系数 机械振动机械振动阻尼振动阻尼振动 在超声检测的应用 超声检测换能器设计:晶片浇注背衬,使
4、振动 迅速停止,缩短脉冲宽度,提高检测分辨率。 机械振动机械振动强迫振动强迫振动 定义:在周期外力的作用下物体所作的振动。 振动方程 特点: 稳定后为谐振动,振幅不变,频率与策动力相同; 不符合机械能守恒。 cos()yAPt P :策动力的圆频率 机械振动机械振动受迫振动受迫振动 共振 当策动力的频率与其固有频率相同时,振幅达到 最大的现象。 超声检测的应用: 超声检测换能器晶片在发射超声信号的激励下 作受迫振动;接受信号时亦然。 机械波机械波产生与传播产生与传播 机械波 机械振动在介质中传播形成机械波。 弹性介质 由以弹性力保持平衡的各个质点所构成。 机械波机械波产生与传播产生与传播 产生
5、机械波的条件 机械振动源、弹性介质。 特点: 机械振动是机械波的根源、机械波是机械振动状态的 传播。 机械波的传播不是物质的传播,而是振动状态和能量 的传播。 机械波机械波产生与传播产生与传播 弹性波、声波 在弹性介质中传播的机械振动。 简谐波 当振动源作谐振动时所产生的波。 机械波机械波物理量物理量 周期、频率、波长和波速: c fcT 机械波机械波波动方程波动方程 原点质点振动方程 波动方程 cos : yAtkx x 声程 cosyAt 声波的种类声波的种类 Classification of Sound Wave 按频率分按频率分 按波型分按波型分 按波形分按波形分 按振动的持续时间分
6、按振动的持续时间分 声波的种类声波的种类按频率分按频率分 次声波:f20Hz 可闻声波:20Hzc2d)c1N的区域。声压随声程单调下降,当 x3N时,声压与声程成反比符 合球面波的规律所有规则反射体回波声压计算的 基础。 声压有极小值: 对应的声程约为N/2、N/4、N/8. 0 / s PP Fx 纵波发射声场纵波发射声场 圆盘声源横截面声压分布圆盘声源横截面声压分布 近场:存在中心轴线上声压为0的截面,轴线上声压 为0,偏离中心声压较高; 远场:轴线上声压最高,偏离中心声压逐渐降低。同 一截面声压分布对称。 纵波发射声场纵波发射声场 圆盘声源横截面声压分布圆盘声源横截面声压分布 应用:
7、探头声轴线偏离、折射角测量均应在远场。 纵波发射声场纵波发射声场 指向性和半扩散角指向性和半扩散角 指向性:声束集中向一个方向辐射的性质。 0 01 1 2(sin ) sin 2(sin )( , ) ( ,0)sin ss s s c s P FJ kR P rkR J kRP r D P rkR 在足够远场处空间任意点的声压: 指向性系数: 纵波发射声场纵波发射声场 指向性和半扩散角指向性和半扩散角 0 sin3.83,7.02,10.17.00 sin3.83 sin1.2270( ) sc s ss kRD kR arc DD 当y=时, ,即有声压为 点。 当y=,即第一零点发散角
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