华东交通大学机械工程测试技术超声波资料.pptx
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1、第二章第二章 超声波检测技术超声波检测技术2.1 概述概述2.2 超声波的分类超声波的分类2.3 声场及介质的声参量声场及介质的声参量2.4 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性2.5 超声波检测仪、探头及试块超声波检测仪、探头及试块2.6 超声波检测方法和通用检测技术超声波检测方法和通用检测技术2.7 超声波测厚超声波测厚2.8 超声波检测应用实例超声波检测应用实例第四节第四节 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性n一、超声场一、超声场n二、超声波垂直入射到界面上的反射和透射二、超声波垂直入射到界面上的反射和透射n三、超声波倾斜入射到界面上的反射和透射三、超声波倾斜入
2、射到界面上的反射和透射n四、超声波在曲面上的反射和透射四、超声波在曲面上的反射和透射4.14.1超声场超声场直探头发出的超声波束一、超声场结构一、超声场结构一般由主声束和副声束构一般由主声束和副声束构成成主声束主声束:截面大,能量集:截面大,能量集中,很好的指向性中,很好的指向性()副声束副声束:截面小,能量弱,:截面小,能量弱,方向易变方向易变第四节第四节 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性第四节第四节 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性 圆盘源超声场圆盘源超声场b主声束轴线上的声压分布主声束轴线上的声压分布以压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场为例:
3、以压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场为例:a a 声束未扩散区声束未扩散区与扩散区与扩散区b 轴线上声压分布轴线上声压分布近场近场:出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场。:出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场。近场长度近场长度:距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离:距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离远场:远场:近场以外的部分近场以外的部分 探伤时,一般利用远场中的声学特性来发现缺陷。探伤时,一般利用远场中的声学特性来发现缺陷。近场长度近场长度N就圆直探头纵波而言,就圆直探头纵波而言,N可近似表示为:可近似表示为:ND2/4D:直探头压电晶片直径直探头压电
4、晶片直径N:近场长度:近场长度:波长:波长指向特性指向特性由指向角由指向角(半扩散角半扩散角)表征表征 越小则越好越小则越好圆形直探头纵波而言圆形直探头纵波而言:arcsin1.22/D:半扩散角,:半扩散角,:波长:波长D:直径:直径Df()则则 超声波不能在真空中传播(无声介质)超声波不能在真空中传播(无声介质)back4.24.2 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超超声声波波在在无无限限大大介介质质中中传传播播时时,将将一一直直向向前前传传播播,不不改改变变方方向向。但但遇遇到到异异介介质质界界面面(即即声声阻阻抗抗差差异异较较大大的的异异质质界界
5、面面)时时,会产生反射和透射现象。会产生反射和透射现象。第四节第四节 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性超声波垂直入射于平界面的反射与透射超声波垂直入射于平界面的反射与透射 当超声波垂直入射到两种介质的界面时,当超声波垂直入射到两种介质的界面时,一部分能量透过一部分能量透过界面进入第二种介质,成为界面进入第二种介质,成为透射波透射波(声强为声强为 It),波的传播方向不波的传播方向不变;另一部分能量则被界面反射回来,沿与入射波相反的方向传变;另一部分能量则被界面反射回来,沿与入射波相反的方向传播,成为播,成为反射波反射波(声强为声强为 Ir)。声波的这一性质是超声波检测缺声波的这
6、一性质是超声波检测缺陷的物理基础。陷的物理基础。1 1、单一界面单一界面 当超声波垂直入射到足够当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时,将在第大的光滑平界面时,将在第一介质中产生一个与入射波一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波,在第二方向相反的反射波,在第二介质中产生一个与入射波方介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。向相同的透射波。反反射射波波声声压压Pr与与入入射射波波声声压压P0的的比比值值称称为为声声压压反反射率射率r,透射波声压,透射波声压Pt和和P0的比值称为的比值称为声压透射率声压透射率t。r和和t的数学表达式为:的数学表达式为:式中:式中:Z1、Z2分别为两种介质的声阻抗
7、。分别为两种介质的声阻抗。为为了了研研究究反反射射波波和和透透射射波波的的能能量量关关系系,引引入入声声强强反反射射率率R和和声声强强透透射射率率T两两个个量量。R为为反反射射波波声声强强(Ir)和和入入射射波波声声强强(I0)之比;之比;T为透射波声强为透射波声强(It)和入射波声强和入射波声强(I0)之比。之比。声波垂直入射到平界面上时,声压和声强的分配比例仅与声波垂直入射到平界面上时,声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。界面两侧介质的声阻抗有关。讨论:1、当当Z Z2 2Z Z1 1时,时,r r0 0,t1,t1,反射反射波与入射波同相波与入射波同相位,两波叠加,位,两波
8、叠加,在界面上声压振在界面上声压振幅增大为幅增大为P P0 0+Pr+Pr。如平面波在水如平面波在水/钢界面的反射和钢界面的反射和透射透射.P.Pt tPP0 02、当当Z Z1 1Z Z2 2时,时,r r0 0,反射波与入反射波与入射波相位相射波相位相反,两波叠反,两波叠加,在界面加,在界面上声压振幅上声压振幅减小为减小为P P0 0-PrPr。如平面。如平面波在钢波在钢/水界水界面的反射和面的反射和透射透射,P,Pt tP c cL L1 1时时,折折射射角角大大于于入入射射角角,使使纵纵波波折折射射角角达达到到9090的的纵纵波波入入射射角角称称为为第第一一临临界界角角,用用符符号号表
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