超声波在介质中传播时

应用物理教研室第2章超声检测物理基础2.1机械振动与机械波2.2超声波的分类2.3波的叠加、干涉和衍射2.4超声波的传播速度2.5超声场的特征值2.6超声波垂直入射到平界面上的反射和折射2.7超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射2.8超声波的聚焦与发散2.9超声波的衰减主要内容 机械振动 机械波2.1机械振动与机械波一.机械振动1.定义：物体（或质点）在某一平衡位置附近作来回往复的运动，称为机械振动。可用周期和频率表示。2.分类：谐振动、阻尼振动、受迫振动(1)谐振动谐振动物体的能量遵守机械能守恒定律（动能与势能相互转换）(2)阻尼振动阻尼振动物体的能量不遵守机械能守恒定律。振幅或能量随时间不断减小的振动称为阻尼振动。(3)受迫振动物体在周期性的外力的作用下产生的振动。受迫振动物体的能量不遵守机械能守恒定律。1.定义：机械振动在弹性介质中的传播过程。2.产生条件：(1)要有作机械振动的波源；(2)要有能够传递机械振动的介质(即弹性介质)。两者缺一不可。3.主要物理参量：λ、c、f、T二.机械波4.波动方程：机械振动在弹性介质中的传播过程。 按波型分类 按波面形状分类 按波持续时间分类2.2超声波的分类1.纵波(压缩波、疏密波)传播介质：固体、液体、气体一.按波型分类2.横波(剪切波或切变波)传播介质：固体3.表面波(瑞利波)传播介质：固体4.板波(兰姆波)传播介质：固体二.按波面形状分类三.按波持续时间分类频谱分析图 波的叠加 波的干涉 共振驻波 惠更斯原理 超声波衍射现象2.3波的叠加、干涉和衍射一.波的叠加 当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起的位移的矢量和。几列波相遇后仍保持各自原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进，好像在各自的途中没有遇到其它波一样，这就是波的叠加原理，又称波的独立性原理。 两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇时，介质中某些地方振动加强，而另一些地方的振动互相减弱的现象称为波的干涉现象。二.波的干涉三.共振与驻波 两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时叠加而形成驻波，两列波产生共振。 假如物体的两个表面相互平行，则垂直入射于表面的声波将在两表面之间多次反射。若两表面间距等于半个波长的整数倍时，则多次反射波互相叠加形成强烈的驻波，称该物体发生了共振。 当连续波在界面上发生全反射时形成驻波，脉冲波在薄板中的反射也会形成驻波。 在探头 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中，若晶片的厚度等于半波长的整数倍时，该波长对应的频率是该晶片的固有频率，该频率下晶片振动的幅度最大。惠更斯原理：1690年，惠更斯引入“次波”的概念提出了惠更斯原理，即：行进中的波阵面上任一点都可以看作是新的次波源，这些次波源各自向前发射球面子波，而某时刻这些子波的包络面就是该时刻新的波阵面。四.惠更斯原理五.超声波的衍射衍射：声波绕过障碍物的边缘并进入其几何阴影向后传播的现象。波阵面发生畸变。 固体介质的声速 液体、气体介质中的声速2.4超声波的传播速度一.固体介质的声速1.细棒中的纵波声速2.无限大固体介质中的声速1)纵波速度2)横波速度4)声速比3)表面波速度3.声速与温度、应力、均匀性的关系4.兰姆波 纯铁中的声速与温度的关系 T(oC) 26 100 200 300 cS(m/s) 3229 3185 3154 30772.液体介质中的声速与温度的关系二.液体、气体介质中的声速1.液体、气体中的声速公式除水以外的所有液体，随着温度的升高其声速降低。 不同温度下水中声速 温度(°C) 10 20 25 30 40 50 60 70 80 声速(m/s) 1448 1483 1497 1510 1530 1554 1552 1555 1554常用固体、液体、气体中的声速 声压 声阻抗 声强 分贝2.5超声场的特征值2.声压方程(对于平面波)单位：Pa（1Pa=1N/m2）1.定义：超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强P1，与没有超声场存在时同一点的静态压强P0之差叫做该点的瞬时声压，常用P表示，即：一.声压推导：设超声场中面积元上声压为P，则面积元上压力为：F=PdS。以dx表示超声波在dt时间内传播的距离，质点振动速度为u，体积元质为m=ρdSdx。1.定义：表示介质对质点振动的阻碍作用的物理量，常用Z表示，即：单位：g/(cm2·s)或kg/(m2·s) 声阻抗随温度的升高而降低。二.声阻抗1.定义：在垂直于超声波传播方向上单位面积单位时间内通过的声能量称为声强度，简称声强，常用I表示。2.声强与声压的关系三.声强单位：W/cm2或J/(cm2·s)1.利用分贝作单位的原因2.声强级声阈：规定频率f=1kHz时人耳感受声音的最低强度作为声强的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，在声学上称为“声阈”，用I0表示，即I0=10-16W/cm2。四.分贝(1)声强级：(2)声压级：(3)波高比3.分贝应用举例1.示波屏上一波高为80mm，另一波高为20mm，则前者比后者高多少dB？，2.示波屏上有A、B两个波，其中A波比B波高3dB。已知B波高为50mm，则A波高为多少？3.已知超声检测仪示波屏上有A、B、C三个波，其中A波高为满刻度的80%，B波高为50%，C波高为满刻度的20%。(1)设A波为基准(0dB)，则B波和C波高各为多少dB？(2)设B波为基准(10dB)，则A波和C波高各为多少dB？(3)设C波为基准(-8dB)，则A波和B波高各为多少dB？， 单一平界面的反射率和透射率 薄层界面的反射率和透射率2.6超声波垂直入射到平界面上的反射和折射1.声学边界条件一.单一平界面的反射率和透射率(1)界面两侧的声压连续，否则两侧受力不等，界面发生运动，即(2)界面两侧的质点速度振幅保持连续，也就是界面两侧质点振动速度振幅相等，即2.单一平界面的反射率和透射率1.均匀介质中的异质薄层（Z1=Z3≠Z2）用来分析工件中存在缺陷时超声波的反射问题二.薄层界面的反射率和透射率结论：1.检测气体介质灵敏度很高。2.f↑→检测灵敏度↑。(1)当f=1MHz时，钢中厚度为d=10-5mm的气隙几乎能100%反射。(2)钢中气隙d=10-7mm时，f=1MHz，r=20%；f=5MHz，r=60%。2.薄层两侧介质不同的双界面（Z1≠Z3≠Z2）讨论：这对于直探头保护的设计具有重要指导意义。3.声压往复透射率结论：1.界面两侧介质声阻抗相差越小，Ta越高。2.Ta越高↑→检测灵敏度↑ 单一平界面的反射率和透射率 薄层界面的反射率和透射率2.7超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射一.波型转换与反射、折射定律临界角第一介质为有机玻璃：cL=2730m/s；第二介质为钢：纵波速度cL2=5900m/s，横波速度cS2=3230m/s。求第一、第二临界角各是多少。对于钢，第三临界角是多少。当αL=60°时，纵波声压反射率rLL很低，横波声压反射率rLS较高。因为纵波斜入射时，当αL=60°左右时产生一个较强变型反射横波。当αS=30°左右时，横波声压反射率rSS很低，纵波声压反射率rSL较高。αS≥32.2°(αⅢ)时，rSS=100%，即钢中横波全反射。二.声压反射率三.声压往复透射率1.定义超声波倾斜入射，折射波全反射，探头接收到的到的回波声压Pa与入射波声压P0之比称为声压往复透射率，常用T表示，则当纵波入射角αL<14.5°(αⅠ)时，折射纵波的往复透射率TLL不超过13%，折射横波的往复透射率TLS小于6%。当αL=14.5°～27.7°(αⅡ)时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波的往复透射率TLS最高不到20%。2.纵波倾斜入射到水/钢界面声压往复透射率当纵波入射角αL<27.6°(αⅠ)时，折射纵波的往复透射率TLL不超过25%，折射横波的往复透射率TLS小于10%。当αL=27.6°～57.7°(αⅡ)时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波的往复透射率TLS最高不超过30%，这时对应的αL≈30°，βS=37°。3.纵波倾斜入射到有机玻璃/钢界面声压透射率四.端角反射1.定义：超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射。不考虑波形转换(αL+βS=90°)应用举例：横波探头检测薄板2.端角反射率：回波声压Pa与入射波声压P0之比，常用T端表示，即(1)纵波入射时分析：端角反射率都很低，这是因为纵波在端角的两次反射中都分离出较强的横波。分析：横波入射时，入射角αS=30°或60°附近时，端角反射率最低。αS=35°～55°时，端角反射率达100%。(2)横波入射时 声压距离公式 平面波在曲面上的反射和折射2.8超声波的聚焦与发散一.声压距离公式二.平面波在曲面上的反射和折射1.平面波在曲面上的反射2.平面波在曲面上的透射 衰减的原因 衰减方程与衰减系数 衰减系数的测定2.9超声波的衰减2.散射衰减:超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散射，从而引起声波衰减的现象。一、衰减的原因1.扩散衰减:超声波在介质中传播时，由于声束扩散，使超声能量随距离增加而减弱的现象。3.吸收衰减:超声波在介质中传播时，由于介质中质点间内摩擦热传导而引起的声波衰减的现象。二、衰减方程与衰减系数1.衰减方程2.衰减系数三.衰减系数的测定1.薄板工件衰减系数的测定2.厚板或圆柱体衰减系数的测定例1：用5MHz、φ20mm的探头测定厚为15mm的钢板的衰减系数。已知B1=80%，B4=50%，每次反射损失为1dB，不及扩散衰减损失，求此钢板的介质衰减系数α为多少？例2：某工件厚度x=500mm，测得B1=80%，B2=20%，反射损失δ=0.5dB，则工件的衰减系数为多少？