超声波探伤教材.doc

教学引入超声波探伤是目前应用最广泛的无损探伤方法之一。 超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。这也是我们开始一段时间要讨论的主要内容，深入理解几何声学和物理声学中的有关概念，掌握其中的基本定律，对于灵活运用超声波理论去解决实际探伤中的各种问题无疑是十分有益的。我们今天开始讨论振动和波动。机械振动：物体沿直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动。波动：振动的传播过程新课内容第一节 振动与波 一、振动 1、振动的一般概念 1）定义：物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。2）例子：直接觉察弹簧振子、钟摆和汽缸中活塞运动。难以觉察固体分子的热运动，一切发声物体的运动以及超声波波源的运动。3）描述： （1）周期T振动物体完成一次全振动所需要的时间，称为振动周期，用T表示。常用单位为秒(s)。（2）频率f振动物体在单位时间内完成全振动的次数，称为振动频率，用f表示。常用单位为赫兹(Hz)。 2、谐振动 1）定义：最简单最基本的直线振动称为谐振动。2）特点：（1）回复力大小与位移成正比，方向总指向平衡位置。（2）振幅不变，为自由振动，其频率为固有频率。（3）物体做谐振动时，只有弹性力或重力做功，其它力不做功，符合机械能守恒的条件，因此谐振物体的能量遵守机械能守恒。在平衡位置时动能最大势能为零，在位移最大位置时势能最大动能为零，其总能量保持不变。 3、阻尼振动1）定义：振幅或能量随时间不断减少的振动。2）振动方程式： y=Ae-tcs(t+) 阻尼系数；阻尼振动的圆频率， 为物体的固有频率。 3）特点：振幅不断减少，而周期却不变。阻尼振动受到阻力作用，不符合机械能守恒。4、受迫振动1）定义：物体受周期性变化的外力作用时产生的振动。 2）特点：受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间后达到稳定状态，变为周期性的谐振动。其振动频率与策动力频率相同，振幅保持不变。受迫振动物体受到策动力作用，不符合机械能守恒。 3）共振：受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动力频率P与受迫振动物体固有频率w。相同时，受迫振动的振幅达最大值。这种现象称为共振。 4）共振在超声的应用：设计探头中的压电晶片时，应使高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率；从而产生共振，这时压电晶片的电声能量转换效率最高。 二、波动 1、机械波的产生与传播 1）定义：振动的传播过程。波动分为机械波和电磁波。 （1）机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。如水波、声波、超声波等。 （2）电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。如无线电波、红外线、可见光、紫外线、又射线、y射线等。 2）产生机械波的条件： （1）要有作机械振动的波源 （2）有能传播机械振动的弹性介质3）特点：（1）振动与波动是互相关联的，振动是产生波动的根源，波动是振动状态的传播。波动中介质各质点并不随波前进，只是以交交的振动速度在各自的平衡位置附近往复运动。 （2）波动是振动状态的传播过程，也是振动能量的传播过程。但这种能量的传播，不是靠物质的迁移来实现的，也不是靠相邻质点的弹性碰撞来完成的，而是由各质点的位移连续变化来逐渐传递出去的，犹如人们传递砖块一样。 2、波长、频率和波速 1）波长：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，用表示。常用单位为毫米(mm)或米(m)。 2）频率f：波动中，任一点在1秒内所通过的完整波个数。波动频率在数值上同振动频率，单位为赫兹(HZ)。 3）波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离，用C表示。常用单位为米/秒(m/s)或千米/秒(km/s)。 4）三者关系： C=f或=C/f 由上式可知，波长与波速成正比，与频率成反比。当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。三、次声波、声波和超声波 1、次声、声波和超声波的划分 相同点：次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。区分点：频率 1）能引起听觉的机械波称为声波，频率在20-20000Hz之间。2）频率低于20Hz的机械波称为次声波。3）频率高于20000Hz的机械波称为超声波。 2、超声波的应用 超声探伤所用的频率一般在0.5-10MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为1-5MHz。超声波波长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛用于无损探伤。 (1)超声波方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米数量级。超声波像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射。 (2)越声波能量高：超声波探伤频率远高于声波，而能量(声强)与频率平方成正比。因此超声波的能量远大于声波的能量。 (3)能在界面上产生反射、折射和波型转换；在超声波探伤中。特别是在超声波脉冲反射法探伤中，利用了超声波具有几何声学的一些特点。 (4)超声波穿透能力强：超声波传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强。在一些金属材料中其穿透能力可达数米。这是其他探伤手段所无法比拟的。 超声波除用于无损探伤外，还可以用于机械加工，如加工红宝石、金刚石、陶瓷石英、玻璃等硬度特别高的材料；可以用于焊接，如焊接钛、钍、锝等难焊金属。此外，在化学工业上可利用超声波作催化剂，在农业上可利用超声波促进种子发芽，在医学上可利用超声波进行诊断、消毒等。 3、次声波的应用 次声波的频率很低，波长很长，绕射能力强，传播衰减小、距离远。在大自然的许多活动中伴随着次声波的发生，例如地震、火箭起飞等。次声波近似平面波，沿着与地球表面平行的方向传播。课堂小结1 振动的含义；振动的快慢的描述的物理量。2 波动定义；产生机械波的条件；，C，f关系。3 超声波的特点和应用。4 本次课的知识是我们后面学习的基础，要求大家搞清楚相关的概念，课后认真完成作业。作业：1、2、6、7知识回顾1、提问振动的一般概念，振动快慢的描述物理量。2、什么是波动频率、波速和波长？三者有何关系？3、什么是超声波？它的特性及应用？教学引入上次课我们讨论了机械波按频率的划分：次声波，超声波，声波及波动的概念，重点讲了声波，在实际中，由于产生方法、传播情况等条件的区别，有很多不同的类型，这些不同的波在实际应用中也有着不同的特点和作用，比如说声速，这堂课我们就先来讨论波的类型。新课内容第二节 波的类型一、据质点的振动方向分类 根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，可将波动分为纵波、横波、表面波和板波等。1、纵波L（压缩波，疏密波）1）定义：介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的波。 2）特点：当介质质点受到交变拉压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。这时介质质点疏密相间，故纵波又称为压缩波或疏密波。3）传播介质：固体，液体，气体介质 2、横波S(T)（切变波）1）介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波。2）特点：当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变形变，从而形成横波。3）传播介质：固体介质 3、表面波R（瑞利）1）定义：当介质表面受到交变应力作用对，产生沿介质表面传播的波。2）特点：表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成。表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了。因此，一般认为，表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。3）传播介质：固体表面传播。4、板波：在板厚与波长相当的薄板中传播的波。根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。 1)SH波：水平偏振的横波在薄板中传播的波。薄板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向，相当于固体介质表面中的横波。 2)兰姆波：兰姆波又分为对称型(S型)和非对称型(A型)。 （1）对称型(S波)兰姆波的特点是薄板中心质点作纵向振动，上下表面质点作椭圆运动、振动相位相反并对称于中心。（2）非对称型(A型)兰姆波特点是薄板中心质点作横向振动，上下表面质点作椭圆运动、相位相同，不对称。二、按波的形状分类1有关概念：1）波的形状(波形)是指波阵面的形状。 2）波阵面：同一时刻，介质中振动相位相同的所有质点所联成的面称为波阵面， 3）波前：某一时刻，波动所到达的空间各点所联成的面称为波前。 4）波线：波的传播方向称为波线。2、分类：平面波、柱面波和球面波。 1）平面波：波阵面为互相平行的平面的波。平面波的波源为一平面。尺寸远大于波长的刚性平面波源在各向同性的均匀介质中辐射的波可视为平面波。平面波波束不扩散，平面波各质点振幅是一个常数，不随距离而变化。 2）柱面波；波阵面为同轴圆柱面的波。柱面波的波源为一条线。长度远大于波长的线状波源在各向同性的介质中辐射的波可视为柱面波。柱面波波束向四周扩散，柱面波各质点的振幅与娩离平方根成反比。 3）球面波：波阵面为同心球面的波称。球面波的波源为一点。尺寸远小于波长的点波源在各向同性的介质中辐射的波可视为球面波。球面波波束向四面八方扩散，球面波各质点的振幅与距离成反比。 三、按振动的持续时间分类 1、连续波：波源持续不断地振动所辐射的波。超声波穿透法探伤常采用连续波。 2、脉冲波：波源振动持续时间很短(通常是微秒数量级，1微秒=10-6秒)，间歇辐射的波。目前超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。 课堂小结：本次课的内容不多，主要讨论了不同情况下的波的类型，希望大家重点注意横波、纵波和表面波的特点和区别，这将是我们在后面的实际探伤内容的学习重点。以下是各种类型波的比较归纳图：波的类型质点振动特点传播介质应 用纵 波质点振动方向平行于波传播方向固、液、气体介质钢板、锻件探伤等横 波质点振动方向垂直于波传播方向固体介质焊缝、钢管探伤等表面波质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直波传播方向，短轴平行于波传播方向固体介质钢管探伤等板 波对称型(S型)上下表面：椭圆运动, 中心：纵向振动固体介质(厚度与波长相当的薄板)薄板、薄壁钢管等(6mm)非对称型(A型)上下表面；椭圆运动，中心：横向振动 知识回顾1、纵波、横波、表面波和板波的定义?2、上题各波型的特点及各波型传播的介质？教学引入超声波、次声波和声波的实质一样，都是机械波。它们在同一介质中的传播速度相同。超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关。对特定的介质，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。超声波波型不同时，介质弹性变形型式不同声速也不一样。超声波在介质中的传播速度是表征介质声学特性的重要参数。新课内容第三节 超声波的传播速度一、固体介质中的纵波、横波与表面波声速 1、固体介质不仅能传播纵波，而且可以传播横波和表面波等，但它们的声速是不相同的。此外介质尺寸的大小对声速也有一定的影响，无限大介质与细长棒中的声速也不一样。 2、无限大固体介质中的声速1）在无限大的固体介质中（无限大固体介质是相对于波长而言的，当介质的尺寸远大于波长时，就可以视为无限大介质。）纵波声速为： 横波声速为： 表面波声速为：其中E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. G介质的切变弹性模量，等于介质承受的切应力Q/S与切应变r之比. 介质的密度，等于介质的质量M与其体积V之比，即=M/V 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/由以上三式可知： （1）固体介质中的声速与介质的密度和弹性横量等有关，不同的介质，声速不同；介质的弹性模量愈大，密度愈小，则声速愈大。 （2）声速还与波的类型有关，在同一固体介质中、纵波、横波和表面波的声速各不相同，并且相互之间有以下关系：CLCSCR 这表明，在同一种固体材料中，纵波声速大于横波声速，横波声速又大于表面波声速。 （3）对于钢材，0.28，CL1.8Cs，CR0.9Cs，即CL :Cs: CR1.8:1: 0.9。 2、细长棒中的纵波声速CLb 在细长棒中(棒径d)轴向传播的纵波声速与无限大介质中纵波声速不同，细长棒中的纵波声速为： 3、声速与温度、应力、均匀性的关系 1）一般固体中的声速随介质温度升高而降低。2）固体介质的应力状况对声速有一定的影响，一般应力增加，声速增加，但增加缓慢。3）固体材料组织均匀性对声速的影响在铸铁中表现较为突出。铸铁表面与中心，由于冷却速度不同而具有不同的组织，表面冷却快，晶粒细，声速大；中心冷却慢，晶粒粗，声速小。此外，铸铁中石墨含量和尺寸对声速也有影响，石墨含量和尺寸增加，声速减少。二、板波声速 1、由于板波传播时受到上下板面的影响，因此板波声速与纵波、横波、表面波不同，它不仅与介质性质有关，而且与板厚、频率等有关。只有当板厚、频率、声速之间满足一定关系时，板波才能顺利传播。2、板波声速分为相速度和群速度。1）相速度是指单一频率的声波在介质中的传播速度。2）群速度是指多个相差不多的频率的波在同一介质中传播时互相合成后的包络线的传播速度。 3、板波声速Cp与fd、CS、CL有关。对于确定的介质，CS、CL为定值，因此Cp仅是fd的函数。对于某一个Cp值对应有无数个df值。 4、实际探伤中，若是频率单一的连续波，那么板波声速就是相速度；若是脉冲波，那么板波声速就是群速度。 三、液体、气体介质中的声速 1、液体、气体中声速公式1）由于液体和气体只能承受压应力，不能承受剪切应力，因此液体和气体介质中只能传播纵波，不能传播横波和表面波。液体和气体中的纵波波速为： 2）由公式可知，液体、气体介质中的纵波声速与其容变弹性模量和密度有关，介质的容变弹性模量愈大、密度愈小，声速就愈大。 2、液体介质中的声速与温度的关系1）几乎除水以外的所有液体，当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低。2）水温度在74左右时声速达最大值，当温度低于74时，声速随温度升高而增加；当温度高于74时，声速随温度升高而降低。 课堂小结：本次我们讨论了不同介质中的声速问题，在学习时大家首先要注意介质对不同类型波的传导，然后再注意声速的大小及影响因素。纵波，横波，表面波的波速都和频率没有关系，而板波的频率却是和频率又关系的，这点大家一点要分清楚。作业：11知识回顾1、无限大固体介质中的声速（纵波，横波，表面波）公式？与何物理量有关？纵波，横波，表面波在同一固体材料中的大小关系？2、细长棒中的纵波声速？3、固体介质中声速与温度、应力、均匀性的关系？液体、气体介质中声速与温度的关系？教学引入在实际生活中，常常有多个波同存的现象，那这些波在共存的时候，它们相互间会有什么影响，又会出现什么效果，这是我们这节课将要讨论的内容。新课内容：第四节 波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理 一、波的迭加与干涉1、波的迭加原理（波的独立性原理）：1）定义：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位移的矢量和。相遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进，好象在各自的途中没有遇到其他波一样。2）现象举例：石子落水， 乐队合奏或几个人谈话。 2、波的干涉：1）定义：两列频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象。产生干涉现象的波叫相干波，其波源称为相干波源。 2）如图1.20所示，点波源S1、S2在M点引起的振动为： 质点M的合振动为 由上可知： (1)当nn为整数)时，A=A1+A2。这说明当两相干波的波程差等于波长的整数倍时，二者互相加强，合振幅达最大值。 (2)当=(2n+1)/2(n为整数)时，A=A1-A2。这说明当两相干波的波程差等于半波长的奇数倍时，二者互相抵消，合振幅达最小值。若A1=A2，则A=0，即二者完全抵消。 二、驻波 1、定义：两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相迭加而成的波，称为驻波。2、波腹、波节驻波迭加时，有的点振幅恒为0，即这些点始终静止不动，称为波节。而有些点振动得到最大幅度的增大。振幅最大，称为波腹。波线上其余各点的振幅在0和2A之间。可见，驻波波线上各点似乎在作分段振动。 三、惠更斯原理和波的衍射 1、惠更斯原理：波动中任何质点都可以看作是新的波源。 2、波的衍射(绕射) 1）定义：波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象。2）特点：波的衍射使波的传播方向改变，从而使缺陷背后的声影缩小，反射波降低；波的绕射和障碍物尺寸及波长的相对大小有关，当时反射强，绕射弱，声波几乎全反射。3）对探伤的利和弊：有利：使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播。不利：使一些小缺陷回波显著下降，以致造成漏检。课堂小结：波的叠加和干涉是常见的物理现象，对我们的探伤也有一定指导意义，学习时能够用它来解释惠更斯原理及波的衍射现象。在课程结尾的部分提到了灵敏度的概念，这个概念的理解对我们以后的学习非常重要。作业：14、15、16知识回顾：1、什么是波的迭加原理?什么是坡的干涉现象？2、如何利用惠更斯原理理解解释波的绕射？3、波的绕射对超声波探伤影响如何?教学引入充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质，叫超声场。超声场具有一定的空间大小和形状，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。描述超声场的特征值(即物理量)主要有声压、声强和声阻抗。今天我们来讨论这些特征。新课内容第五节 超声场的特征值一、声压P 1、定义：超声场中某一点在某一时刻所具有的压强与没有超声波存在时的静态压强之差，称为该点的声压，用表示。 2、单位：帕斯卡(Pa)，微帕斯卡(Pa)1Pa=1N/m2 1Pa=106Pa3、表达式：4、特点：声压的幅值与介质密度、波速和频率成正比。 5、超声波探伤仪示波屏上的波高与声压成正比。二、声阻抗Z 1、定义：超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗，常用Z表示。Z=p/u=cu/u=c 2、单位：克/厘米2秒(g/cm2s)或千克/米2(kg/m2s)。 3、特点：声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量。超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。4、相关量：材料的声阻抗与温度有关，一般材料的声阻抗随温度升高而降低。这是因为声阻抗Z=C，而大多数材料的密度和声速C随温度增加而减少。三、声强I1、定义：单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，常用I表示。2、单位：瓦/厘米2(W/cm2)或焦耳/厘米2秒(J/cm2s)。 3、当超声波传播到介质中某处时，该处原来静止不动的质点开始振动。因而具有动能。同时该处介质产生弹性变形，因而也具有弹性位能，其总能量为二者之和。 4、经推导可知平均声强为： 由以上公式可知： 1)超声波传播过程中，单位体积元所具有的总能量周期性地变化，时而达最大，时而为零。这说明体积元在不断地接收和放出能量，超声波的能量是一层接一层地传播出去的。体积元的动能和势能同时最大，同时为0，这与单独的振动系统完全不同，单独的振动系统符台机械能守恒，动能最大时势能为0，势能最大时动能为0，动能与势能之和等于常数。这是因为机械能守恒的条件是系统只受到重力或弹性力作用。而这里介质中质点除受到弹性力外，还受到质点间摩擦力。因此不符合机械能守恒。 2)由于超声波的声强与频率平方成正比，而超声波的频率远大于可闻声波。因此超声波的声强也远大于可闻声波的声强。这是超声波能用于探伤的重要原因。例如，大炮的声强为10-4瓦/厘米2，已震耳欲聋，而超声波的声强可达105瓦/厘米2，等于大炮声强的109倍，又如一个600瓦/厘米2超声波发生器，10分钟可烧开一壶水，其能量相当于700万人集中在一起讲话1.5小时所释放出来的能量总和。(3)在同一介质中，超声波的声强与声压的平方成正比。课堂小结：本节课讲的超声场的特征值，声压，声强，声阻抗，都是我们以后经常接触到的名词，对于前两项经过微分，积分推导出公式的过程，不要求大家掌握，但希望大家在三者概念理解的基础上灵活运用在以后的学习当中。作业：17、18、19、20 知识回顾： 1、什么是超声场?描述超声场的物理量有哪些? 2、什么是声压?声压的常用单位是什么? 3、什么是声强?声强的常用单位是什么?声强与哪些因素有关?4、什么是声阻抗?声阻抗的常用单位是什么?声阻抗与哪些因素有关?教学引入：在我们以后的学习和实验中，我们经常会碰到一些衡量声强的单位，这些单位相互之间有密切联系，各有各的用处，理解这些单位的概念，是我们必有掌握基本知识。如引起听觉的声强最大值与最小值相差12个数量级，显然采用绝对量来度量是不方便的，于是我们引进对其比值取对数的计算，分贝，奈培就是取对数后的单位。 新课内容：第六节 分贝与奈培 一、分贝与奈培的概念 1、产生的背景：生产科学实验中，声强数量级往往相差悬殊，如引起听觉的声强范围为，最大值与最小值相差12个数量级。显然采用绝对量来度量是不方便的,但如果对其比值(相对量)取对数来比较计算则可大大简化运算。分贝与奈培就是两个同量纲的量之比取对数后的单位。 2、通常规定引起听觉的最弱声强为作为声强的标准，另一声强与标准声强之比的常用对数称为声强级，单位为贝尔(BeL)。 (BeL) 3、实际应用贝尔太大，故常取1/10贝尔即分贝(dB)来作单位。 (dB) 4、通常说某处的噪声为多少分贝，就是以10-16瓦/厘米2为标准利用上式计算得到的。 各种声音的分贝数大致如下： 引起听觉的声强 0 dB 树叶沙沙声 10 dB 耳语 20 dB 谈话 50 dB 大炮声 100 dB 超声波 200 dB 、在超声波探伤中，当超声波探伤仪的垂直线性较好时，仪器示波屏上的波高与声压成正比。这时有 (dB) 注：这里声压基准P1或波高基准H1可以任意选取。 1）当时，0dB，说明两波高相等时，二者的分贝差为零 2）当时，6dB，说明H2为H1的2倍时，H2比H1，高6dB。 3）当时，-6dB，说明H2为H1的l/2时，H2比H1低6dB。 4）常用声压（波高比）对应的dB值列于下表。P2/P1或H2/H1104211/21/41/10dB201260-6-12-20 6、对或取自然对数，则其单位为奈培（NP） （NP） 7、单位转换：1NP=8.68dB 1dB=0.115NP二、分贝与奈培的应用 用分贝值表示回波幅度的相互关系，不仅可以简化运算，而且在确定基准波高以后，可直接用仪器衰减器的读数表示缺陷渡榴对波高。因此，分贝概念的引用对超声探伤有很重要的实用价值。例1，示波屏上一波高为80mm，另一波高为20mm，问前者比后者高多少dB？ 解：=20lgH2/H1=20lg80/20=12 (dB) 答：前者比后者高12dB。例2，示波上有A、B、C三个波，其中A波比B波高3dB，已知B波高为50mm，求A、C各为多少mm? 解：由已知得=20lgA/B=3 A=100.15，B=70.6(mm) 又=20lgC/B=-3 C=10-0.15B=35.4(mm) 答：A、C分别为70.6mm和35.4mm。课堂小结：分贝和奈培是我们超声波探伤中常用的单位，这一点大家要注意，同时也要掌握它们在超声中的计算方法，注意找到两个单位之间的联系。超声波的波高与声压成正比，这个知识点的理解及运用在我们以后学习规则体反射声压中也得以应用，所以，希望大家对于上课讲解的两道例题的同类型题目，课后自己再多加练习。作业：21知识回顾： 1、什么是分贝和奈培?二者有何关系?2、平常说某人讲话的声音为50dB是相对什么而言的?教学引入：从我们常见的光到镜面的反射引出超声波入射到界面时的反射，并且还能发生透射或者折射。本次课先讨论超声波垂直入射到平界面上时的反射和透射情况，重点是声能的分配比例。超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分能量反射回原介质内，称反射波；另一部分能量透过界面在另一种介质内传播，称透射波。在界面上声能(声压、声强)的分配和传播方向的变化都将遵循一定的规律。新课内容：第七节 超声波垂直入射到界面时的反射和透射（一）一、单一平界面的反射率与透射率1、当超声波垂直入射到光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波，如教材图1.26所示。2、反射波与透射波的声压(或声强)是按一定规律分配的。这个分配比例由声压反射率(或声强反射率)和透射率(或声强透射率)来表示。 3、设入射波的声压为 (声强为),反射波的电压为 (声强为)透射波的声压为 (声强为). 1）界面上反射波声压与入射波声压之比称为界面的声压反射率，用r表示，即。 2）界面上透射波声压与入射波声压之比称为界面的声压反射率，用t表示，即。 4、在界面两侧的声波，必须符合下列两个条件： 1)界面两侧的总声压相等，即。 2)界面两侧质点振动速度幅值相等，即 5、由上述两边界条件和声压反射率，透射率定义得： 解上述联立方程得声压反射率r和透射率t分别为6、界面上反射波声强与入射波声强之比称为声强反射率，用R表示。 7、界面上透射波声强It与入射波声强Io之比称为强透射率，用T表示。 8、以上各式说明超声波垂直入射到平界面上时，声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。由以上几式可以导出： 二、几种常见界面上的声压、声强反射和透射情况讨论。 1、当时，反射波声压与入射波声压同相位。界面上反射波与入射波叠加类似驻波，合成声压振幅增大为例如超声波平面波垂直入射到水/钢界面，如图1.27所示。 ，则： 以上计算表明，超声波垂直入射到水/钢界面时，其声压反射率，r=0.935，声压透射率t=1.935。粗略地看，t1，似乎违反能量守恒，其实不然，因为声压是力的概念而力只会平衡(o+r=Pt)不会守恒，只有能量才会守恒。事实上，从声强方面看，这里R+T=0.875+0.125=1，说明符合能量守恒。 2、当时， 即反射波声压与入射波声压相位相反，反射波与入射波合成声压振幅减小。例如超声波平面波垂直入射到钢/水界面。如图1.28所示。 ，则： 以上计算表明，超声波垂直入射到钢/水界面时，声压透射率很低，声压反射率很高。声强反射率与透射率与超声波垂直入射到水/钢界面相同。由此可见-超声波垂直入射到某界面时的声强反射率与透射率与从何种介质入射无关。3、当时，(如钢/空气界面)，则：计算表明，当入射波介质声阻抗远大于透射波介质声阻抗时，声压反射率趋于-1，透射率趋于0，即声压几乎全反射，无透射，只是反射波声压与入射波声压有180相位变化。 探伤中，探头和工件间如不施加耦合剂，则形成固(晶片)/气界面，超声波将无法进入工件。4、当时，即界面两侧介质的声阻抗近似相等时。如钢的淬火部分与非淬火部分及普通碳钢焊缝的母材与填充金属之间的声阻抗相差很小，一般为1%左右。设，则： 这说明超声波垂直入射到两种声阻抗相差很小的介质组成的界面时,几乎全透射，无反射。因此在焊缝探伤中，若母材与填充金属结合面没有任何缺陷，是不会产生界面回波的。 5、以上讨论的超声波垂直到单一平界面上的声压、声强反射率和透射率公式同样适用于横波入射的情况，但必须注意的是在固体/液体或固体/气体界面界上，横波全反射。因为横波不能在液体和气体中传播。课堂小结：超声波的反射和透射是我们实际探伤中主要应用，因此内容很重要，大家一定要认真理解反射和透射的原理，掌握不同界面上的声压、声强反射和透射情况，为我们会面讨论探伤中的超声波打下基础。作业：22，23知识回顾1、界面两边声波必须满足什么条件？2、声强，声压透射率，反射率的公式？3、探头与工件间不施加耦合剂会出现什么情况？教学引入：超声波探伤时，经常遇到耦合层和缺陷薄层等问题，这些都可归结为超声波在薄层界面的反射和透射问题。此时，超声波是由声阻抗为Zl的第一介质入射到Z1和Z2界面，然后通过声阻抗为Z2的第二介质薄层射到Z2和Z3界面，最后进入声阻抗为Z3的第三介质。今天我们来讨论这种薄层界面的反射率与透射率。新课内容：第七节 超声波垂直入射到界面时的反射和透射（二）一、薄层介面的反射与透射情况1、超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与单一的平界面不同。异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射，形成一系列的反射波和透射波，如图1.29(a)所示。1）当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时，薄层两侧的各次反射波、透射波互不干涉。2）当脉冲宽度相对于薄层较宽时，薄层两侧的各次反射波、透射波互相叠加产生干涉。2、超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波长之比有关。 3、均匀介质中的异质薄层() 1）对于，即均匀介质中的异质薄层，其声压反射率与透射率为： 2）由以上公式可知：（1）当 (n为整数)时，r0，t1。这说明当薄层两侧介质声阻抗相等，薄层厚度为其半波长的整数倍时，超声波全透射，几乎无反射(r0)，好象不存在异质薄层一样。这种透声层常称为半波透声层。（2） (n为整数)时，即异质薄层厚度等于其四分之一波长的奇数倍时，声压透射率最低，声压反射率最高。图1.30和图1.31分别表示在钢和铝中存在一个充满空气或水的缝隙时的声压反射率和声压透射率。由图1.31可知： 当f=1MHz时，钢中厚度为d=10-5毫米的气隙几乎能100%反射。两块紧贴在一起的十分精密的块规之间隙也有10-5毫米。可见超声波对探测含有气体介质的裂纹等缺陷的灵敏度是很高的。当材料中的气隙或水隙厚度一定时，频率增加，声压反射率也随着增加。例如对于钢中的气隙d=10-7毫米时，f=1MHz,r=20%，f=5MHz，r=60%。可见提高超声波探伤频率对于提高探伤灵敏度是有利的。 4、薄层两侧介质不同的双界面 1）对于，即非均匀介质中的薄层，例如晶片一保护膜一工件，其声强透射率为：2）由上式可知：（1）(n为整数)时 即超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时，若薄层厚度等于半波长的整数倍，则通过薄层的声强透射率与薄层的性质无关，好象不存在薄层一样。（2） (n为整数)时 表明超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，若薄层厚度等于的奇数倍，薄层声阻抗为其两侧介质声阻几何平均值时，即，其声强透射率等于1，超声波全透射。这对于直探头保护膜的设计具有重要的指导意义。 二、声压往复透射率1、在超声波单探头探伤中，探头兼作发射和接收超声波。2、探头投的超声波透过界面进入工件，在固/气底面产生全反射后再次通过同一界面被探头接收，如图1.32所示。这时探头接收到的回波声压与入射波声压之比，称为声压往复透射率。 3、分析公式可知超声波垂直入射时，在底面全反射的务件下声压往复透射率与声强透射率在数值上相等。 例如用PZT-5晶片()对钢制工件()探伤时，若耦合剂中声压全透射，钢制工