《超聲波檢測》PPT課件 (2)

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1、3 超 聲 波 檢 測3.1 超 聲 檢 測 的 基 礎(chǔ) 知 識 3.2 超 聲 場 及 介 質(zhì) 的 聲 參 量 簡 介3.3 超 聲 場 在 介 質(zhì) 中 的 傳 播 特 性3.4 由 圓 形 壓 電 晶 片 產(chǎn) 生 的 聲 場 簡 介3.5 超 聲 波 檢 測 方 法3.6 超 聲 檢 測 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 超 聲 波 是 超 聲 振 動(dòng) 在 彈 性 介 質(zhì) 中 傳 播 的 機(jī) 械 波 。 與 聲 波和 次 聲 波 在 彈 性 介 質(zhì) 中 的 傳 播 類 同 ， 區(qū) 別 在 于 超 聲 波 的 頻 率高 于 20kHz?？?聽 聲 波 ： 20-20000Hz， 人 耳 可 聽 到 的 聲

2、 波 范 圍 ；次 聲 波 ： 低 于 20 Hz；超 聲 波 ： 高 于 20000Hz。 工 業(yè) 超 聲 檢 測 常 用 的 工 作 頻 率 為 0.5-10MHz。 較 高 的頻 率 主 要 用 于 細(xì) 晶 材 料 和 高 靈 敏 度 檢 測 ， 較 低 的 頻 率 用 于 衰減 較 大 和 粗 晶 材 料 （ 1MHz以 下 ） 。 超 聲 檢 測 的 基 礎(chǔ) 知 識 超 聲 波 波 長 很 短 ， 這 決 定 了 超 聲 波 具 有 一 些 重 要 特性 ， 使 其 能 廣 泛 應(yīng) 用 于 無 損 檢 測 。1、 方 向 性 好 超 聲 波 具 有 像 光 波 一 樣 定 向 束 射

3、 的 特 性 。2、 穿 透 能 力 強(qiáng) 對 于 大 多 數(shù) 介 質(zhì) 而 言 ， 它 具 有 較 強(qiáng) 的 穿 透 能力 。 例 如 在 一 些 金 屬 材 料 中 ， 其 穿 透 能 力 可 達(dá) 數(shù) 米 。 3、 能 量 高 超 聲 檢 測 的 工 作 頻 率 遠(yuǎn) 高 于 聲 波 的 頻 率 ， 超 聲波 的 能 量 遠(yuǎn) 大 于 聲 波 的 能 量 。 4、 遇 有 界 面 時(shí) ， 將 產(chǎn) 生 反 射 、 折 射 和 波 型 的 轉(zhuǎn) 換 。 利 用 超聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 時(shí) 這 些 物 理 現(xiàn) 象 ， 經(jīng) 過 巧 妙 的 設(shè) 計(jì) ， 使 超聲 檢 測 工 作 的 靈 活 性 、 精

4、 確 度 得 以 大 幅 度 提 高 。 5、 對 人 體 無 害 。一 、 超 聲 波 的 特 點(diǎn) （ 一 ） 描 述 超 聲 波 的 基 本 物 理 量 超 聲 波 的 產(chǎn) 生 依 賴 于 做 高 頻 機(jī) 械 振 動(dòng) 的 “ 聲 源 ” 和 傳 播機(jī) 械 振 動(dòng) 的 彈 性 介 質(zhì) ， 所 以 機(jī) 械 振 動(dòng) 和 波 動(dòng) 是 超 聲 檢 測 的 物 理 基礎(chǔ) 。 1、 聲 速 c： 單 位 時(shí) 間 內(nèi) ， 超 聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 的 距 離 ； 超 聲 波 的 速 度 就 是 聲 音 的 速 度 ,即 聲 在 空 氣 (15 )中 的 速 度 是 340米 /秒 ,只 不 過

5、它 們 的 頻 率 不 同 而 已 ； 超 聲 波 在 20 的 鋼 中 是 5900米 /秒 ;在 鋁 中 的 傳播 速 度 為 6300米 /秒 ； 混 凝 土 中 速 度 4000米 /秒 ， 玻 璃 。2、 頻 率 f： 單 位 時(shí) 間 內(nèi) ， 超 聲 波 在 介 質(zhì) 中 任 一 給 定 點(diǎn) 所 通 過 完 整波 的 個(gè) 數(shù) ；3、 波 長 ： 聲 波 在 傳 播 時(shí) ， 同 一 波 線 上 相 鄰 兩 個(gè) 相 位 相 同 的 質(zhì)點(diǎn) 之 間 的 距 離 ；二 、 超 聲 波 的 分 類 4、 周 期 T： 聲 波 向 前 傳 播 一 個(gè) 波 長 距 離 時(shí) 所 需 的 時(shí) 間 ；5、

6、角 頻 率 ： 其 中 頻 率 和 周 期 是 由 波 源 決 定 的 ， 聲 速 與 傳 聲 介 質(zhì) 的 特 性 和波 型 有 關(guān) 。 上 述 各 量 之 間 的 關(guān) 系 ： cfT 21f 2 （ 二 ） 超 聲 波 的 分 類 超 聲 波 的 分 類 方 法 很 多 ， 主 要 有 ： 按 介 質(zhì) 質(zhì) 點(diǎn) 的 振 動(dòng) 方 向 與 波 的 傳 播 方 向 之 間 的 關(guān) 系 分 類 ； 按 波 振 面 的 形 狀 分 類 ； 按 振 動(dòng) 的 持 續(xù) 時(shí) 間 分 類 等 。 其 中 ， 按 按 介 質(zhì) 質(zhì) 點(diǎn) 的 振 動(dòng) 方 向 與 波 的 傳 播 方 向 之 間 的 關(guān)系 分 類 是 研

7、究 超 聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 規(guī) 律 的 重 要 理 論 依 據(jù) ， 將 著重 討 論 。 脈 沖 波連 續(xù) 波按 振 動(dòng) 持 續(xù) 的 時(shí) 間 分 類球 面 波柱 面 波平 面 波按 波 的 形 狀 分 類 型型板 波表 面 波橫 波 縱 波系 分 類波 的 傳 播 方 向 之 間 的 關(guān)按 質(zhì) 點(diǎn) 的 振 動(dòng) 方 向 與 聲 AS超聲波的分類 超 聲 波 的 波 型 超 聲 波 的 波 型 指 的 是 介 質(zhì) 質(zhì) 點(diǎn) 的 振 動(dòng) 方 向 與 波 的 傳 播 方 向的 關(guān) 系 。 按 波 型 可 分 為 縱 波 、 橫 波 、 表 面 波 和 板 波 等 。 1、 縱 波 (Long

8、itudinalwave, L )。 介 質(zhì) 中 質(zhì) 點(diǎn) 的 振 動(dòng) 方 向 與 波的 傳 播 方 向 相 同 的 波 叫 縱 波 ， 用 L表 示 。 介 質(zhì) 質(zhì) 點(diǎn) 在 交 變 拉 壓應(yīng) 力 的 作 用 下 ， 質(zhì) 點(diǎn) 之 間 產(chǎn) 生 相 應(yīng) 的 伸 縮 變 形 ， 從 而 形 成 了 縱波 。 縱 波 傳 播 時(shí) ， 介 質(zhì) 的 質(zhì) 點(diǎn) 疏 密 相 間 ， 所 以 縱 波 有 時(shí) 又 稱 為壓 縮 波 或 疏 密 波 。聲 音 在 空 氣 中 的 傳 播 是 縱 波 。 固 體 介 質(zhì) 可 以 承 受 拉 壓 應(yīng) 力 的 作 用 ， 因 此 可 以 傳 播 縱 波 ， 液體 和 氣 體

9、雖 不 能 承 受 拉 應(yīng) 力 ， 但 在 壓 應(yīng) 力 作 用 下 產(chǎn) 生 容 積 的 變化 ， 因 此 液 體 和 氣 體 介 質(zhì) 也 可 以 傳 播 縱 波 。 2、 橫 波 (Transverse wave,T )。 介 質(zhì) 中 質(zhì) 點(diǎn) 的 振 動(dòng) 方 向 垂 直于 波 的 傳 播 方 向 的 波 叫 橫 波 ， 用 S或 T表 示 。 橫 波 的 形 成 是 由 于介 質(zhì) 質(zhì) 點(diǎn) 受 到 交 變 切 應(yīng) 力 作 用 時(shí) ， 產(chǎn) 生 了 切 變 形 變 ， 所 以 橫波 又 叫 做 切 變 波 。 液 體 和 氣 體 介 質(zhì) 不 能 承 受 切 應(yīng) 力 ， 只 有 固 體 介 質(zhì) 能 夠

10、 承 受切 應(yīng) 力 ， 因 而 橫 波 只 能 在 固 體 介 質(zhì) 中 傳 播 ， 不 能 在 液 體 和 氣 體介 質(zhì) 中 傳 播 。 3、 表 面 波 （ 瑞 利 波 ） 。 當(dāng) 超 聲 波 在 固 體 介 質(zhì) 中 傳 播 時(shí) ， 對于 有 限 介 質(zhì) 而 言 ， 有 一 種 沿 介 質(zhì) 表 面 傳 播 的 波 即 表 面 波 。 介 質(zhì)表 面 的 質(zhì) 點(diǎn) 作 橢 圓 運(yùn) 動(dòng) 。 橢 圓 的 長 軸 垂 直 于 波 的 傳 播 方 向 ， 短軸 平 行 于 波 的 傳 播 方 向 ， 介 質(zhì) 質(zhì) 點(diǎn) 的 橢 圓 振 動(dòng) 可 視 為 縱 波 與 橫波 的 合 成 。 瑞 利 首 先 對 這

11、種 波 給 予 了 理 論 上 的 說 明 ， 因 此 表 面波 又 稱 為 瑞 利 波 （ Rayleigh wave） ， 常 用 R表 示 。 如 采 用 表 面波 探 傷 只 能 發(fā) 現(xiàn) 工 件 的 表 面 缺 陷 。 表 面 波 （ Surface wave） 連 續(xù) 波 與 脈 沖 波 連 續(xù) 波 是 介 質(zhì) 中 各 質(zhì) 點(diǎn) 振 動(dòng) 時(shí) 間 為 無 窮 時(shí) 的 波 。 脈 沖 波 是質(zhì) 點(diǎn) 振 動(dòng) 時(shí) 間 很 短 的 波 ， 超 聲 檢 測 中 最 常 用 的 是 脈 沖 波 。 對 脈沖 波 進(jìn) 行 頻 譜 分 析 ， 可 知 它 并 非 單 一 頻 率 ， 而 是 包 括 多

12、種 頻 率成 分 。 其 中 人 們 關(guān) 心 的 頻 譜 特 征 量 主 要 有 峰 值 頻 率 、 頻 帶 寬 度和 中 心 頻 率 。 超 聲 波 的 幾 個(gè) 概 念 超 聲 波 由 聲 源 向 周 圍 傳 播 的 過 程 可 用 波 陣 面 進(jìn) 行 描 述 。 在 無 限 大 且 各 向 同 性 的 介 質(zhì) 中 ， 振 動(dòng) 向 各 方 向 傳 播 ， 用 波 線表 示 傳 播 的 方 向 ； 將 同 一 時(shí) 刻 介 質(zhì) 中 振 動(dòng) 相 位 相 同 的 所 有 質(zhì) 點(diǎn)所 連 成 的 面 稱 為 波 陣 面 ； 某 一 時(shí) 刻 振 動(dòng) 傳 播 到 達(dá) 的 距 聲 源 最 遠(yuǎn)的 各 點(diǎn) 所 連

13、 成 的 面 稱 為 波 前 。 在 各 向 同 性 介 質(zhì) 中 波 線 垂 直 于 波陣 面 。 在 任 何 時(shí) 刻 ， 波 前 總 是 距 聲 源 最 遠(yuǎn) 的 一 個(gè) 波 陣 面 。 波前 只 有 一 個(gè) ， 而 波 陣 面 可 以 有 任 意 多 個(gè) 。 平 面 波 柱 面 波 球 面 波 波 線 、 波 前 與 波 陣 面 (a) 平 面 波 ； (b) 柱 面 波 ； (c) 球 面 波 根 據(jù) 波 陣 面 的 形 狀 (波 形 )， 可 將 超 聲 波 分 為 平 面 波 、 柱 面波 和 球 面 波 等 。 平 面 波 即 波 陣 面 為 平 面 的 波 ， 而 柱 面 波 的

14、波 陣 面 為 同 軸 圓柱 面 ， 球 面 波 的 波 陣 面 為 同 心 球 面 。 當(dāng) 聲 源 是 一 個(gè) 點(diǎn) 時(shí) ， 在 各向 同 性 介 質(zhì) 中 的 波 陣 面 為 以 聲 源 為 中 心 的 球 面 。 可 以 證 明 ， 球 面 波 中 質(zhì) 點(diǎn) 的 振 動(dòng) 幅 度 與 距 聲 源 的 距 離 成 反比 。 當(dāng) 聲 源 的 尺 寸 遠(yuǎn) 小 于 測 量 點(diǎn) 距 聲 源 的 距 離 時(shí) ， 可 以 把 超 聲波 看 成 是 球 面 波 。 3.2.1 描 述 超 聲 場 的 物 理 量 充 滿 超 聲 波 的 空 間 ， 或 在 介 質(zhì) 中 超 聲 振 動(dòng) 所 波 及 的 質(zhì) 點(diǎn)占 據(jù)

15、 的 范 圍 叫 超 聲 場 。 為 描 述 超 聲 場 ， 常 用 的 物 理 量 有 ： 聲壓 、 聲 強(qiáng) 、 聲 阻 抗 、 質(zhì) 點(diǎn) 振 動(dòng) 位 移 和 質(zhì) 點(diǎn) 振 動(dòng) 速 度 。3.2 超 聲 場 及 介 質(zhì) 的 聲 參 量 簡 介 1、 聲 壓 p 當(dāng) 介 質(zhì) 中 有 超 聲 波 傳 播 時(shí) ， 由 于 介 質(zhì) 質(zhì) 點(diǎn) 振 動(dòng) ， 使 介 質(zhì)中 壓 強(qiáng) 交 替 變 化 。 超 聲 場 中 某 一 點(diǎn) 在 某 一 瞬 時(shí) 所 具 有 的 壓 強(qiáng)p1與 沒 有 超 聲 波 存 在 時(shí) 同 一 點(diǎn) 的 靜 態(tài) 壓 強(qiáng) P0之 差 稱 為 該 點(diǎn) 的 聲壓 ， 用 p表 示 ,單 位 為 帕

16、 ， Pa， 即 )Pa( 01 ppp 對 于 平 面 余 弦 波 ， 可 以 證 明 ： Ap xtApm c 2)2(cosc 式 中 ： 為 介 質(zhì) 的 密 度 ； c為 介 質(zhì) 中 的 聲 速 ； 為 介 質(zhì) 質(zhì) 點(diǎn) 的 振幅 ； 為 介 質(zhì) 質(zhì) 點(diǎn) 振 動(dòng) 的 圓 頻 率 ； 為 質(zhì) 點(diǎn) 振 動(dòng) 速 度 的 幅值 ； t為 時(shí) 間 ； x為 質(zhì) 點(diǎn) 距 聲 源 的 距 離 ， 為 聲 壓 的 極 大 值 。 由 上 式 可 知 ： 超 聲 場 中 某 一 點(diǎn) 的 聲 壓 幅 值 P與 速 度 振 幅 成 正比 ， 也 就 與 頻 率 成 正 比 。 由 于 超 聲 波 的 頻 率

17、很 高 ， 遠(yuǎn) 大 于 聲 波的 頻 率 ， 故 超 聲 波 的 聲 壓 一 般 也 遠(yuǎn) 大 于 聲 波 的 聲 壓 。 AV A mp 2、 聲 強(qiáng) I 在 超 聲 場 的 傳 播 方 向 上 ， 單 位 時(shí) 間 內(nèi) 介 質(zhì) 中 單 位 截 面 上 的聲 能 叫 聲 強(qiáng) ， 用 I表 示 ， 單 位 W/cm2。 以 平 面 縱 波 在 均 勻 的 各向 同 性 固 體 介 質(zhì) 中 傳 播 時(shí) ,有 2m222 2112121 cVcpcAI m 由 上 式 可 知 ， 超 聲 場 中 ， 聲 強(qiáng) 與 角 頻 率 平 方 成 正 比 。 由 于 超 聲波 的 頻 率 很 高 ， 故 超 聲

18、波 的 聲 強(qiáng) 很 大 ， 這 是 超 聲 波 能 用 于 探 傷的 重 要 依 據(jù) 。 f 2 3、 分 貝 的 概 念 以 引 起 聽 覺 的 最 弱 聲 強(qiáng) I0=10-16W/cm2為 聲 強(qiáng) 標(biāo) 準(zhǔn) ， 在 聲 學(xué)上 稱 為 “ 聞 閾 ” ， 即 f=1000H z時(shí) 引 起 人 耳 聽 覺 的 聲 強(qiáng) 最 小 值 。 將 某 一 聲 強(qiáng) I與 標(biāo) 準(zhǔn) 聲 強(qiáng) I0之 比 取 常 用 對 數(shù) 得 到 二 者 相 差 的數(shù) 量 級 ， 稱 為 聲 強(qiáng) 級 ， 用 IL表 示 。 聲 強(qiáng) 級 的 單 位 為 貝 爾 BeL，即 IL=lg(I/ I0) 貝 爾 （ BeL） 在 實(shí) 際

19、 應(yīng) 用 過 程 中 ， 貝 爾 這 個(gè) 單 位 太 大 ， 常 用 分 貝 （ dB）作 為 聲 強(qiáng) 級 的 單 位 。 )dB(II0lg1II)dB(pp20lgpp 21212121 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 過 程 中 ， 超 聲 波 的 幅 度 或 強(qiáng) 度 也 用 相 同 的 方 法即 分 貝 表 示 ， 定 義 ：IL 2m222 2112121 cVcpcAI m 分 貝 差 目 前 市 售 的 超 聲 波 探 傷 儀 ， 其 示 波 屏 上 波 高 與 聲 壓 成 正 比 ，即 任 意 兩 點(diǎn) 的 波 高 之 比 等 于 相 應(yīng) 的 聲 壓 之 比 ， 二 者 的 分 貝 差若 對

20、 二 者 取 自 然 對 數(shù) ， 則 其 單 位 為 奈 培 NP：奈 培 與 分 貝 的 關(guān) 系 為 ： )dB(HH20lgpp20lg 2121 )NP(HHlnppln 2121 實(shí) 際 檢 測 時(shí) ， 常 按 此 式計(jì) 算 超 聲 波 探 傷 儀 示 波頻 上 任 意 兩 個(gè) 波 高 的 分貝 差 。115NP.01dB 86dB.81NP 聲 波 在 介 質(zhì) 中 的 傳 播 是 由 其 聲 學(xué) 參 量 （ 聲 速 、 聲 阻 抗 、 聲衰 減 系 數(shù) 等 ） 決 定 的 ， 因 此 需 要 研 究 介 質(zhì) 的 聲 參 量 。 1、 聲 阻 抗 Z 超 聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播

21、 時(shí) ， 任 一 點(diǎn) 的 聲 壓 p與 該 點(diǎn) 速 度 振 幅 V之 比 叫 聲 阻 抗 Z， 單 位 ： g/(cm2.s)； kg/(cm2.s)。 聲 阻 抗 表 示 聲 場 中 介 質(zhì) 對 質(zhì) 點(diǎn) 振 動(dòng) 的 阻 礙 作 用 。 在 同 一 聲 壓 下 ，介 質(zhì) 的 聲 阻 抗 越 大 ， 質(zhì) 點(diǎn) 的 振 動(dòng) 速 度 就 越 小 。 實(shí) 驗(yàn) 證 明 ， 氣 體 、 液 體與 金 屬 之 間 的 特 性 聲 阻 抗 之 比 大 約 為 1:3000:8000。3.2.2 介 質(zhì) 的 聲 參 量 VpZ 物 理 學(xué) 術(shù) 語 。 關(guān) 于 介 質(zhì) 聲 學(xué) 特 性 的 物 理 量 。 在 超 聲

22、 診 斷 領(lǐng) 域 簡 稱 聲 阻 抗 。 聲 波 在 介 質(zhì)中 某 點(diǎn) 的 有 效 聲 壓 與 通 過 該 點(diǎn) 的 有 效 質(zhì) 點(diǎn) 速 度 的 比 值 。 又 可 用 介 質(zhì) 的 密 度 與 聲 速 的 乘 積來 表 示 。 聲 波 經(jīng) 均 質(zhì) 性 介 質(zhì) 時(shí) 基 本 按 直 線 持 續(xù) 傳 播 ； 聲 波 經(jīng) 兩 種 介 質(zhì) 時(shí) ， 其 聲 阻 抗 差 超過 0.1%即 產(chǎn) 生 聲 學(xué) 界 面 ， 引 起 反 射 。 脈 沖 反 射 式 超 聲 診 斷 儀 顯 示 的 人 體 組 織 斷 面 聲 像 ，實(shí) 質(zhì) 上 是 人 體 組 織 中 聲 阻 抗 差 別 的 空 間 分 布 圖 。 物 質(zhì)

23、鋁銅有 機(jī) 玻 璃甘 油水 （ 20 ）變 壓 器 油空 氣 2、 聲 速 聲 速 表 示 聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 的 速 度 ， 它 與 超 聲 波 的 波 型 有關(guān) ， 但 更 依 賴 于 傳 聲 介 質(zhì) 自 身 的 特 性 。 因 此 ， 聲 速 又 是 一 個(gè) 表征 介 質(zhì) 聲 學(xué) 特 性 的 參 量 。 了 解 受 檢 材 料 的 聲 速 ， 對 于 缺 陷 的 定位 和 定 量 分 析 都 有 重 要 的 意 義 。 聲 速 又 可 分 為 相 速 度 和 群 速 度 。 相 速 度 ： 聲 波 傳 播 到 介 質(zhì) 的 某 一 選 定 的 相 位 點(diǎn) 時(shí) ， 在 傳 播方

24、向 上 的 聲 速 ； 群 速 度 ： 在 傳 播 聲 波 的 包 絡(luò) 面 上 ， 具 有 某 種 特 性 （ 如 幅 值最 大 ） 的 點(diǎn) 上 ， 聲 波 在 傳 播 方 向 上 的 速 度 。 群 速 度 是 波 群 的 能量 傳 播 速 度 。 非 頻 散 介 質(zhì) 中 ， 相 速 度 等 于 群 速 度 。 相 速 度 隨 頻 率 變 化 而 變 化 的 現(xiàn) 象 被 稱 為 頻 散 。 （ 1） 縱 波 、 橫 波 和 表 面 波 的 聲 速 。 縱 波 、 橫 波 和 表 面 波 的 聲速 主 要 是 由 介 質(zhì) 的 彈 性 性 質(zhì) 、 密 度 和 泊 松 比 決 定 的 ， 而 與

25、頻 率 無 關(guān) ，即 它 們 各 自 的 相 速 度 和 群 速 度 相 同 ， 因 此 一 般 說 到 它 們 的 聲 速 都 是指 相 速 度 。 不 同 材 料 聲 速 值 有 較 大 的 差 異 。 在 給 定 的 材 料 中 ， 頻率 越 高 ， 波 長 越 短 。 同 一 固 體 介 質(zhì) 中 ， 縱 波 聲 速 cL大 于 橫 波 聲 速 cs， 橫 波 聲 速 cs又大 于 表 面 波 聲 速 cr。 對 于 鋼 材 ， cL 1.8cs， cs1.1cr。 （ 2） 板 波 的 聲 速 。 板 波 的 聲 速 與 其 他 波 型 不 同 ， 其 相 速 度 隨頻 率 變 化 而

26、 變 化 ， 具 有 頻 散 特 性 。幾種不同波形的聲速 （ 1） 液 體 中 的 聲 速 ：（ 2） 無 限 固 體 介 質(zhì) 中 的 縱 波 聲 速 ：（ 3） 無 限 固 體 介 質(zhì) 中 的 橫 波 聲 速 ：幾種不同介質(zhì)中的聲速Kc L )21)(1( )1( Ec L )1(2 EGc SK 液 體 的 體 積 彈 性 模 量 ， MPa；E固 體 的 楊 氏 彈 性 模 量 ， MPa ；G 固 體 的 剪 切 彈 性 模 量 ， MPa 。 聲速的一般表達(dá)式密 度彈 性 率聲 速 3、 聲 衰 減 系 數(shù) a 超 聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 時(shí) ， 隨 著 傳 播 距 離 的

27、 增 加 能 量 逐 漸減 弱 的 現(xiàn) 象 叫 做 超 聲 波 的 衰 減 。 在 傳 聲 介 質(zhì) 中 ， 單 位 距 離 內(nèi)某 一 頻 率 下 聲 波 能 量 的 衰 減 值 叫 做 該 頻 率 下 該 介 質(zhì) 的 衰 減 系數(shù) a， 單 位 為 dB/m或 dB/cm。 引 起 衰 減 的 原 因 主 要 有 三 個(gè) 方 面 ：一 是 聲 束 的 擴(kuò) 散 ； 二 是 由 于 材 料 中 的 晶 粒 或 其 他 微 小 顆 粒 引起 聲 波 的 散 射 ； 三 是 介 質(zhì) 的 吸 收 。 吸 收 衰 減散 射 衰 減擴(kuò) 散 衰 減聲 衰 減 有 三 種 類 型 （ 1） 擴(kuò) 散 衰 減 ：

28、聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 時(shí) ， 因 波 前 在 逐 漸 擴(kuò) 展 ， 從 而 導(dǎo)致 聲 波 能 量 逐 漸 減 弱 的 現(xiàn) 象 叫 做 超 聲 波 的 擴(kuò) 散 衰 減 。 它 主 要 取 決 于 波陣 面 的 幾 何 形 狀 ， 與 傳 播 介 質(zhì) 無 關(guān) 。 平 面 波 不 存 在 擴(kuò) 散 衰 減 ， 而 球 面 波 和 柱 面 波 有 擴(kuò) 散 衰 減 現(xiàn) 象 。 （ 2） 散 射 衰 減 ： 散 射 是 由 于 物 質(zhì) 的 不 均 勻 產(chǎn) 生 的 ， 不 均 勻 材 料 含 有聲 阻 抗 急 劇 變 化 的 界 面 ， 在 這 兩 種 物 質(zhì) 的 界 面 上 ， 將 產(chǎn) 生 聲 波

29、的 反 射 、折 射 和 波 形 轉(zhuǎn) 換 現(xiàn) 象 ， 必 然 導(dǎo) 致 聲 能 的 降 低 。 （ 3） 吸 收 衰 減 ： 超 聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 時(shí) ， 由 于 介 質(zhì) 質(zhì) 點(diǎn) 間 的 內(nèi) 摩 擦 、熱 傳 導(dǎo) 、 引 起 的 聲 波 能 量 減 弱 的 現(xiàn) 象 ， 叫 做 超 聲 波 的 吸 收 衰 減 。 固 體 介 質(zhì) 中 ， 吸 收 衰 減 相 對 于 散 射 衰 減 幾 乎 可 忽 略 不 計(jì) ， 但 對 液體 介 質(zhì) ， 吸 收 衰 減 是 主 要 的 衰 減 方 式 。 在 超 聲 檢 測 中 ， 談 到 超 聲 波 在 材 料 中 的 衰 減 時(shí) ， 通 常 關(guān)

30、心 的 是 散射 衰 減 和 吸 收 衰 減 ， 而 不 包 括 擴(kuò) 散 衰 減 。 )(/ )( )(4 23 4321 ddFc dFdfc dfFdc fCsa sa 衰 減 方 程 xx xx xx exPP exPP ePP 000:球 面 波柱 面 波平 面 波 介 質(zhì) 的 衰 減 程 度 與 介 質(zhì) 的 晶 粒尺 寸 、 各 向 異 性 系 數(shù) 和 超 聲 波的 頻 率 有 關(guān) 。 晶 粒 尺 寸 越 大 、各 向 異 性 越 強(qiáng) 、 超 聲 波 頻 率 越高 ， 衰 減 越 大 。 3.3.1 超 聲 波 垂 直 入 射 到 平 界 面 上 的 反 射 和 透 射 超 聲 波

31、在 無 限 大 介 質(zhì) 中 傳 播 時(shí) ， 將 一 直 向 前 傳 播 ， 不 改 變方 向 。 但 遇 到 異 介 質(zhì) 界 面 （ 即 聲 阻 抗 差 異 較 大 的 異 質(zhì) 界 面 ） 時(shí) ，會(huì) 產(chǎn) 生 反 射 和 透 射 現(xiàn) 象 。3.3 超 聲 波 在 介 質(zhì) 中 的 傳 播 特 性 超 聲 波 垂 直 入 射 于 平 界 面 的 反 射 與 透 射 當(dāng) 超 聲 波 垂 直 入 射 到 兩 種 介 質(zhì) 的 界 面 時(shí) ， 一 部 分 能 量 透 過 界 面 進(jìn) 入 第 二種 介 質(zhì) ， 成 為 透 射 波 (聲 強(qiáng) 為 It)， 波 的 傳 播 方 向 不 變 ； 另 一 部 分 能

32、量 則 被 界 面反 射 回 來 ， 沿 與 入 射 波 相 反 的 方 向 傳 播 ， 成 為 反 射 波 (聲 強(qiáng) 為 Ir)。 聲 波 的 這 一性 質(zhì) 是 超 聲 波 檢 測 缺 陷 的 物 理 基 礎(chǔ) 。 1、 單 一 界 面 當(dāng) 超 聲 波 垂 直 入 射 到 足 夠大 的 光 滑 平 界 面 時(shí) ， 將 在 第一 介 質(zhì) 中 產(chǎn) 生 一 個(gè) 與 入 射 波方 向 相 反 的 反 射 波 ， 在 第 二介 質(zhì) 中 產(chǎn) 生 一 個(gè) 與 入 射 波 方向 相 同 的 透 射 波 。 反 射 波 聲 壓 Pr與 入 射 波 聲 壓 P0的 比 值 稱 為 聲 壓 反 射 率 r， 透射

33、波 聲 壓 Pt和 P0的 比 值 稱 為 聲 壓 透 射 率 t。 r和 t的 數(shù) 學(xué) 表 達(dá) 式 為 ： 12 120r ZZ ZZppr 12 20t 2 ZZ Zppt 式 中 ： Z1、 Z2分 別 為 兩 種 介 質(zhì) 的 聲 阻 抗 。 為 了 研 究 反 射 波 和 透 射 波 的 能 量 關(guān) 系 ， 引 入 聲 強(qiáng) 反 射 率 R和 聲 強(qiáng) 透 射 率 T兩 個(gè) 量 。 R為 反 射 波 聲 強(qiáng) (Ir)和 入 射 波 聲 強(qiáng) (I0)之比 ； T為 透 射 波 聲 強(qiáng) (It)和 入 射 波 聲 強(qiáng) (I0)之 比 。 212 1220r ZZ ZZrIIR 212 2120

34、2 210t 4 ZZ ZZPZ PZIIT t 聲 波 垂 直 入 射 到 平 界 面 上 時(shí) ， 聲 壓 和 聲 強(qiáng) 的 分 配 比 例 僅與 界 面 兩 側(cè) 介 質(zhì) 的 聲 阻 抗 有 關(guān) 。 在 垂 直 入 射 時(shí) ， 界 面 兩 側(cè) 的 聲 波 必 須 滿 足 兩 個(gè) 邊 界 條 件 ：（ 1） 一 側(cè) 總 聲 壓 等 于 另 一 側(cè) 總 聲 壓 ， 否 則 界 面 會(huì) 發(fā) 生 運(yùn) 動(dòng) ；（ 2） 兩 側(cè) 質(zhì) 點(diǎn) 速 度 振 幅 相 等 ， 以 保 持 波 的 連 續(xù) 性 。 上 述 超 聲 波 縱 波 垂 直 入 射 到 單 一 平 界 面 上 的 聲 壓 、 聲 強(qiáng) 與其 反 射

35、 率 、 透 射 率 的 計(jì) 算 公 式 ， 同 樣 適 用 于 橫 波 入 射 的 情 況 。但 在 固 液 、 固 氣 界 面 上 ， 橫 波 將 發(fā) 生 全 反 射 ， 這 是 因 為 橫 波 不能 在 液 體 和 氣 體 中 傳 播 。 2、 薄 層 界 面 在 進(jìn) 行 超 聲 檢 測 時(shí) ， 經(jīng) 常 遇 到 很 薄 的 耦 合 層 和 缺 陷 薄 層 ，這 些 都 可 以 歸 納 為 超 聲 波 在 薄 層 界 面 的 反 射 和 透 射 問 題 。 超 聲 波 由 聲 阻 抗 為 Z1的 第一 介 質(zhì) 入 射 到 Z1和 Z2的 交 界 面 ，然 后 通 過 聲 阻 抗 為 Z2的

36、 第 二 介質(zhì) 薄 層 射 到 Z 2和 Z3的 交 界 面 ，最 后 進(jìn) 入 聲 阻 抗 為 Z3的 第 三 介質(zhì) 。 當(dāng) 然 在 有 三 層 介 質(zhì) 時(shí) ， 很多 情 況 是 第 一 介 質(zhì) 和 第 三 介 質(zhì)為 同 一 種 介 質(zhì) （ 超 聲 波 檢 測 即是 這 種 情 況 ） 。 在 兩 個(gè) 界 面 上 的 反 射 和 透 射d2 （ 1） 當(dāng) 第 一 、 三 介 質(zhì) 為 同 一 介 質(zhì) 時(shí) )2(s)m1-(m411 1t )2(s)m1-(m411 )2(s)m1-(m41r 2 222 2 222 2 222 din din din 透 射 率反 射 率由 上 兩 式 可 知

37、： 愈 大 。愈 小 ，時(shí) ，即當(dāng) 最 大 ，時(shí) ，）（當(dāng) ，時(shí) ，當(dāng) tr trn trn 4d0d 0412d 102d 2222 12ZZm 由 上 式 可 知 ： 往 復(fù) 透 射 率 為工 件 等 情 況 ， 此 時(shí) 聲 壓耦 合 劑或 晶 片 工 件 ，保 護(hù) 薄 膜層 ， 如 晶 片， 即 非 均 勻 介 質(zhì) 中 的 ?。?當(dāng)（ )2(sin)()2(cos)( 4ZZZ2 2 2222 3122 22231 31321 dZZZZdZZ ZZt 231 3122 )( 42d ZZ ZZtn 時(shí) ，當(dāng) 即 超 聲 波 垂 直 入 射 到 兩 側(cè) 介 質(zhì) 聲 阻 抗 不 同 的 薄

38、 層 ， 如 薄 層 厚 度 等于 半 波 長 的 整 數(shù) 倍 時(shí) ， 通 過 薄 層 的 聲 壓 往 復(fù) 透 射 率 與 薄 層 的 性 質(zhì) 無 關(guān) 。超 聲 波 測 厚1412d 31222 t ZZZn 時(shí) ， 有時(shí) ， 且）（當(dāng) 此 時(shí) 為 全 透 射 的 情 況 。復(fù) 透 射 率 愈 大 。時(shí) ， 薄 層 愈 薄 ， 聲 壓 往當(dāng) 4d 22 3.3.2 超 聲 波 傾 斜 入 射 到 平 界 面 上 的 反 射 和 折 射 當(dāng) 超 聲 波 相 對 于 界 面 入 射 點(diǎn) 法 線 以 一 定 的 角 度 傾 斜 入 射 到兩 種 不 同 介 質(zhì) 的 界 面 上 時(shí) ， 在 界 面 上

39、 會(huì) 產(chǎn) 生 反 射 、 折 射 和 波 型轉(zhuǎn) 換 現(xiàn) 象 。 入 射 聲 波 與 入 射 點(diǎn) 法 線 之 間 的 夾 角 稱 為 入 射 角 。 光的 折 射 是 由 于 光 在 不 同 介 質(zhì) 的 傳 播 速 度 不 同 而 引 起 的 。 超 聲 波 傾 斜 入 射 到 平 界 面 上 的 反 射 、 折 射(a) 縱 波 入 射 ； (b) 橫 波 入 射 sL sL S1 sL1 L sinsin cc 1、 反 射 當(dāng) 縱 波 以 入 射 角 L傾 斜 入 射 到 異 質(zhì) 界 面 上 時(shí) ， 將 會(huì) 在 介 質(zhì)1中 于 入 射 點(diǎn) 法 線 的 另 一 側(cè) 產(chǎn) 生 與 法 線 成 一

40、 定 夾 角 的 反 射 縱波 。 稱 為 反 射 角 。 入 射 縱 波 與 反 射 縱 波 之 間 的 關(guān) 系 符 合 幾 何光 學(xué) 的 反 射 定 律 ， 即 L= 。 與 光 的 反 射 不 同 的 是 ， 當(dāng) 介 質(zhì) 1為 固 體 時(shí) ， 界 面 上 既 產(chǎn) 生反 射 縱 波 ， 同 時(shí) 又 發(fā) 生 波 型 轉(zhuǎn) 換 并 產(chǎn) 生 反 射 橫 波 ， 即 反 射 后 同時(shí) 產(chǎn) 生 縱 波 與 橫 波 兩 種 波 型 。 這 時(shí) ， 橫 波 反 射 角 與 縱 波 入射 角 之 間 的 關(guān) 系 與 光 學(xué) 中 的 斯 涅 耳 定 律 相 同 ，為 LL SL 斯 涅 耳 定 律 Snell

41、s Law(光 的 折 射 定 律 ） ： 光 入 射 到 不 同介 質(zhì) 的 界 面 上 會(huì) 發(fā) 生 反 射 和 折 射 。 其 中 入 射 光 和 折 射 光 位 于 同一 個(gè) 平 面 上 ， 并 且 與 界 面 法 線 的 夾 角 滿 足 如 下 關(guān) 系 ： n1sin1 = n2sin2 其 中 ， n1和 n2分 別 是 兩 個(gè) 介 質(zhì) 的 折 射 率 ， 1和 2分 別 是 入 射光 （ 或 折 射 光 ） 與 界 面 法 線 的 夾 角 ， 叫 做 入 射 角 和 折 射 角 。 若 入 射 聲 波 為 橫 波 ， 也 會(huì) 產(chǎn) 生 同 樣 的 現(xiàn) 象 ， 這 時(shí) 橫 波 入 射角

42、S與 橫 波 反 射 角 相 等 。 介 質(zhì) 1為 固 體 時(shí) 縱 波 反 射 角 與 橫波 入 射 角 之 間 的 關(guān) 系 為 L1 LS1 S sinsin cc 由 于 固 體 中 縱 波 聲 速 總 是 大 于 橫 波 聲 速 ， 因 此 ， 無 論 是 縱 波 入射 還 是 橫 波 入 射 ， 均 有 。 當(dāng) 介 質(zhì) 1為 液 體 或 氣 體 時(shí) ，則 入 射 波 和 反 射 波 只 能 為 縱 波 。 SL S 2、 折 射 當(dāng) 兩 種 介 質(zhì) 聲 速 不 同 時(shí) ， 透 射 部 分 的 聲 波 會(huì) 發(fā) 生 傳 播 方 向 的 改變 ， 稱 為 折 射 。 不 論 是 縱 波 入

43、射 還 是 橫 波 入 射 ， 只 要 介 質(zhì) 2為 固 體 ， 則 介 質(zhì) 2中 除 有 與 入 射 波 相 同 波 型 的 折 射 波 外 ， 均 可 因 在 界 面 發(fā) 生 波型 轉(zhuǎn) 換 而 產(chǎn) 生 與 入 射 波 不 同 波 型 的 折 射 波 。 這 時(shí) ， 介 質(zhì) 2中 可 能 同 時(shí)存 在 縱 波 與 橫 波 。 折 射 角 與 入 射 角 之 間 的 關(guān) 系 符 合 斯 涅 耳 定 律 。 斯 涅 耳 定 律 S2 SL2 LS1 sL1 LL1 L sinsinsinsinsin ccccc 折 射 角 相 對 于 入 射 角 的 大 小 和 折 射 波 聲 速 與 入 射

44、波 聲 速 的 比 率有 關(guān) 。 同 時(shí) ， 由 于 縱 波 聲 速 總 是 大 于 橫 波 聲 速 ， 因 此 縱 波 折 射 角L要 大 于 橫 波 折 射 角 S。 3、 臨 界 角 (1) 第 一 臨 界 角 。 當(dāng) 入 射 波 為 縱 波 ， 且 cL2cL1時(shí) ， 折射 角 大 于 入 射 角 ， 使 縱 波 折 射 角 達(dá) 到 90 的 縱 波 入 射 角 稱 為 第一 臨 界 角 ， 用 符 號 表 示 。 當(dāng) 縱 波 入 射 角 大 于 第 一 臨 界 角 時(shí) ，第 二 介 質(zhì) 中 不 再 有 折 射 縱 波 ， 只 有 折 射 橫 波 。 L2 LL1 L sinsin c

45、c L2L1arcsin ccI (2) 第 二 臨 界 角 。 當(dāng) 入 射 波 為 縱 波 ， 第 二 介 質(zhì) 為 固 體 ， 且 cS2cL1時(shí) ， 使 橫 波 折 射 角 達(dá) 到 90 的 縱 波 入 射 角 為 第 二 臨 界 角 ，用 符 號 表 示 。 通 常 在 超 聲 檢 測 中 ， 臨 界 角 主 要 應(yīng) 用 于 第 二 介 質(zhì) 為 固 體 ， 而 第 一 介 質(zhì) 為 固 體 或 液 體 的 情 況 。 這 種 情 況 下 ， 可 利 用 入 射 角 在第 一 臨 界 角 和 第 二 臨 界 角 之 間 的 范 圍 ， 在 固 體 中 產(chǎn) 生 一 定 角 度 范圍 內(nèi) 的 純

46、 橫 波 ， 對 試 件 進(jìn) 行 檢 測 。 或 ： 第 二 介 質(zhì) 中 既 無 折 射 縱波 ， 又 無 折 射 橫 波 ， 介 質(zhì) 的 表 面 將 產(chǎn) 生 表 面 波 。 S2 SL1 L sinsin cc S2L1arcsin ccII (3) 第 三 臨 界 角 。 第 三 臨 界 角 是 在 固 體 介 質(zhì) 與 另 一 種 介 質(zhì)的 界 面 上 ， 用 橫 波 作 為 入 射 波 時(shí) 產(chǎn) 生 的 。 使 縱 波 反 射 角 達(dá) 到 90時(shí) 的 橫 波 入 射 角 稱 為 第 三 臨 界 角 ， 用 表 示 。 此 時(shí) ， 介 質(zhì) 中 只 存在 反 射 橫 波 。 L1 LS1 S

47、sinsin cc L1S1arcsin ccIII 3.3.3 斜 入 射 時(shí) 的 聲 壓 反 射 率 和 透 射 率 斯 涅 耳 反 射 、 折 射 定 律 只 討 論 了 超 聲 波 傾 斜 入 射 到 界 面 上 時(shí) ，各 種 類 型 反 射 波 和 折 射 波 的 傳 播 方 向 ， 沒 有 涉 及 它 們 的 聲 壓 反 射 率和 透 射 率 。 斜 入 射 時(shí) 反 射 波 和 透 射 波 的 聲 壓 關(guān) 系 較 為 復(fù) 雜 。 但 在 超 聲 檢 測中 ， 關(guān) 心 的 是 斜 入 射 的 反 射 率 和 透 射 率 隨 入 射 角 度 的 變 化 。 對 脈沖 反 射 法 ， 更

48、 關(guān) 心 的 是 聲 壓 往 返 透 過 率 隨 入 射 角 度 的 變 化 。 在 斜入 射 情 況 下 ， 各 種 類 型 反 射 波 和 折 射 波 的 聲 壓 反 射 率 和 透 射 率 不 僅與 界 面 兩 側(cè) 介 質(zhì) 的 聲 阻 抗 有 關(guān) ， 還 與 入 射 波 的 類 型 及 入 射 角 的 大 小有 關(guān) 。 由 于 理 論 計(jì) 算 公 式 復(fù) 雜 ， 因 此 借 助 于 公 式 或 實(shí) 驗(yàn) 得 到 幾 種 常 見 界 面 的 聲 壓 反 射 率 和 透 射 率 圖 ， 見 圖 1-71-9。 圖 1-9 縱 波 入 射 有 機(jī) 玻 璃 -鋼 界 面 時(shí) 的 反 射 和 折 射

49、 5、 聲 壓 往 復(fù) 透 射 率 超 聲 波 傾 斜 入 射 時(shí) ， 聲 壓 往 復(fù) 透 射 率 等 于 兩 次 相 反 方 向 通過 同 一 界 面 的 聲 壓 透 射 率 的 乘 積 ， 即 to atoa pp ppppT 6、 端 角 反 射 當(dāng) 工 件 的 兩 個(gè) 相 鄰 表 面 構(gòu) 成 直 角 ， 超 聲 波 束 傾 斜 射 向 任一 表 面 ， 且 其 反 射 波 束 指 向 另 一 表 面 時(shí) ， 即 構(gòu) 成 端 角 反 射 的情 況 。 在 這 種 情 況 下 ， 同 類 型 的 反 射 波 和 入 射 波 總 是 相 互 平行 ， 方 向 相 反 ； 不 同 類 型 的

50、反 射 波 和 入 射 波 互 不 平 行 ， 且 難以 被 發(fā) 射 探 頭 接 收 。 三 、 超 聲 波 入 射 到 曲 界 面 上 的 反 射 和 透 射 1、 平 面 波 入 射 到 曲 界 面 上 的 反 射 平 面 波 束 與 曲 面 上 各 入 射 點(diǎn) 的 法 線 成 不 同 的 夾 角 ： 入 射 角 為 0的 聲 線 沿 原 方 向 返 回 ， 稱 為 聲 軸 ； 其 余 聲 線 的 反 射 角 則 隨 著 距 聲 軸距 離 的 增 大 而 增 大 。 當(dāng) 曲 面 是 球 面 時(shí) ， 反 射 線 或 其 延 長 線 匯 聚 于 一個(gè) 焦 點(diǎn) 上 ； 反 射 面 為 圓 柱 面

51、 時(shí) ， 反 射 線 或 其 延 長 線 匯 聚 于 一 條 焦 線上 。 此 時(shí) ， 焦 距 f 與 曲 面 曲 率 半 徑 r的 關(guān) 系 為 2rf 平 面 波 入 射 至 曲 面 時(shí) 的 反 射 （ a） 凹 面 鏡 （ b） 凸 面 鏡 超 聲 波 入 射 時(shí) ， 凹 曲 面 的 反 射 波 聚 焦 ， 凸 曲 面 的 反 射 波 發(fā) 散 。 當(dāng) 曲 面 是 球 面 時(shí) ， 反 射 線 或 其 延 長 線 匯 聚 于 一 個(gè) 焦 點(diǎn) 上 。 反射 波 波 陣 面 為 球 面 ， 凹 球 面 的 反 射 波 好 像 從 實(shí) 焦 點(diǎn) 出 發(fā) 的 球 面 波 ，凸 球 面 的 反 射 波 好

52、 像 從 虛 焦 點(diǎn) 出 發(fā) 的 球 面 波 。 反 射 面 為 圓 柱 面 時(shí) ， 反 射 線 或 其 延 長 線 匯 聚 于 一 條 焦 線 上 ，稱 為 焦 軸 。 反 射 波 波 陣 面 為 柱 面 ， 凹 柱 面 的 反 射 波 好 像 從 實(shí) 焦 點(diǎn)出 發(fā) 的 柱 面 波 ， 凸 柱 面 的 反 射 波 好 像 從 虛 焦 點(diǎn) 出 發(fā) 的 柱 面 波 。 2、 平 面 波 在 曲 面 上 的 透 射 平 面 波 入 射 到 曲 面 上 時(shí) ， 其 折 射 波 也 將 發(fā) 生 聚 焦 或 發(fā) 散 。折 射 波 的 聚 焦 或 發(fā) 散 不 僅 與 曲 面 的 凹 凸 有 關(guān) ， 而 且

53、 與 界 面 兩 側(cè)介 質(zhì) 的 聲 速 有 關(guān) 。 由 斯 涅 耳 定 律 ， 對 于 凹 面 ， c1c2時(shí) 發(fā) 散 ； 對 于 凸 面 ， c1c2時(shí) 聚 焦 ， c1c2時(shí) 發(fā) 散 。 折 射 后 的 焦 距 f為 121 ccrf 由 斯 涅 耳 定 律 ， 對 于 凹 面 ， c1c2時(shí) 發(fā) 散 ；對 于 凸 面 ， c1c2時(shí) 聚 焦 ， c1c2的 凸 曲 面 上 時(shí) 透 射 波 將 產(chǎn)生 聚 焦 的 原 理 設(shè) 計(jì) 制 作 的 。 聚 焦 探 頭 中 的 聲 透 鏡 ， 如 果 為 球 面 ， 將 獲 得 點(diǎn) 聚 焦 ； 如 果 為 柱 面 ，將 獲 得 線 聚 集 。 目 前

54、 在 實(shí) 際 檢 測 中 ， 線 聚 焦 多 用 于 機(jī) 械 化 自 動(dòng) 檢 測 ，點(diǎn) 聚 焦 多 用 于 人 工 檢 測 。 一 、 圓 形 壓 電 晶 片 聲 源 的 聲 場 超 聲 檢 測 中 使 用 的 超 聲 波 探 頭 ， 主 要 部 件 是 用 壓 電 材 料 做的 壓 電 晶 片 ， 壓 電 晶 片 的 兩 表 面 涂 有 導(dǎo) 電 銀 層 作 為 電 極 ， 使 晶片 表 面 上 各 點(diǎn) 都 具 有 相 同 的 電 位 。 將 晶 片 接 于 高 頻 電 源 時(shí) ， 晶片 兩 面 便 以 相 同 的 相 位 產(chǎn) 生 拉 伸 或 壓 縮 效 應(yīng) ， 發(fā) 射 超 聲 波 的 晶片

55、恰 如 活 塞 做 往 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 一 樣 輻 射 出 聲 能 。 因 此 它 相 當(dāng) 于 一 個(gè) 活塞 聲 源 ， 通 常 將 直 探 頭 所 產(chǎn) 生 的 超 聲 場 作 為 圓 形 活 塞 聲 源 來 處理 。 理 想 的 圓 盤 聲 源 是 指 圓 形 平 面 的 聲 振 動(dòng) 源 ， 當(dāng) 它 沿 平 面 法線 方 向 振 動(dòng) 時(shí) ， 其 面 上 各 點(diǎn) 的 振 動(dòng) 速 度 幅 值 和 相 位 都 相 同 ， 發(fā) 射 的 波 稱 為 活 塞 波 。 3.4 由 圓 形 壓 電 晶 片 產(chǎn) 生 的 聲 場 簡 介 圓 盤 聲 源 發(fā) 出 的 聲 場 ， 由 于 聲 源 尺 寸 有 限 ， 必

56、 然 在 其 邊 緣 發(fā) 生 衍 射 效應(yīng) 使 聲 束 向 周 圍 空 間 擴(kuò) 散 ， 形 成 一 個(gè) 隨 距 離 增 大 而 波 陣 面 面 積 不 斷 擴(kuò) 大 的擴(kuò) 散 聲 束 。 另 一 方 面 ， 聲 源 上 各 點(diǎn) 發(fā) 出 的 聲 波 相 互 干 涉 又 使 得 聲 壓 的 空 間分 布 不 是 隨 距 離 單 調(diào) 變 化 的 。 因 此 ， 對 圓 盤 聲 源 聲 場 中 聲 壓 分 布 的 描 述 非常 復(fù) 雜 。 從 圓 盤 聲 源 的 對 稱 性 來 分 析 ， 通 過 圓 盤 中 心 且 垂 直 于 盤 面 的 直 線應(yīng) 是 聲 場 的 對 稱 軸 ， 稱 為 圓 盤 聲

57、源 軸 線 。 討 論 圓 盤 聲 源 的 聲 場 將 從 聲 壓 沿軸 線 的 分 布 以 及 聲 束 擴(kuò) 散 的 特 性 著 手 。 圓 盤 聲 源 遠(yuǎn) 場 中 任 一 點(diǎn) 的 聲 壓 推 導(dǎo) 圓 盤 聲 源 軸 線 上 的 聲 壓 分 布 根 據(jù) 疊 加 原 理 ， 圓 盤 聲 源 軸 線 上 任 何 一 點(diǎn) 處 的 聲 壓 等 于 聲源 上 各 點(diǎn) 輻 射 的 聲 壓 在 該 點(diǎn) 的 疊 加 。 如 果 聲 源 發(fā) 出 的 波 為 連 續(xù)簡 諧 波 ， 并 假 定 介 質(zhì) 為 無 衰 減 的 液 體 介 質(zhì) ， 則 可 推 出 聲 源 軸 上聲 壓 幅 值 P的 分 布 符 合 下 式

58、 ： xxDPP 220 4sin2 式 中 ： P0為 聲 源 的 起 始 聲 壓 ； D為 圓 盤 聲 源 的 直 徑 ； 為 傳 聲 介質(zhì) 中 聲 波 的 波 長 ； x為 圓 盤 聲 源 軸 線 上 某 一 點(diǎn) 距 聲 源 的 距 離 。 這 是 描 述 直 探 頭 中 心 軸 線 上 聲 壓 分 布 的 公 式 。 在 采 用 當(dāng) 量 法超 聲 波 缺 陷 測 定 時(shí) ， 它 是 最 基 本 的 公 式 。 二 、 近 場 區(qū) 、 遠(yuǎn) 場 區(qū) 和 超 聲 波 的 指 向 性 由 軸 線 上 聲 壓 公 式 ， 經(jīng) 數(shù) 學(xué) 推 導(dǎo) ， 可 以 得 到 最 后 一 個(gè) 聲 壓極 大 值

59、點(diǎn) 距 聲 源 距 離 的 表 達(dá) 式 ： 當(dāng) D時(shí) ， /4可 以 忽 略 ， 從 而 得 到 近 場 長 度 的 簡 化 計(jì) 算公 式 如 下 ， 可 用 于 實(shí) 際 工 作 中 近 場 長 度 的 估 算 ： 4 2DN 44 2 DN 圓 盤 聲 源 軸 線 上 的 聲 壓 分 布 近 場 區(qū) 遠(yuǎn) 場 區(qū) 圖 中 標(biāo) 有 “ P球 ” 的 虛 線 為 球 面 波聲 壓 隨 距 離 的 變 化 曲 線 ， 可 以 看 出 ， 距離 大 于 3N 以 后 ， 圓 盤 聲 源 聲 軸 上 的 聲壓 幅 值 變 化 與 球 面 波 的 曲 線 非 常 接 近 。 在 聲 場 中 ， 稱 xN的

60、 區(qū) 域 為 聲 源 的 遠(yuǎn) 場 區(qū) 。 在 遠(yuǎn) 場 區(qū) ， 聲 壓隨 距 離 增 加 而 減 小 ， 聲 源 軸 線 上 距 離 為 x處 聲 壓 p的 最 大 值 為xFPxDPP D 020max 4 近 場 區(qū) 遠(yuǎn) 場 區(qū) 指 向 性 與 擴(kuò) 散 角 研 究 的 是 聲 束 在 空 間 擴(kuò) 散 的 規(guī) 律 。 根 據(jù)疊 加 原 理 ， 可 將 在 空 間 中 距 聲 源 有 一 定 距 離 的 任 一 點(diǎn) 的 聲 壓 ，看 做 是 聲 源 上 各 點(diǎn) 的 輻 射 聲 壓 的 疊 加 ， 從 而 得 到 聲 場 內(nèi) 聲 壓幅 值 的 分 布 情 況 。 指 向 性 與 擴(kuò) 散 角 圓 盤

61、 聲 源 遠(yuǎn) 場 中 任 一 點(diǎn) 的 聲 壓 推 導(dǎo) )(Kasin )(Kasin2J1 Dc 聲 場 中 的 指 向 性 是 指 聲 場 中 方 向 的 聲 壓 振 幅 pmax( )與 =0時(shí) 的 聲 壓 振 幅 pmax(0)之 比 ， 它 表 達(dá) 了 聲 場 中 聲 壓 p的 振 幅 與 方 向 角 之 間 的 變 化 關(guān) 系 ， 以 Dc表 示 ：J1第 一 類 一 階 貝 塞 爾 函 數(shù) ： 第 一 類 貝 塞 爾 函 數(shù) ， 記 作 Jn（ x） ， 用 x的 偶 次 冪 的 無 窮 和 來 定 義 ， 數(shù) n稱 為 貝 塞 爾 函 數(shù) 的 階 ， 它 依 賴 于 函 數(shù) 所

62、要 解 決 的 問 題 。 圓 盤 聲 源 聲 場 指 向 性 示 意 圖 超 聲 場 中 超 聲 波 的 能 量 主 要 集 中 于 以 聲 軸 為 中 心 的 某 一 角度 范 圍 內(nèi) ， 這 一 范 圍 稱 為 主 聲 束 。 這 種 聲 束 集 中 向 一 個(gè) 方 向 輻射 的 性 質(zhì) 叫 做 聲 場 的 指 向 性 。 在 主 聲 束 角 度 范 圍 以 外 還 存 在 一些 能 量 很 低 的 、 只 分 布 于 聲 源 附 近 的 副 瓣 聲 束 。 圓 盤 聲 源 聲 場 指 向 性 示 意 圖 設(shè) a為 圓 形 聲 源 的 半 徑 ， x為 空 間 任 一 點(diǎn) M到 聲 源

63、中 心 的 距離 ， 為 M點(diǎn) 與 聲 源 中 心 的 連 線 與 聲 源 軸 線 的 夾 角 。 聲 壓 p最 大值 的 表 達(dá) 式 為 )sin( )sin(2 10max KaKaJxFPP D 圓 盤 聲 源 聲 場 指 向 性 示 意 圖 主 聲 束 所 包 含 的 角 度 范 圍 可 由 距 聲 源 充 分 遠(yuǎn) 處 的 聲 壓 分布 得 到 。 當(dāng) 聲 源 為 圓 形 活 塞 聲 源 且 直 徑 為 D、 半 徑 為 a時(shí) ， 用指 向 角 來 描 述 主 聲 束 寬 度 （ 又 稱 半 擴(kuò) 散 角 ）aD 61.0sin22.1sin 或 指 向 角 是 代 表 主 聲 束 范

64、圍 的 角 度 ， 反 映 了 聲 束 的 定 向 集 中程 度 ， 也 反 映 了 聲 束 隨 距 離 擴(kuò) 散 的 快 慢 。 指 向 角 越 大 ， 則 聲 束指 向 性 越 差 ， 聲 束 擴(kuò) 散 越 快 。 聲 源 的 直 徑 越 大 ， 波 長 越 短 ， 則聲 束 指 向 角 越 小 ， 指 向 性 越 好 。 )61.0arcsin( a 當(dāng) D時(shí) ， 可 簡 化 為 )rad(22.1 D 由 于 超 聲 能 量 主 要 集 中 于 主 聲 束 ， 對 于 圓 形 晶 片 ， 可 以 認(rèn)為 在 距 聲 源 一 定 距 離 內(nèi) ， 超 聲 能 量 未 逸 出 以 晶 片 直 徑

65、所 約 束 的范 圍 ， 聲 束 直 徑 小 于 晶 片 直 徑 。 這 一 距 離 之 內(nèi) 就 稱 為 非 擴(kuò) 散 區(qū) 。非 擴(kuò) 散 區(qū) 之 外 ， 則 稱 為 擴(kuò) 散 區(qū) 。 按 幾 何 關(guān) 系 ， 可 得 到 非 擴(kuò) 散 區(qū)的 長 度 b為 Nb 64.1 圓 盤 聲 源 非 擴(kuò) 散 區(qū) 示 意 圖 實(shí) 際 聲 源 的 聲 場 簡 化 計(jì) 算 時(shí) 假 定 聲 源 是 均 勻 、 連 續(xù) 激 發(fā) 的 ， 而 實(shí) 際 探 頭 多是 非 均 勻 激 發(fā) 的 脈 沖 波 源 ； 簡 化 計(jì) 算 時(shí) 假 定 介 質(zhì) 是 液 體 介 質(zhì) ， 實(shí) 際 檢 測 對 象 多 為 固 體 介 質(zhì) 。 對 實(shí)

66、 際 聲 場 的 研 究 結(jié) 果 表 明 ， 實(shí)際 聲 場 與 簡 化 計(jì) 算 結(jié) 果 的 差 別 主 要 在 于 近 場 區(qū) 的 聲 壓 分 布 。 簡化 計(jì) 算 結(jié) 果 中 近 場 區(qū) 聲 壓 變 化 劇 烈 ， 可 有 多 處 極 大 值 和 極 小 值 。 而 實(shí) 際 聲 場 近 場 區(qū) 聲 壓 分 布 比 較 均 勻 ， 幅 度 變 化 小 ， 極 值 點(diǎn) 的數(shù) 量 也 明 顯 減 少 。 盡 管 實(shí) 際 聲 場 與 簡 化 分 析 結(jié) 果 有 所 差 異 ， 但 在 遠(yuǎn) 場 區(qū) 是 基本 符 合 的 。 因 此 ， 可 以 應(yīng) 用 簡 化 推 導(dǎo) 得 出 的 結(jié) 果 ， 進(jìn) 行 實(shí) 際 檢測 中 的 近 似 計(jì) 算 。 思 考 題1.超 聲 波 的 特 點(diǎn) 、 分 類2.描 述 超 聲 波 的 物 理 量 聲 阻 抗 聲 強(qiáng) 等3. 超 聲 波 的 速 度 常 見 材 料 的 聲 速 4. 聲 衰 減 不 同 材 料 多 晶 材 料 晶 粒 大 小 檢 測波 長 的 選 擇 5. 超 聲 波 垂 直 入 射 水 和 鋼 平 面 界 面 的 反 射 和透 射 特 點(diǎn) 和 公