超声波在介质中传播时课件.ppt

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1、1,应用物理教研室,Xi an Polytechnic University,第2章 超声检测物理基础,2,2.1 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,Xi an Polytechnic University,主要内容,3,机械振动 机械波,2.1 机械振动与机械波,Xi an Polytechnic University,4,一.机械振动,1.定义：物体（或质点）在某一平衡位置附近作

2、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,Xi an Polytechnic University,5,(1)谐振动,Xi an Polytechnic University,6,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）,Xi an Polytechnic University,7,(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。,Xi an Polytechnic University,8,(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

3、能守恒定律。,Xi an Polytechnic University,9,1.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：、c、f、T,二.机械波,Xi an Polytechnic University,10,4.波动方程：机械振动在弹性介质中的传播过程。,Xi an Polytechnic University,11,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,Xi an Polytechnic University,12,1.纵波(压缩波、疏密

4、波),传播介质：固体、液体、气体,一.按波型分类,Xi an Polytechnic University,13,2.横波(剪切波或切变波),传播介质：固体,Xi an Polytechnic University,14,3.表面波(瑞利波),传播介质：固体,Xi an Polytechnic University,15,4.板波(兰姆波),传播介质：固体,Xi an Polytechnic University,16,二.按波面形状分类,Xi an Polytechnic University,17,三.按波持续时间分类,Xi an Polytechnic University,18,频谱分

5、析图,Xi an Polytechnic University,19,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,Xi an Polytechnic University,20,一.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。,Xi an Polytechnic University,21,

6、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,Xi an Polytechnic University,22,三.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。,Xi an Polytechnic University,23,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

7、也会形成驻波。在探头设计中，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。,Xi an Polytechnic University,24,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,Xi an Polytechnic University,25,五.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。,Xi an Polytechnic U

8、niversity,26,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,Xi an Polytechnic University,27,一.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,Xi an Polytechnic University,28,4)声速比,Xi an Polytechnic University,3)表面波速度,29,3.声速与温度、应力、均匀性的关系,4.兰姆波,Xi an Polytechnic University,30,2.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

9、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。,Xi an Polytechnic University,31,Xi an Polytechnic University,常用固体、液体、气体中的声速,32,声压 声阻抗 声强 分贝,2.5 超声场的特征值,Xi an Polytechnic University,33,2.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,Xi an Polytechnic University,3

10、4,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=dSdx。,Xi an Polytechnic University,35,1.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/(cm2s)或 kg/(m2s),声阻抗随温度的升高而降低。,二.声阻抗,Xi an Polytechnic University,36,1.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/(

11、cm2s),Xi an Polytechnic University,37,1.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，在声学上称为“声阈”，用I0 表示，即 I0=10-16W/cm2。,四.分贝,Xi an Polytechnic University,38,(1)声强级：,(2)声压级：,(3)波高比,Xi an Polytechnic University,39,3.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

12、50mm，则A波高为多少？,Xi an Polytechnic University,40,3.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？,，,Xi an Polytechnic University,41,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,Xi an Polytechnic Uni

13、versity,42,1.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,Xi an Polytechnic University,43,2.单一平界面的反射率和透射率,Xi an Polytechnic University,44,Xi an Polytechnic University,45,Xi an Polytechnic University,46,1.均匀介质中的异质薄层（Z1=Z3Z2）,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

14、的反射率和透射率,Xi an Polytechnic University,47,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%。,Xi an Polytechnic University,48,2.薄层两侧介质不同的双界面（Z1 Z3Z2）,讨论：,这对于直探头保护的设计具有重要指导意义。,Xi an Polytechnic University,49,3.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.

15、Ta越高检测灵敏度,Xi an Polytechnic University,50,Xi an Polytechnic University,51,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,Xi an Polytechnic University,52,一.波型转换与反射、折射定律,Xi an Polytechnic University,53,临界角,Xi an Polytechnic University,54,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

16、第一、第二临界角各是多少。对于钢，第三临界角是多少。,Xi an Polytechnic University,55,当L=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L=60左右时产生一个较强变型反射横波。,当S=30左右时，横波声压反射率rSS很低，纵波声压反射率rSL较高。S 32.2()时，rSS=100%，即钢中横波全反射。,纵波倾斜入射到纲/空气界面,Xi an Polytechnic University,二.声压反射率,56,三.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

17、 之比称为声压往复透射率，常用 T 表示，则,Xi an Polytechnic University,57,当纵波入射角L14.5()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L=14.527.7()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,Xi an Polytechnic University,58,当纵波入射角L27.6()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L=27.657.7()时，钢中没有折射纵波，只有折射横波

18、，其折射横波的往复透射率 TLS 最高不超过30%，这时对应的L30，S=37。,3.纵波倾斜入射到有机玻璃/钢界面声压透射率,Xi an Polytechnic University,59,四.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(L+S=90),应用举例：,横波探头检测薄板,Xi an Polytechnic University,60,Xi an Polytechnic University,61,2.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,Xi an Polytechnic Universit

19、y,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。,62,分析：横波入射时，入射角S=30或60附近时，端角反射率最低。S=3555时，端角反射率达100%。,(2)横波入射时,Xi an Polytechnic University,63,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,Xi an Polytechnic University,64,一.声压距离公式,Xi an Polytechnic University,65,二.平面波在曲面上的反射和折射,1.平面波在曲面上的反射,Xi an Polytechnic University

20、,66,2.平面波在曲面上的透射,Xi an Polytechnic University,67,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,Xi an Polytechnic University,68,2.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。,Xi an Polytechnic University,69,二、衰减方程与衰减系

21、数,1.衰减方程,2.衰减系数,Xi an Polytechnic University,70,三.衰减系数的测定,1.薄板工件衰减系数的测定,Xi an Polytechnic University,71,2.厚板或圆柱体衰减系数的测定,Xi an Polytechnic University,72,例1：用5MHz、20mm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为多少？,例2：某工件厚度 x=500mm，测得 B1=80%，B2=20%，反射损失=0.5 dB，则工件的衰减系数为多少？,Xi an Polytechnic University,73,Xian Polytechnic University,THE END!,