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——————————————————————————————————————————————— CCS船级社UT讲义 第二章 超声波探伤的物理基础 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.超声波探伤中,主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概念.如:几何声学中的反射、折射定律及波型转换. 物理声学中波的叠加、干涉、绕射及惠更斯原理等. 第一节 振动与波动 一.振动 1.振动的一般概念 机械振动:物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往返周期性的运动. 可以直接觉察到的振动现象-弹簧振子的运动,钟摆的运动和汽缸中活塞运动等.难以觉察到的振动现象- 一切发声物体的运动以及超声波波源的运动. 振动是往复、周期性的运动,振动的快慢常用振动周期和振动频率两个物理量来描述. 周期T—振动物体完成一次全振动所需要的时间单位为秒(S) 频率f—振动物体在单位时间内完成全振动的次数,单位为赫兹(Hz),1赫兹表示1秒钟内完成1次全振动. 超声波探伤中，最常使用的频率范围为0、5---10MHz。 2.谐振动: 最简单最基本的直线振动称为谐振动. 质点M的水平位移Y和时间t的关系可用谐振方程来描述. Y=ACOS(ωt+?) A--振幅 ω--圆频率 ω=2πf=2π/T ?--初相位,既t=0时质点M的相位. 1 谐振动的特点是:物体受到的回复力大小与位移成正比,其方向总是指向平衡位置(符合机械能守衡). 3.阻尼振动:振幅或能量随时间不断减少的振动称阻尼振动. Y=AeβCOS(ωt+?) -t β-阻尼系数:ω-阻尼振动的圆频率 ω0为物体的固有频率. 谐振动是无阻尼振动,其振幅与周期不变,阻尼振动的振幅不断减少,而周期却不断增大阻尼振动受到阻力作用,不符合机械能守恒. 探头中压电晶片在发射超声波时,一方面在高频电脉冲激励下产生受迫振动,另一方面在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用,因此,又是阻尼振动.压电晶片在接收超声波时同样产生受迫振动和阻尼振动. 二.波动 1． 机械波的产生与传播 振动的传播过程,称为波动.波动分为机械波和电磁波两大类. 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.机械波的产生和传播参见模型图. 产生机械波必须具备的两个条件: (1).要有作机械振动的波源. (2).要有能传播机械振动的弹性介质. 振动是产生波动的根源,波动是振动状态的传播过程,也是振动能量的传播过程,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. 2 2.波长、频率和波速 (1).波长λ:同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离,称为波长.波 源或介质中任意一质点完成一次全振动,波正好前进一个波长的距离. (2).频率f:波动过程中,任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数. (3).波速C:波动中,波在单位时间内所传播的距离称为波速λ=C/f. 3.波动方程:Y=ACOSωt 三.次声波、声波和超声波 1． 次声波、声波和超声波的划分. 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,频率不同.声波频率在20-20000HZ之间,次声波频率低于20HZ,频率高于20000HZ的机械波称为超声波. 2． 超声波的应用: 超声波探伤所用频率在0.5-10MHZ之间,对金属材料的检验常用频率为1-5MHZ.超声波是频率很高,波长很短的机械波,由此决定了超声波具有一些重要特性.指向性好,能量高,能在界面上产生反射,折射和波型转换、穿透能力强. 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-介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的波,称纵波. 2. 横波S-介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波,称横波. 3. 表面波R-当介质表面受到交变应力作用时,产生沿介质表面传播的波.表 面波的能量随传播深度增加而迅速减弱,一般认为,表面波探伤只能发现距工件 3 表面两倍波长深度内的缺陷. 4. 板波-在板厚与波长相当的薄板中传播的波,称为板波. 各种类