1、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，
2、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
3、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 -t cs(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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、、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
13、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 上下表面：椭圆运固体介质(厚度与波 薄板、薄壁钢管等
