超聲波探傷2.4 超聲波的聲速

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1、2.4超聲波的傳播速度超聲波在介質(zhì)中的傳播速度是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的重要參數(shù)。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)。對特定的介質(zhì)，彈性模量和密度為常數(shù)，故聲速也是常數(shù)。不同的介質(zhì)，有不同的聲速。超聲波波型不同時，介質(zhì)彈性變形型式不同，聲速也不一樣。2.4.1固體介質(zhì)中的聲速1.無限大固體介質(zhì)中的聲速無限大固體介質(zhì)是相對于波長而言的，當(dāng)介質(zhì)的尺寸遠(yuǎn)大于波長時，就可以視為無限大介質(zhì)。在無限大的固體介質(zhì)中，縱波聲速為：在無限大的固體介質(zhì)中，橫波聲速為：在無限大的固體介質(zhì)中，表面波聲速為：所有固體介質(zhì)的泊松比都在0～0.5之間。（1）固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有關(guān)，不同

2、的介質(zhì)，聲速不同；介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。（2）聲速還與波的類型有關(guān)，在同一固體介質(zhì)中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并且相互之間有以下關(guān)系：CL>CS>CR在同一種固體材料中，縱波聲速大于橫波聲速，橫波聲速又大于表面波聲速。對于鋼材1.8：1：0.92.4.1固體介質(zhì)中的聲速2.細(xì)長棒中的縱波聲速在細(xì)長棒中（棒徑d≤）軸向傳播的縱波聲速與無限大介質(zhì)中縱波聲速不同，細(xì)長棒中的縱波聲速為：2.4.1固體介質(zhì)中的聲速3.固體介質(zhì)中聲速與溫度、應(yīng)力、均勻性的關(guān)系固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)溫度、應(yīng)力、均勻性有關(guān)。一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低。固體介質(zhì)的應(yīng)力狀況對聲速有一

3、定的影響，一般應(yīng)力增加，聲速增加，但增加緩慢。固體材料組織均勻性對聲速的影響在鑄鐵中表現(xiàn)較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快，晶粒細(xì)，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。此外，鑄鐵中石墨含量和尺寸對聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。2.4.1固體介質(zhì)中的聲速4.蘭姆波聲速蘭姆波分為對稱型（S）和非對稱型（A）兩類。由于蘭姆波傳播時受到上下界面的影響，因此其聲速與縱波、橫波、表面波不同，它不僅與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，而且與板厚、頻率等有關(guān)。對于特定的板厚和頻率組合，還可有多個對稱型和非對稱型的振動模式，每個模式具有不同的波速。蘭姆波聲速分為相速度和群速

4、度。相速度是振動相位傳播的速度，是對單一頻率連續(xù)諧振波定義的傳播速度，群速度是指多個相差不多的頻率的波在同一介質(zhì)中傳播時互相合成后的包絡(luò)線的傳播速度。蘭姆波聲速的有關(guān)因素與f·d、Cs、Cl有關(guān)。對于確定的介質(zhì)，Cs、Cl為定值，因此Cp僅是f·d的函數(shù)。對于某一個Cp值對應(yīng)有無數(shù)個f·d值。當(dāng)f·d一定時，不同類型的蘭姆波相速度Cp不同當(dāng)f·d一定時，不同類型的蘭姆波群速度Cg不同2.4.2液體、氣體介質(zhì)中的聲速1.液體、氣體中聲速公式由于液體和氣體只能承受壓應(yīng)力，不能承受剪切應(yīng)力，因此液體和氣體介質(zhì)中只能傳播縱波，不能傳播橫波和表面波。液體和氣體中的縱波波速為：液體、氣體介質(zhì)中的縱波

5、聲速與其容變彈性模量和密度有關(guān)，介質(zhì)的容變彈性模量愈大、密度愈小，聲速就愈大。2.液體介質(zhì)中的聲速與溫度的關(guān)系幾乎除水以外的所有液體，當(dāng)溫度升高時，容變彈性模量減小，聲速降低。唯有水例外，溫度在74℃左右時聲速達(dá)最大值，當(dāng)溫度低于74℃時，聲速隨溫度升高而增加；當(dāng)溫度高于74℃時，聲速隨溫度升高而降低。CL=1557-0.0245(74-t)22.4.3聲速的測量1.超聲檢測儀器測量法對檢測人員來說，用檢測儀器測量聲速是最簡便的。用這種方法測量，可用單探頭反射法，也可用雙探頭穿透法?？捎糜跍y量縱波聲速，也可用于測量橫波聲速。（1）檢測儀按時間刻度：（2）檢測儀按深度刻度：對比法精度不高，

6、誤差分析2.4.3聲速的測量2.測厚儀測量法常用測厚儀分為共振式和脈沖反射式兩種，利用這兩種測厚儀來測量聲速的方法有所不同。（1）共振式測厚儀：（2）脈沖反射式測厚儀：3.示波器測量法