无损检测超声波理论

目录
前言
第1章 超声检测的物理基础 1
1.1 振动与波动 1
1.1.1 振动 1
1.1.2 波动 3
1.2 波的类型 5
1.2.1 按质点振动方向分类 5
1.2.2 按波的形状分类 8
1.2.3 按波源振动的持续时间分类 10
1.3 超声波的传播速度 11
1.3.1 纵波、横波与表面波 11
1.3.2 板波 13
1.3.3 影响波速的因素 15
1.4 超声波波动特性 16
1.4.1 超声波的叠加与干涉 16
1.4.2 惠更斯原理和波的衍射 19
参考文献 20
第2章 弹性介质中的波动理论 22
2.1 弹性介质中的波动方程 22
2.1.1 流体介质中的波动方程 22
2.1.2 固体介质中的波动方程 27
2.2 弹性固体中的平面波 38
2.2.1 三维波动 39
2.2.2 Navier方程的一维解 40
2.2.3 Navier方程的三维解 41
2.3流体中的球面波 44
2.3 .1 基础解 44
2.3.2 解的积分表述 46
2.3.3 球面谐波基础解的远场表述 47
2.4 弹性固体中的球面波 49
2.5 超声波的衰减 52
2.5.1 衰减的原因 53
2.5.2 衰减方程与衰减系数 53
2.6 超声波衍射 55
2.6.1 点声源模型 55
2.6.2 超声波衍射模型 57
2.6.3 超声波衍射时差法 59
参考文献 63
第3章 超声波的界面传播理论 64
3.1 超声波的反射与透射 64
3.1.1 垂直入射到异质界面 64
3.1.2 斜入射到异质界面 68
3.2 固体界面上的超声波反射和折射 73
3.2.1 平面谐波 74
3.2.2 平面波垂直入射波动规律 74
3.3 固体界面上的超声波斜入射波动规律 83
3.3.1 相连的半空间 83
3.3.2 P波的反射 85
3.3.3 SV波的反射 90
3.3.4 自由面上能量的反射和分配 94
3.3.5 SH波的反射和折射 95
3.4 固体介质中的波型变换 97
3.4.1 超声波声场 98
3.4.2 纵波和横波在固体介质中的波型变换 106
3.4.3 无损检测中常用的转换波型 116
参考文献 122
第4章 声表面波 124
4.1 声表面波的基本概念 124
4.1.1 声表面波的产生 124
4.1.2 声表面波的性质 127
4.2 声表面波的激励接收 130
4.2.1 声表面波器件用压电材料 130
4.2.2 声表面波激励接收原理 131
4.2.3 声表面波的传播特性 136
4.3 声表面波检测模型 138
4.3.1 声表面波应变测量模型 138
4.3.2 声表面波转矩测量模型 139
4.4 基于声表面波的缺陷检测 141
4.4.1 单层各向同性板中表面波的传播特性 142
4.4.2 声表面波缺陷检测的基本原理 142
4.4.3 声表面波传感器及检测案例 149
4.5 声表面波检测技术的发展趋势 154
参考文献 155
第5章 超声导波与频散特性 158
5.1 超声导波的基本概念 159
5.1.1 弹性板中的水平剪切导波 159
5.1.2 水平剪切导波的频散特性 162
5.1.3 层板中SH波的能量 164
5.2 板中的超声导波 167
5.2.1 单层板中的超声导波的产生及其传播特性 167
5.2.2 单层板中的超声导波传播模型 176
5.2.3 多层板中的超声导波传播模型 192
5.3 管中的超声导波 206
5.3.1 管中纵向导波的产生及传播特性 208
5.3.2 管中周向导波的产生及传播特性 213
5.3.3 管中导波的数值解 217
5.4 杆中的超声导波 221
5.5 超声导波检测技术的发展趋势 227
参考文献 229
第6章 非线性超声波基本理论 232
6.1 基本假设 232
6.2 固体介质中的非线性超声波动方程 232
6.3 运动方程 233
6.4 各向同性弹性固体中的非线性波 235
6.5 单一频率声场激励下非线性超声波动方程的解 237
6.6 混合频率声场激励下非线性超声波动方程的解 240
6.7 附加静压力或常压力的各向同性弹性体中波的传播 244
6.7.1 静压力负载下的纵波传播 248
6.7.2 单向压力a方向传播纵波的情形 249
6.7.3 静压力负载下的横波传播 249
6.7.4 b方向上加压应力a方向传播纵波 250
6.7.5 b方向上加压应力a方向传播横波 250
6.7.6 c方向上加压应力a方向传播横波 250
6.7.7 a方向上加压应力a方向传播横波 250
6.8 表面波非线性特性及检测应用 251
6.8.1 超声表面波二次谐波检测 254
6.8.2 超声表面波混叠检测 258
6.9 导波非线性特性及检测应用 260
6.9.1 导波非线性特性 261
6.9.2 非线性超声导波检测 265
参考文献 268
第7章 液固耦合超声场理论 272
7.1超声场 272
7.1.1 声场特征参数 272
7.1.2 换能器声场特征 274
7.1.3 超声波声场 276
7.2 超声波声场计算模型 280
7.2.1 点源叠加模型 280
7.2.2 多高斯声束模型 282
7.2.3 点源-高斯声束模型 284
7.3 液体超声场 288
7.3.1 液体纵波声场 288
7.3.2 高斯声束条件与近轴近似 291
7.4 高斯声束波动方程的解析解 293
7.5 反射与折射高斯声束模型 297
7.6 斜入射高斯声束模型 300
7.7 液固耦合声束模型 304
参考文献 308
第8章 应力超声检测 310
8.1 应力超声检测理论 310
8.1.1 声弹性理论 310
8.1.2 波速与应力关系 315
8.1.3 非线性超声与应力关系 317
8.2 超声临界折射纵波 320
8.2.1 超声临界折射纵波的产生 320
8.2.2 临界折射纵波的特性 322
8.2.3 临界折射纵波应力检测数学模型 324
8.2.4 临界折射纵波检测原理 325
8.3 残余应力产生与检测方法 326
8.3.1 残余应力产生 326
8.3.2 残余应力对构件的影响 328
8.3.3 当前应力检测技术 330
8.4 残余应力超声检测技术发展趋势 332
参考文献 333
第9章 相控阵波束控制与阵列检测技术 336
9.1 超声相控阵技术基本概念 336
9.2 超声相控阵原理 336
9.2.1 相控阵换能器分类 336
9.2.2 超声相控阵波束发射控制 337
9.2.3 超声相控阵波束控制原理 341
9.3 相控阵换能器声场模型 344
9.3.1 线元近似相控阵声场模型 344
9.3.2 瑞利积分相控阵声场模型 346
9.4 换能器阵列声场 349
9.4.1 阵列参数 349
9.4.2 线性阵列 350
9.4.3 层析阵列 351
9.4.4 阵列声场 352
9.5 阵列成像算法 357
9.5.1 透射式成像算法 357
9.5.2 椭圆层析成像算法 361
9.6 超声相控阵检测技术发展趋势 365
9.6.1 高性能新型阵列换能器 365
9.6.2 相控阵技术与超声成像技术结合 366
9.6.3 高度集成、高速处理和实时显示功能 366
参考文献 366
第10章 高频超声检测技术与应用 370
10.1 高频超声简介 370
10.2 高频超声理论 370
10.2.1 高频超声的传播特性 370
10.2.2 高频超声波动方程 378
10.2.3 高频超声声场模型 380
10.2.4 高频超声聚焦特性 384
10.2.5 高频超声的非线性效应 385
10.3 高频超声成像算法 385
10.3.1 峰值成像原理 387
10.3.2 TOF成像原理 388
10.3.3 频域成像原理 389
10.4 高频超声显微镜 391
10.4.1 高频超声显微镜原理 391
10.4.2 高频超声成像分辨力 392
10.4.3 高频超声的V(z)曲线 393
10.5 高频超声检测应用 394
10.5.1 高频超声应用领域 394
10.5.2 高频超声检测的发展趋势 395
10.5.3 高频超声显微镜应用实例 397
参考文献 404
第11章 非接触超声检测技术 407
11.1 空气耦合超声检测技术 407
11.1.1 概述 407
11.1.2 空气耦合超声换能器 408
11.1.3 空气耦合超声检测原理与应用 410
11.1.4 空气耦合超声检测的影响因素 419
11.2 激光超声检测技术 423
11.2.1 概述 423
11.2.2 激光超声理论 425
11.2.3 激光超声的特性 432
11.2.4 激光超声的接收方式 439
11.2.5 激光超声检测应用 445
11.3 电磁超声检测技术 445
11.3.1 概述 445
11.3.2 电磁超声换能器 446
11.3.3 电磁超声谐振 447
11.3.4 电磁超声检测应用 449
参考文献 451