無損檢測超聲波理論（簡體書）

本書論述了超聲波無損檢測的物理基礎，系統地分析了彈性介質中的波動理論及聲場特徵，介紹了**的無損檢測超聲波理論及技術應用原理，主要內容包括固體中超聲波動基本理論、液固耦合超聲場理論及界面條件對超聲傳播的影響規律、臨界折射縱波和超聲表面波傳播理論及應用、聲束疊加與陣列檢測、超聲相控陣波束控制與合成、高頻超聲檢測理論與應用以及非線性超聲波基本理論，最後介紹了幾類非接觸超聲無損檢測技術。

目錄



前言



第1章 超聲檢測的物理基礎 1



1.1 振動與波動 1



1.1.1 振動 1



1.1.2 波動 3



1.2 波的類型 5



1.2.1 按質點振動方向分類 5



1.2.2 按波的形狀分類 8



1.2.3 按波源振動的持續時間分類 10



1.3 超聲波的傳播速度 11



1.3.1 縱波、橫波與表面波 11



1.3.2 板波 13



1.3.3 影響波速的因素 15



1.4 超聲波波動特性 16



1.4.1 超聲波的疊加與干涉 16



1.4.2 惠更斯原理和波的衍射 19



參考文獻 20



第2章 彈性介質中的波動理論 22



2.1 彈性介質中的波動方程 22



2.1.1 流體介質中的波動方程 22



2.1.2 固體介質中的波動方程 27



2.2 彈性固體中的平面波 38



2.2.1 三維波動 39



2.2.2 Navier方程的一維解 40



2.2.3 Navier方程的三維解 41



2.3流體中的球面波 44



2.3 .1 基礎解 44



2.3.2 解的積分表述 46



2.3.3 球面諧波基礎解的遠場表述 47



2.4 彈性固體中的球面波 49



2.5 超聲波的衰減 52



2.5.1 衰減的原因 53



2.5.2 衰減方程與衰減係數 53



2.6 超聲波衍射 55



2.6.1 點聲源模型 55



2.6.2 超聲波衍射模型 57



2.6.3 超聲波衍射時差法 59



參考文獻 63



第3章 超聲波的界面傳播理論 64



3.1 超聲波的反射與透射 64



3.1.1 垂直入射到異質界面 64



3.1.2 斜入射到異質界面 68



3.2 固體界面上的超聲波反射和折射 73



3.2.1 平面諧波 74



3.2.2 平面波垂直入射波動規律 74



3.3 固體界面上的超聲波斜入射波動規律 83



3.3.1 相連的半空間 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 固體介質中的波型變換 97



3.4.1 超聲波聲場 98



3.4.2 縱波和橫波在固體介質中的波型變換 106



3.4.3 無損檢測中常用的轉換波型 116



參考文獻 122



第4章 聲表面波 124



4.1 聲表面波的基本概念 124



4.1.1 聲表面波的產生 124



4.1.2 聲表面波的性質 127



4.2 聲表面波的激勵接收 130



4.2.1 聲表面波器件用壓電材料 130



4.2.2 聲表面波激勵接收原理 131



4.2.3 聲表面波的傳播特性 136



4.3 聲表面波檢測模型 138



4.3.1 聲表面波應變測量模型 138



4.3.2 聲表面波轉矩測量模型 139



4.4 基於聲表面波的缺陷檢測 141



4.4.1 單層各向同性板中表面波的傳播特性 142



4.4.2 聲表面波缺陷檢測的基本原理 142



4.4.3 聲表面波傳感器及檢測案例 149



4.5 聲表面波檢測技術的發展趨勢 154



參考文獻 155



第5章 超聲導波與頻散特性 158



5.1 超聲導波的基本概念 159



5.1.1 彈性板中的水平剪切導波 159



5.1.2 水平剪切導波的頻散特性 162



5.1.3 層板中SH波的能量 164



5.2 板中的超聲導波 167



5.2.1 單層板中的超聲導波的產生及其傳播特性 167



5.2.2 單層板中的超聲導波傳播模型 176



5.2.3 多層板中的超聲導波傳播模型 192



5.3 管中的超聲導波 206



5.3.1 管中縱向導波的產生及傳播特性 208



5.3.2 管中周嚮導波的產生及傳播特性 213



5.3.3 管中導波的數值解 217



5.4 杆中的超聲導波 221



5.5 超聲導波檢測技術的發展趨勢 227



參考文獻 229



第6章 非線性超聲波基本理論 232



6.1 基本假設 232



6.2 固體介質中的非線性超聲波動方程 232



6.3 運動方程 233



6.4 各向同性彈性固體中的非線性波 235



6.5 單一頻率聲場激勵下非線性超聲波動方程的解 237



6.6 混合頻率聲場激勵下非線性超聲波動方程的解 240



6.7 附加靜壓力或常壓力的各向同性彈性體中波的傳播 244



6.7.1 靜壓力負載下的縱波傳播 248



6.7.2 單向壓力a方向傳播縱波的情形 249



6.7.3 靜壓力負載下的橫波傳播 249



6.7.4 b方向上加壓應力a方向傳播縱波 250



6.7.5 b方向上加壓應力a方向傳播橫波 250



6.7.6 c方向上加壓應力a方向傳播橫波 250



6.7.7 a方向上加壓應力a方向傳播橫波 250



6.8 表面波非線性特性及檢測應用 251



6.8.1 超聲表面波二次諧波檢測 254



6.8.2 超聲表面波混疊檢測 258



6.9 導波非線性特性及檢測應用 260



6.9.1 導波非線性特性 261



6.9.2 非線性超聲導波檢測 265



參考文獻 268



第7章 液固耦合超聲場理論 272



7.1超聲場 272



7.1.1 聲場特徵參數 272



7.1.2 換能器聲場特徵 274



7.1.3 超聲波聲場 276



7.2 超聲波聲場計算模型 280



7.2.1 點源疊加模型 280



7.2.2 多高斯聲束模型 282



7.2.3 點源-高斯聲束模型 284



7.3 液體超聲場 288



7.3.1 液體縱波聲場 288



7.3.2 高斯聲束條件與近軸近似 291



7.4 高斯聲束波動方程的解析解 293



7.5 反射與折射高斯聲束模型 297



7.6 斜入射高斯聲束模型 300



7.7 液固耦合聲束模型 304



參考文獻 308



第8章 應力超聲檢測 310



8.1 應力超聲檢測理論 310



8.1.1 聲彈性理論 310



8.1.2 波速與應力關係 315



8.1.3 非線性超聲與應力關係 317



8.2 超聲臨界折射縱波 320



8.2.1 超聲臨界折射縱波的產生 320



8.2.2 臨界折射縱波的特性 322



8.2.3 臨界折射縱波應力檢測數學模型 324



8.2.4 臨界折射縱波檢測原理 325



8.3 殘餘應力產生與檢測方法 326



8.3.1 殘餘應力產生 326



8.3.2 殘餘應力對構件的影響 328



8.3.3 當前應力檢測技術 330



8.4 殘餘應力超聲檢測技術發展趨勢 332



參考文獻 333



第9章 相控陣波束控制與陣列檢測技術 336



9.1 超聲相控陣技術基本概念 336



9.2 超聲相控陣原理 336



9.2.1 相控陣換能器分類 336



9.2.2 超聲相控陣波束發射控制 337



9.2.3 超聲相控陣波束控制原理 341



9.3 相控陣換能器聲場模型 344



9.3.1 線元近似相控陣聲場模型 344



9.3.2 瑞利積分相控陣聲場模型 346



9.4 換能器陣列聲場 349



9.4.1 陣列參數 349



9.4.2 線性陣列 350



9.4.3 層析陣列 351



9.4.4 陣列聲場 352



9.5 陣列成像算法 357



9.5.1 透射式成像算法 357



9.5.2 橢圓層析成像算法 361



9.6 超聲相控陣檢測技術發展趨勢 365



9.6.1 高性能新型陣列換能器 365



9.6.2 相控陣技術與超聲成像技術結合 366



9.6.3 高度集成、高速處理和實時顯示功能 366



參考文獻 366



第10章 高頻超聲檢測技術與應用 370



10.1 高頻超聲簡介 370



10.2 高頻超聲理論 370



10.2.1 高頻超聲的傳播特性 370



10.2.2 高頻超聲波動方程 378



10.2.3 高頻超聲聲場模型 380



10.2.4 高頻超聲聚焦特性 384



10.2.5 高頻超聲的非線性效應 385



10.3 高頻超聲成像算法 385



10.3.1 峰值成像原理 387



10.3.2 TOF成像原理 388



10.3.3 頻域成像原理 389



10.4 高頻超聲顯微鏡 391



10.4.1 高頻超聲顯微鏡原理 391



10.4.2 高頻超聲成像分辨力 392



10.4.3 高頻超聲的V(z)曲線 393



10.5 高頻超聲檢測應用 394



10.5.1 高頻超聲應用領域 394



10.5.2 高頻超聲檢測的發展趨勢 395



10.5.3 高頻超聲顯微鏡應用實例 397



參考文獻 404



第11章 非接觸超聲檢測技術 407



11.1 空氣耦合超聲檢測技術 407



11.1.1 概述 407



11.1.2 空氣耦合超聲換能器 408



11.1.3 空氣耦合超聲檢測原理與應用 410



11.1.4 空氣耦合超聲檢測的影響因素 419



11.2 激光超聲檢測技術 423



11.2.1 概述 423



11.2.2 激光超聲理論 425



11.2.3 激光超聲的特性 432



11.2.4 激光超聲的接收方式 439



11.2.5 激光超聲檢測應用 445



11.3 電磁超聲檢測技術 445



11.3.1 概述 445



11.3.2 電磁超聲換能器 446



11.3.3 電磁超聲諧振 447



11.3.4 電磁超聲檢測應用 449



參考文獻 451