超声第一、二章复习题

超 声 波 习 题

一、是非题

2、波只能在弹性介质中产生和传播（×）

4、一般固体介质中的声速随温度升高而增大（×）

5、由端角反射率试验结果推断，使用K≥1.5的探头探测单面焊焊缝根部未焊透缺陷，灵敏度较低，可能造成漏检（○）

6、超声波扩散衰减的大小与波阵面形状及介质有关（×）

7、超声波的频率越高，能量越大（×）

8、介质能传播横波和表面波的必要条件是介质能够承受切变应力（○）

10、既然水波能在水面传播，那么超声表面波也能沿液体表面传播（×）

11、因为超声波是由机械振动产生的，所以超声波在介质中的传播速度即为质点的振动速度（×）

12、如材质相同，细钢棒（直径≦λ）与钢锻件中的声速相同（×）

13、在同种固体材料中，纵、横波声速之比为常数（○）

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15、波的叠加原理说明，几列波在同一介质中传播并相遇时，都可以合成一个波继续传播（×）

18、平面波垂直入射到界面上，入射声压等于透射声压和反射声压之和（×）

19、平面波垂直入射到界面上，入射能量等于透射能量和反向能量之和（○）

20、在同一固体材料中，传播纵、横波时声阻抗不同（○）

21、声阻抗是衡量介质声学特性的重要参数，温度变化对材料的声阻抗无任何影响（×）

33、超声波垂直入射到异质界面时，界面一侧的总声压等于另一侧的总声压（○）

35、超声波垂直入射到异质界面时，声压往复透射率与声强透射率在数值上相等（○）

39、超声波倾斜入射到异质界面时，同种波型的折射角总大于入射角（×）

43、如果有机玻璃/铝界面的第一临界角大于有机玻璃/钢界面第一临界角，则前者的第二临界角也一定大于后者（×）

46、超声波入射到C1＜C2的凹曲面时，其折射波发散（×）

47、超声波入射到C1＞C2的凸曲面时，其折射波集聚（○）

48、以有机玻璃作声透镜的水浸聚焦探头，有机玻璃/水界面为凹曲面（×）

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49、介质的声阻抗愈大，引起的超声波的衰减愈严重（×）

50、聚焦探头辐射的声波，在材质中的衰减小。（×）

51、超声波从固体进入液体时有可能会出现第三临界角(○)

52、当试件内存在较大的内应力时,将使超声波的传播速度及方向发生变化(○)

53、焊缝斜角探伤时常采用液态耦合剂,说明横波可以通过液态介质薄层(×)

54、聚焦探头的几何焦距f相对于同一晶片的非聚焦探头来说，f必定小于近场长度N(○)

55、固体介质的声速只与介质的密度和弹性模量等有关，介质的弹性模量越大，密度越小，则声速愈大。（ × ）

56、材料的声阻抗与温度有关，一般材料的声阻抗随温度升高而降低。（ ○ ）

57、超声波垂直入射异质薄层，当薄层两侧介质声阻抗相等，薄层厚度为其半波长的整数倍时，超声波全透射，几乎无反射。（ ○ ）

58、介质的声阻抗越大，引起的超声波的衰减越严重。（ × ）

59、介质中形成驻波时，相邻波节与波腹之间的距离是1/4波长。（ ○ ）

60、超声波的能量远大于声波的能量，1M Hz的超声波的能量相当于1K Hz声波能

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量的100万倍（ ○ ）

61、超声波频率越高传播速度越快。（ × ）

62、声强与超声频率的平方成正比（ ○ ）

63、声压是指超声场中某点的压强与该点没有超声波存在时的静态压强之差。（ ○ ）

64、声压差2倍，则两信号的分贝差为6dB（分贝）

65、同一固体材料中传播纵波和横波时的声阻抗一样。（ × ）

66、引起超声波衰减的主要原因是扩散. 晶粒散射和介质吸收。（ ○ ）

67、超声波频率高，传播距离远，探测灵敏度高。（ × ）

68、声束指向性不仅与频率有关而且与波型有关。（ ○ ）

69、因为超声波会扩散衰减，因此检测应尽可能在近场区进行。（ × ）

70、聚焦探头的主要优点是声束细，指向性好，能量集中，定位精度高，扫查范围大。（ × ）

71、由于水中只能传播纵波，所以水浸探伤只能进行纵波探伤。（ × ）

二、选择题

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1、超声波在介质中传播时，下面哪句话是错误的（ C ） A、介质由近及远，一层一层地振动 B、能量逐层向前传播 C、遇到障碍物会全部反射 D、遇到很小的缺陷会产生绕射

2、下面关于机械波的说法错误的是（ B ）

A、机械波产生的条件是首先要有一个振动波源，其次是传播振动的弹性介质 B、振动过程伴随着能量的传播和物质的迁移 C、由于弹性力作用，振动会由近及远向前传播 D、超声波是一种机械波

3、以下关于谐振动的叙述，哪一条是错误的（A）

A、谐振动就是质点在作匀速圆周运动。 B、任何复杂振动都可视为多个谐振动的合成。

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C、在谐振动中，质点在位移最大处受力最大，速度为零。 D、在谐振动中，质点在平衡位置速度最大，受力为零。

4、在同种固体材料中，纵波声速CL，横波声速CS，表面波声速CR之间的关系是（C）

A、CR＞CS＞CL B、CS＞CL＞CR

C、CL＞CS＞CR D、以上都不对

5、在下列不同类型超声波中，哪种波的传播速度随频率的不同而改变？（B）

A、表面波 B、板波 C、纵波 D、横波

6、超声波在介质中的传播速度与（D）有关

A、介质的弹性 B、介质的密度

C、超声波波型 D、以上全部

7、在同一固体材料中，纵、横波声速之比，与材料的（C）有关

A、密度 B、弹性模量 C、泊松比 D、以上全部

8、在流体中可传播（A）

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A、纵波 B、横波 C、表面波 D、剪切波

9、板波的速度主要取决于（D）

A、频率

B、传声介质的几何尺寸

C、传声材料的弹性和质量

D、以上都不全面，须视具体情况而定

10、超声波在弹性介质中的速度是（B）

A、质点振动的速度 B、声能的传播速度

C、波长和传播时间的乘积 D、以上都不是

11、若频率一定，下列哪种波型在固体弹性介质中传播的波长最短（D）

A、剪切波 B、纵波 C、横波 D、表面波

12、材料的声速和密度的乘积称为声阻抗，它将影响超声波（B）

A、在传播时的材质衰减

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B、从一个介质到达另一个介质时在界面上的反射和透射 C、在传播时的散射 D、扩散角大小

13、垂直入射于异质界面的超声波束的反射声压和透射声压与下面哪项有关？（D）

A、与界面二边材料的声速有关 B、与界面二边材料的密度有关 C、与入射声波波型有关

D、与界面二边材料的声阻抗有关

14、超声波传播过程中，遇到尺寸与波长相当的障碍物时，将发生（B）

A、只绕射无反射 B、既反射又绕射

C、只反射无绕射 D、以上都有可能

15、在同一固体介质中，当分别传播纵、横波时，它的声阻抗将是（C）

A、一样 B、传播横波时大

C、传播纵波时大 D、无法确定

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16、超声波倾斜入射至异质界面时，其传播方向的改变主要取决于（B）

A、界面两则介质的声阻抗 B、界面两侧介质的声速

C、界面两侧介质衰减系数 D、以上全部

17、倾斜入射到异质界面的超声波束的反射声压与透射声压与哪一因素有关（D）

A、反射波波型 B、入射角度

C、界面两侧的声阻抗 D、以上都是

18、在钢/水界面上，钢中入射角为85°，在钢中传播的主要振动波型为（C）

A、表面波 B、横波 C、纵波 D、B和C

19、用标称K2的探头去探测铝（CFE=3.23km/s，Cal=3.10km/s）则K值会（B）

A、大于2 B、小于2

C、仍等于2 D、还需其它参数才能确定

20、要在工件中得到纯横波，探头入射角α必须（C）

A、大于第二临界角 B、大于第一临界角

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C、在第一、第二临界角之间 D、小于第二临界角

21、第一介质为有机玻璃（CL=2700m/s），第二介质为铜（CL=4700m/s；CS=2300m/s），则第Ⅱ临界角为（D）

A、αⅡ=sin-12700/4700 B、αⅡ=sin-12700/2300

C、αⅡ=sin-12300/2700 D、以上都不对

22、超声波在非均匀介质中传播，引起声能衰减的原因是（D）

A、介质对超声波的吸收 B、介质对超声波的散射

C、声束扩散 D、以上全部

23、制作凹曲面的聚集透镜时，若透镜材料声速为C1，第二透声介质声速为C2，则两者材料应满足如下关系：（A）

A、C1＞C2 B、C1＜C2 C、C1＝C2 D、Z1＝Z2

24、当聚集探头声透镜的曲率半径增大时，透镜焦距将（C）

A、减小 B、不变 C、增大 D、以上都不对

25、超声波声速主要决定于（C）：

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A、介质的密度与弹性 B、质点在介质中振动的方式

C、A和B都是 D、声阻抗

26、探头波束在远场区能量的集中以（B）

A、波束边沿最大 B、波束中心最大 C、波束中心与边沿一样大 D、与波束宽度成反比

27、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（ D ）时，质点的振幅就已经很小了。

A、1/10波长 B、0.5波长 C、1倍波长 D、2倍波长

28、探测条件相同的情况下，孔径比为4的两个球形人工缺陷，其反射波幅相差（ B )。

A、6dB B、12dB C、24dB D、18dB

29、通用AVG曲线的通用性表现在可适用于（ D ）。

A、不同的探测频率 B、不同的晶片尺寸

C、不同示波屏尺寸的A型探伤仪 D、以上都是

30、在探头的超声场中，波的未扩散区的长度约为（ C ）。

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A、 N B、3N

C、1.64N D、6N

31、在超声场中，（ B ）声压随距离增加单调减少。

A、近场区 B、远场区

C、盲区 D、未扩散区。

32、当波源直径一定，探头频率增加时，其近场区长度将（ A ），半扩散角将（ B ）。

A、增加 B、减少 C、不变 D、不一定

33、波束扩散角是晶片尺寸和传播介质中声波波长的函数并且随（ B ）

A、频率增加，晶片直径减小而减小

B、频率或晶片直径减小而增大

C、频率或晶片直径减小而减小

D、频率增加，晶片直径减小而增大

34在频率一定和材料相同情况下，横波对小缺陷探测灵敏度高于纵波的原因是（ C ）

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A、横波质点振动方向对缺陷反射有利

B、横波探伤杂波少

C、横波波长短

D、横波指向性好

35、直探头探测厚100mm和400mm的两平底面锻件，若后者探测面粗糙，与前者耦合差为5dB，材质衰减均为0.01dB/mm(双程)，今将前者底面回波调至满幅(100%)高，则后者的底面回波应是满幅度的：( C )

A、40% B、20% C、10% D、5%

三、问答题

1．何谓波的干涉现象？什么情况下合成振幅最大？什么情况下合成振幅最小？答：①两列频率相同，振动方向相同，相位相同或相位差恒定的波相遇时，由于波叠加的结果，会使某些地方的振动始终互相加强，而另一些地方的振动始互相减弱或完全抵消，这种现象称为波的干涉，产生干涉现象的波称为相干波。相干波现象的产生是相干波传播到各点时波程不同所致。②当波程差等于波长的整数倍时，合成振幅达最大值。③当波程差等于半波长的奇数倍时，合成振幅达最小值。

2．何谓驻波？为什么通常取晶片厚度等于半波长？

答：①两列振幅相同的相干波，在同一直线上相向传播时互相叠加而成的波，称为驻

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波。②当介质厚度等于半波长整数倍时，会产生驻波。所以取晶片厚度可以形成驻波，产生共振，使合成振幅最大，有利于提高探头辐射超声波的效率。

3．什么是惠更斯原理？它有什么作用？答：惠更斯原理：介质中波动传播到的各点都可以看到是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹就是新的波阵面。利用惠更斯原理，可以确定不同波源辐射的声波的形状和波的传播方向，可以解释声波在均匀和非均匀介质中传播的许多现象。

4.什么叫衰减？产生衰减的原因是什么？答：超声波在介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐减小的现象叫做超声波的衰减。超声波衰减的原因主要有三个：① 扩散衰减：超声波在传播中，由于声束的扩散，使能量逐渐分散，从而使单位面积内超声波的能量随着传播距离的增加而减小，导致声压和声强的减小。② 散射衰减：当声波在传播过程中，遇到不同声阻抗的介质组成的界面时，将发生散乱反射（即散射），从而损耗声波能量，这种衰减叫散射衰减。散射主要在粗大晶粒（与波长相比）的界面上产生。由于晶粒排列不规则，声波在斜倾的界面上发生反射、折射及波型转换（统称散射），导致声波能量的损耗。③ 粘滞衰减：声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内壁摩擦，从而使一部分声能变为热能。同时，由于介质的热传导，介质的疏、密部分之间进行的热交换，也导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。由介质吸收引起的衰减叫做粘滞衰减。

5.什么叫超声波声场？反映超声波声场特征的重要物理量有哪几个？什么叫声压、声强、声阻抗？

答：充满超声波的空间，或者说传播超声波的空间范围叫做超声波声场。声压、声强、声阻抗是反映超声波声场特征的三个重要物理量，称为超声波声场的特征量。超声波声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声波存在时，同一点的静态压强之差，称为声

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压。单位时间内穿过和超声波传播方向垂直的单位面积上的能量称为声强。介质中的任何一点的声压和该质点振动速度之比称为声阻抗。

6.超声波检测利用超声波的哪些特性？答：①超声波有良好的指向性，在超声波检测中，声源的尺寸一般都大于波长数倍以上，声束能集中在特定方向上，因此可按几何光学的原理判定缺陷位置。②超声波在异质介面上将产生反射、折射、波型转换、利用这些特性，可以获得从缺陷等异质界面反射回来的反射波及不同波型，从而达到探伤的目的。③超声波检测中，由于频率较高，固体中质点的振动是难以察觉的。因为声强与频率的平方成正比，所以超声波的能量比声波的能量大得多。④超声波在固体中容易传播。在固体中超声波的散射程度取决于晶粒度与波长之比，当晶粒小于波长时，几乎没有散射。在固体中，超声波传输损失小，探测深度大。

7.在超声波反射法检测中为什么要使用脉冲波？[提示]：①可使瞬时内发射能量很大，而总能量不大；②可做时标用，测量超声波在工件中的传播时间，从而对缺陷进行定位；③不是单色波，可克服缺陷厚度对超声波反射率与透过率的影响；④可显著减少入射波与反射波之间干涉区的长度；⑤从工程技术上比较容易制造出脉冲波的超声波检测仪

8.什么叫波的叠加原理？

答：波动的下述规律称为叠加原理：①两列波在传播过程中相遇后仍然保持它们各自原有的特性（频率、波长、振幅等）不变，按照自己原来的传播方向继续前进；②在相遇区域内，任意一点的振动为两列波所引起的振动的合成

9.什么叫波的绕射现象？答：波在传播过程中遇到尺寸可以与波长向比拟的障碍物，或者一个大障碍物上尺寸可与波长比拟的小孔时，能绕过障碍物或穿过小孔继续传播，而

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不会在障碍物背面产生“阴影”的现象叫做波的绕射现象

10.说明超声波声场具体分为哪几个区域？答：超声波声场具体分为四个区域：①主声束和副瓣--声源正前方，声能最集中的锥形区域即为主声束，声源发射的声能主要集中在主声束。声束副瓣也称副声束，通常出现在邻近探头晶片的一个区域内，旁侧于主声束，其轴线倾斜于晶片表面，能量微弱，截面较小，晶片尺寸和波长之比的不同，副瓣的数量和辐射方向也不相同；②近场--指主声束中心轴线上最后一个声压极大值处至晶片表面这一区域，近场长度用N表示，它取决于晶片的直径D（或面积AS）和波长λ，用公式N=(D2-λ2)/4λ≈AS/πλ表示。近场区邻近压电晶片，声压分布最不均匀，这是由于该区域内声波干涉现象最严重，因此近场区也称干涉区，干涉现象对探伤有很大影响，探伤时要尽量避免；③远场--近场以外的区域称为远场。远场中各子波传播的距离已经很远，相位几乎相等，各量可以简单相加，声压值随距离增加而单调下降。远场区的大小由晶片尺寸、波长、介质的声学特性及激励晶片的电压决定，实质上即与超声波的发射功率以及传声介质特性相关；④未扩散区--主声束横截面与声源直径相同之点至近场与远场分界点的一段区域称为未扩散区，该点至晶片表面的距离约为近场区长度的1.6倍，该区域中的平均声压可以看作常数，从该点开始，主声束扩散，形成锥体。

四、计算题

1 钢中CL=5900m/s,水中CL=1480m/s,求2.5MHz纵波直探头在钢和水中近场长度N=?半扩散角θ0=？未扩散区b=?

解：λ钢=5.9/2.5=2.36, λ水=1.48/2.5=0.592

① N钢=D2/4λ=202/4×2.36=42.4mm

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N水=D2/4λ=202/4×0.592=168.9mm

② θ钢=sin-1(1.22λ/D)= sin-11.22×2.36/20=8.27°

θ水=sin-1(1.22λ/D)=sin-11.22×0.592/20=5.07°

③b钢=1.64N=42.4×1.64=69.5mm

b水=1.64N=168.9×1.64=277mm

2 5P20直探头水浸探钢板，水层厚度20mm,钢中CL=5900m/s,水中CL=1480mm求钢中近场长度N=?

解：N2=D2/4λ2-LC1/C2=400/4×2.36—20×1480/5900

42.4—5=37.4mm

3分别计算2.5P13×13的K1、K2有机玻璃横波斜探头在钢中的近场长度？已知有机玻璃中的CL=2730m/s,钢中CS=3230m/s,探头入射点至实际波源的距离15mm。

FScostgN'NL2L1S2costg 解：

=【14×16/（3.14×1.292）】0.88-15×0.75

=48.5-11.25=37.3mm

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②【14×16/（3.14×1.292）】0.68-15×0.58

=37.5 – 8.7=28.8mm

4 已知x≥3N,200mm处Φ2平底孔回波高度为24dB,求400Φ4、800Φ2各？dB。

解：①24+40lg(2×400/4×200)=24+40lg1=24dB

②24+40lg(200/800)=24 –24=0dB

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