无损检测超声波理论

本书论述了超声波无损检测的物理基础，系统地分析了弹性介质中的波动理论及声场特征，介绍了近期新的无损检测超声波理论(精)及技术应用原理，主要内容包括固体中超声波动基本理论、液固耦合超声场理论及界面条件对超声传播的影响规律、临界折射纵波和超声表面波传播理论及应用、声束叠加与阵列检测、超声相控阵波束控制与合成、高频超声检测理论与应用以及非线性超声波基本理论，最后介绍了几类非接触超声无损检测技术。 本书适合超声无损检测领域的研究者学习和参考，也可作为高级无损检测人员的资格培训和高等院校相关专业的参考教材，书中相关前沿技术理论的介绍也可供相关无损检测技术装备开发人员参考借鉴。

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
2.2.2Navier方程的一维解40
2.2.3Navier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
3.3.2P波的反射85
3.3.3SV波的反射90
3.3.4自由面上能量的反射和分配94
3.3.5SH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
6.7.4b方向上加压应力a方向传播纵波250
6.7.5b方向上加压应力a方向传播横波250
6.7.6c方向上加压应力a方向传播横波250
6.7.7a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
10.3.2TOF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