超声波 = 频率＞20kHz的机械波（弹性波），不是电磁波！
CL ＞ CS ＞ CR；横波只能在固体中传播（液体没有切变弹性模量）
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超声波就是人耳听不到的声音，频率超过20000Hz。三个关键词，缺一不可：
X射线是电磁波，靠穿透成像，就像阳光穿透玻璃照到手上的影子。
超声波是机械波，靠反射回波定位，就像蝙蝠发出声波，遇到障碍物反弹回来，根据回声判断障碍物的位置。
一个靠'穿透'，一个靠'反弹'，原理完全不同！
质点振动方向与传播方向平行。就像你推一根弹簧——弹簧的线圈一缩一胀，波就往前传了。
想象你在游泳池里往前推水——水波就往前传。这就是纵波的'推'。
或者想象一列人排队，第一个人往前挤一下、拉一下，第二个人跟着前后动……扰动就这样传到了队伍末尾。每个人前后振动，但波往前传播。
质点振动方向与传播方向垂直。就像你抖动一根绳子——绳子上下动，波往水平方向传。
为什么？因为液体没有'切变弹性模量'——说人话就是：液体太'软'了，你抖它，它不会跟着一起抖，直接就散了。
沿着固体表面传播，有效深度约2个波长。就像水面上的涟漪，只在表面'溜达'。
常用于检测表面缺陷，如轴承滚道裂纹、齿轮齿面缺陷。
在薄板中传播，板厚和波长差不多的时候出现。专门用于飞机蒙皮、船舶壳体等薄板结构检测。
超声波有三个'身份证'参数，知道其中两个就能算出第三个：
周期T：波完成一次全振动所需时间（秒）。
频率f = 1/T：每秒振动多少次。
波长λ：波在一个周期内传播的距离。
因为波速c = '每秒传播多远'，而周期T = '传播一个波长需要多久'，所以 c = λ/T = λ×f。
关键：固体中声速 c = √(E/ρ)，E是弹性模量，ρ是密度。这两个量只和材料有关，和频率无关！
所以：频率变了，波长跟着变（λ=c/f），但声速不变。
你在高速公路上开车，限速120km/h（声速由路=材料决定）。
你按喇叭的频率（频率）再高，车速也不会变快。
频率变了→波长跟着变，但声速是材料的属性，不是波的属性！
| 材料 | 纵波CL (m/s) | 横波CS (m/s) | 记忆窍门 |
|---|---|---|---|
| 碳素钢 | 5900 | 3230 | 五九三二三 |
| 不锈钢 | ~5800 | ~3100 | 略低于碳钢 |
| 铝 | 6300 | 3100 | 铝比钢还快 |
| 有机玻璃 | 2730 | ~1430 | 做楔块用 |
| 水 | 1480 | — | 水浅不到1500 |
① 计算波长 λ = c/f（决定探头频率选择）
② 计算近场长度 N = D²/4λ
③ 计算临界角（斯涅尔定律需要两种介质声速）
超声检测常用频率：1～5MHz。没有最好，只有最合适。
低频（1MHz）= 大扫把
扫得宽、扫得深、力气大。适合大面积粗扫，但扫不细致，小缝隙扫不出来。
高频（5MHz）= 小刷子
刷得细、能进小缝、分辨高。但力气小，深层刷不到，粗晶材料里被弹珠弹得到处飞（散射）。
课时1学了超声波在单一材料里怎么跑。课时2解决核心问题：
把超声波想成光，把界面想成水面。
光从空气射入水面时：一部分反射回空气（你能在水面看到倒影），一部分折射进入水里（水里的鱼看起来位置偏移了）。
超声波也一样：从楔块进入钢件时，一部分反射，一部分折射，还可能'变型'（波型转换）。
超声波遇到两种材料的交界面时，一部分反射回原介质。
反射定律：入射角 = 反射角。跟镜子反射光一样简单。
α是入射角，β是折射角，C₁和C₂分别是两种介质中的声速。
假设波从介质1进入介质2，入射角为α，折射角为β。
在界面处，波前必须连续（不能断裂）。
波前在介质1中的传播速度为C₁，在介质2中为C₂。
几何关系：波前走过的路径满足 sinα / C₁ = sinβ / C₂。
这就是斯涅尔定律——和光学的折射定律完全一样！
声阻抗决定了超声波在界面上弹回来多少、穿过去多少。
当超声波从一种材料斜着射入另一种材料时，入射角大到一定程度，会发生'质变'——这就是临界角。
第一临界角 = 下面那片饼干
第二临界角 = 上面那片饼干
横波斜探头的入射角 = 夹心
夹心必须在两片饼干之间！小于第一临界角→纵波和横波混在一起，信号乱；大于第二临界角→横波也没了，全反射。
横波碰到直角（比如裂纹的端部）会反射回来，这叫端角反射。
超声波在材料里传播时，能量会越来越弱。三种'凶手'：
扩散衰减 = 手电筒照墙——越远光斑越大越暗。跟墙的材质无关，是光自己的'摊薄'。
散射衰减 = 大雾天开车——光线被雾滴散射，看不清路。粗晶材料=大雾，晶粒=雾滴。
吸收衰减 = 海绵吸水——材料像海绵，把声能'吸'进去变成热。频率越高，海绵吸得越快。
拿出手机，打开手电筒，照向白墙。观察三个距离：
近场区 = 手电筒刚照出去，光斑边缘乱、忽明忽暗。声压起伏大，干涉严重。
未扩散区 = 光柱基本平行的那一段，能量最集中。声束近似平行，可看作平面波。
远场区 = 远处稳定扩散的光斑，越远越暗。声压单调下降，规律稳定。
近场区是探头前面的一段区域，声压忽高忽低、干涉严重。
晶片上的每个点都可以看作一个'子波源'，发出球面子波。
这些子波在空间中叠加——有的位置波峰+波峰=加强，有的位置波峰+波谷=抵消。
这就是干涉！干涉范围的大小取决于晶片大小和波长。
圆盘活塞波源通过积分推导，得到近场长度 N = D²/(4λ)。
影响因素：晶片越大→N越长；频率越高→波长越短→N越长。
过了近场区，声压随距离单调下降，规律稳定，适合做缺陷定量检测。
在远场区，超声波可以看作球面波，声压与距离成反比。
半扩散角决定了声束是'聚'还是'散'。
高频+大晶片 = 狙击枪
打得准、打得远、分辨力高。适合薄工件、小缺陷、近表面。
低频+小晶片 = 霰弹枪
打得宽、覆盖面大、衰减小。适合厚工件、粗晶材料、找大缺陷。
未扩散区紧接近场区之后，从N到约1.6N之间。
在这个区域里，声束近似平行，能量最集中，可以把超声波近似看作平面波。
探头是超声检测系统的核心部件：
直探头垂直发射超声波，主要产生纵波。结构：压电晶片 + 阻尼块 + 外壳 + 保护膜。
阻尼块就像敲钟后的消音器。
没有阻尼块：晶片持续振动，脉冲'拖尾'很长，就像敲钟后钟声久久不散——前后两个缺陷的回波会糊在一起分不清。
有阻尼块：振动被快速吸收，脉冲'干脆利落'，前后缺陷分得清。
斜探头通过楔块让超声波斜着进入工件，产生横波。结构：压电晶片 + 透声楔块 + 外壳。
例如：K=1 → β=45°；K=2 → β=63.4°；K=0.5 → β=26.6°
双晶探头有两个晶片，中间有隔声层隔开——一个负责发射，一个负责接收。
双晶探头就像两个人——一个人喊（发射），另一个人听（接收）。
因为喊和听是分开的，所以不会被自己的喊声干扰，能听得更清楚。
单晶探头就像一个人又喊又听——自己的喊声会干扰听的效果，所以盲区大。
聚焦探头通过透镜（球面或柱面）把声束聚焦，提高局部区域的声能密度。
优点：横向分辨力高，检测粗晶材料时信噪比好。
超声波是机械波（弹性波），不是电磁波。这一点必须刻在脑子里！
机械波传播需要介质中的质点相互推动。
真空中没有质点，没有东西可以被推动。
所以机械波（包括超声波）在真空中无法传播。
电磁波不需要介质，因为电磁场本身就是物质存在的一种形式。
结论：超声波不能在太空中传播，X射线可以。
很多学生看到 c=λf，本能地认为'频率越高，声速越快'——这是天大的误会！
E是弹性模量（材料有多'硬'），ρ是密度（材料有多'重'）。这两个量只和材料有关，和波的频率无关。
声速 = 跑步速度（由跑道材料决定）
频率 = 步频（每秒跑几步）
波长 = 步长（每一步多远）
跑步速度不变，步频加快 → 步长缩短。频率高了波长会缩短，但声速不变！
已知：钢中纵波声速 c = 5900m/s（固定值）。
如果 f = 2.5MHz = 2,500,000Hz，则 λ = c/f = 5900/2,500,000 = 0.00236m = 2.36mm。
如果 f = 5MHz = 5,000,000Hz，则 λ = c/f = 5900/5,000,000 = 0.00118m = 1.18mm。
频率翻倍 → 波长减半，但声速始终是5900m/s。
结论：声速由介质决定，频率只影响波长。
斜入射时，同时产生折射纵波和折射横波，各自满足斯涅尔定律。
第一临界角：折射纵波角度达到90°时的入射角。
sin α₁ / C_L1 = sin 90° / C_L2 = 1 / C_L2
所以：sin α₁ = C_L1 / C_L2
α₁ = arcsin(C_L1 / C_L2)
有机玻璃→钢：C_L1=2730，C_L2=5900
α₁ = arcsin(2730/5900) = arcsin(0.463) ≈ 27.6°
第二临界角：折射横波角度达到90°时的入射角。
sin α₂ / C_L1 = sin 90° / C_S2 = 1 / C_S2
所以：sin α₂ = C_L1 / C_S2
α₂ = arcsin(C_L1 / C_S2)
有机玻璃→钢：C_L1=2730，C_S2=3230
α₂ = arcsin(2730/3230) = arcsin(0.845) ≈ 58.4°
| 衰减类型 | 本质 | 与材料关系 | 与频率关系 | 类比 |
|---|---|---|---|---|
| 扩散衰减 | 波阵面变大，能量摊薄 | 无关 | 无关 | 手电筒照墙 |
| 散射衰减 | 晶粒把声波弹飞 | 粗晶材料严重 | 频率越高越严重 | 大雾天开车 |
| 吸收衰减 | 材料把声能变热能 | 粘滞性大的材料严重 | 频率越高越严重 | 海绵吸水 |
想象晶片上有100个点，每个点都是一个'小喇叭'。
大晶片 = 500个小喇叭。500个声波叠加，干涉范围当然大（近场长）。
小晶片 = 50个小喇叭。50个声波叠加，干涉范围小（近场短）。
晶片越大 = 喇叭越多 = 声音越'乱'的范围越大。
扩散角小 → 声束细 → 分辨力高 → 适合检测小缺陷、薄工件
扩散角大 → 声束宽 → 覆盖范围大 → 适合检测大缺陷、厚工件
拿到一个工件，怎么选探头？一步一步来：
| 检测场景 | 波型 | 探头 | 频率 | 理由 |
|---|---|---|---|---|
| 50mm厚钢板内部夹杂 | 纵波 | 直探头 | 2~5MHz | 内部缺陷、平行表面 |
| 20mm厚焊缝内部裂纹 | 横波 | 斜探头K=1~2 | 2.5~5MHz | 倾斜缺陷、焊缝检测 |
| 10mm薄板近表面分层 | 纵波 | 双晶直探头 | 5MHz | 盲区小、近表面检测 |
| 粗晶不锈钢焊缝 | 横波 | 斜探头 | 1~2MHz | 低频减少散射衰减 |
| 轴承滚道表面裂纹 | 表面波 | 表面波探头 | 2.5~5MHz | 能量集中在表面 |
| 效应 | 能量转换 | 应用场景 | 记忆法 |
|---|---|---|---|
| 正压电效应 | 机械能 → 电能 | 探头接收回波 | 被压出电 = 被动接收 |
| 逆压电效应 | 电能 → 机械能 | 探头发射超声波 | 通电就动 = 主动发射 |
压电晶体内部有正负电荷中心。
正压电效应：外力使晶体变形 → 电荷中心位移 → 表面产生电荷（机械→电）。
逆压电效应：外加电场使电荷中心位移 → 晶体变形（膨胀/收缩）→ 产生机械振动（电→机械）。
同一种晶体，两种效应都存在，只是方向相反。
居里温度：温度太高，晶体结构破坏，压电效应消失。
四个课时就是这条主线的四个节点：
课时1 = 认识'子弹'（超声波是什么）
课时2 = 学习'弹道'（子弹怎么飞、遇到什么会反弹）
课时3 = 了解'射程'（子弹多远内打得准）
课时4 = 选择'枪械'（用什么枪打什么目标）
| 公式 | 适用场景 | 记忆要点 |
|---|---|---|
| c = λf | 计算波长/频率/声速 | 声速由介质决定，与频率无关 |
| Z = ρc | 计算声阻抗、反射率 | 差异越大反射越强 |
| sinα/C₁ = sinβ/C₂ | 计算折射角、临界角 | 斯涅尔定律 |
| N = D²/(4λ) | 计算近场长度 | 大晶片+高频=远盲区 |
| θ₀ = arcsin(1.22λ/D) | 计算扩散角 | 高频像针低频像伞 |
| K = tanβ | 计算K值、折射角 | 薄大K厚小K |
判断题：J1, J2, J3, J6, J7, J8, J9, J10, J11, J30, J31（11道）
选择题：C1, C7, C10, C13, C14, C16, C17, C23（8道）
判断题：J5, J14, J17, J24, J26, J27, J32, J34（8道）
选择题：C38, C39, C40, C46, C48, C50（6道）
判断题：J36, J37, J38, J42, J43, J46, J47, J51, J53（9道）
选择题：C52, C55, C57, C58, C59（5道）
判断题：J59, J60, J62, J76, J77, J78, J79, J81, J82, J83（10道）
选择题：C60, C61, C62, C63, C65, C66（6道）
考试就像工厂质检——你不是要造一个完美的零件，而是要快速、准确地判断零件合格不合格。
不要追求完美答案，要追求快速排除错误选项。
| 方法 | 原理 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 超声检测(UT) | 机械波反射 | 灵敏度高、穿透强、定位准 | 需耦合剂、粗晶困难 | 焊缝、锻件、管道 |
| 射线检测(RT) | 电磁波穿透 | 直观成像、可存档 | 辐射危险、成本高 | 焊缝、铸件 |
| 磁粉检测(MT) | 漏磁吸附 | 简单快速、成本低 | 仅铁磁性材料、表面缺陷 | 表面裂纹 |
| 渗透检测(PT) | 毛细渗透 | 简单直观 | 仅表面开口缺陷 | 表面裂纹 |
超声波检测以灵敏度高、穿透力强、定位定量准确著称，是压力容器、管道、航空航天、核电、铁路等领域不可替代的检测手段。
声阻抗的单位是 kg/(m²·s)，也叫瑞利(Rayl)。
| 材料 | 密度ρ(kg/m³) | 纵波声速c(m/s) | 声阻抗Z(MPa·s/m) |
|---|---|---|---|
| 钢 | 7800 | 5900 | 46.0 |
| 铝 | 2700 | 6300 | 17.0 |
| 有机玻璃 | 1180 | 2730 | 3.2 |
| 水 | 1000 | 1480 | 1.48 |
| 空气 | 1.2 | 340 | 0.0004 |
Z_钢 = 46.0，Z_空气 = 0.0004
r = (46.0 - 0.0004) / (46.0 + 0.0004) ≈ 46.0 / 46.0 ≈ 0.99998
R = r² ≈ 0.99996 ≈ 99.996%
结论：钢-空气界面几乎100%反射！
这就是为什么必须涂耦合剂——不涂耦合剂，超声波全反射，根本进不了工件。
| 参数 | 近场区 | 未扩散区 | 远场区 |
|---|---|---|---|
| 长度范围 | 0 ~ N | N ~ 1.6N | ≥ 1.6N |
| 声压特点 | 起伏剧烈，干涉严重 | 近似平行，能量集中 | 单调下降，规律稳定 |
| 波型近似 | 复杂干涉 | 近似平面波 | 球面波 |
| 定量准确性 | 不准 | 较准 | 准 |
| 定位准确性 | 误差大 | 误差较小 | 误差小 |
| 实际建议 | 避开定量 | 可定量 | 最佳定量区 |
近场区 = 坑坑洼洼的烂泥路——车速忽快忽慢，测不准。
未扩散区 = 刚修好的水泥路——基本平稳，能测但还有点颠簸。
远场区 = 高速公路——速度稳定，测得准。
斜探头楔块磨损改变了入射角，从而改变了折射角β，最终改变了K值（K=tanβ）。
斜探头楔块就像一块三角板。
前部磨损 = 把三角板前面切掉一点 → 斜边变平 → 角度变小 → K值变小。
后部磨损 = 把三角板后面切掉一点 → 斜边变陡 → 角度变大 → K值变大。
假设原始K=2（β≈63.4°），检测深度30mm的缺陷。
声程 = 深度 × √(1+K²) = 30 × √5 ≈ 67mm。
如果前部磨损导致K值变为1.5（β≈56.3°）。
实际声程 = 30 × √(1+1.5²) = 30 × √3.25 ≈ 54mm。
但仪器仍按K=2计算，显示声程67mm → 定位误差13mm！
结论：K值磨损不校正，缺陷定位会偏差很大。
① 熟记常见材料声速表（做到脱口而出：五九三二三）
② 完成临界角计算题3道（有机玻璃→钢、有机玻璃→铝、水→钢）
③ 完成近场长度计算题3道（不同探头参数对比）
④ 画出斜探头工作过程示意图（从发射到接收的10步）
第5课时：A型脉冲反射式探伤仪——同步电路、发射电路、接收电路、扫描电路。
第6课时：试块与仪器-探头组合性能测试——CSK-ⅠA、入射点测定、K值测定。