超聲波第一臨界角怎麼求

Ⅰ 我要高中物理全部公式，有文字的，高分

高中物理公式、規律匯編表
一、力學公式
1、胡克定律： F = kx (x為伸長量或壓縮量,K為倔強系數，只與彈簧的原長、粗細和材料有關)
2、重力： G =mg (g隨高度、緯度、地質結構而變化)
3、求F、的合力的公式：
F＝
合力的方向與F1成a角：
tga=
注意：(1)力的合成和分解都均遵從平行四邊行法則。
(2)兩個力的合力范圍：úF1－F2ú£F£F1+F2
(3)合力大小可以大於分力、也可以小於分力、也可以等於分力。
4、兩個平衡條件：
（1）共點力作用下物體的平衡條件：靜止或勻速直線運動的物體，所受合外力
為零。
åF=0 或åFx=0 åFy=0
推論：[1]非平行的三個力作用於物體而平衡，則這三個力一定共點。
[2]幾個共點力作用於物體而平衡，其中任意幾個力的合力與剩餘幾個力
（一個力）的合力一定等值反向
( 2 ) 有固定轉動軸物體的平衡條件：力矩代數和為零．
力矩：M=FL (L為力臂，是轉動軸到力的作用線的垂直距離）
5、摩擦力的公式：
(1 ) 滑動摩擦力： f=mN
說明：a、N為接觸面間的彈力，可以大於G；也可以等於G;也可以小於G
b、m為滑動摩擦系數，只與接觸面材料和粗糙程度有關，與接觸面
積大小、接觸面相對運動快慢以及正壓力N無關.
(2 )靜摩擦力：由物體的平衡條件或牛頓第二定律求解,與正壓力無關.
大小范圍： O£f靜£fm (fm為最大靜摩擦力，與正壓力有關)
說明：
a、摩擦力可以與運動方向相同，也可以與運動方向相反，還可以與運動方向成一定夾角。
b、摩擦力可以作正功，也可以作負功，還可以不作功。
c、摩擦力的方向與物體間相對運動的方向或相對運動趨勢的方向相反。
d、靜止的物體可以受滑動摩擦力的作用，運動的物體可以受靜摩擦力的作用。
6、浮力： F=rVg (注意單位)
7、萬有引力： F=G
(1)．適用條件 (2)．G為萬有引力恆量
(3)．在天體上的應用：（M一天體質量 R一天體半徑 g一天體表面重力
加速度）
a、萬有引力=向心力
G
b、在地球表面附近，重力=萬有引力
mg = G g = G
c、第一宇宙速度
mg = m V=
8、庫侖力：F=K (適用條件)
9、電場力：F=qE (F與電場強度的方向可以相同，也可以相反)
10、磁場力：
（1）洛侖茲力：磁場對運動電荷的作用力。
公式：f=BqV (B^V) 方向一左手定
（2）安培力：磁場對電流的作用力。
公式：F= BIL（B^I）方向一左手定則
11、牛頓第二定律： F合=ma或者åFx=m axåFy=m ay
理解：（1）矢量性（2）瞬時性（3）獨立性
（4）同體性（5）同系性（6）同單位制
12、勻變速直線運動：
基本規律： Vt=V0+ a t S = vot+a t2幾個重要推論：
(1) Vt2－V02= 2as （勻加速直線運動：a為正值勻減速直線運動：a為正值）

(2) AB段中間時刻的即時速度:
Vt/ 2==
(3) AB段位移中點的即時速度:
Vs/2 =
勻速：Vt/2=Vs/2 ;勻加速或勻減速直線運動：Vt/2<Vs/2
(4)初速為零的勻加速直線運動,在1s、2s、3s­……ns內的位移之比為12：22:32
……n2；在第1s內、第2s內、第3s內……第ns內的位移之比為1：3：5……
(2n-1); 在第1米內、第2米內、第3米內……第n米內的時間之比為1：：
……(
(5)初速無論是否為零,勻變速直線運動的質點,在連續相鄰的相等的時間間隔內的位移之差為一常數：Ds = aT2 (a一勻變速直線運動的加速度 T一每個時間間隔的時間)
13、豎直上拋運動：上升過程是勻減速直線運動，下落過程是勻加速直線運動。全過程是初速度為VO、加速度為-g的勻減速直線運動。
（1）上升最大高度：H =
(2) 上升的時間：t=
(3) 上升、下落經過同一位置時的加速度相同，而速度等值反向
(4) 上升、下落經過同一段位移的時間相等。
從拋出到落回原位置的時間：t =
（6）適用全過程的公式：S = Vot一g t2 Vt= Vo一g t
Vt2一Vo2=一2 gS （S、Vt的正、負號的理解）
14、勻速圓周運動公式
線速度: V=wR=2f R=角速度：w=
向心加速度：a =2f2R
向心力： F= ma = m2R= mm4n2R
注意：（1）勻速圓周運動的物體的向心力就是物體所受的合外力，總是指向圓心。
（2）衛星繞地球、行星繞太陽作勻速圓周運動的向心力由萬有引力提供。
（3）氫原子核外電子繞原子核作勻速圓周運動的向心力由原子核對核外電子的庫侖力提供。
15 直線運動公式：勻速直線運動和初速度為零的勻加速直線運動的合運動
水平分運動：水平位移：x= vot 水平分速度：vx= vo
豎直分運動：豎直位移：y =g t2豎直分速度：vy= g t
tgq= Vy= VotgqVo=Vyctgq
V = Vo=Vcosq Vy= Vsinq y Vo
在Vo、Vy、V、X、y、t、q七個物理量中，如果x )qvo
已知其中任意兩個，可根據以上公式求出其它五個物理量。vy v
16動量和沖量：動量：P = mV 沖量：I = F t
17動量定理：物體所受合外力的沖量等於它的動量的變化。
公式：F合t = mv』一mv (解題時受力分析和正方向的規定是關鍵)
18動量守恆定律：相互作用的物體系統，如果不受外力，或它們所受的外力之和為零，它們的總動量保持不變。（研究對象：相互作用的兩個物體或多個物體）
公式：m1v1 + m2v2= m1v1『+ m2v2』或Dp1=一Dp2 或Dp1+Dp2=O
適用條件：
（1）系統不受外力作用。（2）系統受外力作用，但合外力為零。
（3）系統受外力作用，合外力也不為零，但合外力遠小於物體間的相互作用力。
（4）系統在某一個方向的合外力為零，在這個方向的動量守恆。
18功： W = Fs cosq (適用於恆力的功的計算）
（1）理解正功、零功、負功
（2）功是能量轉化的量度
重力的功------量度------重力勢能的變化
電場力的功-----量度------電勢能的變化
分子力的功-----量度------分子勢能的變化
合外力的功------量度-------動能的變化
19 動能和勢能：動能：Ek=
重力勢能：Ep= mgh (與零勢能面的選擇有關)
20 動能定理：外力對物體所做的總功等於物體動能的變化（增量）。
公式： W合=DEk= Ek2一Ek1= 21 機械能守恆定律：機械能=動能+重力勢能+彈性勢能
條件：系統只有內部的重力或彈力做功.
公式： mgh1+或者DEp減=DEk增
22 功率： P = (在t時間內力對物體做功的平均功率)
P = FV (F為牽引力，不是合外力；V為即時速度時，P為即時功率；V為平均速度時，P為平均功率；P一定時，F與V成正比）
23簡諧振動：回復力： F =一KX 加速度：a =一
單擺周期公式： T= 2 (與擺球質量、振幅無關）
*彈簧振子周期公式：T= 2 (與振子質量有關、與振幅無關）
24、波長、波速、頻率的關系：V=lf =（適用於一切波）
二、熱學：
1、熱力學第一定律： W + Q =DE
符號法則：體積增大,氣體對外做功,W為「一」；體積減小,外界對氣體做功,W為「+」。
氣體從外界吸熱,Q為「+」；氣體對外界放熱,Q為「-」。
溫度升高,內能增量DE是取「+」；溫度降低,內能減少，DE取「一」。
三種特殊情況：(1)等溫變化DE=0，即W+Q=0
(2)絕熱膨脹或壓縮：Q=0即W=DE
（3）等容變化：W=0，Q=DE
2 理想氣體狀態方程：
（1）適用條件：一定質量的理想氣體，三個狀態參量同時發生變化。
（2）公式：恆量
（3）含密度式：
*3、克拉白龍方程： PV=n RT= (R為普適氣體恆量，n為摩爾數）
4、理想氣體三個實驗定律：
（1）玻馬—定律：m一定，T不變
P1V1= P2V2或PV =恆量
（2）查里定律： m一定，V不變
或或Pt= P0(1+
(3)蓋·呂薩克定律：m一定，T不變
V0(1+
注意：計算時公式兩邊T必須統一為熱力學單位，其它兩邊單位相同即可。
三、電磁學
（一）、直流電路
1、電流強度的定義： I =（I=nesv）
2、電阻定律：（只與導體材料性質和溫度有關，與導體橫截面積和長度無關）
3、電阻串聯、並聯：
串聯：R=R1+R2+R3+……+Rn
並聯：兩個電阻並聯： R=
4、歐姆定律：（1）、部分電路歐姆定律： U=IR
（2）、閉合電路歐姆定律：I =ε r
路端電壓： U =e－I r= IR R
輸出功率： = Iε－Ir =
電源熱功率：
電源效率：= =
（5）．電功和電功率：電功：W=IUt 電熱：Q=
電功率：P=IU
對於純電阻電路： W=IUt= P=IU =( )
對於非純電阻電路： W=IUt> P=IU>
（6）電池組的串聯每節電池電動勢為`內阻為，n節電池串聯時
電動勢：ε=n內阻：r=n
(7)、伏安法測電阻：
（二）電場和磁場
1、庫侖定律：，其中，Q1、Q2表示兩個點電荷的電量，r表示它們間的距離，k叫做靜電力常量，k=9.0×109Nm2/C2。
（適用條件：真空中兩個靜止點電荷）
2、電場強度：
（1）定義是：
F為檢驗電荷在電場中某點所受電場力，q為檢驗電荷。單位牛/庫倫（N/C），方向，與正電荷所受電場力方向相同。描述電場具有力的性質。
注意：E與q和F均無關，只決定於電場本身的性質。
（適用條件：普遍適用）
（2）點電荷場強公式：
k為靜電力常量，k=9.0×109Nm2/C2，Q為場源電荷（該電場就是由Q激發的），r為場點到Q距離。
（適用條件：真空中靜止點電荷）
（2）勻強電場中場強和電勢差的關系式：
（3）其中，U為勻強電場中兩點間的電勢差，d為這兩點在平行電場線方向上的距離。
3、電勢差：
為電荷q在電場中從A點移到B點電場力所做的功。單位：伏特（V），標量。數值與電勢零點的選取無關，與q及均無關，描述電場具有能的性質。
4、電場力的功：
5、電勢：
為電荷q在電場中從A點移到參考點電場力所做的功。數值與電勢零點的選取有關，但與q及均無關，描述電場具有能的性質。
6、電容：（1）定義式：
C與Q、U無關，描述電容器容納電荷的本領。單位，法拉（F），1F=106μF=1012pF
（2）決定式：
7、磁感應強度：（）
描述磁場的強弱和方向，與F、I、L無關。當I // L時，F=0，但B≠0，方向：垂直於I、L所在的平面。
8、帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動：
軌跡半徑：
運動的周期：
（三）電磁感應和交變電流
1、磁通量：（條件，B⊥S）單位：韋伯（Wb）
2、法拉第電磁感應定律：
導線切割磁感線產生的感應電動勢：（條件，B、L、v兩兩垂直）
3、正弦交流電：（從中性面開始計時）
（1）電動勢瞬時值：，其中，最大值
（2）電流瞬時值：，其中，最大值（條件，純電阻電路）
（3）電壓瞬時值：，其中，最大值，是該段電路的電阻。
（4）有效值和最大值的關系：（只適用於正弦交流電）
4、理想變壓器：（注意：U1、U2為線圈兩端電壓）
（條件，原、副線圈各一個）
5、電磁振盪：周期，
四、光學
1、折射率：（，真空中的入射角；，介質中的折射角）
（，真空中光速。，介質中光速）
2、全反射臨界角：
（條件，光線從光密介質射向光疏介質；入射角大於臨界角）
3、波長、頻率、和波速的關系：
4、光子能量：（，普朗克常量，=6.63×1034JS，，光的頻率）
5、愛因斯坦光電方程：
極限頻率：
五、原子物理學
1、玻爾的原子理論：
2、氫原子能級公式：
氫原子軌道半徑公式：
（n=1，2，3，……）
3、核反應方程：
衰變：（α衰變）

Ⅱ 　聲波法

固體中的機械波是聲波。由於其作用力的量級所引起的變形在線性范圍，符合虎克定律，也可稱其為彈性波。聲波檢測和淺層地震、面波勘探同屬彈性波「動測」技術。

聲波檢測（Sound Wave Detecting）所使用的波動頻率從幾百赫到50千赫（現場原位測試）及50到500千赫（岩石及砼樣品測試），覆蓋了聲頻到超聲頻，但在檢測聲學學科領域中稱其為「聲波檢測」。其測試原理與淺層地震相同，但使用頻率及測時精度均高於淺層地震勘探。

應提及的是，這里所闡述的聲波檢測包含被動聲波檢測，即不需要振源的地聲檢測技術。

12.3.1基本原理

聲波檢測技術中有三個聲學參量，即聲速（俗稱波速）、聲波波幅及頻率，可對介質的物性做出評價。當前應用最多的是聲速，其次為波幅，頻率參量也日漸加入應用。

聲波可以評價岩體（及混凝土）的性狀，更可提供物理力學參數，但固體的聲速和介質的幾何尺寸有關。無限體（大塊的岩體）、一維桿（防滑樁）、二維板（擋土牆）的聲速表達式中的動彈性力學參數不盡相同，邊界條件不一樣，有必要對它們分別討論。

12.3.1.1無限（無界）固體介質中的聲速

無限體指的是介質的尺寸遠比波長λ

波長A是一個基本的聲參量，其物理含意是聲波波動一個周期T所傳播的距離。所以A=T·C式中C為聲速。而周期 T與頻率f存在T=1/f，因此A=T·C=C/f。大，理論及實驗證明，當介質與聲波傳播方向相垂直的尺寸D＞(2～5）λ，此時的介質可認為是無限體。

聲速是介質質點彈性振動的傳遞（傳播）速度。由彈性理論可知，在無限固體介質中由應力引起彈性應變過程的波動方程為：

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式中：θ為體積膨脹率，

表示在聲波擾動下體積相對變化；u_x、u_y、u_z分別為x、y、z方向的位移；λ、μ為拉梅常數；▽²為拉普拉斯運算元，

；p為介質密度。將12.6式中的第一式對x求導，第二式對y求導，第三式對z求導，然後相加，可得：

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設

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式中：E為彈性模量；σ為泊松比，兩者都是介質的彈性常數，它們與拉梅常數λ、μ之間有一定互換關系。將（12.8）式代入（12.7）式，可有：

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顯然，（12.9）式中的C_l具有速度的量綱，代表介質內由質點振動傳遞過程引起的體積膨脹率的傳播速度，也就是縱波的傳播速度，人們常用v_P表示。即：

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縱波的質點振動傳播的物理過程可用圖12-6a表示。可見，質點的振動和傳播方向是一致的。

圖12-6縱波及橫波質點傳播過程

從三維角度看，質點的振動還可以與傳播方向相垂直，這種波動稱之為切變波或橫波，它不引起固體微元的體積變化，故從12.6式中令θ＝0可求得：

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式中：C_t代表橫波傳播速度，人們常用v_s表示。

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式中：G為剪切模量。橫波的質點振動傳播的物理過程可用圖12.6b表示。

（1）聲速與彈性力學參數：由（12.10）及（12.12）式可見，只要測取岩體的縱波及橫波聲速v_p及v_s，並已知岩體密度p的情況下，便可以獲取岩體的動彈性模量E、剪切模量 G及泊松比σ，對岩體的動力學特徵做出評價。故動彈性力學參數可由下列公式計算：

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（12.14）及（12.15）式中v_P及v_S以m/s計，p以kg/m³計，E、G的單位為Pa。

（2）用v_P/v_s評價岩體質量：泊松比σ反映的是岩體彈性性能，即在應力作用下產生縱向（應力方向）相對變形量與橫向（應力垂向方向）相對變形量之比的倒數，反映的是岩體的「軟」、「硬」程度。由於泊松比與縱、橫聲速之比有著密切的關系，所以常用縱、橫波速度之比來反映岩體的物理性狀。縱、橫波速度比v_P/v_s與泊松比σ的關系如表12-5。

顯然，v_P/v_s值越大，岩體越「軟」。通過大量的統計，v_P/v_s的量值與岩體的完整程度如表12-6。

表12-5縱橫波速度比 v_p/v_s與泊松比σ的關系

表12-6v_P/v_s的量值與岩體的完整程度

（3）聲速岩體完整性指數：評價岩體的質量也可以只用縱波聲速。例如「工程岩體分級標准」（GB50218-94）規定，可以用岩體的縱波波速v_Pm與岩石的縱波聲速v_Pr按（12.6）式測算出岩體完整性指數K_v。

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顯然岩體包含的裂隙、節理比小體積的岩石要少，故 K_v＜1。可見，它反映的是岩體的完整程度。由完整性指數，可對岩體的工程力學性質進行分類，如表12-7。

表12-7工程兵某部的岩體分類研究

（4）聲速與岩性：不同岩性由於其結構、礦物組合、成因、地質年代等因素的不同，聲速是不同的。又由於節理、裂隙等結構因素，它們的聲速並不固定，而分布在一定范圍。表12-8是常見到的幾種有代表性岩體的縱波聲速統計值。

表12-8常見岩體的縱波聲速統計值

（5）聲速與岩體風化：同一種岩性風化程度的不同其聲速有著明顯的區別（表12-9）。以長江三峽三斗坪壩岩體風化程度與縱波聲速為例，說明用縱波聲速劃分岩體風化的可行性。

表12-9風化岩石縱波聲速值（波速單位km/s)

（6）聲速與岩體的裂隙：眾所周知，岩體裂隙無論是原生的還是後期因地應力作用產生的次生裂隙，裂隙的出現便是岩體風化的開始。所以，有必要論述聲速與岩體裂隙及風化相關的機理。

聲學理論中的「惠更斯原理」對這一機理做出了合理的解釋。惠更斯原理指出：彈性介質中，在某一時刻 t，聲波波前上的所有點，均可視為該時刻開始振動的新的點振源，各點振源產生新的球面波，這些球面波在 t＋△t後波前的包絡的疊加組合，形成新的波前，如此循環不已。故當波動的前方有裂隙存在時，在裂隙尖端所產生的新的點振源將可繞過裂隙繼續傳播，形成波的「繞射」。繞射的過程聲線「拉」長，聲時（聲波傳播的耗時）加長，使視聲速降低，故聲速不僅可對岩體的風化程度加以劃分，對岩體中存在的裂隙有著極為敏感的反映，特別是張裂隙。

（7）聲速與岩體結構的關系：岩體的結構可分為四類：整體塊狀結構、層狀結構、碎裂結構、散體結構。聲波在整體塊狀結構中的傳播速度最快。後三類結構中，由於岩體的節理裂隙發育程度不相同，聲波在這種非均質介質中傳播，將會在不同的波阻抗界面產生波的反射、折射、波形轉換等，使聲線拉長，從而使聲速隨結構的復雜而降低。但在聲波的傳播中還有一個原理，即「費瑪原理」。費瑪原理指出：聲波從一個點向另一個點傳播，會沿著最短、最佳、最不費時的路徑傳播。這就決定了隨著岩體結構的不同，聲波的傳播走時是會有一定規律的，其關系如表12-10。

表12-10聲速與岩體結構

（8）聲速與地應力：裂隙對聲速的影響稱之為「裂隙效應」。岩體受到外界應力作用時，其變形首先是裂隙的壓密，由此可使聲速提高。但當應力超過強度極限，岩體又會出現新的裂隙而使聲速下降。圖12-7是四塊岩石試塊（砂岩）應力與聲速關系的實測曲線。

圖12-7岩石應力與超聲波波速的關系

P—壓力方向；F—發射換能器；S—接收換能器

根據上述原理，對岩體做應力釋放處理測取應力釋放前後的聲速，然後再對取得的岩心加壓測量其聲速，可推測出地應力的量值及方向。

12.3.1.2有限固體介質中的聲速

（1）一維桿的聲速：固體介質的尺寸和波長滿足下列關系稱為一維桿。即：

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式中：λ為波長，D是一維桿直徑，L是一維桿的長度。這時桿軸線方向的縱波聲速存在下列關系：

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顯然，

與無限體的縱波聲速相差

0.25,

，見（12.10式），當σ＝0.2～

（2）二維板的聲速：當固體二維板在x及y方向的尺寸遠大於：方向尺寸，且z方向的尺寸L_z＜λ時，二維板在x及y方向的縱波聲速如下：

而橫波聲速不依賴幾何尺寸。

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討論—維桿及二維板的縱波聲速，目的在於對滑坡體治理時可能採用抗滑樁及擋土牆等工程治理措施，其施工質量的檢測大多會採用聲波透射法及聲波反射法。對於正常聲速的取值及動彈性力學參數的測算，分別應使用（12.8式）及（12.9式）。抗滑樁使用混凝土的情況較多，一維桿使用反射波法對混凝土優劣的聲速劃分與用聲波透射法不同，見表12-11。其不同的原因是反射波使用的聲波頻率在1kHz左右（A=4m左右）屬一維桿的縱波聲速，而聲波透射法使用30kHz左右的頻率（λ＝0.13m左右）屬無限體的聲速。

表12-11測樁混凝土聲速分級

12.3.1.3聲波的反射、折射及波型轉換

聲波在固體介質中的反射、折射及波型轉換是岩體及砼聲學檢測的重要理論依據。

（1）垂直入射時的反射及透射：當固體介質不連續時，如存在波阻抗界面（波阻抗的定義是介質密度ρ與聲速c的乘積，即Z＝ρc），如圖12-8，如聲波傳播的聲線與x=n的界面相垂直，則為垂直入射。在該界面處，質點振動振速 v及振動產生的聲壓P具有聲壓連續及振速連續，如下：

圖12-8聲波（平面波）的入射、反射及透射示意圖

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式中：P、v為入射聲速的聲壓及振速；P₁、v₁為反射聲壓與振速；P₂、v₂為透過的聲壓及振速。將波阻抗Z＝ρc關系代入上式可求出：

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（12.22）式中的R_P為聲壓反射系數，（12.23）式中的_Rv為振速反射系數。它們從不同角度說明聲波反射的同一物理現象，聲壓反射系數說明了反射時質點振動的應力關系。同理可推導出聲壓透過系數。

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垂直反射比較簡單，不產生波型轉換。

（2）斜入射時的反射、折射及波型轉換：如果在波阻抗界面處入射聲波不是垂直入射，將產生反射、折射及波型轉換，其規律見圖12-9及圖12-10。

圖12-9聲波斜入射時的反射示意圖

註：

(a）縱波斜入射；（b）橫波斜入射

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反射、折射規律遵循Snell定律，如（12.25）式：

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式中：α_l、

β_l、β_t的含意見圖12-9及圖12-10。由（12.25）式可得到一個重要的入射角，稱為第一臨界角α_i：

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該式說明：當縱波入射角等於第一臨界角時，在比第一層介質聲速高的第二層介質中的折射角等於90°，即折射波在第二層介質表面滑行。

（3）斜入射時的反射及折射系數：圖12-9(a）縱波斜入射的反射系數 R_P（如式12.27），而圖12-10(a）中聲波的透過系數R_T（如式12.28）：

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（12.27）式及（12.28）式中的Z₁＝ρ₁c₁,Z₂＝ρ₂c₂，分別為上下層介質的波阻抗。

（4）聲波的繞射及散射：用惠更斯原理可解釋聲波的繞射，前文已述及，不再贅述。

聲波在介質中傳播，如介質中含有隨機分布的不同波阻抗的顆粒，而這些顆粒的幾何尺寸 r＜λ（λ為波長），這時聲波將被這些顆粒反射而散射開來，使聲波不能全部向前傳播形成聲能的損失，這種現象稱為散射。

12.3.1.4聲波的波幅及聲波的衰減

聲波的傳播是質點振動的傳遞過程，單位時間傳遞的距離就是「聲速」，而質點在振動傳遞過程中其振動的幅度便是聲波的「波幅」。聲波波幅會隨著質點振動相互碰撞，在將動能轉換成熱能的過程中，質點振動的能量耗損使其振動幅度漸減，稱之為聲波的衰減。聲波的衰減顯然隨介質材質、結構及聲波頻率的不同而各異，同一種介質，聲波頻率高衰減快。

在聲波檢測技術的應用中，目前還沒有用聲波的衰減評價被測介質特性，而是通過測量聲波波幅的變化檢測諸如岩體內裂隙的發育情況、風化特徵以及混凝土內部的各種缺陷等。

聲波的波幅A與傳播距離有下列關系：

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兩式中：A_m為發射點的聲波波幅；α為聲波衰減系數，l為傳播距離。（12.29）式適用平面波，（12.30）式適用球面波。

12.3.1.5聲波的頻率

由富氏變換可知，聲波檢測發射的脈沖波是由多個不同頻率的正弦波組成。在岩體中隨著傳播距離加大，或由於岩體裂隙的發育程度、風化程度的不同，接收到的脈沖波的高頻信號衰減快，使接收信號的主頻（能量最豐富的頻率）降低。故接收到的聲波信號的頻率特性，可反映出岩體的物理性狀。

12.3.1.6聲發射現象與凱薩效應

當岩體受到外力作用，例如地下殘余應力、人為或自然界對岩體產生擾動引發的應力集中等，超過岩體的強度時，岩體內部將被破壞。這種破壞往往要經歷一個過程，開始時局部產生微破裂，出現一些新的裂隙，當外應力增加，這種破裂的數量（次數）增加，新生的裂隙增加並延伸，外應力增加到一定程度後，最終造成整塊岩體破損坍塌。在上述岩體受力破壞的過程中，每產生一次破裂，能量被釋放並轉換成一次脈沖波動，形成一組聲脈沖，稱為「聲發射」。每出現一次聲發射，即為一次聲發射「事件」。

聲發射現象產生的脈沖聲波的頻譜甚為豐富，據國外文獻及國內有關單位研究，其頻率的上限到兆赫，下限到千赫。因此，可以在距離聲發射點幾十米以外接收到聲發射信號，一般接收儀器接收到的是主頻數千赫以下的聲發射脈沖波組。由所接收到聲發射事件的次數、單位時間內事件數，及聲發射信號的波幅強度等動力學特徵，可對岩體是否失穩進行預報。

岩體聲發射現象，還有一個特殊效應系由凱薩氏發現，定名為「凱薩效應」。從岩體上取下一塊完整的岩石試樣，放在材料試驗機上緩緩施加壓力，在所加壓力未超過它歷史上所受到應力之前，是不會發生聲發射的。由此，從加壓後開始出現聲發射現象之前的一級壓力，即為該岩體歷史上所受到的最大應力。

12.3.2觀測方法

聲波檢測（主動式）的全過程，可用圖12-11加以說明。當今聲波檢測儀均已數字化，現以數字化聲波檢測儀的發射、接收、數據採集及信號處理過程說明聲波檢測的觀測原理。

圖12-11聲波檢測（主動式）原理框圖

（1）聲波的發射：傳統的聲波儀用壓電型換能器的逆壓電效應將電脈沖信號轉換成機械振動，向岩體輻射聲波，其透射距離在10m以內（頻率20～50kHz）。為加大穿透距離，聲波儀也可以用電火花、錘擊等單次瞬態激勵振源向岩體發射聲波（頻率約3kHz以下）。

（2）聲波的接收：傳統的聲波儀多使用壓電型接收換能器的壓電效應，將經岩體傳播後的聲波信號轉換成電信號，這些信號攜帶了岩體的物理力學及地質信息。

（3）放大及數據採集：見圖12-11，由接收換能器送出的信號先經接收放大系統加以適當的放大，再經A/D轉換數據採集系統對放大後的信號由A/D轉換器將模擬信號轉換成二進制數字信號，並按采樣的時間順序存儲在隨機存儲寄存器（RAM），再將這些離散的二進制數字信號送入微電腦，最終接收換能器接收到的聲波信號波形顯示在電腦顯示屏上。目前最高檔的聲波檢測儀，在將波形顯示在屏幕上的同時，可將接收信號的首波波幅及首波的到達時間（即聲時）自動加以判讀，同時加以顯示。接收到的波形、波幅、聲時等可存入電腦的硬碟或軟盤，用作下一步的分析處理。上述聲波信息可在專用的數據與信息處理軟體的支持下，對被測介質作出評價。

（4）被動式聲波檢測：岩體中的聲發射信號、滑坡體蠕動產生的摩擦聲信號統稱為「地聲信號」。對這些信號的接收過程與圖12-11基本相同，只不過沒有聲波發射系統，但接收是多通道的（三個以上），故稱之為被動式聲波檢測。另一個重要的不同點是，它需要計時系統，記錄出現地聲的時刻，同時需對地聲脈沖信號的主頻、波幅量化處理後存儲記錄，統計出地聲事件出現的頻度。被動式聲波檢測儀必須長時間連續工作，提供不間斷的觀測記錄。地聲監測是地質災害的勘查手段之一，對於研究地質災害發展規律十分重要。

12.3.3檢測方法

由檢測對象及檢測目的的不同，聲波檢測有多種方法。

12.3.3.1透射法

發射的聲波經被測介質傳播透過後，由接收換能器接收的測試方法為透射法。

（1）表面測試：工程場地的岩體、混凝土，如需檢測內部結構特性、缺陷及力學性能，而目標體又有外露的測試面，可採用對測法，如圖12-12(a）；只有一個檢測面時，可採用平面測試法，如圖12-12(b）。

表面測試多用於地下洞室、隧道、邊坡、大型橋墩等如圖12-13。

圖12-12表面測試原理圖

I—聲波檢測儀；T—發射換能器；R—接收換能器；M—檢測介質

圖12-13聲波表面測試示意圖

1～3—隧道及洞室；4—橋墩類

＞發射點；接收點

（2）跨孔測試：在兩個相距一定距離的鑽孔中，分別放入發射振源和接收換能器，如圖12-14。具體方法有同步提升測試法，圖12-14(a）；斜測法，如圖12-14(b）；及扇面測試法，如圖12-14(c）。

跨孔測試用於孔間岩體破碎帶、岩溶、滑坡的滑帶（床）的測試；扇面測試用於聲波層析成像（CT）測試。此外，跨孔測試還用於防滑樁、擋土牆等地質災害防治工程的工程質量檢測。

如圖12-15，在鑽孔地面旁敲擊，孔中用三分量檢波器（或壓電換能器）接收。橫敲木板可測取地層橫波聲速，直接敲地面測取縱波聲速。地面—孔中測井可用於測取地層動力學參數，劃分地層，對滑坡體進行檢測，掌握滑床（帶）部位、物理性狀等。

圖12-14聲波跨孔測試示意圖

T—發射振源；R—接收換能器；H—鑽孔

12.3.3.2折射法——單孔一發雙收聲測井

如圖12-16，發射換能器 T近似點振源，故總有一條聲線滿足第一臨界角，這時進入岩體的聲波折射角為90°，射波沿孔壁滑行，以後又被相距L的R₁及相距為L＋△L的R₂接收，其聲時分別為t₁及 t₂。聲速v_P為：

圖12-15聲波地面—孔中測試示意圖

I—聲波儀；R—三分量檢波器；B—帖壁氣囊；M—岩體；H—鑽孔；W—激振木板；P—壓力；F—正向激振；F′—反向激振I—聲波儀；T—發射換能器；R₁、R₂—接收換能器；M—岩體；H—鑽孔

圖12-16單孔一發雙收聲波測井原理

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單孔－發雙收聲波測井用於岩體風化殼劃分及強度評價，深部地層的構造、軟弱結構面、破碎帶埋深及發育的勘查。

一發雙收聲波測井必須注意的問題是，接收換能器R₁在接收到沿孔壁滑行折射波的同時，還能接收到由井液中直接傳播的聲波，因此必須保證滑行波的走時t_.小於井液中傳播的聲時t_w，才能保證正確的測試。由於岩體的聲速大於井液的聲速，所以，只要加大發射換能器 T與接收換能器R1之間的距離 L(L稱源距）即可達此目的。通過計算可求得最小的源距 L_min有下列關系：

（12.32）式中D為鑽孔直徑；α為換能器外徑；C_w為井液聲速；C_m為岩體縱波聲速的最低值。

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（12.31）式說明，當一發雙收換能器的直徑及源距確定後，所能適用的鑽孔孔徑也就被限制在一定范圍之內。用其在鑽孔中進行測試之前，應按（12.31）式核算一下是否適應孔徑。

12.3.3.3反射法

圖12-17是樁（或混凝土擋土牆）反射波測試示意圖。用手錘或力棒敲擊樁頂產生入射波T，在樁底（或有缺陷 F）產生反射波R(R′）。接收感測器 T_，先後接收到直達波D、缺陷反射R′及樁底反射波R，即可由檢測儀器I將它們依次記錄。由記錄的波形可判斷樁是否完整，或有無缺陷，以及樁身混凝土聲速，並由聲速推斷混凝土質量（強度等級）、缺陷的位置。

圖12-17樁（牆）反射波測試

I—儀器；H—手錘；Tr—感測器；P—樁（牆）；F—缺陷；E—地層；T—入射波；R—樁底反射波；R′—缺陷反射波；D—直達波

上述樁的反射波法，實際是一維桿的「零」偏移距反射波法（也就是淺層地震所謂的最小偏移距反射法）。按此原理，還可以對地下連續牆、擋土牆進行牆體的完整性及深度檢測。依此類推，也可以對地下隧道開挖面前方的岩體破碎帶、溶洞等不良地質體進行「零」偏移距反射波法測試，目前已取得較好的實測結果。

12.3.3.4岩石樣品的聲波測試

（1）岩石樣品（試件）聲波測試的目的。岩石樣品多由鑽探取芯或工程現場取樣獲取。測試岩石樣品的目的是：獲取無結構面的完整岩石聲速，作為評價岩體完整性的基礎數據；研究聲速與應力間的關系；利用凱薩效應掌握歷史上曾受到過的地應力的最大值；提供岩石動彈性力學參數 E_d、G_d、σ等。

（2）岩樣的幾何尺寸與測試頻率的選擇。岩石樣品幾何尺寸較小，按有關規程規定，其尺寸應為5×5×5(cm）、5×5×10(cm）、φ7×5及φ7×10(cm）。為了獲取無限體的聲速，必須採用高頻換能器測取縱波、橫波聲速v_p、_v。頻率的選取原則是 D≥（2～5)A如2.1.1(B）節中的要求。因此，聲波換能器的頻率應在200～1000kHz，儀器的測量聲傳播時間的解析度，應達到0.1μs。

表12-12多種聲波檢測方法總匯

（3）岩石樣品的加工要求，見原地質礦產部《岩石物理力學性質試驗規程》（1986年12月頒布）。

12.3.3.5多種聲波檢測方法總匯

因檢測目的的不同，聲波檢測有著多種測試方法，各種方法又隨探測距離各異，出現多種發射振源及不同接收方式。各種聲波檢測方法的總匯如表12-12。

12.3.4信號處理

我國的聲波檢測儀已普遍實現數字化並領先於國際水平。數字化的實現，加速了信號處理技術的提高。目前已在多個方面應用了信號處理技術，並開發出了相應的處理軟體。

（1）為研究應用聲波信號的頻率特性，傅氏變換頻譜分析技術普遍用於聲波檢測，並備有相應軟體供用戶使用；

（2）高、低、通數字濾波軟體，用於濾除不同的干擾信號；

（3）積分處理對接收信號進行積分運算，將振動加速度信號轉換成振動速度型信號及消除接收信號（直達波及反射波）的余振；

（4）多點平滑濾波將數字序列中的第i點信號（i=0、1、2、3、……N）與相鄰的i+n個信號幅度相加除以i+n的值作為i點的波幅，目的是消除噪音使波形光滑；

（5）疊加處理將n次（n任選）發射、接收到數字信號序列逐點相加，使波幅增強，以提高信噪比，消除隨機噪音。

上述信號處理軟體，多已裝入儀器，可以方便地調用。

12.3.5數據處理

數據處理的目的是用測取的聲學參量，以及由它們衍生出的物理量評價岩體的結構、物理力學性能及混凝土結構強度、完整性等。

（1）聲速計算：

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其含義與（12.10）式及（12.12）式相同。

（2）岩體完整性指數（K_v）：

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式中：vP_m為岩體縱波聲速[km/s],vP_r為岩石試件縱波聲速[km/s]。根據《工程岩體分級標准》（GB50218-94）,K_v定性劃分岩體完整程度的對應關系如表12-13。

表12-13K_v定性劃分岩石完整程度的對應關系表

（3）准岩體抗壓強度（F_m）:

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式中：F_r為岩石試樣的單軸抗壓強度。

（4）岩體風化系數（I）：

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式中：

為完整岩體的縱波聲速；

為風化岩體的縱波聲速。

（5）動彈性力學參數：當測取了岩體及混凝土的縱波及橫波聲速，可求得下列動彈性力學參數

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（12.36）至（12.38）式中：v_P、v_s為縱、橫波聲速；ρ為密度。

12.3.6儀器設備

（1）水文地質工程地質專用聲波測井儀見表12-14。

表12-14水文地質工程地質專用聲波測井儀一覽表

（2）典型超聲波（聲波）檢測儀見表12-15。

（3）電火花振源：為加大聲波穿透距離，可使用大功率電火花振源。其原理是：在高壓儲能電容上充4～8kV電壓，然後通過電纜及放電電極在水中瞬間放電，使水高熱氣化，產生激勵脈沖聲波。其特點是：能量可控、一致性好、能量大。攜帶型電火花振源的能量可達300～700J（焦爾），湘潭市無線電廠生產，型號XW5512A。

表12-15典型超聲波（聲波）檢測儀

（4）發射與接收換能器：由於聲波測試方法的不同，需要有多種換能器，滿足不同的測試要求。現有定型生產的各類換能器，表12-16所示給出了它們的名稱及主要技術性能、外形尺寸、耦合方法及適應的測試方法。

表12-16定型生產的各類換能器

參考文獻

北京大學數學力學系.1973.地震勘探數字技術，北京：科學出版社

董萬里.1978.岩石動彈性性質的超聲測試，岩體工程地質力學問題，中國科學院研究所編，北京：科學出版社工程岩體分級標准（GB50218-94).1995.國家技術監督局、建設部聯合發布

谷德振.1979.岩體工程地質力學基礎，北京：科學出版社

理學報，第31卷，第6期

林宗元.1994.岩土工程試驗手冊，遼寧科學技術出版社

劉雲禎等.1996.瞬態面波法的數據採集處理系統應用及實例，物探與化探

唐大榮.1988.Mini-Sosie淺層高解析度反射波技術在西安市地裂縫研究中應用，地球物理學報，第31卷，第6期

唐大榮.1990.用淺層地震反射法探測河北省山前平原活動斷層依據及效果，物探與化探，第14卷，第2期

唐大榮.1994.地面岩溶塌陷的高分辨地震勘查，物探與化探，第18卷，第1期

王興泰.1996.工程與環境物探新方法新技術，北京：地質出版社

王振東.1988.淺層地震勘探應用技術，北京：地質出版社

吳慶曾.1996.小應變動力驗樁縱橫談，工程物探

吳慶曾.1998.聲波檢測的發射與接收，中國地質災害與防治學報，第9卷增刊（ISSN1003-8035）

吳慶曾.2000.論基樁完整性檢測技術，物探與化探

岩石物理力學性質試驗規程.1986.地質礦產部

楊成林等.1993.瑞雷波勘探.北京：地質出版社

Wu Qingzeng.1992.Sonic Reflection for lnspecting The lntegrity of Foundation Pile,14th International Conger s on Acoustics

Ⅲ 醫生請進!!!

超聲的基本知識:一、超聲波的物理性能:正常人耳能聽到的聲音頻率范圍為20～20000Hz（赫茲），低於20 Hz者稱為次聲波，聲源振動頻率高於20000Hz者則稱為超聲波。超聲波屬於機械波，可在彈性介質中以固有的速度傳播。超聲在固體中的振動狀態有縱波、橫波、表面波三種，在液體和氣體中只有縱波，醫療診斷用的是超聲的縱波。超聲波有三個基本物理量，即波長（λ）、頻率（f）、和聲速(C)，它們之間的關系為：C=λ.f 波長（λ）表示聲波在介質中傳播時兩個相鄰周期的質點之間的長度, 單位為毫米（mm）。頻率（f）表示單位時間內質點振動的次數，以赫茲（Hz）為單位，在超聲診斷中，使用頻率范圍通常為2.5～10 MHz (兆赫茲，1 MHz=1000000 Hz)。聲速(C)表示超聲在某種介質中的傳播速度，即單位時間內傳播的距離，單位為米/秒（m/s）。一般而言，固體物含量高者聲速最高；含纖維組織（主要為膠原纖維）高者聲速較高；含水量較高的軟組織聲速較低；體液中聲速更低；含氣臟器聲速最低。在醫學診斷中，超聲在人體中的平均傳播速度按1500 m/s計算。超聲波的束射性：由於超聲波頻率高，波長短，在均勻介質中呈直線傳播具有良好的束射性或指向性，因此可對人體組織器官進行定向探測。靠近聲源的近場區聲束寬度幾乎相等，指向性較好，而遠場區聲束則有一定的擴散，擴散角與聲源直徑（D）及波長（λ）有關，即Sinθ=1.22λ/D。超聲成像中需加用聲束聚焦技術，以提高遠場區的圖像質量。超聲波的反射：超聲波在兩種不同介質中傳播時會發生反射。反射是指聲波在界面上部分或全部返回的過程，它遵循以下定律：即①反射和入射聲束在同一平面上；②反射聲束與入射聲束在法線的兩側；③反射角與入射角相等。超聲能量的反射取決於相鄰介質聲阻抗的差別。聲阻抗（Z）可以理解為超聲在介質中傳播時所遇到的阻力，它等於介質密度（ρ）與聲速（C）的乘積，即Z=ρ.C ，單位為瑞利。超聲波反射能量由反射系數（R1）決定，式中Z1和Z2代表介質1和介質2的聲阻抗。R1=[(Z2-Z1)/(Z2+Z1)]2的平方。如果聲阻抗相等（Z1=Z2），則R1=0，無反射產生，這種情況見於生理狀態下膽囊內膽汁、膀胱內尿液和眼球玻璃體等，病變時可見於胸水、腹水、心包積液和囊腫等；如果聲阻抗不同（Z1≠Z2），則R1≠0，反射存在；只要聲阻抗差值大於1‰時，就會產生反射回波，所以超聲波對人體軟組織具有很高的分辨力。當兩種介質的聲阻抗相差很大時（Z1<<Z2），則R1很大，產生強反射，超聲波幾乎全部反射，如在空氣和水或空氣和組織的界面上。正因為如此，超聲檢查時要在探頭與體表之間塗上適量的超聲耦合劑，以減少空氣的影響，減少聲能的損失。此外，超聲檢查肺組織困難就是因為肺組織充滿氣體的緣故。人體軟組織和實質性臟器的密度、聲速、聲阻抗與水相接近（因臟器內水的成分約佔60％～70％），聲阻抗差很小，因此反射很少，如在垂直於肝—腎分界面的入射聲波中，反射回肝中的聲能大約只佔入射波能量的6%，其餘的94%透過界面進入腎臟。總之，界面反射是超聲波診斷的基礎，沒有界面反射就得不到需要診斷的信息，但反射太強，所剩餘的超聲能量就太弱，會影響進入到第二、三層介質中的超聲能量，使診斷受到影響。超聲波的折射：折射是指超聲波在通過不同聲速的介質時發生空間傳播方向改變的過程。超聲波的折射遵循折射定律，即入射角正弦與折射角正弦之比等於界面兩側介質的聲速之比，即：SinQi/SinQt=C1/C2由上式可知，當入射聲波垂直於界面時，不發生折射；當C2>C1時，隨著入射角的增大，折射角也增大；當入射角逐漸增大到某一角度θ時，折射角達到90°，即折射波沿界面傳播；而當入射角超過θ時，入射聲波全部反射到介質1中，無聲波進入介質2中，此時θ角稱為全反射臨界角。聲波經液體入射人體皮膚，其臨界角為 70°～80°,即入射角超過80°時，則無透射聲波。如果聲速相等就沒有折射，聲波在由一種介質進入另一種介質時不發生偏移。人體各種軟組織的聲速相當接近，因此其間發生很少的折射可被忽略掉，超聲波可看成是直線傳播。超聲波的散射：超聲波在傳播的過程中，遇到遠小於波長的微小粒子，超聲波與微粒相互作用後，大部分超聲能量繼續向前傳播，小部分能量激發微粒振動，形成新的點狀聲源並以球面波方式向各個方向發散傳播，稱為散射。探頭可以在任何角度接收到散射波。人體組織器官內部的微小結構在超聲場中能產生散射，是構成臟器內部圖像的另一聲學基礎。紅細胞的直徑比超聲波要小得多，它是一種散射體。多普勒血流儀即是利用血液中紅細胞有較強的散射，才獲得多普勒頻移信號。超聲波的繞射：繞射亦稱衍射，當障礙物直徑等於或小於λ/2時，則超聲繞過該障礙物而繼續前進，反射很少，這種現象叫作繞射。超聲波波長越短，能發現的障礙物越小。這種發現最小障礙物的能力，稱為顯現力。此外，鄰近超聲束邊緣的物體，雖然沒有阻礙超聲的傳播，但會使一部分聲波偏離原來的傳播方向，沿其邊緣繞行，繞過物體後又以接近原來的方向傳播。繞射現象可導致某些被測體後方聲影抵消，繞射現象是復雜的，它與障礙物的大小、聲波波長等有關。超聲波的衰減特性：超聲波在介質中傳播時，入射聲能隨傳播距離的增加而減少的現象稱為超聲衰減。導致衰減的原因主要有超聲反射、散射、聲速的擴散和吸收。聲速擴散是指聲波隨著傳播距離的增加向聲軸周圍擴散而引起單位面積上聲能量的減少，即聲強減弱。這種衰減可以使用聚焦加以克服。吸收衰減是由於介質或人體組織「內摩擦」或粘滯性而轉換成熱能被組織「吸收」。吸收的多少與超聲波的頻率、介質的粘滯性、導熱性、溫度和傳播距離等有關。人體不同組織對入射聲能的衰減不同，其中以蛋白質的衰減最大，水分衰減最小，因此含水量多的組織聲能衰減少。超聲波的分辨力：超聲波的分辨力系指能在熒光屏上分別顯示兩點的最小間距的能力。根據方向不同可分為縱向分辨力和橫向分辨力。縱向分辨力：是指超聲能區分平行於聲速的兩點間的最小距離，也稱軸向分辨力。它取決於波長，通常頻率越高，波長越短，縱向解析度越高。單純從理論上計算，能測到物體的最小直徑，稱做最大理論分辨力，在數值上等於λ／2，但實際顯示的分辨力要低於理論分辨力5～8倍。橫向分辨力：是指超聲能區分垂直於聲速的兩點間的最小距離。它取決於聲束直徑的大小，如聲束直徑大則橫向分辨力差。一般醫用超聲診斷儀的橫向分辨力都比縱向分辨力差。多普勒效應：由於聲源和接受體在介質中存在相對運動而引起所接收的振動頻率不同於聲源所發射的頻率，其間有頻率差（頻移），其差別與相對運動的速度有關，此現象稱為多普勒效應。其方程式為：fd=±2v.cosθ. fo／c或V=fd.c／2fo.cosθ式中fd為多普勒頻移，fo為入射頻率，V為接受體運動速度，C為聲速,θ為入射波與運動方向（如血流方向）之間的夾角。由於入射頻率和介質的聲傳播速度是恆定的，因此當聲速與血流間夾角一定時，頻移的大小取決於血流的速度，而頻移fd可以用多普勒裝置檢測出來，根據上式自然就可求得血流速度V，這便是多普勒超聲診斷儀用來檢測人體血流速度的基本原理。多普勒頻移fd范圍一般在數百到數千赫茲之間，為人耳所能聽到的音頻范圍內，所以檢出fd後，可以發出聲響並且監聽。超聲波的發射、接收和成像原理：超聲波的發射和接收：超聲波是機械波，可由多種能量通過換能器轉變而成。醫學診斷用的超聲波發生裝置是根據壓電效應原理製造。經過人工極化過的壓電晶體（如人工合成的壓電陶瓷），在機械應力的作用下會在電極表面產生正、負電荷，即機械能轉變為電能，此現象稱為正壓電效應；反之，將壓電晶體置於交變電場中，晶體就沿一定的方向壓縮或膨脹，即電能轉變為機械能，此現象稱為逆壓電效應。超聲波診斷儀主要由兩部分組成，即主機與探頭。探頭也稱為換能器，由壓電晶體組成，用來發射和接收超聲波。發射：超聲波的發射是利用逆壓電效應原理。當壓電晶體受到高頻交變電壓作用時，將在厚度方向上產生脹縮現象，即機械振動，這個振動的晶片形成了超聲波的聲源，引起鄰近介質形成疏密相間的波，即超聲波。接收：超聲波的接收是利用正壓電效應原理。當界面反射回來的聲波作用於探頭的壓電晶體時，相當於對其施加一外力，使晶體兩邊產生攜帶回聲信息的微弱電壓信號，將這種電信號經過放大、處理之後則能在顯示屏上顯示出用於診斷的聲像圖。超聲波的成像原理超聲成像主要是依據超聲波在介質中傳播的物理特性，其中最為重要的是超聲波反射、散射的特性。人體各種器官與組織，包括病理組織均有它特定的聲阻抗，當超聲波在人體這一復雜的介質中傳播時，因各組織之間存在著聲阻抗差別和大小不同界面，從而產生不同的反射與散射。探頭接收反射、散射回波信號，並根據其強弱用明暗不同的光點依次顯示在熒屏上，通過不同的掃查方式顯示出人體組織臟器各層面圖象，稱之為聲像圖。人體器官表面有被膜包繞，被膜與其下方組織的聲阻抗差大，形成良好的界面反射，聲像圖上出現清晰而完整的周邊回聲，從而顯示出器官的輪廓、形態與大小。超聲成像中將來自大界面的反射波和散射體的散射波稱為回波或回聲，根據回聲信息的多少，可大致分為以下幾類：①無回聲型：表明介質均勻，內無界面反射，透聲性好。主要見於含液性器官如充盈的膀胱、膽囊等，或含液性病變如囊腫、積液等。②低回聲型：表明介質均勻細小，聲阻抗差值較小，反射弱。多見於實質而又均質的器官，如肝、脾等。③強回聲型：表明界面聲阻抗差值大，反射強。主要見於肺、胃腸及骨骼等。超聲診斷儀的類型：應用於臨床的A型、B型、M型和D型超聲診斷儀都屬於反射型超聲診斷設備，它是根據超聲在通過兩種有差異的聲阻抗界面時產生回波反射的原理而設計。A型 即幅度調制型。此法是以波幅的高低代表界面反射的強弱。當單一晶體超聲束在傳播中遇到人體內各種界面時，按照回波出現先後，從左到右依次按實際距離顯示在示波屏水平線上，並按波的有無、多少、波幅高低、波形等，再結合體表多個方向，多點探測所描繪出病變大小等進行綜合分析來判斷疾病。它對於鑒別病變的物理性質、定位穿刺抽液等較為適用，是最早興起和使用的一種超聲診斷儀，由於其操作費時，缺乏直觀圖像以及B型診斷儀的推出，A型儀器現已基本淘汰不用。B型 即輝度調制型。此法是以光點的明暗度（灰階）代表界面反射的強弱，反射強則亮，反射弱則暗。採用多晶體多聲束連續掃描，每一單條聲束上的光點連續從而構成一幅切面圖像，並根據光點的有無、強弱、多少、分布等情況可以顯示臟器或病變內部的二維圖像。圖像縱軸表示組織深度，橫軸表示掃查的密度。當掃描速度超過每秒24幀時則能顯示臟器的實際活動狀態，稱為實時顯像。根據探頭及掃描方式不同，可分為線型掃描、扇型掃描和凸弧型掃描等。B型超聲尤其是現代實時灰階B超能清晰、直觀而逼真顯示臟器或病變組織的形態、大小、內部結構以及毗鄰關系等。因此，它是目前臨床使用最為廣泛的超聲診斷儀，也是最基本的但最為重要的一種顯像方式。M型 也屬一種輝度調制型。它是將單聲束超聲波所經過的人體各層解剖結構的回聲以「運動—時間」曲線的形式顯示的一種超聲診斷法。其圖像縱軸代表人體組織自淺至深的空間位置，橫軸代表掃描時間。此法主要用於心臟的檢查，故稱M型超聲心動圖。通常它與心臟實時成像結合使用，利用M型取樣線來探測心臟結構的活動，精確測量心臟各時相的室壁厚度和房室大小等，測定心功能。D型 即多普勒超聲，它是應用多普勒效應原理檢測心臟、血管內血液流動時所反射回來的各種多普勒頻移信息，以頻譜或彩色的形式顯示，所以分為頻譜多普勒和彩色多普勒。1、頻譜多普勒 它是將血流的信息以波形（即頻譜圖）的形式顯示，其橫軸代表時間，即血流顯示的時相。縱軸代表頻移，即血流的速度。在零位線上方的頻譜代表血流朝向探頭流動，在下方的頻譜代表血流背離探頭流動。頻譜多普勒可提供血流速度與方向、血流時相與性質（如湍流、層流）等參數。同時可監聽血液流動狀態的聲音稱多普勒信號音，正常為悅耳的聲音。根據發射和接收超聲方式的不同可分為脈沖波多普勒和連續波多普勒兩種。⑴脈沖波多普勒：採用單個換能器（探頭）以短脈沖群方式發射超聲，在發射間歇期又用以接收回聲信號。探頭在發射短脈沖群超聲的間歇時間，選擇性接收所需要檢測位置的信號，這種選擇性定位接收能力稱為距離選通能力，所需檢測的區域稱為取樣容積。脈沖多普勒可以定位取樣來檢測血流為其最大優點，但探查深度及檢測高速血流受到限制。⑵連續波多普勒：採用兩個換能器，一個連續發射超聲波，另一個換能器連續接收回聲信號，沿聲束出現的血流和組織運動多普勒頻移均被疊加接收並顯示出來，缺乏距離選通定位能力。其優點是不受深度限制並可測高速血流。目前超聲儀的連續波多普勒可測量的最大流速可達10m/s，完全可以滿足臨床上的需要。2、彩色多普勒 彩色多普勒可與B型超聲、M型超聲及頻譜多普勒並用，該技術有以下三種類型。⑴ 彩色多普勒血流成像（CDFI）此法是在B型超聲基礎上，對血流的脈沖波多普勒信號進行彩色編碼，以色彩形式來顯示血流方向、血流速度及血流性質。通常以紅、藍、綠三色為基色，把朝向探頭運動產生的正向多普勒頻譜規定為紅色，背離探頭運動產生的負向多普勒頻譜規定為藍色，而方向雜亂的湍流定為綠色。除用顏色表示血流方向外，速度的快慢即頻移的大小則用顏色的亮暗來表示。彩色信號均勻無顏色的變化為層流，湍流時色彩雜亂。CDFI是實時二維血流成像，它不僅能清晰顯示心臟、血管的斷面解剖，而且能直觀顯示血流分布情況。CDFI已廣泛地應用於心臟和血管疾病的診斷，尤其對先天性心臟病、瓣膜病具有重要的臨床應用價值。CDFI同樣具有前述脈沖多普勒的使用限制，即探查深度與血流速度相互制約。當增加檢測深度時，能檢測的最大速度也下降。此外血流成像受超聲入射角度的影響很大，當超聲入射與血流方向的夾角為90о時，Cos90о=0, 則無多普勒效應發生，因此血流不能顯示；其夾角為0о時，血流顯示最佳。通常超聲入射角不能大於60о。⑵ 彩色多普勒能量圖（CDE） 它是對多普勒頻移信號的振幅-頻移曲線的面積即多普勒信號能量進行彩色編碼顯示。其能量大小主要取決於取樣中的流速相同的紅細胞相對數量的多少，因此不受超聲入射角度的影響；顯示的信號動態范圍大，即從低速至高速等不同流速的血流均能顯示。它的不足之處在於不能用彩色信號表示血流方向，不能表明血流速度的快慢，不能判斷血流的性質。⑶ 彩色多普勒方向能量圖（CCD）為混合彩色多普勒，即彩色多普勒血流成像技術與能量多普勒技術的混合。用不同的顏色編碼表示血流方向，但以能量方式顯示血流。通過這兩種技術的互補，可為超聲診斷提供更全面、更豐富的血流信息量。：超聲偽像或稱偽差是指超聲顯示的斷面圖像（包括二維聲像圖、彩色多普勒血流顯像等），與相應的解剖斷面或血流的流動軌跡圖之間存在差異。這種差異使超聲圖像不同程度的失真，從而導致誤診或漏診，因此必須加以識別。超聲偽像主要與三種因素有關：①與超聲傳播過程中某些物理特性有關；②與儀器的質量和調節因素有關；③與人體組織內某些正常結構和生理因素有關。1混響偽像：超聲垂直投射到平整的界面如胸壁、腹壁上，超聲波可在探頭和界面之間來回反射，出現多條等距離的回聲，回聲強度隨深度而遞減，也稱多次反射。混響偽像多見於膀胱前壁、膽囊底、表淺囊腫及腹水中，可被誤認為壁的增厚或腫瘤等，另外可掩蓋局部的低回聲小病灶而造成漏診。含氣的肺、腸腔可產生強烈的混響伴有後方聲影，俗稱「氣體反射」。採取適當的加壓檢查、側動探頭以改變聲束投射方向和角度、儀器近場抑制等方法，可使混響偽像減弱或消失。2多次內部混響：超聲在器官組織的異物內（亦稱「靶」內，如節育器，膽固醇結晶）來回反射，產生特徵性的彗星尾征，此現象稱內部混響。3切片厚度偽像：又稱部分容積偽像。探頭發射的超聲束具有一定的厚度或稱寬度，因此聲像圖其實是一定厚度以內空間回聲信息的疊加圖像。切片厚度偽像是因超聲束較寬，掃查時斷層較厚所引起。例如膽囊內出現鄰近肝實質的點狀回聲，類似泥沙樣結石。識別方法是改變體位，膽囊內假性泥沙樣回聲不會移動。4旁瓣偽像：旁瓣又稱「側瓣」，它圍繞著主瓣（主聲束）呈放射狀分布，在人體組織中傳播時，具有與主聲束完全相同的聲學特性。旁瓣偽像是由旁瓣反射回聲造成，例如結石、腸腔氣體等強回聲兩側出現的「狗耳」征或稱「披紗」征。因偽像特殊，容易識別。5聲影：聲影是超聲束遇到強反射（如含氣肺）或聲衰減很高的物質（如骨骼、結石、鈣化等），超聲束不能到達這些物質的後方，在其後方出現條帶狀無回聲區即聲影。結石、鈣化灶的聲影很清晰，而氣體反射引起的聲影邊緣模糊。6後方回聲增強：當超聲束通過聲衰減很小的器官或病變時，在其後方的回聲強度大於同一深度的鄰近組織的回聲。例如在膀胱、膽囊、囊腫等含液性結構的後方回聲增強，尤其囊腫的後方最為明顯。利用後方回聲增強效應，通常可以鑒別液性與實性病變。7折射聲影：折射聲影又稱邊緣聲影或邊界效應。當超聲入射角超過臨界角（臨界角是指入射角達到使超聲全部從界面上反射而不能透過界面的這一角度）時，產生全反射，以至在界面後方出現聲影。常見於球形結構（如囊腫）的側緣後方或器官的兩側邊緣（如腎的上、下極邊緣），其聲影為細狹條狀，與結石、鈣化灶的區別是結石等聲影在病灶的正後方，而折射聲影在病灶的側緣後方。改變掃查角度有助於識別這種偽像。鏡面偽像：超聲波傳播過程中遇到大而光滑的界面（類似平滑鏡面）時產生反射，反射回聲如遇到鏡面附近的靶標後按入射途徑折返，並再次經鏡面反射回探頭，此時在聲像圖上顯示出鏡面深部與此靶標距離相等形態相似的圖像。鏡面偽像常見於橫膈附近，例如在肋緣下向上掃查右肝、橫膈時，肝內單個病灶可在橫膈的兩側同時顯示。聲像圖上虛像即偽像總是位於實像的下方。識別這一偽像的基本方法是改變探頭角度，變化聲束方向，偽像將隨即發生變化或消失。9閃爍偽像：人體組織器官的低頻運動，如呼吸運動、心臟搏動、血管搏動都能產生低速的彩色信號，這些信號色彩較暗淡，閃爍出現並重疊於被檢測的血流信號中，干擾了對血流成像部位的觀察，這就是閃爍偽像。囑咐屏氣可清除呼吸運動帶來的影響，而由心臟、血管搏動引起者卻消除困難。10彩色混疊偽像：當被檢測的血流速度超過超聲儀發射超聲脈沖重復頻率（PRF）的1/2時（PRF/2是血流速度能被檢測的極限，稱為Nyquist頻率極限），就會出現同一方向的血流其顏色發生反轉，這就是彩色信號混疊現象。頻譜多普勒同樣也可出現頻譜信號的折反，即在基線的反方向出現另一頻譜信號。超聲檢查的優勢與限度：超聲檢查的優勢1超聲強度低，頻率高，對人體無放射性損傷、無痛苦；2對人體軟組織有良好的分辨力，有利於識別微小病灶；3有A型、B型、M型和多普勒超聲等，可根據不同需要選擇使用；4灰階切面圖像層次清楚，信息量豐富，因此它接近於真實的解剖結構；5活動組織器官能作動態的實時顯示，便於觀察分析；6無需造影劑即可顯示管腔結構，如腹腔大血管、肝靜脈、門靜脈和膽管等；7檢查便利、快捷和靈活，能獲取各種方位下的各種切面圖像，病灶定位準確；8能准確判定各種先天性心血管畸形的病變部位和性質；9可檢測心臟收縮與舒張功能，檢測血流速度及血流量，監測卵泡發育過程等；10使用攜帶型超聲診斷儀可方便急危重病人的床邊檢查。超聲檢查的限度1由於超聲某些物理特性，對骨骼、含氣臟器的檢查受到限制；2過於肥胖受檢者圖像質量下降，不利於圖像分析診斷；3超聲顯示範圍較小，整體性不如X線、CT、MRI等。4對操作者的技術、手法要求甚高，圖像質量和圖像信息量受人為因素的影響較大。超聲檢查前病人的准備一）檢查肝臟、膽囊、膽道及胰腺時須空腹，以防止胃腸內容物和氣體的干擾。必要時飲水充盈胃腔，以此作「透聲窗」，有利於胃後方的胰腺及腹內深部病變、血管等結構的顯示。二）早孕、婦科、膀胱及前列腺等盆腔臟器或盆腔病變的檢查，需適度充盈膀胱。三）行腹部超聲檢查前2天應避免胃腸鋇劑造影和膽系造影，因鋇劑可干擾超聲檢查。四）心臟、大血管及外周血管，淺表器官及組織的檢查，一般無需特殊准備。心肌和心包疾病心肌病是指除風濕性心臟病、冠心病、高血壓心臟病、肺心病和先天性心臟病等以外的主要以心肌病變為主要表現的一組疾病。按病因學分類：1原發性2繼發性。原發性心肌病分三種： 1擴張型（充血型 ）2肥厚型（梗阻型 ）3限制型（閉塞型）擴張型心肌病：以心肌廣泛性病變、收縮功能異常、全心擴大、心力衰竭為特徵的心臟病。病理生理：心肌的變性和壞死---心肌松軟---缺乏張力---心肌收縮力下降---心排血量減少---心室舒張末壓增高---全心擴大（以左心系擴大為主）---心室壁變薄---二尖瓣三尖瓣環擴大---造成返流---心肌收縮力下降---血流緩慢---心尖部血栓形成。臨床表現：充血性心力衰竭的症狀。超聲檢查常選用左室長軸觀、四腔觀、五腔觀，觀察腔室大小、室壁厚薄、瓣膜開放，利用多普勒技術測定瓣口血流速度及有無返流。聲像圖特點A.切面超聲心動圖：1）四腔擴大，以左心房、心室為著，呈球形，左室流出道增寬；2）四個瓣膜開放幅度均減低，以二尖瓣為著，二尖瓣開口變小與擴大左室形成大心腔小瓣口的特徵3）左室壁與室間隔厚度變薄，運動幅度小4）少數心尖部附壁血拴形成。B、M型超聲心動圖1）心室內徑擴大2）主動脈波群運動減低，重搏波消失3）二尖瓣口開放小，類似「鑽石樣」改變曲線，EPSS＞15mm 4)室間隔及左室壁運動幅度減低，增厚率下降C多普勒超聲心動圖：1）二尖瓣、三尖瓣口在左、右心房側返流束2）主動脈、肺動脈瓣口可見返流束3）各瓣口分別探及高速血流頻譜曲線。鑒別診斷1冠心病的心衰2貧血、甲亢性心臟病3風濕性瓣膜病。肥厚型心肌病以心室肌明顯非對稱肥厚、心室腔變小伴左室高動力性收縮和左室充盈受阻、順應性下降為特徵的心肌病。病理生理：心肌肥厚和排列異常---心室舒張功能受損---充盈緩慢---心室容量減小---靜脈迴流減少---多數患者以室間隔非對稱性肥厚---左室流出道狹窄---收縮中期二尖瓣前葉多出現異常向前運動（SAM）---加重左流狹窄---同時主動脈瓣出現收縮中期關閉現象---最終導致心肌順應性下降---心臟射血功能逐漸減弱---左心功能不全。根據左流狹窄分為二型：梗阻型與非梗阻型根據肥厚部位分為四型+心尖肥厚型：Ⅰ型：前部室間隔明顯增厚Ⅱ型：前、後部室間隔均增厚Ⅲ型：全部室壁均增厚Ⅳ型：室間隔與左室前、側壁增厚心尖肥厚型：心尖部心腔狹小，心腔閉塞。臨床表現：常以猝死為結局，也可以在疾病晚期進入充血性心力衰竭。超聲檢查除左室長軸觀、四腔觀外，取二尖瓣水平、乳頭肌水平短軸觀，觀察室壁增厚部位和厚度，左室流出道的寬窄及二尖瓣前葉SAM，主動脈瓣口收縮中期關閉現象。彩色多普勒探測左流射流及瓣口返流。聲像圖特徵A、切面超聲心動圖1）非對稱性心肌肥厚，以室間隔中上部為明顯，與左室後壁之比＞1.3。2) 由於增厚室間隔凸向左流及二尖瓣前葉SAM致左流變窄，左室流出道狹窄＜20mm 3＝ 心肌肥厚，回聲紊亂、粗糙形似米粒，左室腔縮小B、多普勒超聲心動圖1＝左室流出道在收縮期射流束，頻譜為單峰匕首狀2＝可探及二尖瓣及主動脈瓣口的返流束C、M型 超聲心動圖1＝收縮期二尖瓣前葉CD段可見到向前運動（SAM）2＝左室流出道變窄，常使E峰與室間隔相撞，EF下降速度明顯減弱3＝主動脈瓣運動異常，收縮中期瓣膜提前關閉，晚期再開放或左流速度很快，沖擊主動脈瓣引起主動脈瓣撲動4＝室間隔、左室壁運動先增強後降低。鑒別診斷：1）高血壓病2) SAM與主動脈瓣關閉不全、二尖瓣脫垂。三）、限制型心肌病發病率佔3% 病理生理：心內膜及心肌廣泛纖維化，心腔因纖維化和血栓形成而部分閉塞，限制心室充盈，導致心室舒張功能下降。心包積液：心包可因細菌、病毒、自身免疫、物理、化學等因素而發生急性反應和心包粘連、縮窄等慢性病變，常見的原因為結核、風濕、病毒、炎症、腫瘤等。病理生理心包由纖維素性與漿膜性兩部分組成，漿膜性分為臟和壁層，兩層之間為心包腔，內有20—30ml漿液，起潤滑作用。心包具有保護心肺、固定心臟、減少心臟搏動對肺的撞擊的作用，同時防止外力對心臟的影響。因上述原因使心包層滲出液體→心包腔積液→心包腔壓力逐漸升高→超過心包擴張的程度→心臟擴張受限→導致心室充盈減少→心排血量下降→體循環瘀血→靜脈壓升高→肝脾腫大→下腔靜脈可擴張→雙下肢浮腫。當心包大量液體積聚或超過心包承受擴張程度即使液體量不多，則出現心包填塞征。臨床表現:檢查方法：主要檢查左室長軸觀、心尖四腔觀及一系列短軸觀，觀察右室前壁、左室後壁、心尖部、心房頂部心包腔內液體量，隨體位變動時，低位液性暗區擴大情況。聲像圖特徵：在心包腔內出現無回聲暗區且隨體位而改變診斷心包積液。A、切面超聲心動圖：1少量心包積液（指液體量小於200ml）液體分布在左室後壁心包腔內，寬度為0.5-1.0cm，心臟運動不受影響。2中量心包積液（200-500ml），除左室後壁心包腔內液體寬度為1.0-2.0cm，右室前壁心包腔內液體寬度達0.5-1.0cm

Ⅳ 什麼是第三臨界角

第三臨界角：超聲波縱波傾斜入射到異質界面上，若第二介質中的橫波波速C，在第一介質中產生反射縱波和橫波，由於在同一介質中縱波聲速CL恆大於橫波聲速CS1，所以縱波折射角恆大於縱波折射角，即γL〉αS，隨著αS的增加γL也增加，當αS增加到一定角度時，γL=90°，這時橫波入射角稱為第三臨界角。

Ⅳ 什麼是第一臨界角和第二臨界角

臨界角：光線從光密介質射向光疏介質時，折射角將大於入射角；當入射角為某一數值時，折射角等於90°，此入射角稱第一臨界角。

其中是較低密度介質的折射率，及是較高密度介質的折射率。這條方程式是一條斯涅爾定律的簡單應用，當中折射角為90°。 當入射光線是准確的等於臨界角，折射光線會循折射界面的切線進行。以見光由玻璃進入空氣（或真空）為例，臨界角約為41.5° 。

光學描述：

全內反射僅僅可能發生在當光線從較高折射率的介質（也稱為光密介質）進入到較低折射率的介質（也稱為光疏介質）的情況下，例如當光線從玻璃進入空氣時會發生，但當光線從空氣進入玻璃則不會。

Ⅵ 怎樣選擇超聲波探頭和試塊，有什麼標准，依據是什麼

看一下網路的資料：

超聲波探頭
以構造分類
1.直探頭: 單晶縱波直探頭 雙晶縱波直探頭
2.斜探頭: 單晶橫波斜探頭a1<aL<aⅡ ， 雙晶橫波斜探頭
單晶縱波斜探頭 aL<a1為小角度縱波斜探頭
aL在a1附近為爬波探頭 爬波探頭；沿工件表面傳輸的縱波，速度快、能量大、波長長探測深度較表面波深，對工件表面光潔度要求較表面波松。（頻率2.5MHZ波長約2.4mm，講義附件11、12、17題部分答案）。
3.帶曲率探頭: 周向曲率 徑向曲率。
周向曲率探頭適合---無縫鋼管、直縫焊管、筒型鍛件、軸類工件等軸向缺陷的檢測。工件直徑小於2000mm時為保證耦合良好探頭都需磨周向曲率。
徑向曲率探頭適合---無縫鋼管、鋼管對接焊縫、筒型鍛件、軸類工件等徑向缺陷的檢測。工件直徑小於600mm時為保證耦合良好探頭都需磨徑向曲率。
4.聚焦探頭: 點聚焦 線聚焦。
5.表面波探頭:(當縱波入射角大於或等於第二臨界角,既橫波折射角度等於90形成表面波).
沿工件表面傳輸的橫波，速度慢、能量低、波長短探測深度較爬波淺，對工件表面光潔度要求較爬波嚴格。
第一章「波的類型」中學到：表面波探傷只能發現距工件表面兩倍波長深度內的缺陷。（頻率2.5MHZ波長約1.3mm，講義附件11、12題部分答案）。
壓電材料的主要性能參數
1.壓電應變常數d33:
d33=Dt/U在壓電晶片上加U這么大的應力,壓電晶片在厚度上發生了Dt的變化量,d33越大,發射靈敏度越高(82頁最下一行錯)。
2.壓電電壓常數g33:
g33=UP/P在壓電晶片上加P這么大的應力.在壓電晶片上產生UP這么大的電壓,g33越大,接收靈敏度越高。
3.介電常數e:
e=Ct/A[C-電容、t-極板距離(晶片厚度)、A-極板面積(晶片面積)];
C小→e小→充、放電時間短.頻率高。
4.機電偶合系數K:
表示壓電材料機械能(聲能)與電能之間的轉換效率。
對於正壓電效應:K=轉換的電能/輸入的機械能。
對於逆壓電效應:K=轉換的機械能/輸入的電能.
晶片振動時,厚度和徑向兩個方向同時伸縮變形,厚度方向變形大,探測靈敏度高,徑向方向變形大,雜波多,分辨力降低,盲區增大,發射脈沖變寬.（講義附件16、19題部分答案）。
聲 速: 324.0 M/S 工件厚度: 16.00MM 探頭頻率: 2.500MC
探頭K值: 1.96 探頭前沿: 7.00MM 坡口類型: X
坡口角度: 60.00 對焊寬度: 2.00MM 補 償: -02 dB
判 廢: +05dB 定 量: -03dB 評 定: -09 dB
焊口編號: 0000 缺陷編號: 1. 檢測日期: 05.03.09
聲 速: 324.0 M/S 工件厚度: 16.00 MM 探頭頻率: 5.00 MC
探頭K值: 1.95 探頭前沿: 7.00 MM 坡口類型: X
坡口角度: 60.00 對焊寬度: 2.00 MM 補 償: -02 dB
判 廢: +05 dB 定 量: -03 dB 評 定: -09 dB
焊口編號: 0000 缺陷編號: 1. 檢測日期: 05.03.09
5.機械品質因子qm:
qm=E貯/E損,壓電晶片諧振時,貯存的機械能與在一個周期內(變形、恢復)損耗的能量之比稱……損耗主要是分子內摩擦引起的。
qm大,損耗小,振動時間長,脈沖寬度大,分辨力低。
qm小,損耗大,振動時間短,脈沖寬度小,分辨力高。
6.頻率常數Nt:
Nt=tf0,壓電晶片的厚度與固有頻率的乘積是一個常數,晶片材料一定,厚度越小,頻率越高. （講義附件16、19題部分答案）。
7.居里溫度Tc:
壓電材料的壓電效應,只能在一定的溫度范圍內產生,超過一定的溫度,壓電效應就會消失,使壓電效應消失的溫度稱居里溫度(主要是高溫影響)。
8．超聲波探頭的另一項重要指標：信噪比---有用信號與無用信號之比必須大於18 dB。（為什麼？）
探頭型號
(應注意的問題)
1．橫波探頭只報K值不報頻率和晶片尺寸。
2．雙晶探頭只報頻率和晶片尺寸不報F(菱形區對角線交點深度)值。
例：用雙晶直探頭檢12mm厚的板材，翼板厚度12mm的T型角焊縫，怎樣選F值？
講義附件（2題答案）。
應用舉例
1.斜探頭近場N=a´b´COSb/plCOSa。 λ =CS/¦.
直探頭近場N=D/4l。 λ=CL/¦.
2.橫波探傷時聲束應用范圍:1.64N-3N。
縱波探傷時聲束應用范圍:³3N。
雙晶直探頭探傷時,被檢工件厚度應在F菱形區內。
3.K值的確定應能保證一次聲程的終點越過焊縫中心線，與焊縫中心
線的交點到被檢工件內表面的距離應為被檢工件厚度的三分之一。
4.檢測16mm厚的工件用5P 9×9 K2、2.5P9X9K2、2.5P13X13K2那一種探頭合適(聚峰斜楔).以5P9X9K2探頭為例。
(1).判斷一次聲程的終點能否越過焊縫中心線?
（焊縫余高全寬+前沿）/工件厚度
(2).利用公式：
N?(工件內剩餘近場長度)=N(探頭形成的近場長度)—N?(探頭內部佔有的近場長度) =axbxcosβ/πxλxcosα–Ltgα/tgβ,計算被檢工件內部佔有的近場長度。講義附件（14題答案）。
A． 查教材54頁表:
材料 K值 1.0 1.5 2.0 2.5 3
有機玻璃 COSb/ COSa 0.88 0.78 0.68 0.6 0.52
聚碸 COSb/ COSa 0.83 0.704 0.6 0.51 0.44
有機玻璃 tga /tgb 0.75 0.66 0.58 0.5 0.44
聚碸 tga /tgb 0.62 0.52 0.44 0.38 0.33
COSb/COSa、tga/tgb與K值的關系
查表可知cosβ/cosα=0.6, tgα/tgβ=0.44, 計算可知α=41.35°.
B． λ=Cs/?=3.24/5=0.65mm
C． 參考圖計算可知：
tgα=L1/4.5, L1=tg41.35°X4.5=0.88X4.5=3.96mm.
cosα=2.5/L2, L2=2.5/cos41.5°=2.5/0.751=3.33mm,
L=L1+L2=7.3mm, Ltgα/tgβ=7.3×0.44=3.21mm,(N?)
由（1）可知，IS=35.8mm, 2S=71.6mm
N=axbxcosβ/pxλxcosa=9×9×0.6/3.14×0.65=23.81mm,
1.64N=39.1mm, 3N=71.43mm.
工件內部剩餘的近場(N?)=N-N?=20.6mm(此范圍以內均屬近場探傷).
(1.64N-N?)與IS比較, (3N-N?)與2S比較,
使用2.5P13X13K2探頭檢測16mm厚工件,1.64N與3N和5P9X9K2探頭基本相同,但使用中仍存在問題，2.5P9X9K2探頭存在什麼問題？
一.探傷過程中存在的典型問題:
不同探頭同一試塊的測量結果

反射體深度 1#探頭 2#探頭
橫波折射角 聲程 橫波折射角 聲程
mm ( ) mm ( ) mm
20 21.7 21.7 32.8 24.3
40 24.4 45.0 32.5 49.8
60 25.8 70 30.9 75.6
80 28.9 101.8 29.1 102.0
注:1.晶片尺寸13´13 2.晶片尺寸10´20.
試驗中發現:同一探頭(入射角不變)在不同深度反射體上測得的橫波折射角不同,進一步試驗還發現,折射角的變化趨勢與晶片的結構尺寸有關,對不同結構尺寸的晶片,折射角的變化趨勢不同,甚至完全相反,而對同一
晶片,改變探頭縱波入射角,其折射角變化趨勢基本不變,上表是兩個晶片尺寸不同的探頭在同一試塊上測量的結果.
1#探頭聲束中心軌跡 2#探頭聲束中心軌跡
1.縱波與橫波探頭概念不清.
第一臨界角:由折射定律SinaL/CL1=SinbL/CL2,當CL2>CL1時,bL>aL,隨著aL增加,bL也增加,當aL增加到一定程度時,bL=90,這時所對應的縱波入射角稱為第一臨界角aI,
aI=SinCL1/CL2=Sin2730/5900=27.6,當aL<aI時,第二介質中既有折射縱波L¢¢又有折射橫波S¢¢.
第二臨界角:由折射定律SinaL/CL1=SinbS/CS2, 當Cs2>CL1時,bS>aL,隨著aL增加,bS也增加,當aL增加一定程度時,bS=90,這時所對應的縱波入射角稱為第二臨界角aⅡ.aⅡ
=SinCL1/CS2=Sin2730/3240=57.7.當aL=aI--aⅡ時,第二介質中只有折射橫波S,沒有折射縱波L,常用橫波探頭的製作原理。
利用折射定律判斷1#探頭是否為橫波探頭。
A. 存橫波探傷的條件:Sin27.6/2730=Sinb/3240, Sinb=Sin27.6´3240/2730=0.55,b=33.36,K=0.66。
B.折射角為21.7時： Sina/2730=Sin21.7/3240,Sina=Sin21.7´2730/3240,a=18.15,
小於第一臨界角27.6。
折射角為28.9時：
Sina/2730=Sin28.9/3240,Sina= Sin28.9´2730/3240,a=24,也小於第一臨界角27.6。
C.如何解釋1#探頭隨反射體深度增加,折射角逐漸增大的現象,由A、B
可知,1#探頭實際為縱波斜探頭,同樣存在上半擴散角與下半擴散角,而且上半擴散角大於下半擴散角。（講義附件9題答案）。
縱波入射角aL由0逐漸向第一臨界角aI(27.6)增加時,第二介質中的縱波能量逐漸減弱,橫波能量逐漸增強,在聲束的一定范圍內,q下區域內的縱波能量大於q上區域內的縱波能量,探測不同深度的孔,實際上是由q下區域內的縱波分量獲得反射回波最高點。
由超聲場橫截面聲壓分布情況來看,A點聲壓在下半擴散角之內,B點聲壓在上半擴散角之內,且A點聲壓高於B點聲壓。再以近場長度N的概念來分析,2.5P 13´13 K1探頭N=36.5mm,由此可知反射體深度20mm時,聲程約21.7mm,b=21.7時N=40.07mm為近場探傷。
在近場內隨著反射體深度增加聲程增大,A點與B點的能量逐漸向C點增加,折射角度小的探頭角度逐漸增大,折射角度大的探頭角度逐漸減少。
2.盲目追求短前沿:
以2.5P 13´13 K2探頭為例,b=15mm與b=11mm,斜楔為有機玻璃材料;
(1).檢測20mm厚,X口對接焊縫,缺陷為焊縫層間未焊透.
(2).信噪比的關系:有用波與雜波幅度之比必須大於18dB.
(3).為什麼一次標記點與二次標記點之間有固定波？
由54頁表可知：COSb/COSa=0.68，K2探頭b=63.44°，
COS63.44°=0.447，COSa=0.447/0.68=0.66，
COSa=6.5/LX，前沿LX=6.5/0.66=9.85mm。（講義附件6題答案）。
3.如何正確選擇雙晶直探頭:
(1).構造、聲場形狀、菱形區的選擇;
(2).用途:為避開近場區,主要檢測薄板工件中面積形缺陷.
(3).發射晶片聯接儀器R口,接收晶片聯接T口(匹配線圈的作用).
4.探頭應用舉例:
二.超聲波探頭的工作原理:
1．通過壓電效應發射、接收超聲波。
2．640V的交變電壓加至壓電晶片銀層，使面積相同間隔一定距離的兩塊金屬極板分別帶上等量異種電荷形成電場，有電場就存在電場力，壓電晶片處在電場中，在電場力的作用下發生形變，在交變電場力的作用下，發生變形的效應，稱為逆壓電效應，也是發射超聲波的過程。
3．超聲波是機械波，機械波是由振動產生的，超聲波發現缺陷引起缺陷振動，其中一部分沿原路返回，由於超聲波具有一定的能量，再作用到壓電晶體上，使壓電晶體在交變拉、壓力作用下產生交變電場，這種效應稱為正壓電效應，是接收超聲波的過程。正、逆壓電效應統稱為壓電效應。
※以儀器的電路來說，只能放大電壓或電流信號，不能放大聲信號。
試塊
※強調等效試塊的作用。
1．常用試塊的結構尺寸、各部位的用途，存在問題；（講義附件8、10、13、18題答案）。
2．三角槽與線切割裂紋的區別；
3．立孔與工件中缺陷的比較：
4．幾種自製試塊的使用方法；
A．奧氏體試塊：
B．雙孔法校準（主要用於縱波斜探頭探傷,如螺栓）（講義附件5、7題答案）。
計算公式：令h2/h1=n；
a=[n（t1+f/2）-（t2+f/2）]/(n-1) …… 1式
t1與t2為一次聲程分別發現h1與h2孔時的聲程（包含a）；
COSb=h1/（t1+f/2-a），b=COSh1/（t1+f/2-a）；
tgb=K，K=tgCOSh1/（t1+f/2-a） …… 2式
b=（L2-nL1）/（n-1） …… 3式
C．外圓雙孔法校準原理（外徑f>100mm的工件周向探傷用）：
計算公式：q=（ - ）180/Rp …… 1式
…… 2式
j=Sin[Sinq（R-h2）/A¢B] …… 3式
b=Sin（R-h1）Sinj/R …… 4式
tgb=K=tgSin（R-h1）Sinj/R …… 5式
=ÐeR/57.3- …… 6式
Ðe=Ðj-Ðb.
D.雙弧單孔法校準（外徑Φ<100mm的工件周向探傷用）:
(1)距離校準同CSK-ⅠA校圓弧;
(2).K值校準 b=COS[R2+(S+f/2)-(R-h)]/2R2(S+f/2) tgb=K
（講義附件3、15題答案）。
常用的兩種探傷方法
1.曲線法;
2.幅值法.