超聲波探傷第2講

1、1.2超聲場(chǎng)的特征值充滿超聲波的空間或超聲振動(dòng)所波及的部分介質(zhì),稱(chēng)為超聲場(chǎng)。描述超聲場(chǎng)的物理量即特征值主要有聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。一、聲壓P垂直作用于單位面積上的壓力稱(chēng)為壓強(qiáng)。任何靜止介質(zhì)不受外力作用時(shí),介質(zhì)所具有的壓強(qiáng)稱(chēng)為靜態(tài)壓強(qiáng)。當(dāng)介質(zhì)中有超聲波傳播時(shí),由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),使介質(zhì)中壓強(qiáng)交替變化。超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬時(shí)所具有的壓強(qiáng)與沒(méi)有超聲波存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)之差稱(chēng)為該點(diǎn)的聲壓，用P表示。 單位：帕斯卡（Pa） 1Pa=1N/ 1N/=10達(dá)因/cm對(duì)于平面余弦波可以證明： （1.13）式中：的密度；C介質(zhì)中的波速；A介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振幅：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的圓頻率,=2f；A質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值，A；時(shí)間；

2、m至波源的距離；m聲壓幅值。由上式可知：(1)超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓隨時(shí)間按正弦函數(shù)規(guī)律周期性地變化。(2)超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓幅值Pm與該點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)振幅和圓頻率成正比,而=2f,因此超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓與超聲波的頻率成正比。由于超聲波的頻率很高,遠(yuǎn)大于聲波的頻率,故超聲波的聲壓也遠(yuǎn)大于聲波的聲壓。二、聲阻抗Z介質(zhì)中某一點(diǎn)的聲壓P與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度V之比,稱(chēng)為聲阻抗,常用Z表示,Z。同一聲壓下,聲阻抗Z愈大,質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度就愈小。聲阻抗表示超聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。由（1.13）式得 （1.14）聲阻抗在數(shù)值上等于介質(zhì)的密度P與介質(zhì)中聲速C的乘積,單位為克或千克/。不同的介質(zhì)具有不同的聲阻

3、抗。聲阻抗是衡量介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)。超聲波在界面上的反射和透射率與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有密切關(guān)系。由于固體、液體和氣體三者的波速C和密度相差很大,因此它們的聲阻抗大不相同。在同一固體介質(zhì)中,由于縱潑、橫潑、表面波的波速不同,因此它們的聲阻抗也不一樣。常用固體介質(zhì)的聲阻抗列于表1.2。常用液體、氣體介質(zhì)的聲阻抗列于表1.4。在超聲波探傷中，溫度的變化對(duì)介質(zhì)的密度和波速都有影響，所以溫度變化對(duì)聲阻抗抗也有一定影響。三、聲強(qiáng)I單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的聲能,稱(chēng)為聲強(qiáng),用I表示。常用聲強(qiáng)的單位：爾格或者瓦/。對(duì)于平面余弦波,其平均聲強(qiáng)I為： （1.15）由(1.15)式可知,超聲場(chǎng)中,聲強(qiáng)與聲壓

4、平方成正比,與頻率平方成正比。由于超聲波的頻率很高,故超聲波的聲強(qiáng)很大,這是超聲波能用于探傷的重要依據(jù)。四、分貝和奈培的概念通常規(guī)定引起聽(tīng)覺(jué)最弱聲強(qiáng)為聲強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)。這在聲學(xué)上稱(chēng)為聞閾,即f1000時(shí)引起人耳聽(tīng)覺(jué)的聲強(qiáng)最小值。某一聲強(qiáng)I與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)之比取常用對(duì)數(shù)得到二者相差數(shù)量級(jí)，稱(chēng)為聲強(qiáng)級(jí)。用表示。聲強(qiáng)級(jí)的單位為貝爾（），即：IL=1g 貝爾（）實(shí)際探傷中,感到貝爾這個(gè)單位太大,常取10倍對(duì)數(shù),這時(shí)單位為分貝(dB) 分貝（）由于聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比,所以有：對(duì)于放大線性良好的超聲波探傷儀,示波屏上波高與聲壓成正比,即任意兩波高之比等于相應(yīng)的聲壓之比，二者的分貝差為：或與值的換算關(guān)系見(jiàn)圖1.13。

5、常用聲壓比(波高比)對(duì)應(yīng)的dB值列于表1.5。若對(duì)或取自然對(duì)數(shù),則其單位為奈培： 奈培（）令，分別代入（1.16）和（1.17）式得：18.6810.115由此可見(jiàn),分貝和奈培是兩個(gè)同量綱的量之比取對(duì)數(shù)以后的單位,分貝是取常用對(duì)數(shù),奈培是取自然對(duì)數(shù)。利用（1.16）式可以計(jì)算出超聲波探傷儀示波屏上任意兩波高的分貝差,下面舉例說(shuō)明之。1.3超盧波垂直入射到平界面上的反射和透射超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí),在兩種介質(zhì)的分界面上,一部分能量反射回原介質(zhì)內(nèi),稱(chēng)反射波,另一部分能量透過(guò)界面在另一種介質(zhì)內(nèi)傳播,稱(chēng)透射波。在界面上聲能聲壓、聲強(qiáng)的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規(guī)律,本節(jié)先討論超聲波

6、垂直入射到平界面上時(shí)的反射和透射情況,重點(diǎn)是聲能的分配比例。一、單一的平界面當(dāng)超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時(shí),將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波,在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波,如圖1.14所示。反射波與透射波的聲壓(或聲強(qiáng))是按一定規(guī)律分配的。這個(gè)分配比例由聲壓反射率(或聲強(qiáng)、反射率)和透射率(或聲強(qiáng)透射率)表示。設(shè)入射波的聲壓為P。(聲強(qiáng)為I0)，反射波的聲壓為(聲強(qiáng)為),透射波的聲壓為，(聲強(qiáng)為)。界面上反射波聲壓與入射波聲壓P0之比成為界面的聲壓反射率，用表示。式中：第一種介質(zhì)的聲阻抗；第二種介質(zhì)的聲阻抗。界面上透射波聲壓與入射波聲壓Po之比稱(chēng)為界面的聲

7、壓透射率，用表示。 （1.19）界面上反射波聲強(qiáng)與入射波聲強(qiáng)I0之比稱(chēng)為聲強(qiáng)反射率,用表示。 （1.20）界面上透射波聲強(qiáng)It,與入射波聲強(qiáng)I0之比稱(chēng)為聲強(qiáng)透射率,用T表示。 （1.21）以上說(shuō)明超聲波垂直入射到平界面上時(shí)，聲壓或聲強(qiáng)的分配比例僅與界面量測(cè)介質(zhì)的聲抗有關(guān)。下面討論幾種常見(jiàn)界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射和透射情況。(1)當(dāng)時(shí), ,反射波聲壓與入射波聲壓同相位。界面上反射波與入射波疊加類(lèi)似駐波,合成聲壓振幅增大為P0十。例如超聲波平面被垂直入射到水鋼界面。如圖1.15所示 以上計(jì)算表明,超聲波垂直入射到水/鋼界面時(shí)，其聲壓反射率r=0.935，聲壓透射率t =1.935。粗略地看，t1，似

8、乎違反能量守恒，其實(shí)不然，因?yàn)槁晧菏橇Φ母拍睿χ粫?huì)平衡不會(huì)守恒的，只有能量才會(huì)守恒。事實(shí)上,從聲強(qiáng)方面看,這里R+T=0.875+0.125=1，說(shuō)明符合能量守恒。（2）, 即反射波聲壓與入射波聲壓相位相反,反射波與入射波合成聲壓振幅減小。例如超聲波平面波垂直入射到鋼/水界面,如圖1.16所示。，則：110.8750.125以上計(jì)算表明，超聲波垂直入射到鋼/水界面時(shí),聲壓透射率很低，聲壓反射率很高。聲強(qiáng)反射率與透射率與超聲波垂直入射到水/鋼界面相同。由此可見(jiàn),超聲波垂直入射到某界面時(shí)的聲強(qiáng)反射率與透射率與從何種介質(zhì)入射無(wú)關(guān)。(3) 則：1110計(jì)算表明,當(dāng)入射波介質(zhì)聲阻抗遠(yuǎn)大于透射波介質(zhì)聲

9、阻抗時(shí),聲壓反射率趨于一1,透射率趨于0，即聲壓幾乎全反射，無(wú)透射，只是反射波聲壓與入射波聲壓有1800相位變化。探傷中，探頭和工件間如不施加耦合劑，則形成固（晶片）氣界面，超聲波將無(wú)法進(jìn)入工件。(4)當(dāng)時(shí),即界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗近似相等時(shí), 。如鋼的淬火部分與非淬火部分及普通碳鋼焊縫的母材與焊接金屬之間的聲阻抗相差很小，一般約為，左右，設(shè)1，0.99，則：10.9999751這說(shuō)明超聲波垂直入射到兩種聲阻抗相差很小的介質(zhì)組成的界面時(shí)，幾乎全透射無(wú)反射。因此在焊縫探傷中，若母材與焊接金屬結(jié)合面沒(méi)有任何缺陷，是不會(huì)產(chǎn)生界面回波的。常用界面的縱波聲壓反射列于表1.6。以上討論的超聲波縱波垂直到單一

10、平界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射率和透射率公式同樣適用于橫波入射的情況。但必須注意的是在固體/液體或固體/氣體界面上,橫波全反射。因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。在超聲波單探頭探傷中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。超聲波探頭發(fā)出的超聲波透過(guò)界面進(jìn)入工件,在固體/氣體界面產(chǎn)生全反射后再次通過(guò)同一界面被探頭接收。如圖1.17所示。這時(shí)探頭接受到的回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比,稱(chēng)為聲壓往復(fù)透射率。 （1.22）比較(1.20)(1.22)式可以看出聲壓往復(fù)透射率與聲強(qiáng)透射率在數(shù)值上相等。常用物質(zhì)界面縱波聲壓往復(fù)透射率列于表1.7。由(1.22）式可知,聲壓往復(fù)透射率與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān),與從何種介質(zhì)入

11、射到界面無(wú)關(guān),界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗相差愈小,聲壓往復(fù)透射率就愈高,反之就愈低。往復(fù)透射率高低直接影響探傷靈敏度高低。二、薄層界面超聲波探傷時(shí),經(jīng)常遇到耦合層和缺陷薄層等問(wèn)題,這些都可歸結(jié)為超聲波在薄層界面的反射和透射問(wèn)題。此時(shí)超聲波是由聲阻抗為的第一介質(zhì),入射到和交界面,然后通過(guò)聲阻抗為的第二介質(zhì)薄層射到和界面,最后進(jìn)入聲阻抗為的第三介質(zhì)。超聲波通過(guò)一定厚度的異質(zhì)薄層時(shí),反射和透射情況與單一的平界面不同,異質(zhì)薄層很薄,進(jìn)入薄層內(nèi)的超聲波會(huì)在薄層兩側(cè)界面引起多次反射和透射,形成一系列的反射波和透射波,如圖1.18(a)所示.當(dāng)超聲波脈沖寬度相對(duì)于薄層較窄時(shí),薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波互不干涉,

12、如圖1.18(b )所示。當(dāng)脈沖寬度相對(duì)于薄層較寬時(shí),薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波就會(huì)互相疊加產(chǎn)生干涉,如圖1.18(C )。由于上述原因,聲壓反射率和透射率的計(jì)算就比較復(fù)雜,本節(jié)不予介紹。一般說(shuō)來(lái),超聲波通過(guò)異質(zhì)薄層時(shí)的聲壓反射率和透射率不僅與介質(zhì)聲阻抗和薄層聲阻抗有關(guān)，而且與薄層厚度同期波長(zhǎng)之比有關(guān)。1.當(dāng),即對(duì)均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層,可有如下的規(guī)律性： （1.23） （1.24）式中：異質(zhì)薄層厚度；異質(zhì)薄層中的波長(zhǎng)；m介質(zhì)聲阻抗之比，m=。由以上公式可知：(1)當(dāng)時(shí),0，1。這說(shuō)明當(dāng)薄層兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗相等,薄層厚度為其半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),超聲波透射率最大,幾乎無(wú)反射(0)，好象不存在異質(zhì)薄層

13、一樣，這種透聲層常稱(chēng)為半波透聲層。為正整數(shù)時(shí),即異質(zhì)薄層厚度等于其四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),聲壓透射率最低,聲壓反射率最高。（1） 當(dāng)，即薄層厚度小于14波長(zhǎng)時(shí)，薄層厚度越小透射率越大，反射率越小。圖1.19和圖1.20分別表示在鋼和鋁中存在一個(gè)充滿空氣或水的縫隙時(shí)的聲壓反射率和聲壓透射率。由圖1.20可知：當(dāng)f=1MHZ時(shí)鋼中厚度為d= 毫米的氣隙幾乎能100反射，兩塊緊貼在一起的十分精密的塊規(guī)之間隙也有毫米,可見(jiàn)超聲波對(duì)探測(cè)含有氣體介質(zhì)的裂紋等缺陷的靈敏度是很高的。當(dāng)材料中的氣隙或水隙厚度一定時(shí),頻率增加,聲壓反射率也隨著增加。例如對(duì)于鋼中的氣隙d =毫米時(shí),f=圖120鋼和鋁中氣隙、水隙聲

14、壓反射率明1MHz,r=20份,f=1Mz，20，5，60?？梢?jiàn)提高探傷靈敏度是有利的。2. ,即非均勻介質(zhì)中的薄層,例如晶片一保護(hù)膜一工件或晶片一耦合劑一工件等情況。此時(shí),聲壓往復(fù)透射率為：由上式可知：（正整數(shù)）時(shí)，即超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層時(shí),若薄層厚度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍,通過(guò)薄層的聲壓往復(fù)透射率與薄層的性質(zhì)無(wú)關(guān),好象不存在薄層一樣。(2) (n為正整數(shù))，且時(shí)，表明超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層,若薄層厚度等于的奇數(shù)倍，層聲阻抗為其兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗兒何平均值時(shí)，即,其聲壓往復(fù)透射率等于1,超聲波全透射。(3) 時(shí),薄層愈薄,聲壓往復(fù)透過(guò)率愈大。1.4超聲波傾斜入射

15、到平界面上的反射和折射當(dāng)超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí),除產(chǎn)生反射、折射(透射)現(xiàn)象以外,還往往伴隨著波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。一、波型轉(zhuǎn)換和反射、折射定律1.波型轉(zhuǎn)換當(dāng)超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)，除了產(chǎn)生與入射波同類(lèi)型的反射波和折射波以外，還會(huì)產(chǎn)生與入射波不同類(lèi)型的反射波和折射波，這種現(xiàn)象稱(chēng)為波型轉(zhuǎn)換。波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象只發(fā)生在斜入射的場(chǎng)合，而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)。由于液體、氣體介質(zhì)中只能傳播縱波，只有固體介質(zhì)才能同時(shí)傳播縱波和橫波。因此波型轉(zhuǎn)換只可能在固體中產(chǎn)生。同時(shí)還應(yīng)指出,盡管氣體介質(zhì)理論上可以傳播縱波，但由于氣體聲阻抗遠(yuǎn)小于固體或液體的聲阻擾,使超聲波在固/氣或液/氣界面上產(chǎn)生全反射。因此可以認(rèn)為超

16、聲波難以從固體或液體中進(jìn)入氣體。不同界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換的情況如圖1.21所示。2.反射、折射定律超聲波在介質(zhì)中的傳播方向,通常用波的傳播方向與界面法線的夾角來(lái)描述(如圖1.22)。射波方向與法線間的夾角,稱(chēng)為入射角,常用表示。圖1.21不同界面上的波型轉(zhuǎn)換線的夾角,稱(chēng)為反射角,常用表示,折射波方向與界面法線夾角,稱(chēng)為折射角,常用表示超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)，反射波和折射波的傳播方向由反射、折射定律(又稱(chēng)斯涅爾定律)來(lái)確定。即：式中： 縱波入射角縱波反射角,橫波反射角,縱波折射角,橫波折射角第一介質(zhì)中的縱波聲速,第一介質(zhì)中的橫波聲速,第二介質(zhì)中的縱波聲速,第二介質(zhì)中的橫波聲速。圖1.22縱波傾斜

17、入射到固/固界面上由公式(1.26)和圖1.22可得出反射、折射定律的特征：(1)反射、折射波線與入射波線分別在法線的兩側(cè)。（2）任何一種反射波或折射波所對(duì)應(yīng)角度的正弦與相應(yīng)的聲速之比恒等于一個(gè)定值。(3)聲速相同,對(duì)應(yīng)的角度相等,因此同種波型的反射角與入射角相等。如，則,聲速大,正弦值大,對(duì)應(yīng)的角度大。因此,縱波反射角大于橫波反射角，縱波折射角大于橫波折射角。如果CL1CL2CL3，則LsL利用反射、折射定律可以求得縱波傾斜入射時(shí),橫波反射角,與縱波入射角的關(guān)系為由公式(1.27)求得鋼材和鋁材中橫被反射角與縱被入射角關(guān)系曲線如圖1.23所示.圖1.23鋼、鋁中與的關(guān)系曲線由圖1.23可以查

18、得任意縱波入射角所對(duì)應(yīng)的橫波反射角。圖1.23同樣適用于橫波傾斜入射時(shí)，橫波入射角與縱波反射角之間的關(guān)系。同理可得縱波傾斜入射時(shí)，縱波折射角L和橫波折射角S，同縱放入射角L的關(guān)系為：由(1.28)和(1.29)式得超聲波縱波傾斜入射到有機(jī)玻璃/鋼、有機(jī)玻璃/鋁界面時(shí)，折射角與入射角的關(guān)系曲線，如圖1.24所示.超聲波傾斜入射到水/鋼、水/鋁界面,折射角與入射角關(guān)系曲線如圖1.25所示。由圖I.24和圖1.25中可以看出,對(duì)于有機(jī)玻璃/鋼、鋁和水/鋼、鋁界面,當(dāng)縱波入射角相同時(shí),鋁中縱波折射角大于鋼,而鋼中橫波折射角卻大于鋁。由圖1.25還可看出,水中縱波入射角微小變化會(huì)引起鋼中或鋁中縱波折射角

19、較大的變化.因此在水浸法探傷無(wú)縫鋼管或鋁管時(shí)必須嚴(yán)格控制探頭的入射角。圖1.24有機(jī)玻璃/鋼鋁界面入射角與折射角的關(guān)系曲線，圖1.25水/鋼鋁界面入射角與折射角的關(guān)系曲線。二、臨界角1.第一臨界角如圖1.26所示，超聲波縱波傾斜入射到界面上,若第二介質(zhì)縱波波速大于第一介質(zhì)中縱波波速,即，則縱波折射角大于縱入波射角,即。隨著增加, 也增加,當(dāng)增加到一定程度時(shí),這時(shí)所對(duì)應(yīng)的縱波入射角稱(chēng)為第一臨界角,用表示。圖1.26第一、二臨界角示意圖根據(jù)反射、折射定律得：令,得第一臨界角為：當(dāng)時(shí)，第二介質(zhì)中只存在折射橫波，不存在折射縱波。只有當(dāng)?shù)诙橘|(zhì)中的縱波波速大于第一介質(zhì)中的縱波波速時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)第一臨界角2

20、.第二臨界角如圖1.26所示,超聲波縱波傾斜入射到界面上,若第二介質(zhì)中的橫波波速大于第一介質(zhì)中的縱波波速,即,則橫波折射角,大于縱波入射角,隨著增加也增加,當(dāng)增加到一定程度時(shí),這時(shí)所對(duì)應(yīng)的縱波入射角稱(chēng)為第二臨界角,用表示。根據(jù)反射、折射定律得：令,得第二臨界角為：當(dāng)時(shí),第二介質(zhì)中既無(wú)折射縱波，又無(wú)折射橫波。這時(shí)在介質(zhì)表面產(chǎn)生表面波。只有當(dāng)?shù)诙橘|(zhì)中的橫波波速大于第一介質(zhì)中的縱波波速時(shí),才會(huì)出現(xiàn)第二臨界角。由第一、二臨界角的物理意義可知:(1)當(dāng)時(shí),第二介質(zhì)中既存在折射縱波又存在折射橫波。(2)當(dāng)時(shí),第二介質(zhì)中只存在折射橫波,不存在折射縱波。(3)當(dāng)時(shí),第二介質(zhì)中既無(wú)折射縱波，又無(wú)折射橫波，但這

21、時(shí)在第二介質(zhì)表面形成表面波。這就是常用表面被探頭的設(shè)計(jì)原理和依據(jù)。利用(1.30)和(1.31)式可以計(jì)算出不同界面上的第一、二臨界角。1.5超聲波在曲界面上的反射和透射超聲波入射到曲界面(球面或柱面)時(shí),與曲界面中心軸線重合的超聲波垂直入射到曲界面,其反射波及透射波與入射波重合,偏離軸線的超聲波則按不同的角度反射或折射。偏離軸線愈遠(yuǎn),相應(yīng)的反射角或折射角就愈大,如圖1.38所示。結(jié)果使反射波或透射波產(chǎn)生聚焦或發(fā)散現(xiàn)象，聚焦還是發(fā)散主要取決于曲面凸凹形狀和界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速C1和C2。曲面的凸凹狀,一般以第二介質(zhì)作為界面形狀的基準(zhǔn)平面波在曲界面上的反射和透射1. 反射波 超聲平面波入射到曲界面

22、上時(shí),凹曲面的反射波聚焦,凸曲面的反射波發(fā)散，如圖1.39所示。反射波波陣面的形狀取決于曲界面的形狀。界面為球面時(shí),具有焦點(diǎn),反射波波陣面為球面。凹球面上的反射波好像是從實(shí)焦點(diǎn)發(fā)出的球面波,凸球面上的反射波好像是從虛焦點(diǎn)發(fā)出的球面波。界面為柱面時(shí),具有焦軸,反射波波陣面為柱面。凹圖1.39平面披在曲界面上的反射柱面上的反射波好像是從實(shí)焦軸發(fā)出的柱面波,凸柱面上的反射波好像是從虛焦軸發(fā)出的柱面波。波束中心軸線上,反射波的聲壓分別為球曲面Px=P0fxf柱曲面Px=P0fxf式中：P0 入射平面波的聲壓；f焦距，f=2,界面曲率半徑；x中心軸線上某點(diǎn)至曲面頂點(diǎn)的距離；PX中心軸線上x(chóng)點(diǎn)處反射波聲壓

23、。式中的號(hào)選擇,發(fā)散取“+”，聚焦取-。2.透射波超聲平面波入射到曲界面上時(shí),其透射波同樣會(huì)產(chǎn)生聚焦或發(fā)散.如圖1.40所示。這時(shí)產(chǎn)生聚焦還是發(fā)散不僅與曲界面的凹、凸有關(guān),而與兩種介質(zhì)的聲速C1和C2有關(guān)。由折射定律可得,超聲波平面波入射到C1C2的凸曲面上時(shí),其透射波將聚焦,如圖1.40(a )、(b )所示。同理可得,超聲波平面波入射C1C2的四曲面上時(shí),其透射波將發(fā)散,如圖1.40(c )、(d )所示。透射波的波陣面形狀取決于曲界面的形狀。如果曲面為球面,則其透射波波陣面為球面,透射波好象是從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波。如果曲面為柱面,則其透射波波陣面為柱面,透射波好象是從焦軸發(fā)出的柱面波。波束

24、中心軸線上，透射波聲壓分別為：球曲面Px=tP0fxf 柱曲面Px=tP0fxf式中：t聲壓透射率；“”號(hào)選擇聚焦取“+”；發(fā)散取“-”。上述討論說(shuō)明，發(fā)散現(xiàn)象將使原已按散角擴(kuò)散的聲束更加發(fā)散，指向性變差，聲能散失增加，中心軸線上聲壓降低。聚焦的聲束，聲能更加集中，中心軸線上的聲壓增強(qiáng)，同時(shí)又可改善聲束的指向特性，對(duì)提高探傷靈敏度和分辨率均有利。因此探傷中，有時(shí)在探頭晶片前加裝聲透鏡使透過(guò)聲束聚焦，水浸聚焦探頭就是一例。3.聲透鏡水浸聚焦探頭是根據(jù)平面波入射到C1C2的曲面上，透射波將產(chǎn)生聚焦的原理設(shè)計(jì)制作的，如圖1.41所示。壓電晶片（波源）前加一聲透鏡便成為縱波聚焦探頭。設(shè)聲透鏡曲率半徑為

25、r，當(dāng)不考慮超聲波干涉時(shí)，由幾何光學(xué)得在第二介質(zhì)中的焦距f為： f=C1C1-C2r聲透鏡聚焦作用原理式中:C1第一介質(zhì)聲透鏡中的波速；C2第二介質(zhì)中的波速。當(dāng)聲透鏡材料為有機(jī)玻璃,耦合介質(zhì)為水時(shí), C1=27303it/秒, C2=1480米/秒,則有：f=C1C1-C2r=27302730-1480r=2.2r水浸聚焦探頭在水中無(wú)工件時(shí)的聚焦情況如圖1.41(a)所示。當(dāng)探傷工件時(shí),由于一般材料波速C3大于水中波速C2,所以聚焦波束在工件中折射后會(huì)進(jìn)一步集聚,使焦距縮短為f,如圖1.41(b)所示。設(shè)新焦點(diǎn)至工件表面的距離為L(zhǎng),則新焦距f為：f=f-LC3C2式中：C3一一工件中的波速。例

26、：用波速C1=2650米/秒曲率半徑r=40毫米的環(huán)氧樹(shù)脂聚焦探頭水浸探傷鋼板,水中波速C2=14802米/秒,鋼中波速C3=5900米/秒。欲使超聲波波束聚焦于離鋼板上表面距離L =5毫米處,求探頭聲透鏡曲面頂點(diǎn)至工件上表面的距離。解：參考圖1.41,由(1.37)式得探頭在水中的焦距為：f=C1C1-C2r=26502650-148040=90.6由(1.38)得新焦距f為：f=f-LC3C2=90.6-559001480=70.7則探頭聲透鏡曲面頂點(diǎn)至鋼板上表面距離S為：S=f-L=70.7-5=65.7聚焦探頭中的聲透鏡如果為球面,將獲得點(diǎn)聚焦,如果為柱面,將獲得線聚焦,目前在實(shí)際探傷

27、中線聚焦用更得多一些。二、球面波在曲界面上的反射和透射1.反射波超聲波球面波入射到凹面上時(shí),反射波將聚焦,入.射到凸面上時(shí),反射波將發(fā)散。如圖1.42所示。圖1.42球面波在曲界面上的反射球面波在曲界面上的反射與平面波不同。平面波入射時(shí),反射波會(huì)聚于焦點(diǎn),但球面波入射時(shí),反射波并不會(huì)聚于焦點(diǎn),而會(huì)聚于像點(diǎn)B。凹曲面具有實(shí)像點(diǎn),而凸曲面具有虛像點(diǎn)。球面波入射時(shí),波束軸線上反射波聲壓分別為：Px=Pfxf(1+xa)柱曲面Px=Pf1+xaxf1+xa式中：P一一曲面頂點(diǎn)處入射潑聲壓,x波束軸線上某點(diǎn)至曲面頂點(diǎn)距離，“”號(hào)選擇,聚焦取“-”；發(fā)散取“+”。由(1.39)式不難看出,球面波在球面鏡上

28、的反射波聲壓只有一個(gè)極大值,即只有一個(gè)焦點(diǎn),因此其反射波是單一的球面波。由(1.40)式可知,球面波在柱面鏡上的反射波聲壓有兩個(gè)極大值,即有兩條焦軸,因此其反射波不再是單一的柱面波,而是由兩個(gè)同的柱面波組成。球面波在柱面鏡上的反射.在實(shí)際探傷中比較常見(jiàn)。如徑向探傷大型圓柱形工件就是典型實(shí)例。2.透射波超聲球面波入射到曲界面上,透射波同樣會(huì)產(chǎn)生聚焦或發(fā)散現(xiàn)象,如圖1.43所示。球面波在曲界面上的透射波聚焦還是發(fā)散取決于曲界面形狀的凹凸形狀和曲界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速C1和C2。.當(dāng)球面波入射到C1C2的凸曲面時(shí),其透射波將聚焦,具有實(shí)像點(diǎn),如圖1.43(a)、(b )所示。當(dāng)球面波入射到C1C2的凹曲

29、麗和C1C2的凸曲面時(shí),其透射波將發(fā)散,具有虛像點(diǎn),如圖1.43(c)、(d )所示。由圖1.43(d)可以看到,超聲球面潑水浸探傷實(shí)心圓柱體或管材工件時(shí),由于透射波的強(qiáng)烈發(fā)散作用,使探傷靈敏度明顯下降。因此在實(shí)際探傷中，為了提高探傷的靈敏度,常常采用聚焦探頭。1.6超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),隨著傳播距離的增加,超聲波的能量逐漸減弱的現(xiàn)象稱(chēng)為超聲波的衰減。一、 衰減的原因引起超聲波衰減的原因很多,主要包括擴(kuò)散衰減,散射衰減和吸收衰減。1.擴(kuò)散衰減超聲波在傳播過(guò)程中,由于波束的擴(kuò)散引起的衰減稱(chēng)為擴(kuò)散衰減。這是因?yàn)殡S著傳播距離的增加,波束截面愈來(lái)愈大,使單位萌積上的能量逐漸減少。超聲波擴(kuò)散

30、衰減主要取決于波陣面的幾何形狀,而與傳播介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。對(duì)于平面波而言,波陣面為平面,波束并不擴(kuò)散,因此不存在擴(kuò)散衰減。如活塞波源附近就存在一個(gè)波束未擴(kuò)散區(qū),在這一區(qū)域內(nèi),不存在擴(kuò)散衰減。對(duì)于柱面波而言,波陣面為圓柱面,波束向周?chē)鷶U(kuò)散,存在擴(kuò)散衰減。其衰減規(guī)律為：柱面波聲壓與距離平方根成反比，即：球面波聲壓與距離成反比，即PX1/x。當(dāng)活塞波至波源的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，可視為球面波。2.散射衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),由于散射引起的衰減稱(chēng)為散射衰減。散射是指超聲波在傳播過(guò)程中,遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面(如粗大晶粒的界面產(chǎn)生的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。工件中的密集型缺陷,鑄件中的鐵素體和石墨顆粒,多晶材料中的晶界和位錯(cuò)等都可能成為散射源,引起散射衰減.被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去,最后轉(zhuǎn)換為熱能。當(dāng)材質(zhì)品粒較粗大時(shí),被散射的超聲波傳播到探頭被探頭接收、將在示波屏上出現(xiàn)林狀回波,亦稱(chēng)草狀回波,如圖1.44所示。從而使信噪比H信/H躁下降,嚴(yán)重時(shí)噪聲波高H躁會(huì)H信湮沒(méi)有用信號(hào)這就是超聲波