超聲波檢測(幻燈片稿本1、2)

1、超聲波檢測 (幻燈片稿本) 第73頁 共73頁超 聲 波 檢 測 (船舶教材)（幻燈片稿本1、2 編寫：孟傳亨）§1超聲波檢測物理基礎(chǔ)1 機械振動和機械波1.1 機械振動：一個物理量的值在觀測時間內(nèi)不停地經(jīng)過極大值和極小值的周期變化，這種變化狀態(tài)稱為振動。如果振動量是個力學量，如位移、角位移等，所作的振動稱之為機械振動。圖11(教材圖21和圖22)表示了機械振動的兩個示例。1.1.1兩個表征振動的參數(shù)：周期T：完成一次全振動所需的時間，常用單位秒(s)。頻率f：單位時間內(nèi)完成全振動的次數(shù)，單位為赫芝(Hz)。1Hz1次/秒秒1；1MHz106Hz。1.1.2振動方程：最簡單最基本的直

2、線振動稱為諧振動，任何復雜的振動都可視為多個諧振動的合成。描述諧振動質(zhì)點M位移y與時間t關(guān)系的諧振動方程如下： yAcos(t) （11）式中：y為振動幅度在任一瞬間時t的數(shù)值；A為振幅，是y的最大值；角頻率(角速度)，2f； 初始相位角，即t0時質(zhì)點M的相位；(t)質(zhì)點M在t時刻的相位?？捎脠D12（教材圖26）來進一步說明物體諧振動時，位移是時間的正弦或余弦函數(shù)。1.2 機械波和聲波：1.2.1機械波的形成機械振動在介質(zhì)中的傳播稱為機械波，機械振動在彈性體中的傳播稱之為彈性波（聲波）。圖13（教材圖23）是彈性體的模型，可用來說明機械波的形成。1.2.2產(chǎn)生機械波的兩個條件：1.作機械振動的

3、波源；2.傳播振動的介質(zhì)。1.2.3超聲波如果以頻率f來表征聲波，并以人的可聞頻率為分界線，則可把聲波劃分為次聲波（f20Hz）、可聞聲波（20Hzf20kHz）和超聲波（f20kHz）。在超聲波檢測中最常用的頻率范圍為0.510MHz。1.2.4三個表征波動的參數(shù)：頻率f：波在單位時間內(nèi)通過給定點的完整波的個數(shù)稱為波的波動頻率；波長：波在一個周期內(nèi)傳播的距離稱為波長；波速c：聲波在單位時間所傳播的距離稱為波速。cf （12）1.2.5波動方程如圖14（教材圖27）所示，當振動從O點傳播到B點時，B點開始振動。由于振動從O點傳播到B點需要時間為x / c，因此B點的振動滯后于O點x / c秒，

4、即B點在t時刻的位移等于O點在(tx / c)時刻的位移：yAcos(tx / c)Acos(tkx) （13）式中：k波數(shù)，k/ t2/；xB點至O點的距離。波動方程式（13）描述了波線上任意一點在任意時刻的位移情況。1.2.6連續(xù)波、簡諧波和脈沖波連續(xù)波：介質(zhì)各質(zhì)點振動持續(xù)時間為無窮的波動，見圖15a（教材圖24a）。簡諧波：介質(zhì)各質(zhì)點都作同頻率的諧振動的連續(xù)波。脈沖波：介質(zhì)各質(zhì)點振動持續(xù)時間有限的的波動，見圖15b（教材圖24b）。脈沖波的頻譜：根據(jù)傅里葉分析，對于非周期的振動都可認為是由無限多個頻率連續(xù)變化的諧振動的合成，即可將脈沖波視為具有一定頻率范圍的連續(xù)頻率的簡諧波的合成。這個頻

5、率范圍稱之為頻帶寬度，圖16（教材圖25）。脈沖越窄頻譜越寬，脈沖越寬頻譜越窄。2 超聲波的傳播2.1波的類型2.1.1縱波：介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波，一般用L表示，圖17（教材圖28）。2.1.2橫波：介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與波的傳播方向向垂直的波，一般用S表示，圖18（教材圖29）。2.1.3表面波：當固體半無限彈性介質(zhì)表面受到交替變化的表面張力作用時，介質(zhì)表面的質(zhì)點就產(chǎn)生相應縱向振動和橫向振動，其結(jié)果導致質(zhì)點作這兩種振動的合成振動，即繞其平衡位置作橢圓軌跡的振動，這種振動的傳播形成表面波，是一種沿固體表面?zhèn)鞑サ牟?，圖19（教材圖210）。由于液體和氣體不能產(chǎn)生剪切應變，故不能

6、傳播橫波和表面波，只能傳播縱波。板波：應用很少，不講。2.2 波形(指波的形狀)2.2.1波線、波前和波陣面的概念，圖110（教材圖212）：波線：波動的傳播方向。波前：某一時刻振動傳播到最前沿的各質(zhì)點的軌跡。波陣面：在同一時刻介質(zhì)中振動的相位相同的所有軌跡。2.2.2平面波：波陣面為平面的波稱為平面波，圖110a（教材圖212a），波幅不隨距離變化。波動方程見式（103）。2.2.3球面波：波陣面為同心球面的波稱為球面波，圖110b（教材圖212b），其波動方程如下式： A ycos(tkx) （14）x從式中看出，波幅與距離成反比。2.2.4柱面波：波陣面為同軸柱面的波稱為柱面波，圖110

7、c（教材圖212c），其波動方程如下式：Ay cos(tkx) （15） x1/2從式中看出，波幅與距離的平方根成反比。3 聲波的波動特性3.1波的迭加原理當幾列波在同一介質(zhì)中傳播時，如果在空間某處相遇，則相遇處質(zhì)點的振動是各列波引起振動的合成，在任意時刻該質(zhì)點的位移是各列波引起位移的矢量和。幾列波相遇后仍保持自己原有的頻率、波長、振動方向等特性并按原來的傳播方向繼續(xù)前進，好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣，這就是波的迭加原理，又稱波的獨立性原理。圖111 波的干涉波的迭加現(xiàn)象可以從許多事實觀察到，如兩石子落水，可以看到兩個以石子入水處為中心的圓形水波的迭加情況和相遇后的傳播情況。又如樂隊合奏

8、或幾個人談話，人們可以分辨出各種樂器和各人的聲音，這些都可以說明波傳播的獨立性。3.2波的干涉當兩個頻率相同，振動方向相同、相位相同或相位差恒定的波在介質(zhì)某點相遇后，會使一些點處的振動始終加強，而在另一些點處的振動始終減弱或完全抵消，這種現(xiàn)象稱為波的干涉。這兩束波稱為相干波，波源稱為相干波源。如圖111所示，點波源S1、S2分別在M點引起的振動為：至點M的合振幅為：（16） yAcos (t)式中：A1、A2S1、S2在M點引起的振幅； AM點的合振幅； 波長； 波程差，x2x1。(1)當n(n為整數(shù))時，AA1+A2。這說明當兩相干波的波程差等于波長的整數(shù)倍時，二者互相加強，合振幅達最大值。

9、(2)當(2n+1)2(n為整數(shù))時，AA1A2。這說明當兩相干波的波程差等于半波長的奇數(shù)倍時，二者互相抵消，合振幅達最小值。若A1A2，則A0，即二者完全抵消。波的迭加原理是波的干涉現(xiàn)象的基礎(chǔ)，波的干涉是波動的重要特征。在超聲波探傷中，由于波的干涉，使超聲波源附近出現(xiàn)聲壓極大極小值。3.3駐波：兩個振幅和頻率都相同的相干波，在同一直線上沿相反方向傳播時疊加而成的波，稱為駐波。駐波是波的干涉現(xiàn)象的特例，見圖112（教材中的圖213）。設(shè)入射波和反射波的波動方程為：（17）則駐波的波動方程為：由駐波方程可知： (1)駐波波線上各點作振幅為2Acos2x的諧振動，x滿足 cos2x0的那些點，振幅

10、恒為0，即這些點始終靜止不動，稱為波節(jié)。x滿足cos2x1的那些點，振幅最大；為2A，稱為波腹。波線上其余各點的振幅在0和2A之間?？梢?，駐波波線上各點似乎在作分段振動。 (2)駐波波線上波節(jié)和波腹的位置是特定的，相鄰兩波節(jié)或波腹的間距可用下述方法求得。對于波節(jié)處cos2x0有2x(2n+1)2波節(jié)的位置：x(2n+1)4于是相鄰兩波節(jié)的間距為：x2(n+1)+14一(2n+1)42同理可得相鄰兩波腹的間距也等于2。由于波節(jié)與波腹相間出現(xiàn)，所以相鄰波節(jié)與波腹的距離為4。由此可見，對于兩端固定的弦線，只有當弦線長度等于半波長2的整數(shù)倍時，才能形成駐波。這就是超聲波探頭中壓電晶片(波源)的設(shè)計依據(jù)

11、。(3)形成駐波時，在界面處產(chǎn)生波節(jié)還是波腹與兩種介質(zhì)的疏密程度有關(guān)，當波從波疏介質(zhì)垂直入射到波密介質(zhì)，又從波密介質(zhì)反射回到波疏介質(zhì)時，在界面反射處產(chǎn)生波節(jié)；反之，則在界面反射處產(chǎn)生波腹。如超聲波垂直入射到水鋼界面，就會在水鋼界面處形成位移波節(jié)；超聲波垂直入射到鋼水界面，就會在鋼水界面處形成位移波腹。3.4惠更斯原理：如前所述，波動是振動狀態(tài)的傳播，如果介質(zhì)是連續(xù)的，那么介質(zhì)中任何質(zhì)點的振動都將引起鄰近質(zhì)點的振動，鄰近質(zhì)點的振動又會引起較遠質(zhì)點的振動，因此波動中任何質(zhì)點都可以看作是新的波源。據(jù)此惠更斯于1690。年提出了著名的惠更斯原理：介質(zhì)中波動傳播到的各點，都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其

12、后任意時刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。圖112（教材中的圖214）是其例證。惠更斯原理在超聲檢測中獲得了廣泛的應用。如圖113（教材中的圖215）所示，一個作活塞式振動的壓電晶片，振動面上各點以速度c向外輻射超聲波，設(shè)在t時刻的波前為S1，在tt時刻的波前為S2，具體畫法如下，先以Sl面上各點為中心，以ct為半徑，畫出許多球形子波，再柞相切于各子波的波前的包跡面，就得新的波前S2。4 聲場及其特征量4.1 聲場：充滿聲波的空間稱為聲場。4.2 特征量：4.2.1聲壓：超聲場中某一點在某一時刻所具有的壓強P1與沒有超聲波存在時的靜態(tài)壓強P0之差，稱為該點的壓強P。PP1P0根據(jù)動量原理和波動

13、方程可導出：PcAcos(t)cv （18）式中：介質(zhì)密度；v介質(zhì)質(zhì)點振動速度；c波速。聲壓P的絕對值與介質(zhì)密度、波速c、角頻率成正比，而2f，所以聲壓也和頻率f成正比。在超聲波檢測中測量的量值就是聲壓。聲壓的單位就是壓強的單位：Pa(帕斯卡)4.2.3聲阻抗：超聲場中任意點的聲壓與該點振動速度之比，Zp / vc v / vc （19）由vp / Z可看出，聲壓不變，v與Z成反比，Z，v4.2.4聲強：在垂直于聲波傳播方向的單位面積上，單位時間內(nèi)通過的平均能量，稱為聲強度，簡稱聲強，用符號I表示，單位：瓦/2。 1 p2I· （110） 2 c聲強與聲壓的平方成正比。4.2.5聲強

14、級及單位：聲強I1與標準聲強I0之比的常用對數(shù)稱為聲強級，單位：貝爾 B ILlg(I1/I0) （Bel，貝爾） （111）標準聲強是聽覺的最小聲強：I01016瓦/2實際使用嫌貝爾太大，取其1/10，稱為分貝dB IL10lg(I1/I0) dB （112）因聲強與聲壓的平方成正比，故式（112）可寫為： IL10lg(P12/P22)20lg(P1/P2) （113）例1、2見教材p1718。5 波速聲波在介質(zhì)中傳播的速度稱為波速，又稱聲速。波速的大小取決于波型和傳播介質(zhì)特性，其一般表達式為： （114）式中：E正彈性模量；介質(zhì)密度；K與材料泊松比有關(guān)的常數(shù)。5.1液體的縱波波速如前所述

15、，液體介質(zhì)只能傳播縱波，其縱波波速為：（115）式中：cl縱波波速；Ka介質(zhì)的體積彈性模量；介質(zhì)密度。（116）5.2無限大固體介質(zhì)的縱波波速式中：cl縱波波速；E介質(zhì)的楊氏彈性模量；介質(zhì)的泊松比。（117）5.3無限大固體介質(zhì)的橫波波速式中：ct橫波波速；G介質(zhì)的剪切彈性模量；介質(zhì)密度。5.4半無限大固體介質(zhì)中的表面波波速（118）當泊松比在00.5的范圍內(nèi)，其近似式為：在同一固體介質(zhì)中cl / ct2；對鋼而言cl / ct1.8，cr / ct0.92。因此，在固體介質(zhì)中，clctcr。這一性質(zhì)在超聲檢測中有其實際意義。6 超聲波垂直入射到界面的反射和透射6.1超聲波垂直入射到單一界面的

16、反射和透射6.1.1反射率和透射率（見圖114） Z2Z1 1m聲壓反射率：rpPr / P （119） Z2Z1 1m 2 Z2 2聲壓透射率：tPPt / P （120）Z2Z1 1m (Z2Z1)2 (1m)2 聲強反射率：RIr / Irp2 （121） (Z2Z1)2 (1m)2 4 Z1 Z2 4 m聲強透射率：TIt / I1rp2 （122） (Z2Z1)2 (1m)2式中：P、Pr和Pt分別表示入射聲壓、反射聲壓和透射聲壓； I、Ir和It分別表示入射聲強、反射聲強和透射聲強； Z1、Z2分別表示第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的聲阻抗；圖114 垂直入射的反射和透射 mZ1/ Z2。根據(jù)

17、能量守恒定律：RT1 T1R1rp2 2 1m 1mtPrp 1 （123）1m 1m 1m即 tPrp1 或 tP1rp6.1.2介質(zhì)對反射、透射的影響6.1.2.1 Z2Z1以水/鋼界面為例，如圖115（教材圖222）所示： Z2Z1 2 Z2 rp0 tP0Z2Z1 Z2Z1從而可知，反射聲壓、透射聲壓與入射聲壓都是同相位。6.1.2.2 Z2Z1以鋼/水界面為例，如圖116（教材圖223）所示： Z2Z1 2 Z2 rp0 tP0 Z2Z1 Z2Z1從而可知，反射聲壓與入射聲壓相位相反，透射聲壓相位與入射聲壓仍相同。6.1.2.3 Z1>>Z2 Z2Z1 rp1 tP1rp

18、1(1)0 Z2Z1 例如鋼空氣界面，此時Z1(鋼)46×106kg/m2·s,Z2(空氣)0.0004×106kg/m2·s，則聲壓反射率為： Z2Z1 0.000446rp1 Z2Z1 0.000446聲壓透射率為：tP1rp1(1)0結(jié)果表明，在這種情況下聲波全反射。6.1.2.4 Z1Z2 Z2Z1 rp0 tP1rp101Z2Z1 例如普通碳鋼焊縫的母材金屬和焊縫金屬聲阻抗僅相差1，在焊縫探傷時，超聲波從母材金屬射入焊縫金屬，其m0.99，則聲壓反射率為： 1m 10.99rp0.0051m 10.99聲壓透過率為： tP1rp10.0051結(jié)

19、果表明，在這種情況下聲波全透射。6.2聲壓往復透過率實際探傷中，探頭發(fā)出聲波經(jīng)過工件表面進入工件，遇反射體（例如底面）被反射回來又經(jīng)過工件表面到達探頭。聲波往復通過工件界面后的聲壓與探頭發(fā)出聲壓之比，稱為聲壓往復透過率，參見圖117（教材中的圖221）。聲壓往復透過率不難導出，設(shè)聲壓往復透過率為TP，輸入至工件表面的聲壓為P，穿透入工件內(nèi)的聲壓為P1返回工件表面的聲壓為Pt，則： P·tp入·tp出 2 Z2 2Z1 TPPt/ Ptp入·tp出· P Z2Z1 Z2Z1 4 Z1 Z2 1rp2 （124） (Z2Z1)2 6.3 薄層雙平界面6.3.

20、1Z1Z3Z2 (126)(125)如圖118所示，當薄層厚度很小時，通過薄層的聲壓反射率和透射率可由式122和式123表示。式中：d2異質(zhì)薄層厚度；2異質(zhì)薄層中的波長；mmZ1/Z2 上兩式說明:6.3.1.1當d2n2/2（n1、2、3），即d2等于2/2的整數(shù)倍時，r0，t1，如工件中有一缺陷（例如鋼板中的夾層），其厚度剛好為2/2的整數(shù)，超聲波就探不出來。6.3.1.2當d2(2n1)2/4，即d2等于2/4的奇數(shù)倍時， rrmax，ttmin，超聲波反射率最高，透射率最低，有利于缺陷的檢出。6.3.1.3d2/2、Z2一定時，Z1，mZ1/Z2，r，t，這說明大的工件檢測靈敏度高?？?/p>

21、的說來，超聲波垂直入射到薄層時，其聲壓反射率、透射率不僅與兩種介質(zhì)的聲阻抗Z1、Z2有關(guān)，而且與d2/2有關(guān)。6.3.2 Z1Z2Z3 (127)這種情況下的聲強透射率T可由下式描述（符號同式122和123）：由上式可知：6.3.2.1當d2n2/2（n1、2、3）或d20時， 4 Z1Z3 T （128） (Z1Z3)2這說明在這種條件下，聲強透射率與薄層無關(guān)，好像不存在薄層。6.3.2.2當d2(2n1)2/4，即d2等于2/4的奇數(shù)倍，且Z2(Z1Z3)1/2時 4 Z1Z3 T 100 （129） Z1Z3 (Z2)2 Z2 這一點對于探頭保護膜的設(shè)計很重要。為了使保護膜透聲良好，選擇

22、材料時，應使其聲阻抗?jié)M足Z保護膜(Z晶片Z工件)1/2，且厚度應設(shè)計為保護膜/4的奇數(shù)倍。7 超聲波傾斜入射到界面的反射和透射7.1 傾斜入射到界面的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換7.1.1縱波傾斜入射圖119 聲波傾斜入射示意圖如圖119a所示，當縱波L傾斜入射到固/固界面時，會同時產(chǎn)生反射縱波L、反射橫波S、折射縱波L”和折射橫波S”。它們的反射角或折射角遵守斯涅耳定律，由下式表示： sinL sinL sinS sinL sinS （130） cL1 cL1 cS1 cL2 cS2式中：cL1、cS1分別為第一介質(zhì)中的縱波、橫波波速；cL2、cS2分別為第二介質(zhì)中的縱波、橫波波速；L、L分別為縱波

23、入射角、反射角；L、S分別為縱波、橫波折射角；S橫波反射角。上式表明，所有入射角、反射角或折射角的正切與所在介質(zhì)相應波速之比都相等。就反射而言，因在同一介質(zhì)中，故縱波反射角等于縱波入射角?？v波傾斜入射會產(chǎn)生反射橫波和折射橫波，這種現(xiàn)象通常稱之為波型轉(zhuǎn)換。（波型轉(zhuǎn)換是一個很重要的概念）7.1.2橫波傾斜入射如圖119b所示，當橫波S傾斜入射到固/固界面時，同樣會產(chǎn)生反射縱波L、反射橫波S、折射縱波L”和折射橫波S”。它們的反射角或折射角同樣遵守斯涅耳定律，由下式表示： sinS sinL sinS sinL sinS （131） cS1 cL1 cS1 cL2 cS2式中：S橫波入射角。其余符號

24、同式130。橫波傾斜入射時同樣會超生波型轉(zhuǎn)換。7.2 臨界角7.2.1第一臨界角由式130及圖119a可以看出，當cL2cL1時，則LL，隨著L的增加，L也跟著增加。當L增加到一定程度時，L90°如圖120a所示，這時所對應的縱波入射角稱之為第一臨界角，用表示。這時在第二介質(zhì)中只有橫波存在。 cL1arcsin （132） cL27.2.2第二臨界角圖120 臨界角示意圖由式130及圖119a可以看出，當cS2cL1時，則S2L1，隨著L1的繼續(xù)增加，S也跟著增加。當L繼續(xù)增加到一定程度時，S290°如圖120b所示，這時所對應的縱波入射角稱之為第二臨界角，用表示。這時在第

25、二介質(zhì)中即無縱波也無橫波，開始在界面出現(xiàn)表面波。 cL1arcsin （133） cS27.2.3第三臨界角 由式131及圖119b可以看出，因cL1cS1，則LS，隨S增加，L也增加。當S繼續(xù)增加到一定程度時，L90°如圖120c所示，這時所對應的橫波入射角稱之為第三臨界角，用表示。 cS1arcsin （134） cL1在這種情況下第一介質(zhì)中只存在反射橫波。在實際的橫波斜探頭探傷中，入射到工件中的橫波斜射到與探測面平行的底面，對底面的橫波入射角都大于第三臨界角，故不會出現(xiàn)反射縱波；如射到不平行探測面的反射面上，則橫波入射角有可能小于第三臨界角，從而出現(xiàn)反射縱波與反射橫波同時存圖1

26、21 橫波入射產(chǎn)生變形縱波示例在的情況，如圖所示示例。7.3 傾斜入射到界面的反射率、折射時的往復透過率前面只談到了聲波傾斜入射反射波和折射波的方向，而在各方向的聲壓或往復透射率怎么樣，也應是我們關(guān)注的問題。7.3.1傾斜入射到鋼空氣界面的反射率圖122（教材圖228）是一個極坐標圖，經(jīng)線表示角度，緯線表示聲壓反射率。該圖表示的是縱波入射到鋼/空氣時的情況。隨著縱波入射角從0°逐漸增加，縱波聲壓反射率從1.0逐漸下降；而在60°與70°之間縱波聲壓反射率達到極小值；縱波入射角繼續(xù)增大，縱波聲壓反射率又隨之增大直到1.0。圖122（教材圖228）右邊的圖是表示的橫波

27、反射率的變化。隨著縱波入射角從0°逐漸增加，橫波聲壓反射率逐漸增加，大約在橫波反射角達到25°左右時，橫波聲壓反射率達到極大值（注意橫波反射角小于縱波入射角）。該極大值與縱波反射率的極小值基本上是相對應的，即反射縱波聲壓進入極小值的區(qū)域，其能量大部分給予了反射橫波。圖123（教材圖229）表示的是橫波入射到鋼/空氣時的情況。隨著橫波入射角從0°逐漸增加，橫波聲壓反射率從1.0逐漸下降；而在20°與30°之間橫波聲壓反射率達到極小值；橫波入射角繼續(xù)增大，橫波聲壓反射率繼續(xù)隨之增大，當橫波反射角S33.2°時橫波聲壓反射率等于1.0。圖1

28、23（教材圖229）右邊的圖是表示的縱波反射率的變化。隨著橫波入射角從0°逐漸增加，縱波聲壓反射率逐漸增加，直到達到第三臨界角（注意縱波反射角大于橫波入射角），縱波聲壓反射率可達到4.0以上。這時與橫波反射率的極小值基本上是相對應的，即反射橫波聲壓進入極小值的區(qū)域，其能量大部分給予了反射縱波。7.3.2傾斜入射到水/鋼、有機玻璃/鋼界面的往復透過率圖124斜入射聲壓往復透射率示意圖實際超聲波探傷中橫波斜探頭探傷時，超聲波往復透過同一探測面，因此聲壓往復透過率更具實際意義。如圖124所示，超聲波傾斜入射，其折射波垂直射到一反射面上產(chǎn)生全反射。探頭接收到的回波聲壓Pa與入射聲壓P0之比稱

29、為聲壓往復透射率,用T表示，TPa/ P0。圖125為縱波斜入射至水/鋼界面時的聲壓往復透射率與入射角的關(guān)系圖。圖上表明，當縱波入射角小于14.5°(第一臨界角)時，折射縱波往復透射率不超過13，折射橫波往復透射率小與6。當縱波入射角為14.5°27.27°(第二臨界角)之間時，鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波往復透射率最高不到20。圖125水/鋼界面聲壓往復透射率圖126為縱波斜入射至有機玻璃/鋼界面時的聲壓往復透射率與入射角的關(guān)系圖。圖中表明，當縱波入射角小于27.6°(第一臨界角)時，折射縱波往復透射率小于25，折射橫波往復透射率小與10

30、。當縱波入射角為 27.6°57.8°(第二臨界角)之間時，鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波往復透射率最高不超過30，最高往復透射率時所對應的縱波入射角約為30°，橫波折射角約為37°。從圖上還可看出，折射角在35°50°之間往復透射率比較高，更大的折射角往復透射率相對較低。圖126有機玻璃/鋼界面聲壓往復透射率7.4 端角反射超聲波在兩個平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射稱為端角反射，如圖127所示。在端角反射中超聲波束在端角經(jīng)歷了兩次反射，如不考慮波型轉(zhuǎn)換，反射波與入射波互相平行。對于縱波入射端角，必然會產(chǎn)生變型橫波，見圖127a。

31、對于橫波入射端角當入射到端角的入射角大于第三臨界角時不會產(chǎn)生變型縱波，見圖127b；當入射到端角的入射角小于第三臨界角時會產(chǎn)生變型橫波，見圖127c。a b c圖127端角反射示意圖a縱波入射； b、c橫波入射回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比稱為端角反射率，用T端表示，即T端Pa/ P0圖128為鋼空氣界面上鋼中的端角反射率與入射角（指聲束射至端角平面的角，見如圖127）的關(guān)系圖。圖128(a)是縱波入射端角的情況，端角反射率大都很低，這是因為縱波在端角的反射中分離出較強的橫波。圖128(b)是橫波入射端角的情況，入射角等于30°或60°附近時，端角反射率最低。這是因為超聲

32、束總會在端角的一個壁上產(chǎn)生變型縱波，見圖127c。圖128 端角反射率與入射角的關(guān)系入射角在35°55°之間時，端角反射率達100。也就是說，橫波斜探頭的折射角S為35°55°（KtgS0.71.43）之間時，探測類似端角的缺陷（例如焊縫中的未焊透）靈敏度較高，S55°（K1.5）靈敏度較低。從圖128還可看出，對端角的入射角在0°或90°附近時，無論是縱波還是橫波，端角反射率理論上都是很高的。但實際上由于邊界效應，探測靈敏度并不一定高。8 聲波在曲面上的聚焦和發(fā)散8.1平面波在曲面上的反射和折射8.1.1平面波在曲面上的反

33、射當平面波入射到曲界面上時，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖129。反射波的聚焦或發(fā)散與曲面的凹凸(從入射方向看)有關(guān)。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發(fā)散。平面波入射到球面時，其反射波可視為從焦點發(fā)出的球面波。在曲面軸線上距曲面頂點x處的反射波聲壓Px為：圖129 平面波在曲界面上的反射(135)式中：f焦距，fr2，(r為曲率半徑)；x軸線上某點至頂點的距離 P0頂點處入射波聲壓； “土”“”用于發(fā)散，“一”用于聚焦。平面波入射到柱面時，其反射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波。在曲面軸線上距曲面頂點x處的反射波聲壓Px為(136)8.2.2平面波在曲面上的透射平面波入射到曲界面上時，其折射波也將

34、發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖130。這時折射波的聚焦或發(fā)散不僅與曲面的凹凸有關(guān)，而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的波速有關(guān)。對于凹透鏡，當c1c2時聚焦，當c1c2時發(fā)散；對于凸透鏡，當clc2時聚焦，當clc2時發(fā)散。圖130 平面波在曲界面上的透射平面波入射至球面透鏡時，其折射波可視為從焦點發(fā)出的球面波，曲面軸線上距曲面頂點x處的折射波聲壓Px為：(137)式中：t聲壓透射率； f焦距；“土”“”用于發(fā)散，“一用于聚焦。fr(1一c2c1)r(1一1n) （138）式中：nc1/c2 平面波入射到柱面透鏡，其折射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波。軸線上x處的折射波聲壓Px為：(139)實際探傷用的水浸聚焦探頭就是根據(jù)

35、平面波入射到cl>c2的凸透鏡上，折射波發(fā)生聚焦的特點來設(shè)計的，如圖l31(教材圖233)，這樣可以提高探傷靈敏度。通常用有機玻璃或環(huán)氧樹脂作聲透鏡，晶片與透鏡接觸的聲入射面為平面，其焦距按式138計算。當聲射線離開鏡面后，匯聚于軸線上距鏡面f處附近，由于波在焦點附近的干涉結(jié)果，聲束并非聚焦為一個“點” ，而是一個具有一定大小的橢球，形成一個聚焦區(qū)域。8.2球面波在曲面上的反射和透射8.2.1球面波在曲面上的反射球面波入射到曲界面上，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖132。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發(fā)散。圖132 球面波在曲界面上的反射8.2.1.1球面波在球面上的反射波可視為從像

36、點發(fā)出的球面波。軸線上距頂點為x處的反射波聲壓Px為(140)式中 P1a球面頂點處入射波聲壓； f焦距，fr2； a球面頂點至波源的距離；“土”“”用于發(fā)散，“一用于聚焦。8.2.1.2球面波在柱面上的反射波既不是單純的球面波，也不是單純的柱面波，而是近似為兩個不同的柱面波疊加。軸線上距頂點為x處的反射波聲壓為(141)8.2.1.3球面波在實心圓柱體中的反射采用超聲波徑向探傷大型實心圓柱形鍛件時，如圖133，類似于球面波在凹柱面上的反射，反射波聚焦于像點。以xa，fa4代入(141)式取“一”得到圓柱面上入射點處的反射回波聲壓： P1P柱P平 （142） 2a圖133實心圓柱體反射波聲壓圖

37、134 空心圓柱體反射波聲壓這說明實心圓柱體曲底面反射與同距離平底面反射，二者在入射點處的反射回波聲壓理論值是相同的。實際上，由于柱面耦合不良（接觸面小）其回波一般都低于平底面回波。(4)球面波在空心圓柱體中的反射采用超聲波徑向探傷大型空心圓柱形鍛件時，如圖134，類似于球面波在凸柱面上的反射，反射波發(fā)散。以 x=a，fr/2代入式（141）取“”得到圓柱面上入射點處的反射回波聲壓：（143）這說明入射點處空心圓柱體的反射聲壓總是低于同距離的平底面的反射聲壓。這是由于凸曲面反射波發(fā)散的結(jié)果。另外還可看出，當圓柱體外徑(2R)一定，內(nèi)孔徑直徑(2r)增加時，其反射回波升高。8.2.1球面波在曲面

38、上的透射圖135 球面波在曲界面上的折射球面波入射到曲界面上，當其發(fā)生透射時，其折射波同樣會發(fā)生聚焦和發(fā)散，如圖135。軸線上距頂點x處的折射波聲壓為：(144)球形界面：(145)柱形界面：式中：c2/c1透射介質(zhì)與入射介質(zhì)波速之比。9 超聲波的衰減超聲波在實際介質(zhì)傳播時，其幅度將隨距離的增大而逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為衰減。9.1衰減的三原因9.1.1由聲束擴展引起的衰減 在聲波的傳播過程中，隨著傳播距離的增大，非平面聲波的聲束不斷擴展增大，因此單位面積上的聲能(或聲壓)隨距離的增大而減弱，這種衰減稱為擴散衰減。 擴散衰減僅取決于波陣面的幾何形狀而與傳播介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。在遠離聲源的聲場中，球面

39、波的聲壓P與至聲源距離a成反比(即P1/a)，而柱面波則為P(1/a)1/2。對于平面波，聲能(或聲壓)不隨傳播距離而變化，不存在擴散衰減。9.1.2由散射引起的衰減 由于實際材料不可能是絕對均勻的，例如材料中有外來雜質(zhì)、金屬中的第二相析出、晶粒的任意取向等均會導致整個材料聲阻抗不均，從而引起聲的散射。被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復雜的路徑傳播下去，最終變成熱能，聲能被消耗，聲強（或聲壓）被減弱，這種衰減稱為散射衰減。9.1.3由介質(zhì)的吸收引起的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點之間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)變成熱能。同時，由于介質(zhì)的熱傳導，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進行熱交

40、換，從而導致聲能的損耗，以及由于分子弛豫造成的吸收，這些就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象，這種衰減稱為吸收衰減。9.2衰減規(guī)律和衰減系數(shù)9.2.1衰減規(guī)律對于平面余弦波來說，聲壓衰減規(guī)律可用下式表示： PP0e2s （146）式中：P0入射到材料界面上時的聲壓； P超聲波在材料中傳播一段距離s后的聲壓； 衰減系數(shù)。需要指出的是，對于大多數(shù)固體和金屬介質(zhì)來說，通常所說的超聲波的衰減，即由(衰減系數(shù))表征的衰減僅包括散射衰減s和吸收衰減a，它們與被檢材料的材質(zhì)有關(guān),故稱為材質(zhì)衰減。而不包括僅與波陣面形狀有關(guān)的擴散衰減如果考慮衰減的擴散部分，則在距聲源（晶片）中心軸線上某一距離處(s3N)，可將衰減公式寫成： A

41、PP0e2s （147） s式中：衰減系數(shù)，sa ；A聲源（晶片）面積；波長；s距聲源距離。吸收衰減系數(shù)a 可表示為： ac1f式中：c1與晶粒大小和各向異性無關(guān)的常數(shù)；f超聲波頻率。散射衰減系數(shù)s 根據(jù)晶粒大?。╠）與波長（）之比分為三種情況： d <<：s=c2Fd3f4d：s =c3Fdf2d >>：s = c4F/d式中：c1、c2、c3常數(shù)；F各向異性因子；d晶粒直徑。上述表明，材質(zhì)衰減與超聲頻率有關(guān)，頻率f，則，反之亦然。9.3衰減系數(shù)的實用測量方法：9.3.1對于薄材料： 20lg(Bm/Bn)(nm) （148） 2(nm)T式中：材料的單程衰減系數(shù)；m

42、、n底波的反射次數(shù)；Bm、Bn第m、n次底波高度；每一次反射的損失(一般為0.51.0dB)；T工件厚度。9.3.2對于厚工件 20lgB1/B26 （149） 2T式中：B1、B2第1、2次底波高度；6擴散衰減引起的分貝差；反射損失；T工件厚度。例題1、用5MHz、20mm探頭測定厚為15mm的鋼板的材質(zhì)衰減系數(shù)已知B180，B450，每次反射損失為ldB，不計擴散衰減損失，求此鋼板的介質(zhì)衰減系數(shù)為多少? 解：已知 T 15mm m1 n4 B10.8 B40.5 1dB/次 求 ？ 20lg(B1/B4)(nm) 20lg(0.8/0.5)(41)×1 0.01dB/mm 2(n

43、m)T 2 ×(41) × 15 答：該鋼板的介質(zhì)衰減系數(shù)為0.01dB/mm。例題2、用2.5MHz、20mm的探頭測定500mm厚的餅形鍛件的衰減系數(shù)，現(xiàn)測得完好區(qū)域的B180，B215，求此鍛件的介質(zhì)衰減系數(shù)為多少?(不計反射損失) 解：已知 T 500mm B10.8 B20.15 20lg(B1/B2)6 20lg(0.8/.0.15)6 0.009dB/mm 2T  2×500 答：此鍛件的介質(zhì)衰減系數(shù)為0.009dB/mm。10 超聲場超聲波分布的空間稱為超聲場。10.1超聲波產(chǎn)生原理簡介原則上，凡是能將其他形式能量轉(zhuǎn)換成超聲的能量，都可以

44、用來產(chǎn)生超聲波。但在超聲檢測中，目前應用最多的是利用某些晶體或多晶陶瓷，例如石英、鋯鈦酸鉛、鈮酸鋰等，的壓電效應來獲得超聲波。 在壓電晶體某一方向(如厚度方向)施加應力，使其應變，晶體兩面這時會分別產(chǎn)生正、負電荷，形成電場，這種效應稱為正壓電效應；在壓電晶體的某一方向施加電場，晶體兩面這時會產(chǎn)生應變，這種效應稱為逆壓電效應。正、逆壓電效應統(tǒng)稱壓電效應。如在晶體兩面施加高頻交變電壓，晶體就會相應地伸長或縮短，產(chǎn)生機械振動，從而通過彈性介質(zhì)輻射出高頻聲波。10.2縱波超聲場10.2.1縱波圓盤聲源在聲束軸線上聲壓的分布(150)圖136 圓盤源軸線上聲壓推導圖根據(jù)疊加原理和波的干涉理論，聲束軸線上

45、任何一點處的聲壓等于聲源上各點輻射的聲壓在該點的迭加，如圖136所示。由于壓電晶片上各點到達該點的距離不同，疊加時有相位差，因而在整個聲束軸線上出現(xiàn)有聲壓極大值和聲壓極小值的起伏。如果聲源發(fā)出的波為連續(xù)簡諧波，且不考慮衰減，則圓盤形縱波聲源在聲束軸線上瞬時的聲壓分布可由式（150）表示，按該式得出的聲束軸線上瞬時的聲壓分布曲線如圖137（教材中的圖234）所示。式中：P0聲源的起始聲壓；P聲束軸線上距聲源距離為a處的聲壓；D晶片直徑；波長；a距聲源距離。從圖137（教材圖234）和式150可知，聲束軸線上聲壓隨距離的變化規(guī)律是一個正弦周期函數(shù)，在N區(qū)(稱為近場)內(nèi)瞬時聲壓Pa在02P0(聲壓幅值)內(nèi)變化，有幾個極大極小值。只有當傳播距離a(稱聲程)大于N值時，聲壓隨a的增加呈單調(diào)下降，只有當a6N時，Pa與a的關(guān)系才符合Pa1/a，即距離增加一倍，聲壓下降一半。最后一個極小值在N/2處。10.2.2近場距離(長度)聲束軸線上最后一個聲壓極大值點至聲源的距離稱為近場距離或近場長度以N表示。根據(jù)數(shù)學原理，可從式(150)推導出：式中：A晶片面積；D晶片直徑；波長。(151)當晶片直徑D遠大于波長時，4可忽略不計，則N可由下式表達：對方形晶片，把方晶片的面積，代入式151算出近