UT第二章2[1]7-29

1、 波型轉(zhuǎn)換：當(dāng)超聲波斜入射的界面時，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射外，還會產(chǎn)生不同類型的反射和折射。幾何光學(xué)三定律：1、在均勻介質(zhì)中光線沿直線傳播；2、入射角反射角；入射線、反射線、折射線在同一平面內(nèi)；3、入射角和折射角滿足： l ：折射率，則有：nsinsin21ccn 21sinsinCCnl縱波斜入射Z1Z2LL L SSLSLSLl根據(jù)反射、折射定律：同一介質(zhì)中縱波的聲速不變,因此 同一介質(zhì)中縱波的聲速大于橫波的聲速，因此 ， 。22111sinsinsinsinsinSsLLSsLLLLCCCCCLLSLSL第一臨界角：第一臨界角： 當(dāng)CL2 CL1 時，L L ,隨著L 增大,L 也增

2、大，當(dāng) L 90時，所對應(yīng)的縱波入射角，稱為第一臨界角，用 表示。21sinsinLLLLCC211arcsinLLCC第二臨界角：第二臨界角： 21arcsinSLCC21sinsinSsLLCC（1）當(dāng)縱波入射角小于第一臨界角時，第二介質(zhì)中既有縱波又有橫波；（2）當(dāng)縱波入射角介于第一臨界角和第二臨界角時，第二介質(zhì)中只有橫波，沒有縱波，這就是常用橫波斜探頭的制作原理。（3）當(dāng)縱波入射角大于等于第二臨界角時，第二介質(zhì)中即沒有縱波也沒有橫波，這是其介質(zhì)的表面存在表面波，這就是常用表面波探頭的制作原理。l例如，縱波傾斜入射到有機玻璃/鋼界面時，有機玻璃中：CL1=2730m/s，鋼中CL2=590

3、0m/s，CS2=3230m/s。則第一、二臨界角分別為： 由此可見有機玻璃橫波探頭L=27.657.7，有機玻璃表面波探頭L57.7 6 .2759002730arcsinarcsin21LLcc7 .5732302730arcsinarcsin21SLccl橫波斜入射SZ1Z2SL L SLsl橫波入射反射、折射定律第三臨界角： 當(dāng)橫波入射角增大到一定程度，反射縱波沿著界面?zhèn)鞑?，這時所對應(yīng)當(dāng)橫波入射角為第三臨界角。 當(dāng)橫波入射角大于等于第三臨界角時，第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒有反射縱波，即橫波全反射。 只有當(dāng)?shù)谝唤橘|(zhì)為固體介質(zhì)時，才會有第三臨界角。11arcsinLSIIICC111sin

4、sinLLSsCCl例：對鋼/空氣界面 5900m/s, =3230m/s, =33.2 當(dāng) 時，鋼中橫波全反射。1LC1SC11arcsinLSIIICC02 .33sLLSS有機玻璃晶片鋼鋼sKtans 超聲波反射、折射定律只討論了各種反射波、折射波的方向問題，未涉及聲壓反射率和透射率問題。由于傾斜入射時，聲壓反射率、透射率不僅與介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，而且與入射角有關(guān)，其理論計算公式十分復(fù)雜，因此這里只介紹由理論計算結(jié)果繪制的曲線圖形。 如圖所示，當(dāng)縱波傾斜入射到鋼/空氣界面時，縱波聲壓反射率rLL與橫波聲壓反率rLS 隨入射角L而變化。當(dāng)L=60左右時，rLL很低，rLS很高。原因是縱波傾斜

5、入射，當(dāng)L=60左右時產(chǎn)生一個較強的變型反射橫波。鋼空氣LLSLrLSrLL20406080LrLL0.21.00.40.80.6rLS 如圖所示，橫波傾斜入射到鋼/空氣界面，橫波聲壓反射率rSS 與縱波聲壓反射率rSL 隨入射角而變化。當(dāng)=30左右時，rSS很低，rSL較高。當(dāng)33.2（）時，rSS=100，即鋼種橫波全反射。鋼空氣SLSS20406080srSS0.21.00.40.80.6rSLrSSrSL33.2lPtPtP0Pa 聲壓往復(fù)透射率：超聲波傾斜入射，折射波全反射，探頭接收到的回波聲壓Pa 與入射波聲壓P0之比。 超聲波探傷中，常用的是反射法，超聲波往復(fù)通過同一探測面，因此

6、，聲壓往復(fù)透射率才具有實際意義。0PPTa P0Pa橫波斜探頭l超聲波在兩個平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射叫做端角反射。在端角反射中，超聲波經(jīng)歷了兩次反射，當(dāng)不考慮波型轉(zhuǎn)換時，二次反射回波與入射波互相平行，即l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。l端角反射率： 回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比.T端 Pa / P0例：鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率。下圖可知，縱波入射時，端角反射率都很低，這是因為縱波在端角的兩次反射中分離出較強的橫波。 l鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率 橫波入射時（1）縱波入射時，端角反射率都很低，這是因為縱波在端角的兩次反射中分離出較強的橫波。（2）橫波入射

7、時，入射角 或 附近時，端角反射率最低。 時，端角反射率達(dá)100%。 30S 6035 55sl橫波入射時，入射角S=30或60附近時，端角反射率最低。S在3555時端角反射率達(dá)100，實際工作中，橫波檢測焊縫單面焊根部未焊透的情況就類似于這種情況，當(dāng)橫波入射角S（等于橫波探頭的折射角S）=3555，即K=tgS=0.71.43時，檢測靈敏度最高。當(dāng)S=56，即K=1.5時，檢測靈敏度較低，可能引起漏檢。 為了便于討論，不考慮波型轉(zhuǎn)換行為。 1 .平面波 平面波波束不擴散，而是互相平行，因此聲壓不隨距離而變化。2. 球面波1PPx3. 柱面波 柱面波的波陣面為同軸柱面，柱面波聲場中某處質(zhì)點的振

8、幅與該點至波源的距離的平方根成反比，而聲壓與振幅成正比，因此柱面波的聲壓與距離的平方根成反比。1PPx1.單一的平界面上的反射1PPrx2.雙界面的反射 前壁各次反射波聲壓比為1111 1:1:2462 3PPPdddl后壁各次波的聲壓比實際檢測中，當(dāng)距離 d 較大時，超聲波探頭發(fā)出的超聲波可視為球面波，示波屏上各次底面反射波的高度之比近似符合的規(guī)律： 1111 1:1:353 5PPPddd1 11:2 33.單一平界面上的折射球面波入射到平界面上時，其折射波不再是嚴(yán)格的球面波了。只有當(dāng)其張角較小時，可視為近似的球面波，圖251 折射波聲壓1PPtx.平面波在曲界面上的反射 當(dāng)平面波入射到曲

9、界面上時，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散。 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。 （1）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。 （2）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。 實際檢測中球形、柱形氣孔的反射就屬于以上兩種情況 。2.平面波在曲界面上的折射 平面波入射到曲界面上時，其折射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散，如圖1.46。 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(dāng) c1c2時發(fā)散； 對于凸透鏡，當(dāng)c1c2時聚焦，當(dāng)c1c2時發(fā)散。 根據(jù)折射定理作圖即可（1）平面波入射至球

10、面透鏡時 （2）平面波入射到柱面透鏡l對于凸面，當(dāng)C1C2時聚焦，當(dāng)C1C2時發(fā)散。1球面波在曲界面上的反射 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1.47。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發(fā)散。（1）球面波在球面上的反射波 （2）球面波在柱面上的反射波 （圖1.49）超聲波徑向檢測空心圓柱體的情況，類似于球面波在凸柱面上的反射，反射波發(fā)散。圓柱面上入射點處的反射回波聲壓總是低于同距離的平底面的反射聲壓 2.球面波在曲界面上的折射 球面波入射到曲界面上，其折射波同樣會發(fā)生聚焦和發(fā)散 球形界面： 柱形界面： 水浸檢測柱形或球形工件 聚焦檢測超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著距離增加，超聲

11、波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波衰減。l波束擴散、晶粒散射和介質(zhì)吸收 1.擴散衰減 ：聲束的擴散，使超聲波的能量隨距離增加而減弱的現(xiàn)象。超聲波的擴散衰減僅取決與波振面的形狀，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。 平面波：不存在衰減； 球面波：球面波的波振面為同心球面，聲束向四面八方擴散，存在擴散衰減，聲壓與距離成反比。 柱面波：波振面為同軸圓柱面，聲束向四周擴散，存在擴散衰減，聲壓與距離的平方根成反比。2、散射衰減： 超聲波在介質(zhì)中傳播時，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射而引起的衰減現(xiàn)象。散射衰減與介質(zhì)的晶粒密切相關(guān)晶粒散射。當(dāng)材質(zhì)晶粒度大時，散射衰減嚴(yán)重，被散射的超聲波沿復(fù)雜的路徑傳到探頭，在示波屏上引起林狀回

12、波（又稱 草波）使信噪比下降，嚴(yán)重時噪聲湮沒缺陷波。3.吸收衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)中質(zhì)點間內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)引起超聲波的衰減。 通常所說的介質(zhì)衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包括擴散衰減。1.衰減方程衰減方程 平面波：0 xxPPe11:(1.59)(1.60):axxaxxPPexPPex球 面 波柱 面 波P0 波源的起始聲壓PX 至波源距離為x處的聲壓X 至波源的距離 介質(zhì)衰減系數(shù)2.衰減系數(shù) 衰減系數(shù)只考慮了介質(zhì)的散射和吸收衰減，未涉及擴散衰減。對于金屬材料等固體介質(zhì)而言，介質(zhì)衰減系數(shù)等于散射衰減系數(shù)和吸收衰減系數(shù)之和。as1342234/asC fc Fdfdc Fdfdc

13、fddd：介質(zhì)的晶粒直徑 F：各項異性系數(shù) c1、c2、c3、c4 常數(shù)l由以上公式可知：（1）介質(zhì)的吸收系數(shù)與頻率成正比；（2）介質(zhì)的散射系數(shù)與f、d、F有關(guān)。 在實際探傷中，當(dāng)介質(zhì)的晶粒較粗大時，若采用較高的頻率，將會引起嚴(yán)重衰減，示波屏出現(xiàn)大量草波，使信噪比明顯下降，超聲波的穿透能力也顯著下降。這就是晶粒粗大的奧氏體鋼和一些鑄件探傷的困難所在。（3）對于液體介質(zhì)而言，主要是介質(zhì)的吸收衰減。l衰減系數(shù)定義和單位： 定義：在聲束的傳播方向上，單位聲程衰減的dB數(shù)。單位： dB/mml衰減系數(shù)與聲阻抗的關(guān)系 材料的聲阻抗越大，衰減系數(shù)越小，超聲波傳播時的衰減越小。l衰減系數(shù)與溫度的關(guān)系 固體材料的衰減系數(shù)隨溫度的升高而增大。 ZTl一般地說，如果頻率相同，則在粗晶材料中，縱波比橫波具有更強的穿透能力。換句話說，橫波比縱波衰減嚴(yán)重。l1.薄板工件衰減系數(shù)的測定 對于厚度較小，上下底面平行，表面光潔的薄板工件或試塊，可用直探頭放在薄板表面，使聲波在上下表面往復(fù)反射，在示波屏上出現(xiàn)多次底波，由于介質(zhì)的衰減和反射損失，使底波高度依次減小，如圖所示，介質(zhì)的衰減系數(shù)按下面公式計算：xmnBBnm)(