超聲波探傷的物理基本(第四節(jié)超聲平面在平界面上斜入射的行為)

第一章超聲波探傷的物理基礎第四節(jié)超聲平面在平界面上斜入射的行為超聲平面波以一定的傾斜角入射到異質(zhì)界面上時，就會產(chǎn)生聲波的反射和折射、并且遵循反射和折射定律。在一定條件下，界面上還會產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。一、斜入射時界面上的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換超聲波在固體界面上的反射1.固體中縱波斜入射于固體——氣體界面圖1-25中，a為縱波入射角，a為縱波反射角，a為橫波反射角，其反射定律可用下列數(shù)學式表示：L L1 S1 L—= L1—= S1—sinasinasinaL L1 S1(1-34) L—= L1—= S1—sinasinasinaL L1 S1(1-34)因入射縱波L與反射縱波L］在同一介質(zhì)內(nèi)傳播，故它們的聲速相同，即c=Ca二a,。又因同一介質(zhì)中縱波聲速大于橫波聲速，即C>C，所以a>a。2.橫波斜入射于固體圖1-26中，a為橫波入射角，a為橫波反射角，SS1知：氣體界面L1S1，所LL1L1S1a為縱波反射角。由反射定律可L1LiC(1-35)cccS—ST—ETsina sina sinaS SI L1圖1-25縱波斜入射圖1-26橫波斜入射因入射橫波S與反射橫波s［在同一介質(zhì)內(nèi)傳播，故它們的聲速相同，即c—C，所1 SSTa—a。又因同一介質(zhì)中c>c，所以，a>a。SST LTST LTST結(jié)論：當超聲波在固體中以某角度斜入射于異質(zhì)面上，其入射角等于反射角，縱波反射角大于橫波反射角，或者說橫波反射聲束總是位于縱波反射聲束與法線之間。圖(1-27)表示鋼及鋁材中縱波入射時的橫波反射角，也可以看成橫波入射時的縱波反射角。超聲波的折射1.縱波斜入射的折射TOC\o"1-5"\h\z圖1-28中a為第一介質(zhì)的縱波入射角，卩為第二介質(zhì)的縱波折射角，卩為第二介質(zhì)的橫波折射角，其折射定律可用下列數(shù)學式表示： S(1-36)c cc(1-36) L—— — S2—sina sinp sinpEES

圖1-27鋼及鋁村中縱波入射時的橫波反射角(或橫波入射時的縱波反射角) 圖1-28圖1-27鋼及鋁村中縱波入射時的橫波反射角(或橫波入射時的縱波反射角) 圖1-28縱波斜入射在第二介質(zhì)中，因C＞c，所以sin卩＞sin卩,卩＞卩，橫波折射聲束總是位于縱波折射聲束與法線之間。L2S2LSLS可寫成：C C C (i37)可寫成：C C C (i37) S—= S2—= L2—sina sinp sinpS S2 L橫波在固體中斜入射至固/固、固/液介面時，其折射規(guī)律同樣符合式(1-36)所示的形式，由于氣體和液體不能傳播波橫波，所以不是任何情況下反射波和折射波都有波型的轉(zhuǎn)換，這一點要注意。圖1-29是幾種不同情況界面的波型轉(zhuǎn)換，⑻I—固體，II—液體，縱波入射，在II中沒有折射橫波；(b)介質(zhì)情況同(a),但是橫波入射，在II中也只有折射的縱波；(c)中I是液體」1是固體，縱波入射在介質(zhì)I中只有反射縱波；(d)二種介質(zhì)都是液體，則反射和折射波都是縱波；(e)(f)二種介質(zhì)都是固體，入射波是縱波及橫波，在一般情況下反射波和折射波中既有縱波又有橫波。若聲波從固體斜射到空氣界面，則在固體中才存在反射縱波和(或)橫波。L.I.LIS'S1(b1.)HNjI伽K液)【【(液1II肋Hl/I)L.I.LIS'S1(b1.)HNjI伽K液)【【(液1II肋Hl/I)n(hi)2】|的[仙)[h|r|j圖1-29聲波的各種反射、折射情況縱波第

CCC L = L2=CTOC\o"1-5"\h\zsina sin90。 L2LK1?Ca=sin-i lLK1 CL2對于入射角大于縱波第一臨界角的所有縱波入射聲束均會使縱波不傳入第二介質(zhì)，產(chǎn)生縱波全反射的現(xiàn)象。（2）縱波第二臨界角縱=CTOC\o"1-5"\h\zC C=C L= 2—sinasin90。S2角EqS2角Equa=sin-il

LK2 CS(1-39)對于入射角大于縱波第二臨界角的所有縱波入射聲束，均會使變形橫波不傳入第二介質(zhì)，產(chǎn)生橫波全反射的現(xiàn)象。圖1-32為有機玻璃/鋼（鋁）界面入射角和折射角的關系曲線。(1-39)60°有機玻璃/鋼（鋁）界面入射角和折射角的關系曲線疋義如下縱波圖斜1-32入60°有機玻璃/鋼（鋁）界面入射角和折射角的關系曲線疋義如下縱波圖斜1-32入由射表1，-使4固體可有機玻璃/鋼2700a =sin-i =27.2。lki 59002700a =sin-i =56.7。LK2 3230有機玻璃/鋁2700 “豪a =sin-i =25.4。lki 6300a =sin-i =61.2。LK2 3080水/鋼1500a =sin-i =14.7。lki 59001500a =sin-i =27.7。LK2 3230水/鋁1500a =sin-i =13.8。LKi 63001500a =sin-i =29.1。LK2 3080表1-4常用介質(zhì)縱波和第一臨界角和第二臨界角(3)第三臨界角橫波斜入射于固體/空氣界面，aS為橫波射角；a為縱波反射角，a為橫波反射角，此時認為橫波在空氣中不產(chǎn)生折射現(xiàn)象。因同一介質(zhì)中：Cs<C所以aS*a。當入射角SLL1aS定義橫波斜入射至固體/空氣界面并產(chǎn)生縱波全反射的橫波入射角為第三臨界角，用符號達到某數(shù)

值a表示。SK3C 號達到某數(shù)

值a表示。SK3C S sinaSK3?Ca =sin-iSK3CL1-=C

sin90°liL1常用介質(zhì)的第三臨界角見表1-5所列。(1-40)所產(chǎn)生縱波全反射現(xiàn)象。入射縱波在水和鋁界面上的反射和折射圖1-33所產(chǎn)生縱波全反射現(xiàn)象。入射縱波在水和鋁界面上的反射和折射圖1-33時， 表1-5常用介質(zhì)第三臨界角就 鋼/空氣3232a =sin-1 =33.2°SK3 5900可使 鋁/空氣3080a =sin-1 =29.3°SK3 6300有機玻璃/空氣1460a =sin-i =32.7°SK3 2700E三、斜入射時反射系數(shù)、折射系數(shù)和往復透射率B超聲波斜入射時，運用反射定律和折射定律可以確定，遇到界面后反射和折射超聲波束的傳播方向，但不能確定入射波和反射波、折射波之間的聲壓關系。實際上，斜入射波尤其是在產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換的情況下，反射波及折射波的聲壓變化不僅隨入射波型的不同而不同，而且還與入射角的大小和界面兩側(cè)介質(zhì)性質(zhì)有關。由于理論計算十分復雜，因此實際應用中常以相應的曲線進行分析。下面僅以幾種常用情況加以討論：q(1)縱波從水斜入射至固體當縱波從水斜入射至固體(如鋼或鋁)時，隨著縱波入射角的變化，反射聲壓和折射聲壓示為入射縱波縱波從有機玻璃斜入射至固體目前，各種斜探頭大多以有機玻璃作為透聲楔，晶片產(chǎn)生的縱波通過有機玻璃入射到有機玻璃/固體界面(耦合層)，并在耦合層與固體之間接合面上波型轉(zhuǎn)換后，在固體中得到所需要的波型(橫波、表面波及板波)。由于耦合層極薄，運用反向定律、折射定律計算反射角、折射角和分析界面上聲壓反射系數(shù)、透射系數(shù)、往復透過率時，可忽略耦合層的影響，只以界面兩側(cè)的有機玻璃和固體的聲學性質(zhì)為計算和分析的依據(jù)。縱的而在超聲波探傷法中，脈沖反射式探傷儀示波屏上的反射回波高代表了發(fā)射聲波在界面情的回波幅度，這就是我們感興趣的往復透過率問題。圖1-34所示即為有機玻璃鋼/界面況情況。圖中斜入波的往復透過率Tp可由下式計算：女口 P，pp，MT=—T=L-t=T-TPppp P1P2式中：P為入射聲壓；Pt為透射聲壓；經(jīng)固體/空氣界面100%反射后變?yōu)榈诙橘|(zhì)向第一介質(zhì)入射的聲壓。T為第一介質(zhì)波向第二介質(zhì)內(nèi)透射的聲壓透射率I為第二介質(zhì)返回聲波向第一介質(zhì)內(nèi)透射的聲壓透射率。 P14從圖中可看出：1.有機玻璃與固體工件之間采用耦合劑液態(tài)接觸比固體接觸的橫波聲所往復透過率高得多；2.聲壓往復透過率隨入射角?或折射角RS的不同而有所變化。有機玻璃/鋼界面聲壓往復透過率一般不超過30%，有機玻璃/鋁界面聲壓透過率高于前者，，但最高不超過65%。從(3)固體/空氣界面上的聲壓反射系數(shù)圖實際工件底面往往就是固體/空氣界面，研究固體/空氣界面上的聲壓反射系數(shù)對分析工中底面返回聲壓有實用意義。圖1-35和1-36為入射波在固體/空氣界面聲壓反射系數(shù)丫與入射角?的關系曲線。 P見L有個臨界角圖1-35縱波入射鋼/空氣界面聲壓鋁/水界面聲壓反圖圖1-35縱波入射鋼/空氣界面聲壓鋁/水界面聲壓反圖1-36橫波入射鋼/空氣、鋼/水鋁/空氣、反射系數(shù)與aL的關系曲線射系數(shù)與aL的關系曲線從圖1-35中可以看出：1.縱波入縱射波角入射，角&

鋼從圖.縱波入縱射波角入射，角&

鋼從圖1-36中可以看出：2.當橫波斜入射于固體/液體界面（如鋼/在水、鋁/水）時，由于一部分聲能在液體中折射TOC\o"1-5"\h\z中中縱波傳播，故其橫波聲壓反射系數(shù)比固體/空氣界面小，如圖1-36中虛線所示，這種差只在小于第三臨界角時并不明顯。大于第三I臨界角的橫波聲壓反射系數(shù)丫,對于鋼/水來說有10%左右的差值，對于鋁/水來說就有2空0%左右的差值。 SS橫面而無、超聲波在規(guī)則界面上的反射、折射和波型氣轉(zhuǎn)換規(guī)律超聲波探傷中所遇到的實際工件界面形狀界是多種多樣的，但比較常見的規(guī)則界面有平傾斜平面、直角平面、圓柱面等。 面橫面而無（1）傾斜平面上的反射 ，超聲波入射到與主聲束不垂直的面（如工當件的傾斜底面或與探測面有一傾角的缺陷），相反于超聲波斜入射于固體/空氣界面，此時不僅可能發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，而且反射波方向和聲壓射射系數(shù)均會變化，其變化規(guī)律與縱波斜入射和橫波斜入射于固體/空氣、固體/液體界面的縱況相同，見圖1-37所示。 橫波

in

.o波

in

.o，3n入射角為左右時，反射橫波的聲壓反射系數(shù)丫最低，其值小于15%。入射角繼續(xù)增大，橫波反射聲壓就激增,直到33.2弋時橫波聲壓反射系數(shù)丫=100%,此時縱波反射角a=LSSLE=Dl（=L對圖1-37超聲波在斜平面上的反射圖1圖1-38聲波在端角內(nèi)的反射(2)直角平面上的反射超聲波在二個互相垂直平面構(gòu)成的端面或三個互相垂直平面構(gòu)成的方角反射時，會產(chǎn)生角反射效應在實際探傷中也較為常見，這些反射有以下規(guī)律：傾斜射到其中一個平面上的入射聲束，經(jīng)兩次反射后以平行于入射方向返回并以過直角頂點且與入射聲束平行的直線為軸對稱。見圖1-38所示。端角內(nèi)的聲壓反射系數(shù)取決于入射聲波波型和入射角的大小。其變化規(guī)律見圖1-39a。由圖1-39b可知，傾斜入射的橫波在端角時hET面內(nèi)垂生的聲面反射縫系等數(shù)缺以斜橫陷探，波頭入宜折選射用角與裂縫(a)Ot入射覩彼聲丘反射率運巳強吉'2fs琴譌克QM/^OowoooOI&爭H7&WI432]ibi橫波入射戰(zhàn)敍聲巫反射率圖1-39鋼中端角平面內(nèi)聲壓反射率圖1-40折射角為50。時橫波在端角上的二次反縱射波超前狹長工件側(cè)壁平面引起的波型轉(zhuǎn)換1.狹長工件側(cè)壁引起的波型轉(zhuǎn)換對截面寬度或直徑d與探頭晶片尺寸可比的長直工件進行軸向縱波探傷時，探頭擴散聲束中的一部分邊緣聲束等于以很大的縱波入射角a斜入射工件側(cè)壁平面，并產(chǎn)生縱波和變型橫波其中丄橫波穿越工件成為另一側(cè)壁平面上的入射橫波，其中一部分經(jīng)波型轉(zhuǎn)換后成為變形縱波L2和橫波丄2經(jīng)底面反射后被探頭接收，見圖1-41所示。若工件足夠長，22則變形橫波可能在工件厚度方向上作多次橫穿，它們的波型轉(zhuǎn)換情況與第一次橫穿時類同。圖1-41遲到回波的產(chǎn)生及其在示波屏上的位置因為橫波聲速比縱波聲速慢，這樣經(jīng)變型橫波轉(zhuǎn)換后探頭接收到的回波顯然滯后于單純按縱波傳播至底返回的回波，滯后時間與變型橫波橫穿工件厚度的次數(shù)成正比。這些比正?？v波底面回波滯后的變型波稱為遲到回波，其滯后聲程AX可用下式計算：AX=竺補Cl]2-1 (1-40)Mc丿式中：d為工件寬度(或直徑)；n為變型橫波橫穿工件次數(shù)。將材料聲速代入式(1-40)，得鋼中遲到回波的滯后聲程為：AX=0.76nd (1-41)鋁中滯后聲程為：AX=0.88nd (1-42)2.與聲束軸線平行的工件側(cè)避干擾實踐證明，位于工件側(cè)壁附近的小缺陷，用與側(cè)壁平行的聲束很難檢測，這是因為存在著工件側(cè)壁干擾現(xiàn)象的緣故。這一干擾現(xiàn)象往往由經(jīng)側(cè)壁反射后的縱波(或橫波)與不經(jīng)反射的直射縱波之間的干涉引起的，見圖1-42所示，其結(jié)果是干擾了直射聲波的

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