超聲波檢測(cè)理論基礎(chǔ)

會(huì)計(jì)學(xué)1超聲波檢測(cè)理論基礎(chǔ)2023/1/191.2超聲檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí)1.2.1次聲波、聲波和超聲波機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播。如水波、聲波、超聲波聲波是在彈性介質(zhì)中的傳播的機(jī)械縱波，頻率在20~20000Hz頻率低于20Hz的聲波不能被人聽到，稱為次聲波頻率高于20000Hz的聲波人耳也聽不到，稱為超聲波。探傷用超聲波頻率在(0.5~10)MHz第1頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/19超聲波的特點(diǎn)超聲波波長(zhǎng)很短，這決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)。1、方向性好超聲波具有像光波一樣定向束射的特性。2、穿透能力強(qiáng)對(duì)于大多數(shù)介質(zhì)而言，它具有較強(qiáng)的穿透能力。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達(dá)數(shù)米。

3、能量高超聲檢測(cè)的工作頻率遠(yuǎn)高于聲波的頻率，超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的能量。

4、遇有界面時(shí)，將產(chǎn)生反射、折射和波型的轉(zhuǎn)換。利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，使超聲檢測(cè)工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。5、對(duì)人體無(wú)害。第2頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/191.2.2超聲檢測(cè)工作原理原理：1、聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定方式進(jìn)入工件2、超聲波在工件中傳播，與工件材料和其中缺陷相互作用，傳播方向或特征被改變3、改變后的超聲波通過(guò)檢測(cè)設(shè)備被接收，并對(duì)其處理分析4、根據(jù)接收的超聲波的特征，評(píng)估工件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特征通常用來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷和用來(lái)評(píng)估的基本信息：1、是否存在來(lái)自缺陷的超聲波信號(hào)及其幅度2、入射聲波與接收聲波之間的傳播時(shí)間3、超聲波通過(guò)材料后能量的衰減第3頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/191.2.3超聲檢測(cè)方法的分類1、按原理：脈沖反射法、衍射時(shí)差法、穿透法、共振法2、按顯示方式：A型顯示、超聲成像顯示3、按波型：縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法4、按探頭數(shù)目：?jiǎn)翁筋^法、雙探頭法、多探頭法5、按探頭與工件的接觸方式：接觸法；液浸法、電磁耦合法6、按人工干預(yù)的程度：手工檢測(cè)、自動(dòng)檢測(cè)第4頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/191.2.4超聲檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)和局限性1、優(yōu)點(diǎn)適用于金屬、非金屬和復(fù)合材料等多種材料的無(wú)損檢測(cè)穿透力強(qiáng)，多較大厚度工件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)缺陷定位較準(zhǔn)確面積型缺陷的檢出率高靈敏度高檢測(cè)成本低、速度快、設(shè)備輕便、使用方便，對(duì)人和環(huán)境無(wú)害第5頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/191.2.4超聲檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)和局限性2、局限性對(duì)工件中的缺陷進(jìn)行精確的定性和定量仍需做深入研究對(duì)具有復(fù)雜形狀或不規(guī)則外形的工件檢測(cè)困難缺陷的位置、取向和形狀對(duì)檢測(cè)結(jié)果有一定影響工件材質(zhì)和晶粒度對(duì)檢測(cè)有較大影響常用的手工A型脈沖反射法檢測(cè)時(shí)結(jié)果顯示不直觀，檢測(cè)結(jié)果無(wú)直接見證記錄第6頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/19第二章超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)2.1機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波2.1.1機(jī)械振動(dòng)物體或質(zhì)點(diǎn)在某一平衡位置附近做來(lái)回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，稱為機(jī)械振動(dòng)。產(chǎn)生的必要條件：物體一離開平衡位置就會(huì)受到回復(fù)力的作用；阻力要足夠小。振幅：振動(dòng)物體離開平衡位置的最大距離，A。周期：當(dāng)物體作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)完成一次全振動(dòng)所需要的時(shí)間，T（s）。頻率：振動(dòng)物體在單位時(shí)間內(nèi)完成全振動(dòng)的次數(shù)，f（Hz）1KHz=103Hz1MHz=106HzT=1/f第7頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/19諧振動(dòng)物體（或質(zhì)點(diǎn)）在受到跟位移大小成正比，而方向總是指向平衡位置的回復(fù)力的作用下的振動(dòng)。位移隨時(shí)間的變化符合余弦定理（或正弦）規(guī)律的振動(dòng)形式稱為諧振動(dòng)。Y=Acos（ωt+φ）ω=2πf=2π/T平衡位置勢(shì)能為零，動(dòng)能最大，位移最大位置勢(shì)能最大，動(dòng)能為零。只有彈力或重力做功。第8頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.1.2機(jī)械波振動(dòng)的傳播過(guò)程稱為波動(dòng)。機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程。必備條件：1、要有作機(jī)械振動(dòng)的波源2、要有能傳播機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)第9頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/19機(jī)械波的主要物理量1、聲速c：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，超聲波在介質(zhì)中傳播的距離；超聲波的速度就是聲音的速度,即聲在空氣(15℃)中的速度是340米/秒,只不過(guò)它們的頻率不同而已；超聲波在20℃的鋼中是5900米/秒;在鋁中的傳播速度為5100米/秒。2、頻率f：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，超聲波在介質(zhì)中任一給定點(diǎn)所通過(guò)完整波的個(gè)數(shù)；3、波長(zhǎng)λ：聲波在傳播時(shí)，同一波線上相鄰兩個(gè)相位相同的質(zhì)點(diǎn)之間的距離；第10頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/19機(jī)械波的主要物理量4、周期T：聲波向前傳播一個(gè)波長(zhǎng)距離時(shí)所需的時(shí)間；5、角頻率ω：其中頻率和周期是由波源決定的，聲速與傳聲介質(zhì)的特性和波型有關(guān)。第11頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.2波的類型2.2.1按波型分類1、縱波L：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波的傳播方向平行的波。壓縮波疏密波承受壓縮或拉伸應(yīng)力即可傳播第12頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.2.1按波型分類2、橫波S：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向相互垂直的波。切變波剪切波能承受剪切應(yīng)力才能傳播第13頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.2.1按波型分類3、表面波R：當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?。瑞?887年首提，又稱瑞利波。介質(zhì)表面的質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)。橢圓的長(zhǎng)軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)可視為縱波與橫波的合成。瑞利首先對(duì)這種波給予了理論上的說(shuō)明，因此表面波又稱為瑞利波（Rayleighwave），常用R表示。如采用表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)工件的表面缺陷。一般只能發(fā)現(xiàn)距離工件表面兩倍波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)的缺陷。第14頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/19表面波第15頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.2.2按波形分類波的形狀是指波陣面的形狀。波線：用波線表示傳播的方向波陣面：將同一時(shí)刻介質(zhì)中振動(dòng)相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)所連成的面波前：某一時(shí)刻振動(dòng)傳播到達(dá)的距聲源最遠(yuǎn)的各點(diǎn)所連成的面稱為波前。在各向同性介質(zhì)中波線垂直于波陣面。在任何時(shí)刻，波前總是距聲源最遠(yuǎn)的一個(gè)波陣面。波前只有一個(gè)，而波陣面可以有任意多個(gè)。第16頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.2.2按波形分類波線、波前與波陣面(a)平面波；

(b)柱面波；

(c)球面波

第17頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.2.2按波形分類根據(jù)波陣面的形狀(波形)，可將超聲波分為平面波、柱面波和球面波等。平面波即波陣面為平面的波，而柱面波的波陣面為同軸圓柱面，球面波的波陣面為同心球面。當(dāng)聲源是一個(gè)點(diǎn)時(shí)，在各向同性介質(zhì)中的波陣面為以聲源為中心的球面。可以證明，球面波中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)幅度與距聲源的距離成反比。當(dāng)聲源的尺寸遠(yuǎn)小于測(cè)量點(diǎn)距聲源的距離時(shí)，可以把超聲波看成是球面波。第18頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.2.3按振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類1、連續(xù)波波源持續(xù)不變的振動(dòng)所輻射的波。2、脈沖波波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短，間歇輻射的波稱為脈沖波。通常是微秒數(shù)量級(jí)第19頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.3波的疊加、干涉和衍射2.3.1波的疊加：幾列波在空間某處相遇，則相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是各列波引起振動(dòng)的合成，在任意時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)的位移是各列波引起位移的矢量和。相遇后各列波的波長(zhǎng)、頻率、振動(dòng)方向和傳播方向都保持不變，波的疊加原理或者波的獨(dú)立性原理。第20頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192波的干涉兩列頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇，介質(zhì)中某些地方的振動(dòng)互相加強(qiáng)，而另外一些地方的振動(dòng)互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫波的干涉現(xiàn)象。A=（A21+A22+2A1A2cos2πδ/λ）1/2注意：（1）當(dāng)δ=nλ（n為正數(shù)）時(shí)，A=A1+A2，（2）當(dāng)δ=(2n+1)λ/2時(shí)，A=∣A1-A2∣.第21頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.3.2波的繞射1.惠更斯-菲涅爾原理2.波的繞射（衍射）TOFD成為可能繞射能使超聲波在介質(zhì)中順利傳播繞射使小缺陷回波幅度顯著下降，造成漏檢超聲檢測(cè)靈敏度約為λ/2第22頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.4超聲波的傳播速度聲速表示聲波在介質(zhì)中傳播的速度，它與超聲波的波型有關(guān)，還與介質(zhì)的密度和彈性模量有關(guān)。聲速是一個(gè)表征介質(zhì)聲學(xué)特性的重要參量。2.4.1固體介質(zhì)中的聲速：縱波、橫波和表面波的聲速主要是由介質(zhì)的彈性性質(zhì)、密度和泊松比決定的，而與頻率無(wú)關(guān)，不同材料聲速值有較大的差異。在給定的材料中，頻率越高，波長(zhǎng)越短。

第23頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/191.無(wú)限大固體介質(zhì)中的聲速無(wú)限大固體介質(zhì)中的縱波聲速：無(wú)限大固體介質(zhì)中的橫波聲速：第24頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/191.無(wú)限大固體介質(zhì)中的聲速無(wú)限大固體介質(zhì)中的表面波聲速：CR=[（0.87+1.12σ）/(1+σ)]CSE-------介質(zhì)的楊氏彈性模量，MPa

；G-------介質(zhì)的剪切彈性模量，MPa;Ρ------介質(zhì)的密度Σ------介質(zhì)的泊松比0~0.5同一固體介質(zhì)中，縱波聲速CL大于橫波聲速Cs，橫波聲速Cs又大于表面波聲速CR。對(duì)于鋼材，CL≈1.8Cs，Cs≈1.1CR。第25頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/191.無(wú)限大固體介質(zhì)中的聲速2.細(xì)長(zhǎng)棒中的縱波聲速CLb3.聲速和溫度、應(yīng)力、均勻性的關(guān)系溫度高，聲速低應(yīng)力增加，聲速增加（緩慢）晶粒細(xì)，聲速大第26頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.4.2液體、氣體介質(zhì)中的聲速1.聲速公式C=（B/P）1/2式中B—容變彈性模量；P密度2.液體介質(zhì)中聲速與溫度的關(guān)系水CL=1557-0.0245（74-t）2其他，溫度升高，B減小，聲速降低第27頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.4.3聲速的測(cè)量1.超聲檢測(cè)儀器測(cè)量法（1）檢測(cè)儀器按時(shí)間刻度（2）檢測(cè)儀器按深度刻度2.測(cè)厚儀測(cè)量法（1）共振式測(cè)厚儀（2）脈沖反射式測(cè)厚儀3.示波器測(cè)量法第28頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.5超聲場(chǎng)的特征值2.5.1聲壓P：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)p1與沒(méi)有超聲波存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差稱為該點(diǎn)的聲壓，用p表示,單位為帕，Pa，第29頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.5超聲場(chǎng)的特征值2.5.2聲阻抗Z任一點(diǎn)的聲壓p與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比叫聲阻抗Z，單位：g/(cm2.s)；kg/(m2.s)。聲阻抗表示聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。在同一聲壓下，介質(zhì)的聲阻抗越大，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度就越小。實(shí)驗(yàn)證明，氣體、液體與金屬之間的特性聲阻抗之比大約為1:3000:8000。Z=P/V=ρC一般材料隨溫度升高而Z降低。第30頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.5超聲場(chǎng)的特征值2.5.3聲強(qiáng)I：在超聲場(chǎng)的傳播方向上，單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積上的聲能叫聲強(qiáng)，用I表示，單位W/cm2。I=ρcA2ω2/2=ZV2/2=P2/2Z超聲波的聲強(qiáng)和頻率的平方成正比，同一介質(zhì)中，超聲波的聲強(qiáng)和聲壓成正比。第31頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.5超聲場(chǎng)的特征值2.5.4分貝和奈培分貝的概念以引起聽覺(jué)的最弱聲強(qiáng)I0=10-16W/cm2為聲強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，在聲學(xué)上稱為“聞閾”，即f=1000Hz時(shí)引起人耳聽覺(jué)的聲強(qiáng)最小值。將某一聲強(qiáng)I與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I0之比取常用對(duì)數(shù)得到二者相差的數(shù)量級(jí)，稱為聲強(qiáng)級(jí)，聲強(qiáng)級(jí)的單位為貝爾B，即

△=lg(I2/I1)貝爾（B）在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，貝爾這個(gè)單位太大，常用分貝（dB）作為聲強(qiáng)級(jí)的單位。第32頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.5超聲場(chǎng)的特征值1分貝人類耳朵剛剛能聽到的聲音20分貝以下認(rèn)為是安靜的，15分貝以下,認(rèn)為是“死寂”的20-40分貝大約是情侶耳邊的喃喃細(xì)語(yǔ)40-60分貝正常的交談聲音60分貝以上屬于吵鬧范圍70分貝很吵的，而且開始損害聽力神經(jīng)汽車噪音介乎80-100分貝90分貝以上會(huì)使聽力受損100-120分貝如無(wú)意外，一分鐘人類就得暫時(shí)性失聰（致聾）第33頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.5超聲場(chǎng)的特征值在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，超聲波的幅度或強(qiáng)度也用相同的方法即分貝表示，第34頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.5超聲場(chǎng)的特征值目前市售的超聲波探傷儀，其示波屏上波高與聲壓成正比，即任意兩點(diǎn)的波高之比等于相應(yīng)的聲壓之比，二者的分貝差實(shí)際檢測(cè)時(shí)，常按此式計(jì)算超聲波探傷儀示波頻上任意兩個(gè)波高的分貝差。第35頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.5超聲場(chǎng)的特征值若對(duì)二者取自然對(duì)數(shù)，則其單位為奈培NP：奈培與分貝的關(guān)系為：第36頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.6超聲波垂直入射到界面的反射和透射超聲波在無(wú)限大介質(zhì)中傳播時(shí)，將一直向前傳播，不改變方向。但遇到異介質(zhì)界面（即聲阻抗差異較大的異質(zhì)界面）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象當(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。第37頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.6.1單一平界面的反射率和透射率反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0的比值稱為聲壓反射率r，透射波聲壓Pt和P0的比值稱為聲壓透射率t。

r和t的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：

Z1、Z2分別為兩種介質(zhì)的聲阻抗。

第38頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.6.1單一平界面的反射率和透射率聲強(qiáng)反射率R和聲強(qiáng)透射率T：R為反射波聲強(qiáng)(Ir)和入射波聲強(qiáng)(I0)之比；T為透射波聲強(qiáng)(It)和入射波聲強(qiáng)(I0)之比。

聲波垂直入射到平界面上時(shí)，聲壓和聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。第39頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.6.1單一平界面的反射率和透射率在垂直入射時(shí)，界面兩側(cè)的聲波必須滿足兩個(gè)邊界條件：（1）一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總聲壓，否則界面會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)；（2）兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度振幅相等，以保持波的連續(xù)性。上述超聲波縱波垂直入射到單一平界面上的聲壓、聲強(qiáng)與其反射率、透射率的計(jì)算公式，同樣適用于橫波入射的情況。但在固液、固氣界面上，橫波將發(fā)生全反射，這是因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。第40頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.6.1單一平界面的反射率和透射率幾種情形的討論：（1）Z2＞Z1（2）Z1＞Z2（3）Z1遠(yuǎn)大于Z2（4）Z1≈Z2第41頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.6.2薄層界面的反射率和透射率薄層界面在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，經(jīng)常遇到很薄的耦合層和缺陷薄層，這些都可以歸納為超聲波在薄層界面的反射和透射問(wèn)題。

在兩個(gè)界面上的反射和透射d2超聲波由聲阻抗為Z1的第一介質(zhì)入射到Z1和Z2的交界面，然后通過(guò)聲阻抗為Z2的第二介質(zhì)薄層射到Z2和Z3的交界面，最后進(jìn)入聲阻抗為Z3的第三介質(zhì)。當(dāng)然在有三層介質(zhì)時(shí)，很多情況是第一介質(zhì)和第三介質(zhì)為同一種介質(zhì)（超聲波檢測(cè)即是這種情況）。第42頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.6.2薄層界面的反射率和透射率1.均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層（Z1=Z3≠Z2）第43頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.6.2薄層界面的反射率和透射率由公式可知：（1）半波透聲層（2）薄層厚度為1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)第44頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面即超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層，如薄層厚度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，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)。第45頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面此時(shí)為全透射的情況。第46頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.6.3聲壓往復(fù)透射率在單探頭超聲檢測(cè)中，探頭發(fā)出的超聲波透過(guò)界面進(jìn)入工件，在固-氣底面產(chǎn)生全反射后再次通過(guò)同一界面被探頭接收，這時(shí)探頭接收到的回波聲壓Pa和入射波聲壓P0之比，稱為聲壓往復(fù)透射率。垂直入射，底面全反射的情況下，聲壓往復(fù)透射率在數(shù)值上和聲強(qiáng)透射率相等。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)入射無(wú)關(guān)，聲阻抗相差越小，聲壓往復(fù)透射率越高。聲壓往復(fù)透射率高低直接影響檢測(cè)靈敏度高低，往復(fù)透射率高，檢測(cè)靈敏度就高。第47頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.7超聲波傾斜入射到界面時(shí)的反射和透射超聲波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的發(fā)射和折射波外，還會(huì)產(chǎn)生不同種類型的反射和折射波，這就是波型轉(zhuǎn)換。第48頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.7超聲波傾斜入射到界面時(shí)的反射和透射超聲波傾斜入射到平界面上的反射、折射(a)縱波入射；

(b)橫波入射

第49頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/191.縱波斜入射當(dāng)縱波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生反射縱波和折射縱波外，還會(huì)產(chǎn)生反射橫波和折射橫波，各種反射波和折射波的方向符合反射、折射定律。折射角相對(duì)于入射角的大小和折射波聲速與入射波聲速的比率有關(guān)。同時(shí)，由于縱波聲速總是大于橫波聲速，因此縱波折射角βL要大于橫波折射角βS。第50頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/19（1）第一臨界角當(dāng)入射波為縱波，且cL2>cL1時(shí)，折射角大于入射角，使縱波折射角達(dá)到90°的縱波入射角稱為第一臨界角，用符號(hào)αⅠ表示。當(dāng)縱波入射角大于第一臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中不再有折射縱波，只有折射橫波。第51頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/19（2）第二臨界角當(dāng)入射波為縱波，第二介質(zhì)為固體，且CS2>CL1時(shí)，使橫波折射角達(dá)到90°的縱波入射角為第二臨界角，用符號(hào)αⅡ表示。通常在超聲檢測(cè)中，臨界角主要應(yīng)用于第二介質(zhì)為固體，而第一介質(zhì)為固體或液體的情況。這種情況下，可利用入射角在第一臨界角和第二臨界角之間的范圍，在固體中產(chǎn)生一定角度范圍內(nèi)的純橫波，對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)。第二介質(zhì)中既無(wú)折射縱波，又無(wú)折射橫波，介質(zhì)的表面將產(chǎn)生表面波R。第52頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/19（2）第二臨界角如：有機(jī)玻璃和鋼界面，αⅠ=27.6°αⅡ=57.7°第53頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/19（3）第三臨界角第三臨界角是在固體介質(zhì)與另一種介質(zhì)的界面上，用橫波作為入射波時(shí)產(chǎn)生的。使縱波反射角達(dá)到90°時(shí)的橫波入射角稱為第三臨界角，用表示αⅢ。此時(shí)，介質(zhì)中只存在反射橫波。鋼中，αⅢ=33.2°第54頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.7.2聲壓反射率超聲波反射、折射定律只討論了超聲波傾斜入射到界面上時(shí)，各種類型反射波和折射波的傳播方向，沒(méi)有涉及它們的聲壓反射率和透射率。斜入射時(shí)反射波和透射波的聲壓關(guān)系較為復(fù)雜。但在超聲檢測(cè)中，關(guān)心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的變化。對(duì)脈沖反射法，更關(guān)心的是聲壓往返透過(guò)率隨入射角度的變化。在斜入射情況下，各種類型反射波和折射波的聲壓反射率和透射率不僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，還與入射波的類型及入射角的大小有關(guān)。由于理論計(jì)算公式復(fù)雜，因此借助于公式或?qū)嶒?yàn)得到幾種常見界面的聲壓反射率和透射率。見圖2-32，2-33第55頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.7.3聲壓往復(fù)透射率超聲波傾斜入射時(shí)，聲壓往復(fù)透射率等于兩次相反方向通過(guò)同一界面的聲壓透射率的乘積，即第56頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.7.4端角反射當(dāng)工件的兩個(gè)相鄰表面構(gòu)成直角，超聲波束傾斜射向任一表面，且其反射波束指向另一表面時(shí)，即構(gòu)成端角反射的情況。在這種情況下，同類型的反射波和入射波總是相互平行，方向相反；不同類型的反射波和入射波互不平行，且難以被發(fā)射探頭接收。橫波入射時(shí)，入射角在30°和60°附近時(shí)，端角反射率很低，入射角在35°~55°時(shí)，端角反射率很高。第57頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.8超聲波的聚集和發(fā)散2.8.1聲壓距離公式1.平面波聲束不擴(kuò)散，而是互相平行，聲壓不隨距離變化。2.球面波的聲壓與距離成反比。（振幅與距離成反比，聲壓與振幅成正比）P1--距離為單位1處的聲壓X---某點(diǎn)至波源的距離第58頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.8超聲波的聚集和發(fā)散3.柱面波聲壓距離公式柱面波的波陣面為同軸柱面，某處質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離的平方根成反比，而聲壓與振幅成正比。第59頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.8.2球面波在平界面上的反射與折射1.單一的平界面上的反射球面波入射到平界面上，反射波仍為球面波，且波源與入射波源對(duì)稱。r–聲壓反射率X—從虛擬波源算起的距離第60頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.8.2球面波在平界面上的反射與折射2.雙界面上的反射球面波在相互平行的雙界面間的多次反射仍符合球面波的變化規(guī)律。當(dāng)入射角較小，r=1.0時(shí)，距離d較大不產(chǎn)生干涉，對(duì)于脈沖波，前壁各次聲壓比為：后壁各次波的聲壓比為：第61頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.8.2球面波在平界面上的反射與折射3.單一界面上的折射球面波入射到平界面上，其折射波不再是嚴(yán)格的球面波，只有其張角較小時(shí)，可視為近似的球面波，且有對(duì)于水-鋼界面：折射波聲壓：第62頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.8.3平面波在曲界面上的反射與折射1.平面波在曲界面上的反射平面波入射到曲界面時(shí)，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散。從入射上看，凹界面的反射波聚焦，凸界面的反射波發(fā)散。第63頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.8.3平面波在曲界面上的反射與折射（1）平面波入射到球面時(shí)，其反射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波，在軸線上距離曲面頂點(diǎn)x處的反射波聲壓為：（2）平面波入射到柱面時(shí)，其反射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的柱面波，在軸線上距離曲面頂點(diǎn)x處的反射波聲壓為：f—焦距，f=r/2±--+用于發(fā)散，-用于聚焦Po--曲面頂點(diǎn)處入射波聲壓實(shí)際檢測(cè)中，球形、柱形氣孔的反射波就屬于以上兩種情形。第64頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.8.3平面波在曲界面上的反射與折射2.平面波在曲界面上的折射平面波入射到曲面上時(shí)，其折射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散。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)的聲速有關(guān)。對(duì)于凹面，c1<c2時(shí)聚焦，c1>c2時(shí)發(fā)散；對(duì)于凸面，c1>c2時(shí)聚焦，c1<c2時(shí)發(fā)散。第65頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.8.3平面波在曲界面上的反射與折射平面波在曲界面的折射聚焦c1＜c2c1＞

c2c1＞

c2c1＜c2發(fā)散凹面凹面凸面凸面第66頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.平面波在曲界面上的折射（1）平面波入射到球面透鏡時(shí)，（2）平面波入射到柱面透鏡時(shí)，實(shí)際檢測(cè)用的水浸聚焦探頭就是根據(jù)平面波入射到c1＞c2的凸透鏡上，折射波會(huì)聚焦的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，可以提高檢測(cè)靈敏度。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，將獲得線聚集。目前在實(shí)際檢測(cè)中，線聚焦多用于機(jī)械化自動(dòng)檢測(cè)，點(diǎn)聚焦多用于人工檢測(cè)。第67頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.8.4球面波在曲面上的反射與折射1.球面波在曲界面上的反射球面波入射到曲界面上，其反射波要發(fā)生聚焦或發(fā)散，凹曲面聚焦，凸曲面發(fā)散。見書圖2-44（1）球面波在球面上的反射波P1/a--球面頂點(diǎn)處入射波聲壓f—焦距，f=r/2±--+用于發(fā)散，-用于聚焦a—球面頂點(diǎn)至波源的距離實(shí)際檢測(cè)中，距離較大的球形氣孔，就屬于此類情形。第68頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/191.球面波在曲界面上的反射（2）球面波在柱面上的反射波此反射波既不是單純的球面波，也不是單純的柱面波，而是近似兩個(gè)不同的柱面波疊加。實(shí)際檢測(cè)中，超聲波徑向檢測(cè)大型圓柱形鍛件。第69頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.球面波在曲界面上的折射球形界面柱形界面C2/C1---透射介質(zhì)與入射介質(zhì)中波速之比第70頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.9超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波衰減。2.9.1.衰減的原因主要原因是波束的擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收。1.擴(kuò)散衰減：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，因波前在逐漸擴(kuò)展，從而導(dǎo)致聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波的擴(kuò)散衰減。它主要取決于波陣面的幾何形狀，與傳播介質(zhì)無(wú)關(guān)。平面波不存在擴(kuò)散衰減，而球面波和柱面波有擴(kuò)散衰減現(xiàn)象。第71頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.9超聲波的衰減2.散射衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射引起衰減的現(xiàn)象。散射衰減與材質(zhì)的晶粒度密切相關(guān)。晶粒度粗大，散射衰減嚴(yán)重。3.吸收衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)引起的超聲波衰減叫吸收衰減。在超聲檢測(cè)中，談到超聲波在材料中的衰減時(shí)，通常關(guān)心的是散射衰減和吸收衰減，而不包括擴(kuò)散衰減。第72頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.9.2衰減方程與衰減系數(shù)1.衰減方程平面波不存在擴(kuò)散衰減，只存在介質(zhì)衰減，其聲壓衰減方程為：Px=P0e-αx球面波和柱面波既存在擴(kuò)散衰減，又存在散射衰減，其聲壓衰減方程分別為：第73頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.9.2衰減方程與衰減系數(shù)2.衰減系數(shù)2.1對(duì)金屬材料等固體介質(zhì)：衰減系數(shù)等于散射衰減系數(shù)αs和吸收衰減系數(shù)αa之和。α=αs+αa注意：（1）介質(zhì)的吸收衰減和頻率成正比。（2）介質(zhì)的散射衰減與f、d、F有關(guān)。第74頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.9.2衰減方程與衰減系數(shù)2.2對(duì)液體介質(zhì)而言，主要是介質(zhì)的吸收衰減。α=αa=8π2f2η/2ρc3由于η、c、ρ都和溫度有關(guān)，所以一般α隨溫度升高而降低。工作中可根據(jù)底波次數(shù)和幅度來(lái)判斷衰減情況，從而判斷材料晶粒度大小、缺陷密集程度等。η---介質(zhì)的粘滯系數(shù)ρ—介質(zhì)的密度C---波速第75頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.8.3衰減系數(shù)的測(cè)定1.薄板工件衰減系數(shù)的測(cè)定條件：厚度較小，上下底面互相平行，表面光潔m、n—底波的反射次數(shù)Bm、Bn—第m、n次底波高度δ—反射損失，每次反射損失約為（0.5~1.0）dBx---薄板的厚度第76頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/192.8.3衰減系數(shù)的測(cè)定2.厚板或粗圓柱體衰減系數(shù)的測(cè)定條件：厚度大于200mm的板材或軸類工件方法：第一、第二次底波高度測(cè)定衰減系數(shù)B1、B2—第一、二次底波高度6---擴(kuò)散引起的分貝差δ—反射損失，每次反射損失約為（0.5~1.0）dBx---薄板的厚度第77頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/19第三章

超聲波反射聲場(chǎng)與規(guī)則反射體的回波聲壓3.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)3.1.1圓盤波源輻射的縱波聲場(chǎng)圓盤聲源發(fā)出的聲場(chǎng)，由于聲源尺寸有限，必然在其邊緣發(fā)生衍射效應(yīng)使聲束向周圍空間擴(kuò)散，形成一個(gè)隨距離增大而波陣面面積不斷擴(kuò)大的擴(kuò)散聲束。另一方面，聲源上各點(diǎn)發(fā)出的聲波相互干涉又使得聲壓的空間分布不是隨距離單調(diào)變化的。因此，對(duì)圓盤聲源聲場(chǎng)中聲壓分布的描述非常復(fù)雜。從圓盤聲源的對(duì)稱性來(lái)分析，通過(guò)圓盤中心且垂直于盤面的直線應(yīng)是聲場(chǎng)的對(duì)稱軸，稱為圓盤聲源軸線。討論圓盤聲源的聲場(chǎng)將從聲壓沿軸線的分布以及聲束擴(kuò)散的特性著手。第78頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)圓盤聲源軸線上的聲壓分布根據(jù)疊加原理，圓盤聲源軸線上任何一點(diǎn)處的聲壓等于聲源上各點(diǎn)輻射的聲壓在該點(diǎn)的疊加。如果聲源發(fā)出的波為連續(xù)簡(jiǎn)諧波，并假定介質(zhì)為無(wú)衰減的液體介質(zhì)，則可推出聲源軸上聲壓幅值P的分布符合下式：

第79頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)式中：P0為聲源的起始聲壓；Rs為圓盤聲源的直徑；λ為傳聲介質(zhì)中聲波的波長(zhǎng)；x為圓盤聲源軸線上某一點(diǎn)距聲源的距離。當(dāng)x≥2Rs（圓盤半徑Rs=D/2）時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為：第80頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)當(dāng)x≥3Rs2/λ時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為：上式表明，當(dāng)x≥3Rs2/λ時(shí),圓盤聲源軸線上的聲壓與距離成反比，與波源面積成正比。第81頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)由近場(chǎng)區(qū)內(nèi)的聲壓分布可知當(dāng)p從由在聲軸線上會(huì)出現(xiàn)聲壓極大和極小值第82頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)（1）近場(chǎng)區(qū)：波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)的一系列聲壓極大極小值的區(qū)域，稱為超聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度：波源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值至波源的距離稱為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，用N表示。由軸線上聲壓公式，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到最后一個(gè)聲壓極大值點(diǎn)距聲源距離的表達(dá)式：

第83頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)當(dāng)D>>λ時(shí)，λ/4可以忽略，從而得到近場(chǎng)長(zhǎng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下，：近場(chǎng)區(qū)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)圖中標(biāo)有“P球”的虛線為球面波聲壓隨距離的變化曲線，可以看出，距離大于3N以后，圓盤聲源聲軸上的聲壓幅值變化與球面波的曲線非常接近。近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度與波源面積成正比，與波長(zhǎng)成反比。第84頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，由于聲源表面上各點(diǎn)輻射至被考察點(diǎn)的波程差大，所引起的聲源振幅差和相位差也大，且它們彼此相互干涉，結(jié)果是近場(chǎng)區(qū)的聲源分布十分復(fù)雜，出現(xiàn)很多極大值與極小值。在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)如果有缺陷存在，其反射波極不規(guī)則，對(duì)缺陷的判斷十分困難，因此，盡可能避免在近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)定量。（2）遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：在聲場(chǎng)中，x>N的區(qū)域?yàn)槁曉吹倪h(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，聲壓隨距離增加而減小，聲源軸線上距離為x處聲壓p的最大值為：第85頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)2.超聲場(chǎng)橫截面聲壓分布：超聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)各個(gè)橫截面上的聲壓分布是不同的，在x≤N的近場(chǎng)區(qū)，存在中心軸線上聲壓為零的截面。在x≥N的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，軸線上的聲壓最高，偏離中心聲壓逐漸降低，且同一截面上聲壓的分布是完全對(duì)稱的。實(shí)際檢測(cè)中要在2N之外測(cè)定探頭聲束偏離和斜探頭K值。第86頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)第87頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)3.波束指向性和半擴(kuò)散角點(diǎn)波源ds在至波源距離充分遠(yuǎn)處任意一點(diǎn)M(r，θ)處引起的聲壓為：

整個(gè)圓盤聲源在（r，θ）處的總的聲壓幅值為：第88頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)指向性系數(shù)：波源前充分遠(yuǎn)處任意一點(diǎn)的聲壓P(r,θ)與波源軸線上同距離處聲壓P(r,θ)之比，用DC表示。第89頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)DC與y的關(guān)系如圖3-7所示，可知：（1）超聲場(chǎng)中至波源充分遠(yuǎn)處同一橫截面上各點(diǎn)的聲壓是不同的，以軸線上的聲壓為最高。（2）圓盤源輻射的聲束截面聲場(chǎng)中存在一些聲壓為零的點(diǎn)。圓盤源輻射的縱波聲場(chǎng)的第一零值發(fā)散角（半擴(kuò)散角）：θ0=arcsin1.22λ/DS≈70λ/DS(°)（3）半擴(kuò)散角θ0以外的聲場(chǎng)聲壓很低，超聲波的能量主要集中在半擴(kuò)散角θ0以內(nèi)。（4）在超聲波主波束之外存在一些副瓣，副瓣能量很低，從波源附近開始傳播后衰減很快。（5）與聲壓幅值有關(guān)的半擴(kuò)散角γ（6）增加探頭直徑DS，提高檢測(cè)頻率f，可以改善波束指向性，有利提高檢測(cè)靈敏度，但近場(chǎng)長(zhǎng)度增加，對(duì)檢測(cè)不利。第90頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1縱波發(fā)射聲場(chǎng)4.波束未擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)波束未擴(kuò)散區(qū)b：在波源附近存在。在波束未擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，波束不擴(kuò)散，不存在擴(kuò)散衰減，各截面平均聲壓基本相同。b≈1.64N擴(kuò)散區(qū)：到波源的距離x＞b的區(qū)域。擴(kuò)散區(qū)內(nèi)波束擴(kuò)散，存在擴(kuò)散衰減。第91頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1.2矩形波源輻射的縱波聲場(chǎng)矩形波源輻射的縱波聲場(chǎng)有兩個(gè)不同的半擴(kuò)散角，其聲場(chǎng)為矩形。

矩形波源的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為：第92頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1.2矩形波源輻射的縱波聲場(chǎng)矩形晶片輻射聲場(chǎng)第93頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1.2矩形波源輻射的縱波聲場(chǎng)兩個(gè)特定面內(nèi)的聲場(chǎng)指向性系數(shù)XOZ面內(nèi)，第94頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1.2矩形波源輻射的縱波聲場(chǎng)ZOY面第95頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1.3縱波聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布實(shí)際檢測(cè)中，近場(chǎng)區(qū)分布在兩種不同的介質(zhì)中，設(shè)第一種介質(zhì)（水）厚度為L(zhǎng)，則第二種介質(zhì)（鋼）中剩余近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N’為：基于鋼中近場(chǎng)區(qū)計(jì)算:基于水中近場(chǎng)區(qū)計(jì)算:第96頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1.4實(shí)際聲場(chǎng)與理想聲場(chǎng)比較理想聲場(chǎng)：液體介質(zhì)，波源作活塞振動(dòng)，輻射連續(xù)波等理想條件下的聲場(chǎng)。實(shí)際聲場(chǎng)：固體介質(zhì)，波源非均勻激發(fā)，輻射脈沖波聲場(chǎng)。第97頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.1.4實(shí)際聲場(chǎng)與理想聲場(chǎng)比較實(shí)際聲場(chǎng)與理想聲場(chǎng)存在區(qū)別的原因：（1）實(shí)際聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，軸線上聲壓變化幅度小于理想聲場(chǎng)，極值點(diǎn)減少。（2）實(shí)際聲場(chǎng)是許多不同頻率正弦波、余弦波聲場(chǎng)的疊加，疊加后的總聲壓趨于均勻，使近場(chǎng)區(qū)聲壓分布不均的情況得到改善。（3）實(shí)際聲場(chǎng)的波源是非均勻激發(fā)，產(chǎn)生的干涉小于均勻激發(fā)的理想波源。（4）實(shí)際檢測(cè)的對(duì)象為固體介質(zhì)，疊加干涉小于液體介質(zhì)。第98頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.2橫波發(fā)射聲場(chǎng)3.2.1假想橫波聲源橫波探頭輻射的聲場(chǎng)由第一介質(zhì)中的縱波聲場(chǎng)與第二介質(zhì)中的橫波聲場(chǎng)兩部分組成。將第一介質(zhì)中的縱波波源轉(zhuǎn)換為與第二介質(zhì)中橫波波束軸線重合的假想橫波波源，整個(gè)聲場(chǎng)可視為由假想橫波波源輻射出來(lái)的連續(xù)的橫波聲場(chǎng)。實(shí)際波源為圓形，假想橫波波源為橢圓形，橢圓的長(zhǎng)軸等于實(shí)際波源的直徑DS，短軸為：

β---橫波折射角α---縱波入射角第99頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.2.2橫波聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)1.波束軸線上的聲壓由于波的干涉，橫波聲場(chǎng)存在近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。當(dāng)x≥3N時(shí)，橫波聲場(chǎng)波束軸線上的聲壓為：P∝FS，P∝1/x。K---系數(shù)Fs---波源的面積λs2---第二介質(zhì)中橫波波長(zhǎng)X---軸線上某點(diǎn)到假想波源的距離第100頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.2.2橫波聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)2.近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度橫波聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為：

N∝FS，N∝1/λs2。第二介質(zhì)中的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度：式中：FS——波源面積；λs2——介質(zhì)中橫波波長(zhǎng)；

L1——入射點(diǎn)至波源的距離；

L2——入射點(diǎn)至假想波源的距離。第101頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.2.2橫波聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)3.半擴(kuò)散角(1)縱波斜入射在第二介質(zhì)中產(chǎn)生橫波聲場(chǎng)，波束不對(duì)稱于聲束軸線，存在上下（θ上、θ下）兩個(gè)半擴(kuò)散角，且θ上＞θ下。

θ上＝β2－βθ下＝β－β1sinβ1＝a－b,sinβ2＝a＋b(2)橫波垂直入射時(shí)，其聲束對(duì)稱于軸線，半擴(kuò)散角θ0為：圓形聲源：矩形正方形聲源：第102頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.3規(guī)則反射體的回波聲壓當(dāng)量法：在同樣的檢測(cè)條件下，當(dāng)自然缺陷回波與某人工規(guī)則反射體回波等高時(shí)，則該人工規(guī)則反射體的尺寸就是此自然缺陷的當(dāng)量尺寸。3.3.1平底孔回波聲壓超聲波波束軸線垂直于平底孔，超聲波在平底孔上全反射，回波聲壓為：任意兩個(gè)距離直徑不同的平底孔回波分貝差為：平底孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降12dB平底孔距離一定，直徑增加一倍，其回波上升12dB第103頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.3規(guī)則反射體的回波聲壓3.3.2長(zhǎng)橫孔回波聲壓長(zhǎng)橫孔直徑較小，長(zhǎng)度大于波束截面尺寸，超聲波垂直入射到長(zhǎng)橫孔的反射回波聲壓為：任意兩個(gè)距離直徑不同的長(zhǎng)橫孔回波分貝差為：長(zhǎng)橫孔直徑一定，距離增加一倍，其回波下降9dB長(zhǎng)橫孔距離一定，直徑增加一倍，其回波上升3dB第104頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.3規(guī)則反射體的回波聲壓3.3.3短橫孔回波聲壓短橫孔長(zhǎng)度明顯小于波束截面尺寸，超聲波垂直入射到短橫孔的反射回波聲壓為：任意兩個(gè)距離、長(zhǎng)度和直徑不同的短橫孔回波分貝差為：

短橫孔直徑和長(zhǎng)度一定，距離增加一倍，其回波下降12dB短橫孔直徑和距離一定，長(zhǎng)度增加一倍，其回波上升6dB短橫孔長(zhǎng)度和距離一定，直徑增加一倍，其回波升高3dB第105頁(yè)/共117頁(yè)2023/1/193.3規(guī)則反射體的回波聲壓3.3.4球孔回波聲壓超聲波在球孔上的反射類似于