超聲波在異質(zhì)界面的傳播

1、超聲波在異質(zhì)界面的傳播特性與檢測(cè)方法（講稿）1. 課程引入：超聲檢測(cè)一般是指使超聲波與試件相互作用，對(duì)反射、透射和散射的波進(jìn)行研究，進(jìn)行試件的宏觀缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。超聲波是超聲振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，其實(shí)質(zhì)是以波動(dòng)形式在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)。我們把充滿超聲波的空間，或在介質(zhì)中超聲振動(dòng)波及的質(zhì)點(diǎn)所占據(jù)的范圍稱為超聲場(chǎng)。聲壓、聲強(qiáng)、聲阻抗是描述超聲場(chǎng)特征的幾個(gè)重要物理量，也就是超聲場(chǎng)的特征量。超聲波在界面發(fā)生折射的能量分別用聲強(qiáng)反射率RI和聲強(qiáng)透射率TI表示。同時(shí)也用聲壓反射率R和聲壓透射率T來(lái)表示超聲波傳播特性。2.

2、超聲波垂直入射到單一平界面上：超聲波垂直入射界面時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與入射方向相反的反射波，和一個(gè)與入射波同方向的透射波。而波型沒(méi)有改變。用角標(biāo)、和分別表示入射、反射和折射。在垂直入射時(shí)介質(zhì)兩側(cè)聲波必須滿足兩個(gè)邊界條件：一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總聲壓： 兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度振幅相等，保持連續(xù)性：式中 所以 其中R稱為聲壓反射率，T稱為聲壓透射率。Pr為反射聲壓振幅；Pt為透射聲壓振幅；Pi為入射聲壓振幅。Z1<Z2時(shí)，入射聲壓和反射聲壓同相而疊加，故透射聲壓相當(dāng)于入射聲壓和反射聲壓之和。如水/鋼界面例：水浸超聲波檢測(cè)，聲束從水透入工件（鋼）中，求其聲壓反射率R和聲壓透射率T。已知，水聲阻抗 鋼聲阻抗解：Z1&

3、gt;Z2時(shí)，入射和反射的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度同相。而入射和反射聲壓反相，總聲壓相抵消而減小，故透射聲壓很小。如鋼/水界面。例：超聲波從鋼入射至水中求其聲壓反射率R和聲壓透射率TT1RZ1>>Z2時(shí)，聲壓（聲強(qiáng)）幾乎全反射，透射率趨于0。如鋼/空氣界面 Z2Z1 R1 T1R1(1)0 Z2Z1 例如鋼空氣界面，此時(shí)Z1(鋼)46×106kg/m2·s，Z2(空氣)0.0004×106kg/m2·s，則聲壓反射率為： Z2Z1 0.000446R1 Z2Z1 0.000446聲壓透射率為：T1R1(1)0結(jié)果表明，在這種情況下聲波全反射。Z1Z2時(shí)，

4、反射率R0，T1，聲波不發(fā)生反射，全部透射。 Z2Z1 R0 T1rp101Z2Z1 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(shí)，超聲波從母材金屬Z1射入焊縫金屬Z20.99Z1，其m0.99，則聲壓反射率為： 1m 10.99R 0.0051m 10.99聲壓透過(guò)率為： T1R10.0051結(jié)果表明，在這種情況下聲波全透射。3. 超聲波垂直入射到薄層界面：當(dāng)超聲波從介質(zhì)1中垂直入射到介質(zhì)1和介質(zhì)2的界面上時(shí)，一部分聲能被反射，另一部分聲能透射到介質(zhì)2中；當(dāng)透射的聲波到達(dá)介質(zhì)2和介質(zhì)3的界面時(shí)，再一次發(fā)生反射與透射，其反射波部分在介質(zhì)2中傳播至介質(zhì)2與介質(zhì)1的界面，則又會(huì)

5、發(fā)生同樣的過(guò)程。如此不斷繼續(xù)，則在兩個(gè)界面的兩側(cè)，產(chǎn)生一系列的反射波與透射波。1 均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層與這種情況相對(duì)應(yīng)的是材料中存在的平面狀缺陷，如：裂紋、分層、夾雜等。設(shè)薄層厚度為d，介質(zhì)2中的波長(zhǎng)為，并以m表示兩種介質(zhì)聲阻抗之比：當(dāng)時(shí)，即均勻介質(zhì)中薄層厚度為薄層中半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，超聲波幾乎全透射而無(wú)反射。當(dāng)時(shí)，透射率最小而反射率最大。因此，當(dāng)材料中存在均勻薄層狀缺陷，且缺陷厚度恰為半波長(zhǎng)時(shí)，則可能因反射率低而造成漏檢。但實(shí)際缺陷往往不是完全平行的，且實(shí)際超聲波不是單一頻率的，因此，因缺陷厚度使其對(duì)超聲波的反射率為0的情況是極少出現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，薄層厚度越小，透射率越大，反射率越小。當(dāng)時(shí)，或時(shí)

6、，這說(shuō)明當(dāng)薄層厚度非常小時(shí)，超聲波也是幾乎不反射而全部透射；另外，當(dāng)兩種介質(zhì)聲阻抗很接近時(shí)，聲波也幾乎全部透射。2 薄層兩側(cè)介質(zhì)不同薄層與兩側(cè)介質(zhì)均不相同，與探頭晶片與試件間存在保護(hù)膜或耦合劑的情況相當(dāng)。這時(shí)，薄層的聲強(qiáng)透射率以下式表達(dá)：由上式可知：當(dāng)時(shí)，即超聲波垂直到兩側(cè)介質(zhì)不同的薄層時(shí)，若薄層的厚度為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，則透過(guò)薄層的聲強(qiáng)透射率與薄層的性質(zhì)無(wú)關(guān)。當(dāng)時(shí)，且時(shí)，則有，說(shuō)明超聲波完全透射。這一結(jié)果，可用于直探頭保護(hù)膜材料的選擇及厚度的設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)，薄層越薄，聲壓透射率越大。當(dāng)時(shí)，同樣有，即透射聲強(qiáng)與薄層性質(zhì)無(wú)關(guān)，而僅與薄層兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗相關(guān)。因此在超聲檢測(cè)時(shí)，若試件表面較為平整，則應(yīng)盡

7、量少涂耦合劑，并施加一定的壓力，使耦合層厚度很薄，以保證信號(hào)幅度的穩(wěn)定性。4. 超聲波傾斜入射到平界面上：在兩種不同介質(zhì)之間的界面上，聲波傳輸?shù)膸缀涡再|(zhì)與其他波相同，斯涅耳定律是有效的。不同的是，當(dāng)聲波以一定的傾斜角到達(dá)固體介質(zhì)的表面時(shí)，由于界面作用，將改變其傳輸模式（例如從縱波轉(zhuǎn)變?yōu)闄M波，反之亦然）。傳輸模式的變換還導(dǎo)致傳輸速度的變化，此時(shí)應(yīng)以新的聲波速度代入斯涅耳公式。1 斯涅耳定律：式中，為入射角；為折射角；為反射角；L為縱波；S為橫波；C為聲速；1、2代表介質(zhì)1、介質(zhì)2。當(dāng)超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面上時(shí)，不僅會(huì)發(fā)生反射和折射，還會(huì)出現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。臨界角：（特指入射角） 第一臨界角當(dāng)時(shí)

8、，有。令，得第一臨界角：當(dāng)時(shí)，在第二介質(zhì)中只存在折射橫波。 第二臨界角若（如有機(jī)玻璃和鋼組成的界面），則有。令，得：當(dāng)時(shí)，在第二介質(zhì)中既無(wú)折射縱波，也無(wú)折射橫波，而是在介質(zhì)表面產(chǎn)生表面波。 第三臨界角當(dāng)超聲橫波傾斜入射到界面時(shí)，在第一介質(zhì)中產(chǎn)生反射縱波和反射橫波。由于在同一介質(zhì)中，縱波速度恒大于橫波速度，所以恒大于。隨著增加，當(dāng)時(shí)，介質(zhì)中將只存在反射橫波。令，則有：只有第一介質(zhì)為固體時(shí)，才會(huì)有第三臨界角。5. 超聲波檢測(cè)方法：一、按原理分類分為脈沖反射法、穿透法和共振法1）脈沖反射法超聲波探頭發(fā)射脈沖到被檢試件內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來(lái)檢測(cè)試件缺陷的方法。脈沖反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次

9、底波法。缺陷回波法根據(jù)儀器示波屏上顯示的缺陷波形進(jìn)行判斷的方法，成為缺陷回波法。該方法是反射法的基本方法。特點(diǎn)：當(dāng)試件完好時(shí)，超聲波可順利傳播到底面，檢測(cè)圖形中只有表示發(fā)射脈沖T及底面回波B的兩個(gè)信號(hào)；如果試件中存在缺陷，在檢測(cè)圖形中，底面回波前有表示缺陷的回波F。底波高度法當(dāng)試件的材質(zhì)和厚度不變時(shí)，底面回波高度應(yīng)是基本不變的。如果試件內(nèi)存在缺陷，底面回波高度會(huì)下降甚至消失，這種依據(jù)底面回波的高度變化判斷試件缺陷情況的檢測(cè)方法，稱為底波高度法。特點(diǎn)：同樣投影大小的缺陷可以得到同樣的指示，而且不出現(xiàn)盲區(qū)；但是要求被探試件的探測(cè)面與底面平行，耦合條件一致。在實(shí)用中很少作為一種獨(dú)立的檢測(cè)方法，而經(jīng)常

10、作為一種輔助手段，配合缺陷回波法發(fā)現(xiàn)某些傾斜的和小而密集的缺陷。多次底波法當(dāng)透入試件的超聲波能力較大，而試件厚度較小時(shí)，超聲波可在探測(cè)面與底面之間往復(fù)傳播多次，示波屏上出現(xiàn)多次底波。如果試件存在缺陷，則由于缺陷的反射以及散射而增加了聲能的損耗，底面回波次數(shù)減少，同時(shí)也打亂了各次底面回波高度依次衰減的規(guī)律，并顯示出缺陷回波。這種依據(jù)底面回波次數(shù)，而判斷試件有無(wú)缺陷的方法，稱為多次底波法。特點(diǎn)：多次底波法主要用于厚度不大、形狀簡(jiǎn)單、探測(cè)面與底面平行的試件檢測(cè)，缺陷檢出的靈敏度低于缺陷回波法。2）穿透法根據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件之后的能量變化來(lái)判斷缺陷情況的一種方法。穿透法常用兩個(gè)探頭，一個(gè)用作發(fā)射

11、，一個(gè)用作接收，分別放置在試件兩側(cè)進(jìn)行探測(cè)。3）共振法若聲波在被檢工件內(nèi)傳播，當(dāng)試件的厚度為超聲波的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，將引起共振，儀器顯示出共振頻率，用相鄰的兩個(gè)共振頻率之差來(lái)計(jì)算出試件厚度：式中：工件的固有頻率 、相鄰兩共振頻率 被檢試件的聲速 試件厚度當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷或工件厚度發(fā)生變化時(shí)，將改變?cè)嚰墓舱耦l率。依據(jù)試件的共振特性，來(lái)判斷缺陷情況和工件厚度變化情況的方法稱為共振法，常用于試件測(cè)厚。二、按波型分類可分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等縱波法使用直探頭發(fā)射縱波進(jìn)行檢測(cè)的方法稱為縱波法。波束垂直入射至試件探測(cè)面，以不變的波型和方向透入試件，所以又稱為垂直入射法，簡(jiǎn)稱垂直法

12、。垂直法分為單晶探頭發(fā)射法、雙晶探頭發(fā)射法和穿透法。常用的是單晶探頭發(fā)射法。垂直法對(duì)與探測(cè)面平行的缺陷檢出效果最佳，由于盲區(qū)和分辨力的限制，其中反射法只能發(fā)現(xiàn)試件內(nèi)部離探測(cè)面一定距離以外的缺陷。由于垂直法檢測(cè)時(shí)，波型和傳播方向不變，所以缺陷定位比較方便。主要用于鑄造、鍛壓、軋材及其制品的檢測(cè)。橫波法將縱波通過(guò)楔塊、水等介質(zhì)傾斜入射至試件探測(cè)面，利用波型轉(zhuǎn)換得到橫波進(jìn)行檢測(cè)的方法，稱為橫波法。由于透入試件的橫波波束與探測(cè)面成銳角，所以又稱為斜射法。主要用于管材、焊縫的檢測(cè)，其他試件檢測(cè)時(shí)，則作為一種有效的輔助手段，用以發(fā)現(xiàn)垂直檢測(cè)法不易發(fā)現(xiàn)的缺陷。表面波法使用表面波進(jìn)行檢測(cè)的方法，稱為表面波法。

13、表面波的波長(zhǎng)短，僅沿表面?zhèn)鞑ィ瑢?duì)于表面上的復(fù)層、油污、不光潔等，反應(yīng)敏感，并被大量衰減。因此可通過(guò)手沾油在聲束傳播方向上進(jìn)行觸摸并觀察缺陷回波高度的變化，對(duì)缺陷定位。主要用于表面光滑的試件。板波法使用板波進(jìn)行檢測(cè)的方法，稱為板波法。主要用于薄板、薄壁管等形狀簡(jiǎn)單的試件檢測(cè)。爬波法爬波是指表面下縱波，它是當(dāng)?shù)谝粋€(gè)介質(zhì)中的縱波入射角位于第一臨界角附近時(shí)在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的表面下縱波。這時(shí)第二介質(zhì)中除了表面下縱波外，還存在折射橫波。這種表面下縱波不是純粹的縱波，還存在有垂直方向的位移分量。主要用于檢測(cè)表面比較粗糙的工件的表層缺陷，如鑄鋼件、有堆焊層的工件等。三、按探頭數(shù)目分類1）單探頭法使用一個(gè)探頭兼

14、作發(fā)射和接收超聲波的檢測(cè)方法。單探頭法操作方便，大多數(shù)缺陷可以檢出，是目前最常用的一種方法。2）雙探頭法使用兩個(gè)探頭（一個(gè)發(fā)射，一個(gè)接收）進(jìn)行檢測(cè)的方法稱為雙探頭法。主要用于發(fā)現(xiàn)單探頭法難以檢出的缺陷。雙探頭法又可根據(jù)兩個(gè)探頭排列方式和工作方式分為并列式、交叉式、V形串列式、K形串列式、串列式等。并列式兩個(gè)探頭并列放置，檢測(cè)時(shí)兩者作同步同向移動(dòng)。（直探頭作并列放置時(shí)，通常是一個(gè)探頭固定，另一個(gè)探頭移動(dòng)，以便發(fā)現(xiàn)與探測(cè)面傾斜的缺陷）。分割式探頭的原理，就是將兩個(gè)并列的探頭組合在一起，具有較高的分辨力和信噪比，適用于薄試件、近表面缺陷的檢測(cè)。交叉式兩個(gè)探頭軸線交叉，交叉點(diǎn)為要探測(cè)的部位?？捎脕?lái)發(fā)現(xiàn)

15、與探測(cè)面垂直的片狀缺陷，在焊縫檢測(cè)中，常用來(lái)發(fā)現(xiàn)橫向缺陷。V形串列式兩探頭相對(duì)放置在同一表面上，一個(gè)探頭發(fā)射的聲波被缺陷反射，反射的回波剛好落在另一個(gè)探頭的入射點(diǎn)上。主要用來(lái)發(fā)現(xiàn)與探測(cè)面平行的片狀缺陷。K形串列式兩探頭以相同的方向分別放置于試件的上下表面上。一個(gè)探頭發(fā)射的聲波被缺陷反射，反射的回波進(jìn)入另一個(gè)探頭。主要用來(lái)發(fā)現(xiàn)與探測(cè)面垂直的片狀缺陷。串列式兩探頭一前一后，以相同方向放置在同一表面上，一個(gè)探頭發(fā)射的聲波被缺陷反射的回波，經(jīng)底面反射進(jìn)入另一個(gè)探頭。主要用來(lái)發(fā)現(xiàn)與探測(cè)面垂直的片狀缺陷。3）多探頭法使用兩個(gè)以上的探頭成對(duì)地組合在一起進(jìn)行檢測(cè)的方法，稱為多探頭法。多探頭法的應(yīng)用，主要是通過(guò)

16、增加聲束來(lái)提高檢測(cè)速度或發(fā)現(xiàn)各種取向的缺陷，通常與多通道儀器和自動(dòng)掃描裝置配合。四、按探頭接觸方式分類按檢測(cè)時(shí)探頭與試件的接觸方式，可分為接觸法與液浸法。1）直接接觸法探頭與試件探測(cè)面之間，涂有很薄的耦合劑層，可認(rèn)為兩者直接接觸，這種檢測(cè)方法稱為直接接觸法。特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)圖形簡(jiǎn)單，判斷容易，檢出缺陷靈敏度高。但要求試件的檢測(cè)面粗糙度較低。2）液浸法將探頭和工件浸于液體中以液體作耦合劑進(jìn)行檢測(cè)的方法，稱為液浸法。耦合劑可為水或油，以水為耦合劑時(shí)，稱為水浸法。特點(diǎn)：液浸法檢測(cè)時(shí)探頭不直接接觸試件，所以此法可用于表面粗糙的試件，探頭不易磨損，耦合穩(wěn)定，探測(cè)結(jié)果重復(fù)性好，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。液浸法按

17、檢測(cè)方式不同又分為全浸式和局部浸沒(méi)式全浸沒(méi)式被檢試件全部浸沒(méi)于液體之中，適用于體積不大，形狀復(fù)雜的試件的檢測(cè)。局部浸沒(méi)式被檢試件的一部分浸沒(méi)在水中或被檢試件與探頭之間保持一定的水層而進(jìn)行檢測(cè)的方法，適用于大體積試件的檢測(cè)。局部浸沒(méi)法又分為噴液式、通水式和滿溢式。噴液式：超聲波通過(guò)一定壓力噴射至探測(cè)表面的液流進(jìn)入試件。通水式：借助一個(gè)專用的有進(jìn)水、出水口的液罩，以使罩內(nèi)經(jīng)常保持一定容量的液體。滿溢式：滿溢罩結(jié)構(gòu)與通水式相似，但只有進(jìn)水口，多余液體在罩的上部溢出。根據(jù)探頭與試件探測(cè)面之間液層的厚度，液浸法又可分為高液層法和低液層法。6. 儀器與探頭的選擇：實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)根據(jù)工件結(jié)構(gòu)形狀、加工工藝和技

18、術(shù)要求來(lái)選擇儀器與探頭。正確選擇儀器探頭對(duì)于有效地發(fā)現(xiàn)缺陷，并對(duì)缺陷定位、定量和定性都至關(guān)重要。一、檢測(cè)儀的選擇（1）對(duì)于定位要求高的情況，應(yīng)選擇水平線性誤差小的儀器。（2）對(duì)于定量要求高的情況，應(yīng)選擇垂直線性好，衰減器精度高的儀器。（3）對(duì)于大型零件的檢測(cè)，應(yīng)選擇靈敏度余量高、信噪比高、功率大的儀器。（4）為了有效地發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和區(qū)分相鄰缺陷，應(yīng)選擇盲區(qū)小、分辨力好的儀器。（5）對(duì)于室外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，應(yīng)選擇質(zhì)量輕、熒光屏亮度好、抗干擾能力強(qiáng)的攜帶式儀器。此外要求選擇性能穩(wěn)定、重復(fù)性好和可靠性好的儀器。二、探頭的選擇檢測(cè)前應(yīng)根據(jù)被檢對(duì)象的形狀、衰減和技術(shù)要求來(lái)選擇探頭。探頭的選擇包括探頭型式、頻

19、率、晶片尺寸和斜探頭K值的選擇等。1）探頭類型的選擇常用的探頭有縱波直探頭、橫波斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭、聚焦探頭等。一般根據(jù)工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、方向等條件來(lái)選擇探頭的型式，使聲束軸線盡量與缺陷垂直。縱波直探頭只能發(fā)射和接收縱波，波束軸線垂直于探測(cè)面，主要用于探測(cè)與探測(cè)面平行的缺陷，如鍛件、鋼板中的夾層、折疊等缺陷。橫波斜探頭是通過(guò)波型轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)橫波檢測(cè)的。主要用于探測(cè)與探測(cè)面垂直或成一定角度的缺陷。如焊縫中的未焊透、夾渣、未溶合等缺陷。表面波探頭用于探測(cè)工件表面缺陷，雙晶探頭用于探測(cè)工件近表面缺陷。聚焦探頭用于水浸探測(cè)管材或板材。2）探頭頻率的選擇超聲波檢測(cè)頻率在0.5MHz10MHz之間，選擇范圍較大。（1）由于波的繞射，使超聲波檢測(cè)靈敏度約為，因此提高頻率，有利于發(fā)現(xiàn)更小的缺陷。（2）頻率高，脈沖寬度小，分辨力高，有利于區(qū)分相鄰缺陷。（3）由可知，頻率高，波長(zhǎng)短，則半擴(kuò)散角小，聲束指向性好，能量集中，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷并對(duì)缺陷定位。（4）由可知，頻率高，波長(zhǎng)短，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度大，對(duì)檢測(cè)不利。（5）由可知，頻率增加，衰減急劇增加。頻率的高低對(duì)檢測(cè)