華東交通大學(xué)機(jī)械工程測試技術(shù)超聲波

1、第二章第二章 超聲波檢測技術(shù)超聲波檢測技術(shù)2.1 概述概述2.2 超聲波的分類超聲波的分類2.3 聲場及介質(zhì)的聲參量聲場及介質(zhì)的聲參量2.4 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性超聲波在介質(zhì)中的傳播特性2.5 超聲波檢測儀、探頭及試塊超聲波檢測儀、探頭及試塊2.6 超聲波檢測方法和通用檢測技術(shù)超聲波檢測方法和通用檢測技術(shù)2.7 超聲波測厚超聲波測厚2.8 超聲波檢測應(yīng)用實(shí)例超聲波檢測應(yīng)用實(shí)例第四節(jié)第四節(jié) 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性超聲波在介質(zhì)中的傳播特性n一、超聲場一、超聲場n二、超聲波垂直入射到界面上的反射和透射二、超聲波垂直入射到界面上的反射和透射n三、超聲波傾斜入射到界面上的反射和透射三、超聲波傾斜入

2、射到界面上的反射和透射n四、超聲波在曲面上的反射和透射四、超聲波在曲面上的反射和透射4.14.1超聲場超聲場直探頭發(fā)出的超聲波束一、超聲場結(jié)構(gòu)一、超聲場結(jié)構(gòu)一般由主聲束和副聲束構(gòu)一般由主聲束和副聲束構(gòu)成成主聲束主聲束：截面大，能量集：截面大，能量集中，很好的指向性中，很好的指向性()副聲束副聲束：截面小，能量弱，：截面小，能量弱，方向易變方向易變第四節(jié)第四節(jié) 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性超聲波在介質(zhì)中的傳播特性第四節(jié)第四節(jié) 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性超聲波在介質(zhì)中的傳播特性 圓盤源超聲場圓盤源超聲場b主聲束軸線上的聲壓分布主聲束軸線上的聲壓分布以壓電晶片在液體介質(zhì)中以脈沖波形式發(fā)射的縱波超聲場為例：

3、以壓電晶片在液體介質(zhì)中以脈沖波形式發(fā)射的縱波超聲場為例：a a 聲束未擴(kuò)散區(qū)聲束未擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)b 軸線上聲壓分布軸線上聲壓分布近場近場：出現(xiàn)極大值與極小值這段聲程稱為超聲波束的近場。：出現(xiàn)極大值與極小值這段聲程稱為超聲波束的近場。近場長度近場長度：距探頭最遠(yuǎn)的聲壓極大值點(diǎn)至探頭表面的距離：距探頭最遠(yuǎn)的聲壓極大值點(diǎn)至探頭表面的距離遠(yuǎn)場：遠(yuǎn)場：近場以外的部分近場以外的部分 探傷時(shí)，一般利用遠(yuǎn)場中的聲學(xué)特性來發(fā)現(xiàn)缺陷。探傷時(shí)，一般利用遠(yuǎn)場中的聲學(xué)特性來發(fā)現(xiàn)缺陷。近場長度近場長度N就圓直探頭縱波而言，就圓直探頭縱波而言，N可近似表示為：可近似表示為： ND2/4D: 直探頭壓電晶片直徑直探頭

4、壓電晶片直徑N：近場長度：近場長度 ：波長：波長指向特性指向特性由指向角由指向角(半擴(kuò)散角半擴(kuò)散角)表征表征 越小則越好越小則越好圓形直探頭縱波而言圓形直探頭縱波而言:arcsin1.22/D ：半擴(kuò)散角，：半擴(kuò)散角， ：波長：波長D：直徑：直徑Df( ) 則則 超聲波不能在真空中傳播（無聲介質(zhì)）超聲波不能在真空中傳播（無聲介質(zhì)）back4.24.2 超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射超聲波在無限大介質(zhì)中傳播時(shí)，將一直向前傳播，不改變超聲波在無限大介質(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（即方向。但遇到異介質(zhì)界面（即聲阻抗差異較大聲阻抗差

5、異較大的異質(zhì)界面）時(shí)，的異質(zhì)界面）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象。會(huì)產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象。第四節(jié)第四節(jié) 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性超聲波在介質(zhì)中的傳播特性超聲波垂直入射于平界面的反射與透射超聲波垂直入射于平界面的反射與透射 當(dāng)超聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)，當(dāng)超聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)， 一部分能量透過一部分能量透過界面進(jìn)入第二種介質(zhì)，成為界面進(jìn)入第二種介質(zhì)，成為透射波透射波(聲強(qiáng)為聲強(qiáng)為 It )， 波的傳播方向不波的傳播方向不變；另一部分能量則被界面反射回來，沿與入射波相反的方向傳變；另一部分能量則被界面反射回來，沿與入射波相反的方向傳播，成為播，成為反射波反射波(聲強(qiáng)為聲強(qiáng)為 Ir )。聲

6、波的這一性質(zhì)是超聲波檢測缺陷聲波的這一性質(zhì)是超聲波檢測缺陷的物理基礎(chǔ)。的物理基礎(chǔ)。 1 1、 單一界面單一界面 當(dāng)超聲波垂直入射到足夠當(dāng)超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時(shí)，將在第大的光滑平界面時(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)與入射波方介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波。向相同的透射波。反射波聲壓反射波聲壓Pr與入射波聲壓與入射波聲壓P0的比值稱為的比值稱為聲壓反聲壓反射率射率r，透射波聲壓，透射波聲壓Pt和和P0的比值稱為的比值稱為聲壓透射率聲壓透射率t。 r和和t的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 1

7、2120rZZZZppr1220t2ZZZppt式中：式中： Z1、Z2分別為兩種介質(zhì)的聲阻抗。分別為兩種介質(zhì)的聲阻抗。 1tr為了研究反射波和透射波的能量關(guān)系，引入為了研究反射波和透射波的能量關(guān)系，引入聲強(qiáng)反射率聲強(qiáng)反射率R和和聲強(qiáng)透射率聲強(qiáng)透射率T兩個(gè)量。兩個(gè)量。R為反射波聲強(qiáng)為反射波聲強(qiáng)(Ir)和入射波聲強(qiáng)和入射波聲強(qiáng)(I0)之之比；比；T為透射波聲強(qiáng)為透射波聲強(qiáng)(It)和入射波聲強(qiáng)和入射波聲強(qiáng)(I0)之比。之比。 2121220rZZZZrIIR21221202210t4ZZZZPZPZIITt 聲波垂直入射到平界面上時(shí)，聲壓和聲強(qiáng)的分配比例僅聲波垂直入射到平界面上時(shí)，聲壓和聲強(qiáng)的分配

8、比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。1TR討論：1、當(dāng)當(dāng)Z Z2 2Z Z1 1時(shí)，時(shí)，r r0 0，t1,t1,反反射波與入射波射波與入射波同相位，兩波同相位，兩波疊加，在界面疊加，在界面上聲壓振幅增上聲壓振幅增大為大為P P0 0+Pr+Pr。如。如平面波在水平面波在水/ /鋼鋼界面的反射和界面的反射和透射透射.P.Pt tPP0 02、當(dāng)當(dāng)Z Z1 1Z Z2 2時(shí)，時(shí)，r r0 0，反射波與入反射波與入射波相位相射波相位相反，兩波疊反，兩波疊加，在界面加，在界面上聲壓振幅上聲壓振幅減小為減小為P P0 0- -PrPr。如。如平面波在鋼平面波在鋼/ /水界面的

9、反水界面的反射和透射和透射射,P,Pt tP c cL L1 1時(shí)，折射角大于入射角，使縱波折射角時(shí)，折射角大于入射角，使縱波折射角達(dá)到達(dá)到9090的縱波入射角稱為第一臨界角，用符號的縱波入射角稱為第一臨界角，用符號表示。表示。當(dāng)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，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。只有折射橫波。 L2LL1LsinsinccL2L1arcsinccIL(2) (2) 第二臨界角第二臨界角 。使縱波透射角使縱波透射角 等于等于9090時(shí)的縱波時(shí)的縱波入射角入射角L L，用符號用符號表示表示。 且且c cS2S2 c cL1L

10、1時(shí)。時(shí)。 通常在超聲檢測中，臨界角主要應(yīng)用于第二介質(zhì)為固體，通常在超聲檢測中，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，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，對試件進(jìn)行檢測。當(dāng)入射角大于第二臨界角時(shí)，圍內(nèi)的純橫波，對試件進(jìn)行檢測。當(dāng)入射角大于第二臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中既無折射縱波，又無折射橫波，而在介質(zhì)的表面將產(chǎn)第二介質(zhì)中既無折射縱波，又無折射橫波，而在介質(zhì)的表面將產(chǎn)生表面波。生表面波。 S2SL1Lsi

11、nsinccS2L1arcsinccIIS (3) 第三臨界角第三臨界角 。使縱波反射角達(dá)到使縱波反射角達(dá)到90時(shí)的橫波入射時(shí)的橫波入射角稱為第三臨界角，用表示角稱為第三臨界角，用表示。第三臨界角是在第三臨界角是在固體介質(zhì)固體介質(zhì)與另與另一種介質(zhì)的界面上，用橫波作為入射波時(shí)產(chǎn)生的。此時(shí)，介質(zhì)中一種介質(zhì)的界面上，用橫波作為入射波時(shí)產(chǎn)生的。此時(shí)，介質(zhì)中只存在反射橫波。只存在反射橫波。L1LS1SsinsinccL1S1arcsinccIII 6、 斜入射時(shí)的聲壓反射率和透射率斜入射時(shí)的聲壓反射率和透射率 斯涅耳反射、折射定律只討論了超聲波傾斜入射到界面斯涅耳反射、折射定律只討論了超聲波傾斜入射到界

12、面上時(shí)，各種類型反射波和折射波的傳播方向，沒有涉及它們上時(shí)，各種類型反射波和折射波的傳播方向，沒有涉及它們的聲壓反射率和透射率。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。但在超聲檢測中，關(guān)心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的聲檢測中，關(guān)心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的變化。變化。 對脈沖反射法，更關(guān)心的是聲壓往返透過率隨入射角對脈沖反射法，更關(guān)心的是聲壓往返透過率隨入射角度的變化。度的變化。在斜入射情況下，各種類型反射波和折射波的聲在斜入射情況下，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

13、阻抗有關(guān)，還與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)。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，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圖。射率圖?？v波斜入射的聲壓反射率縱波斜入射的聲壓反射率 斜入射時(shí)的聲壓反射率和透射率不僅與介質(zhì)聲斜入射時(shí)的聲壓反射率和透射率不僅與介質(zhì)聲阻抗有關(guān)，而且與入射角有關(guān)。阻抗有關(guān)，而且與入射角有關(guān)。 1 1、縱波斜入射、縱波斜入射 到鋼到鋼/ /空氣界面的聲壓空氣界面的聲壓 反射率：反射率： 2 2、橫波斜入射到鋼、橫波

14、斜入射到鋼/ /空氣界面的聲壓反射率：空氣界面的聲壓反射率： 三、聲壓往復(fù)透射率三、聲壓往復(fù)透射率 縱波斜入射到水縱波斜入射到水/ /鋼界面：鋼界面：縱波斜入射到有機(jī)玻璃縱波斜入射到有機(jī)玻璃/ /鋼界面的聲壓往復(fù)鋼界面的聲壓往復(fù)透射率：透射率：back4.4 4.4 超聲波入射到曲界面上的反射和透射超聲波入射到曲界面上的反射和透射1、平面波入射到曲界面上的反射、平面波入射到曲界面上的反射平面波束與曲面上各入射點(diǎn)的法線成不同的夾角：入射角為平面波束與曲面上各入射點(diǎn)的法線成不同的夾角：入射角為0的聲線沿原方向返回，稱為的聲線沿原方向返回，稱為聲軸聲軸；其余聲線的反射角則隨著距聲軸；其余聲線的反射角

15、則隨著距聲軸距離的增大而增大。當(dāng)曲面是球面時(shí)，反射線或其延長線匯聚于一距離的增大而增大。當(dāng)曲面是球面時(shí)，反射線或其延長線匯聚于一個(gè)個(gè)焦點(diǎn)焦點(diǎn)上；反射面為圓柱面時(shí)，反射線或其延長線匯聚于一條上；反射面為圓柱面時(shí)，反射線或其延長線匯聚于一條焦線焦線上。此時(shí)，焦距上。此時(shí)，焦距 f 與曲面曲率半徑與曲面曲率半徑r的關(guān)系為的關(guān)系為 2rf 平面波入射至曲面時(shí)的反射平面波入射至曲面時(shí)的反射（a）凹面鏡（）凹面鏡（b）凸面鏡）凸面鏡 超聲波入射時(shí)，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發(fā)超聲波入射時(shí)，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發(fā)散。散。 當(dāng)曲面是球面時(shí)，反射線或其延長線匯聚于一個(gè)焦點(diǎn)上。當(dāng)曲面是球面時(shí)

16、，反射線或其延長線匯聚于一個(gè)焦點(diǎn)上。反射波波陣面為球面，凹球面的反射波好像從實(shí)焦點(diǎn)出發(fā)的球反射波波陣面為球面，凹球面的反射波好像從實(shí)焦點(diǎn)出發(fā)的球面波，凸球面的反射波好像從虛焦點(diǎn)出發(fā)的球面波。面波，凸球面的反射波好像從虛焦點(diǎn)出發(fā)的球面波。 反射面為圓柱面時(shí)，反射線或其延長線匯聚于一條焦線上，反射面為圓柱面時(shí)，反射線或其延長線匯聚于一條焦線上，稱為稱為焦軸焦軸。反射波波陣面為柱面，凹柱面的反射波好像從實(shí)焦。反射波波陣面為柱面，凹柱面的反射波好像從實(shí)焦點(diǎn)出發(fā)的柱面波，凸柱面的反射波好像從虛焦點(diǎn)出發(fā)的柱面波。點(diǎn)出發(fā)的柱面波，凸柱面的反射波好像從虛焦點(diǎn)出發(fā)的柱面波。反射波的聲壓反射波的聲壓球曲波：球曲波

17、：柱曲波：柱曲波：0 xfppxf發(fā)散時(shí)取發(fā)散時(shí)取“+”，聚焦時(shí)取聚焦時(shí)取“”0 xfppxf發(fā)散時(shí)取發(fā)散時(shí)取“+”，聚焦時(shí)取聚焦時(shí)取“”p0：入射平面波聲壓；：入射平面波聲壓；f：焦距（：焦距（fr/2）x：中心軸線上某點(diǎn)至曲面頂點(diǎn)的距離：中心軸線上某點(diǎn)至曲面頂點(diǎn)的距離px：x處的反射聲波的聲壓處的反射聲波的聲壓2 、 平 面 波 在 曲 面 上 的 透 射、 平 面 波 在 曲 面 上 的 透 射 平面波入射到曲面上時(shí)，其折射波也將發(fā)生聚焦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)，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)。而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速有關(guān)。由斯涅耳定律，對由斯涅耳定律，對于凹面，于凹面，c c1 1 c c2 2時(shí)發(fā)散；對于凸面，時(shí)發(fā)散；對于凸面， c c1 1 c c2 2時(shí)聚焦，時(shí)聚焦，c c1 1 c c2 2時(shí)發(fā)散。時(shí)發(fā)散。