UT第二章2[1].7-2.9

1、 波型轉(zhuǎn)換：當(dāng)超聲波斜入射的界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類(lèi)型的反射和折射外，還會(huì)產(chǎn)生不同類(lèi)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(shí)，L L ,隨著L 增大,L 也增

2、大，當(dāng) L 90時(shí)，所對(duì)應(yīng)的縱波入射角，稱(chēng)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(shí)，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(shí)，第二介質(zhì)中只有橫波，沒(méi)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(shí)，第二介質(zhì)中即沒(méi)有縱波也沒(méi)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(jī)玻璃/鋼界面時(shí)，有機(jī)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(jiàn)有機(jī)玻璃橫波探頭L=27.657.7，有機(jī)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(shí)所對(duì)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(shí)，第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒(méi)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(shí)，才會(huì)有第三臨界角。11arcsinLSIIICC111sin

4、sinLLSsCCl例：對(duì)鋼/空氣界面 5900m/s, =3230m/s, =33.2 當(dāng) 時(shí)，鋼中橫波全反射。1LC1SC11arcsinLSIIICC02 .33sLLSS有機(jī)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(wèn)題，未涉及聲壓反射率和透射率問(wèn)題。由于傾斜入射時(shí)，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(jì)算公式十分復(fù)雜，因此這里只介紹由理論計(jì)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(shí)，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(shí)，rLL很低，rLS很高。原因是縱波傾斜

5、入射，當(dāng)L=60左右時(shí)產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)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(shí)，rSS很低，rSL較高。當(dāng)33.2（）時(shí)，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(guò)同一探測(cè)面，因此

6、，聲壓往復(fù)透射率才具有實(shí)際意義。0PPTa P0Pa橫波斜探頭l超聲波在兩個(gè)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(shí)，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(chēng)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(shí)，端角反射率都很低，這是因?yàn)榭v波在端角的兩次反射中分離出較強(qiáng)的橫波。 l鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率 橫波入射時(shí)（1）縱波入射時(shí)，端角反射率都很低，這是因?yàn)榭v波在端角的兩次反射中分離出較強(qiáng)的橫波。（2）橫波入射

7、時(shí)，入射角 或 附近時(shí)，端角反射率最低。 時(shí)，端角反射率達(dá)100%。 30S 6035 55sl橫波入射時(shí)，入射角S=30或60附近時(shí)，端角反射率最低。S在3555時(shí)端角反射率達(dá)100，實(shí)際工作中，橫波檢測(cè)焊縫單面焊根部未焊透的情況就類(lèi)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(shí)，檢測(cè)靈敏度最高。當(dāng)S=56，即K=1.5時(shí)，檢測(cè)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(kuò)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(chǎng)中某處質(zhì)點(diǎn)的振

8、幅與該點(diǎn)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(shí)際檢測(cè)中，當(dāng)距離 d 較大時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，其反射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波。 （2）平面波入射到柱面時(shí)，其反射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波。 實(shí)際檢測(cè)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(shí)，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(duì)于凹透鏡，當(dāng) c1c2時(shí)發(fā)散； 對(duì)于凸透鏡，當(dāng)c1c2時(shí)聚焦，當(dāng)c1c2時(shí)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(shí) （2）平面波入射到柱面透鏡l對(duì)于凸面，當(dāng)C1C2時(shí)聚焦，當(dāng)C1C2時(shí)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(cè)空心圓柱體的情況，類(lèi)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(diǎn)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(huì)發(fā)生聚焦和發(fā)散 球形界面： 柱形界面： 水浸檢測(cè)柱形或球形工件 聚焦檢測(cè)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，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(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收 1.擴(kuò)散衰減 ：聲束的擴(kuò)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(kuò)散衰減僅取決與波振面的形狀，與介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)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(kuò)散，存在擴(kuò)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(kuò)散，存在擴(kuò)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(shí)，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(shí)，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(chēng) 草波）使信噪比下降，嚴(yán)重時(shí)噪聲湮沒(méi)缺陷波。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)引起超聲波的衰減。 通常所說(shuō)的介質(zhì)衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包括擴(kuò)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(kuò)散衰減。對(duì)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(xiàng)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(shí)際探傷中，當(dāng)介質(zhì)的晶粒較粗大時(shí)，若采用較高的頻率，將會(huì)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(duì)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(shí)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(shuō)，如果頻率相同，則在粗晶材料中，縱波比橫波具有更強(qiáng)的穿透能力。換句話說(shuō)，橫波比縱波衰減嚴(yán)重。l1.薄板工件衰減系數(shù)的測(cè)定 對(duì)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(jì)算：xmnBBnm)(