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)

1、第一章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)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一一氣體界面圖1E5中，用下列數(shù)學(xué)式表示:L為縱波入射角，L1為縱波反射角,ClCl1Cs1sinLsinL1sinS1S1為橫波反射角，其反射定律可(14)因入射縱波L與反射縱波L1在同一介質(zhì)內(nèi)傳播，故它們的聲速相同，即ClCl!，所以LL1。又因同一介質(zhì)中縱波聲速大于橫波聲速，即CL1Csi，所以L1S12

2、橫波斜入射于固體一一氣體界面圖1726中，s為橫波入射角,知：S1為橫波反射角，L1為縱波反射角。由反射定律可圖1三5縱波斜入射(1-36)因入射橫波S與反射橫波Si在同一介質(zhì)內(nèi)傳播，故它們的聲速相同，即CsCsi，所以sS1。又因同一介質(zhì)中CliCsi，所以，L1S1。結(jié)論：當(dāng)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.縱波斜入射的折射圖1-28中L為第一介質(zhì)的縱波入射角，L為第二介質(zhì)的縱波折射角，S

3、為第二介質(zhì)的橫波折射角，其折射定律可用下列數(shù)學(xué)式表示：sinsinLsinsCLCl2Cs2斜入射圖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1三8縱波LS，橫波折射聲束總是位于縱波在第二介質(zhì)中，因Cl2Cs2，所以sinlsin折射聲束與法線之間。2橫波斜入射的折射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,可寫成：Cl2sinl所以不是任何情況下反射波和折射波都有波型的(137)CsCs2sinssins（3）由于氣體和液體不能傳播波橫波，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，（a）I固體，II液體

4、，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，II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。圖1三9聲波的各種反射、折射情況ClCl2CL2sinlk1sin90(1-38)產(chǎn)生1Cllk1sinCl2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),縱波全反射的現(xiàn)象。（2）縱波第二臨界角縱C2si

5、niLK2sin90角C圖1-31橫波全反射和第二臨界lk2sin1CLcS(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(guān)系曲線。常用介質(zhì)的縱波第一臨界和第二臨界角見表1Y所列。LK2定義如下縱波斜1入射32s有機玻璃/鋼（鋁）界面入射角和折射角的關(guān)系曲線有機玻璃/鋼.12700”-lk1sin27.25900.12700“-lk2sin156.73230有機玻璃/鋁ik1sin125.4LK16300.12700oik2sin161.2LK23080水/鋼.11500lk1sin

6、14.7LK15900.11500lk2sin27.7LK23230水/鋁.11500”lk1sin13.86300.11500lk2sin29.13080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，S為橫波射角；L1為縱波反射角，S1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，CsvCl,所以SVL1。當(dāng)入射角S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SK3表示。至yCsCli某sinsk3sin90一-.1CsSK3sin數(shù)CL1值常用介質(zhì)的第三臨界角見表1-5所列。Cli(1-40)時表

7、1-5常用介質(zhì)第三臨界角就鋼/空氣.13232sk3sin33.25900可鋁/空氣使13080sk3sin29.3SK36300有機玻璃/空氣.11460sk3sin32.72700E三、斜入射時反射系數(shù)、折射系數(shù)和往復(fù)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(guān)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(guān)。由于理論計算十分復(fù)雜，因此實際應(yīng)用中常以相應(yīng)的曲線進行分析。下面僅以幾種常用情況加以討論：q

8、（1）縱波從水斜入射至固體U當(dāng)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$113所產(chǎn)生縱波全反射現(xiàn)象。圖1-33入射縱波在水和鋁界面上的反射和折射（2）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(fù)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(xué)性質(zhì)為計算和分析的依據(jù)?？v波斜入射在

9、有機玻璃圖1-34縱波斜入射在有機玻璃/鋼界面上的反射和折射規(guī)律/界面TpPtPtPtP1P2/鋼界面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)射聲波在界面上的回波幅度，這就是我們感興趣的往復(fù)透過率問題。圖1-34所示即為有機玻璃鋼的情況。圖中斜入波的往復(fù)透過率Tp可由下式計算：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。P2為第一介質(zhì)波向第二介質(zhì)內(nèi)透射的聲壓透射率；P1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。4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壓往復(fù)透過率高得多；

10、2.聲壓往復(fù)透過率隨入射角L或折射角S的不同而有所變化。有機玻璃/鋼界面聲壓往復(fù)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1435和1-36為入射波在固體/空氣界面聲壓反射系數(shù)p與可射角L的關(guān)系曲線。見臨界角即縱波圖1-35縱波入射鋼/空氣界面聲壓鋁/水界面聲壓反反射系數(shù)與l的關(guān)系曲線射系數(shù)與L的關(guān)系曲線從圖1435中可以看出:1縱波縱射入射鋼從圖1436中可以看出:2.當(dāng)橫波斜入射于固體/液體界面（如鋼在水鋁/

11、水）時，由于一部分聲能在液體中折射醞就激增，直到33.2C時橫波聲壓反射系數(shù)橫波入射角為SS最低，其值小于15%。入射角繼續(xù)增大，橫波反射聲SS=100%,此時縱波反射角L為縱波傳播，故其橫波聲壓反射系數(shù)比固體用空氣界面小，如圖1-36中虛線所示，這種差異在小于第三臨界角時并不明顯。大于第三臨界角的橫波聲壓反射系數(shù)ss,對于鋼/水來說只、有只有10%左右的差值，對于鋁/水來說就有2空%左右的差值。四、超聲波在規(guī)則界面上的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換規(guī)律橫E超聲波探傷中所遇到的實際工件界面形狀是多種多樣的，但比較常見的規(guī)則界面有平TOC o 1-5 h z面、傾斜平面、直角平面、圓柱面等。面而（1）傾斜

12、平面上的反射射無超聲波入射到與主聲束不垂直的面（如工件的傾斜底面或與探測面有一傾角的缺陷），相當(dāng)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反射系數(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/液體界面的情況相同，見圖17所示。0波n0nE左右時，反射橫波的聲壓反射系數(shù)EIdlX冰栩)hi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(yīng)，在實際探傷中也較為常見，這些反射有以下規(guī)律：1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

13、直角頂點且與入射聲束平行的直線為軸對稱。見圖1438所示。2.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，傾斜入射的端傷丿丿J時面內(nèi)產(chǎn)生于聲面劉此陽Ik反啪半宀/第fe迴辛禺垂oowxoMM)50403020ioo園啦麗70W仙抑Minlu圖1-3.5式中：f為超聲波探測頻率，單位為兆赫。(4)圓柱形底面的三角形反射由于圓柱形工件有一定曲率，直探頭與工件直接接觸時，接觸面為一很窄的條件區(qū)從而在圓柱的橫截內(nèi)產(chǎn)生強烈的聲束擴散。圓柱曲率越小，擴散越大。當(dāng)，側(cè)壁干擾即可避免。d應(yīng)滿足下列條件:X為聲程，單位為毫米。域,擴散聲束0.3d4，故只要側(cè)(143)Wl3dcos301.3d2即這種等