超聲檢測的物理基礎(chǔ)4

第2章超聲檢測的物理基礎(chǔ)2.3.3薄層界面的反射率與透射率超聲檢測時，經(jīng)常遇到耦合層和缺陷薄層等問題，這些都可歸結(jié)為超聲波在薄層界面的反射和透射問題。此時，超聲波是由聲阻抗為Z1的第一介質(zhì)入射到Z1和Z2界面，然后通過聲阻抗為Z2的第二介質(zhì)薄層射到Z2和Z3界面，最后進入聲阻抗為Z3的第三介質(zhì)。

特點：（1）超聲波通過一定厚度的異質(zhì)薄層時，反射和透射情況與單一的平界面不同。異質(zhì)薄層很薄，進入薄層內(nèi)的超聲波會在薄層兩側(cè)界面引起多次反射和透射，形成一系的反射波和透射波（2）超聲波通過異質(zhì)薄層時的聲壓反射率和透射率不僅與介質(zhì)聲阻抗和薄層聲阻抗有關(guān)，而且與薄層厚度同其波長之比d2/λ2有關(guān)2.3.3薄層界面的反射率與透射率2.3.3薄層界面的反射率與透射率1.均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層（Z1=Z3≠Z2）（1）當(dāng)（n為整數(shù)）時，。這說明當(dāng)薄層兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗相等，薄層厚度為其半波長的整數(shù)倍時，超聲波全透射，幾乎無反射，好象不存在異質(zhì)薄層一樣。這種透聲層常稱為半波透聲層。（2）當(dāng)（n為整數(shù)）時，即異質(zhì)薄層厚度等于其四分之一波長的奇數(shù)倍時，聲壓透射率最低，聲壓反射率最高。（3）1/4波長甚至趨近于0，薄層愈小，穿透愈大。

2.3.3薄層界面的反射率與透射率2．薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面（1）當(dāng)（n為整數(shù)）時，。這說明超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層時，若薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍，則通過薄層的聲強透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān)，好象不存在薄層一樣（2）當(dāng)（n為整數(shù)）時，且時，此時T＝1，即聲強透射率等于1，超聲波全透射。這對于直探頭保護膜的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。2.7超聲波傾斜入射到界面上的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換

（1）波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律（2）聲壓反射率（3）聲壓往復(fù)透射率（4）端角反射（1）波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會產(chǎn)生不同類型的反射和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換圖2—40聲波傾斜入射示意圖（1）

波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律

當(dāng)超聲波垂直入射到光滑平界面時，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射波。1．縱波斜入射當(dāng)縱波L傾斜入射到界面時，除產(chǎn)生反射縱波L′和折射縱波L″外，還會產(chǎn)生反射橫波S′和折射橫波S″，如圖2－40（a）所示。各種反射波和折射波方向符合反射、折射定律：

IC1IIC2s1=c1×ts2=c2×t（1）波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律由于在同一介質(zhì)中縱波波速不變，因此。又由于在同一介質(zhì)中縱波波速大于橫波波速，因此（1）第一臨界角αⅠ：（2）第二臨界角αⅡ：圖2—41臨界角示意圖（1）波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律由αⅠ和αⅡ的定義可知：①αL<αⅠ時，第二介質(zhì)中既有折射縱波L″又有折射橫波S″。②αLαⅠ～αⅡ時，第二介質(zhì)中只有折射橫波S″，沒有折射縱波L″，這就是常用橫波探頭制作和橫波檢測的原理。③αL≥αⅡ時，第二介質(zhì)中既無折射縱波L″，又無折射橫波S″。這時在其介質(zhì)的表面存在表面波R，這就是常用表面波探頭的制作原理。例如，縱波傾斜入射到有機玻璃/鋼界面時，有機玻璃中cL1=2730m/s，水中cL1=1480m/s，鋼中：cL2=5900m/s，cS2=3230m/s。則第一、二臨界角分別為：

（1）波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律αⅠαⅡ由此可見有機玻璃橫波探頭楔塊角度

有機玻璃表面波探頭楔塊角度≥57.7度。14.5°27.27°33.12°水鋼（1）波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律2．橫波斜入射當(dāng)橫波傾斜入射到界面時，同樣會產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換入射角增加到一定程度時，在第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒有反射縱波，即橫波全反射，這時所對應(yīng)的橫波入射角稱為第三臨界角，用αⅢ表示

αⅢ

對于鋼：cL1=5900m/s，CS1=3230m/s，

αⅢ

當(dāng)≥33.2°時，鋼中橫波全反射。（1）波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律在實際的橫波斜探頭探傷中，入射到工件中的橫波斜射到與探測面平行的底面，對底面的橫波入射角都大于第三臨界角，故不會出現(xiàn)反射縱波；如射到不平行探測面的反射面上，則橫波入射角有可能小于第三臨界角，從而出現(xiàn)反射縱波與反射橫波同時存在的情況

，如圖所示示例。橫波入射產(chǎn)生變形縱波（2）聲壓反射率1.縱波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射縱波斜入射到鋼/空氣時縱波聲壓反射率與橫波聲壓反射率隨入射角的變化。隨著縱波入射角從0°逐漸增加，縱波聲壓反射率從1.0逐漸下降；而在60°與70°之間縱波聲壓反射率達到極小值；縱波入射角繼續(xù)增大，縱波聲壓反射率又隨之增大直到1.0。當(dāng)入射角在60度左右時產(chǎn)生一個較強的反射橫波。（2）聲壓反射率2.橫波傾斜入射到鋼/空氣界面的反射教材圖2－43表示的是橫波斜入射到鋼/空氣時的情況。隨著橫波入射角從0°逐漸增加，橫波聲壓反射率從1.0逐漸下降；而在20°與30°之間橫波聲壓反射率達到極小值；橫波入射角繼續(xù)增大，橫波聲壓反射率繼續(xù)隨之增大，當(dāng)橫波反射角α’S