超声波2

第二章超声波检测技术2.1概述2.2超声波的分类2.3声场及介质的声参量2.4超声波在介质中的传播特性2.5超声波检测仪、探头及试块2.6超声波检测方法和通用检测技术2.7超声波测厚2.8超声波检测应用实例第四节超声波在介质中的传播特性一、超声场二、超声波垂直入射到界面上的反射和透射三、超声波倾斜入射到界面上的反射和透射四、超声波在曲面上的反射和透射4.1超声场直探头发出的超声波束一、超声场结构一般由主声束和副声束构成主声束：截面大，能量集中，很好的指向性(θ)副声束：截面小，能量弱，方向易变第四节超声波在介质中的传播特性第四节超声波在介质中的传播特性圆盘源超声场b⑴主声束轴线上的声压分布以压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场为例：a声束未扩散区与扩散区b轴线上声压分布近场：出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场。近场长度：距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离远场：近场以外的部分探伤时，一般利用远场中的声学特性来发现缺陷。⑵近场长度N就圆直探头纵波而言，N可近似表示为：N＝D2/4λD:直探头压电晶片直径N：近场长度λ：波长⑶指向特性由指向角(半扩散角θ)表征θ越小则越好圆形直探头纵波而言:θ＝arcsin1.22λ/Dθ：半扩散角，λ：波长D：直径∴D↑f↑(λ↓)则θ↓⑷超声波不能在真空中传播（无声介质）back4.2超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，不改变方向。但遇到异介质界面（即声阻抗差异较大的异质界面）时，会产生反射和透射现象。第四节超声波在介质中的传播特性超声波垂直入射于平界面的反射与透射当超声波垂直入射到两种介质的界面时，一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波(声强为It)，波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为反射波(声强为Ir)。声波的这一性质是超声波检测缺陷的物理基础。1、单一界面当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。反射波声压Pr与入射波声压P0的比值称为声压反射率r，透射波声压Pt和P0的比值称为声压透射率t。r和t的数学表达式为：12120rZZZZppr1220t2ZZZppt式中：Z1、Z2分别为两种介质的声阻抗。1tr为了研究反射波和透射波的能量关系，引入声强反射率R和声强透射率T两个量。R为反射波声强(Ir)和入射波声强(I0)之比；T为透射波声强(It)和入射波声强(I0)之比。2121220rZZZZrIIR21221202210t4ZZZZPZPZIITt声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。1TR讨论：1、当Z2＞Z1时，r＞0，t1,反射波与入射波同相位，两波叠加，在界面上声压振幅增大为P0+Pr。如平面波在水/钢界面的反射和透射.PtP02、当Z1＞Z2时，r＜0，反射波与入射波相位相反，两波叠加，在界面上声压振幅减小为P0-∣Pr∣。如平面波在钢/水界面的反射和透射,PtP03、当Z1＞＞Z2时，r=-1,t≈0.如钢/空气界面。声波几乎全反射，无透射；且反射波与入射波振动相反(产生半波损）。4、当Z2＞＞Z1时，r=1,t≈2。声波发生全反射，无透射。5、当Z1≈Z2时，r≈0,t=1.钢/钢界面。声波几乎全透射，无反射。结论：超声波垂直入射到平界面时，声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。声阻抗相差越大，声压反射率越大，声压透射率越低；声阻抗越接近，声压反射率越低，声压透射率越大。Δ但在垂直入射时，界面两侧的声波必须满足两个边界条件：（1）一侧总声压等于另一侧总声压，否则界面会发生运动；——声压连续（2）两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。——法向速度相等上述超声波纵波垂直入射到单一平界面上的声压、声强与其反射率、透射率的计算公式，同样适用于横波入射的情况。但在固液、固气界面上，横波将发生全反射，这是因为横波不能在液体和气体中传播。2、薄层界面在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层，这些都可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透射问题。超声波由声阻抗为Z1的第一介质入射到Z1和Z2的交界面，然后通过声阻抗为Z2的第二介质薄层射到Z2和Z3的交界面，最后进入声阻抗为Z3的第三介质。当然在有三层介质时，很多情况是第一介质和第三介质为同一种介质（超声波检测即是这种情况）。在两个界面上的反射和透射d2（1）当第一、三介质为同一介质时222222222222211(m-)sin()4mr2111(m-)sin()4m1t2111(m-)sin()4mddd反射率透射率由上两式可知：愈大。愈小，时，即当最大，时，）（当，时，当trtrntrn4d0d0412d102d222212ZZm由上式可知：往复透射率为工件等情况，此时声压耦合剂或晶片工件，保护薄膜层，如晶片，即非均匀介质中的薄）当（)2(sin)()2(cos)(4ZZZ22222231222223131321dZZZZdZZZZt2313122)(42dZZZZtn时，当即超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，如薄层厚度等于半波长的整数倍时，通过薄层的声压往复透射率与薄层的性质无关。超声波测厚1412d31222tZZZn时，有时，且）（当此时为全透射的情况。复透射率愈大。时，薄层愈薄，声压往当4d22back4.3超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射当超声波相对于界面入射点法线以一定的角度倾斜入射到两种不同介质的界面上时，在界面会产生反射、折射和波型转换现象。入射声波与入射点法线之间的夹角称为入射角。1、波型转换超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射(a)纵波入射；(b)横波入射sLsL211sinsinsinccc2、斯涅耳定律超声波从声速为c1的介质倾斜入射到传播速度为c2的介质时，反射波、透射波的传播方向由反射定律、透射定律确定（即斯涅耳定律）。α：入射角、β:透射角、γ：反射角S1sL1Lsinsincc3、反射当纵波以入射角αL倾斜入射到介质界面上时，将会在介质1中于入射点法线的另一侧产生与法线成一定夹角的反射纵波。称为反射角。入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何光学的反射定律，即αL=。与光的反射不同的是，当介质1为固体时，界面上既产生反射纵波，同时又发生波型转换并产生反射横波，即反射后同时产生纵波与横波两种波型。这时，横波反射角与纵波入射角之间的关系与光学中的斯涅耳定律相同，为LLSL若入射声波为横波，也会产生同样的现象，这时横波入射角αS与横波反射角相等。介质1为固体时纵波反射角与横波入射角之间的关系为L1LS1Ssinsincc由于固体中纵波声速总是大于横波声速，因此，无论是纵波入射还是横波入射，均有。当介质1为液体或气体时，则入射波和反射波只能为纵波。SLS4、折射当两种介质声速不同时，透射部分的声波会发生传播方向的改变，称为折射。不论是纵波入射还是横波入射，只要介质2为固体，则介质2中除有与入射波相同波型的折射波外，均可因在界面发生波型转换而产生与入射波不同波型的折射波。这时，介质2中可能同时存在纵波与横波。折射角与入射角之间的关系符合斯涅耳定律。折射角相对于入射角的大小和折射波声速与入射波声速的比率有关。同时，由于纵波声速总是大于横波声速，因此纵波折射角βL要大于横波折射角βS。sLsL22111SSLLSsLLLLsinsinsinsinsincccccα：入射角、β：折射角、γ：反射角L：纵波、S：横波c:声速1、2代表两种介质纵波入射到固/固界面时的斯涅耳定律sLsL22111SSLLSsLLsssinsinsinsinsincccccα：入射角、β：折射角、γ：反射角L：纵波、S：横波c:声速1、2代表两种介质横波入射到固/固界面时的斯涅耳定律5、临界角当入射超声波在界面上发生反射和透射时，由于入射角的变化，使得在界面上两侧的第一介质、第二介质及界面上产生波型转换的情况将会发生变化，在第二种介质中的透射波的波型取决于入射角大小，而这些引起波型变化的入射角临界值分别称为第一临界角αⅠ、第二临界角αⅡ和第三临界角αⅢ。(1)第一临界角αⅠ。使横波透射角等于90°时的纵波入射角αL。且cL2cL1时，折射角大于入射角，使纵波折射角达到90°的纵波入射角称为第一临界角，用符号αⅠ表示。当纵波入射角大于第一临界角时，第二介质中不再有折射纵波，只有折射横波。L2LL1LsinsinccL2L1arcsinccIL(2)第二临界角αⅡ。使纵波透射角等于90°时的纵波入射角αL，用符号αⅡ表示。且cS2cL1时。通常在超声检测中，临界角主要应用于第二介质为固体，而第一介质为固体或液体的情况。这种情况下，可利用入射角在第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中产生一定角度范围内的纯横波，对试件进行检测。当入射角大于第二临界角时，第二介质中既无折射纵波，又无折射横波，而在介质的表面将产生表面波。S2SL1LsinsinccS2L1arcsinccIIS(3)第三临界角αⅢ。使纵波反射角达到90°时的横波入射角称为第三临界角，用表示αⅢ。第三临界角是在固体介质与另一种介质的界面上，用横波作为入射波时产生的。此时，介质中只存在反射横波。L1LS1SsinsinccL1S1arcsinccIII6、斜入射时的声压反射率和透射率斯涅耳反射、折射定律只讨论了超声波倾斜入射到界面上时，各种类型反射波和折射波的传播方向，没有涉及它们的声压反射率和透射率。斜入射时反射波和透射波的声压关系较为复杂。但在超声检测中，关心的是斜入射的反射率和透射率随入射角度的变化。对脉冲反射法，更关心的是声压往返透过率随入射角度的变化。在斜入射情况下，各种类型反射波和折射波的声压反射率和透射率不仅与界面两侧介质的声阻抗有关，还与入射波的类型及入射角的大小有关。由于理论计算公式复杂，因此借助于公式或实验得到几种常见界面的声压反射率和透射率图。纵波斜入射的声压反射率斜入射时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗有关，而且与入射角有关。1、纵波斜入射到钢/空气界面的声压反射率：2、横波斜入射到钢/空气界面的声压反射率：三、声压往复透射率纵波斜入射到水/钢界面：纵波斜入射到有机玻璃/钢界面的声压往复透射率：back4.4超声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束与曲面上各入射点的法线成不同的夹角：入射角为0°的声线沿原方向返回，称为声轴；其余声线的反射角则随着距声轴距离的增大而增大。当曲面是球面时，反射线或其延长线汇聚于一个焦点上；反射面为圆柱面时，反射线或其延长线汇聚于一条焦线上。此时，焦距f与曲面曲率半径r的关系为2rf平面波入射至曲面时的反射（a）凹面镜（b）凸面镜超声波入射时，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。当曲面是球面时，反射线或其延长线汇聚于一个焦点上。反射波波阵面为球面，凹球面的反射波好像从实焦点出发的球面波，凸球面的反射波好像从虚焦点出发的球面波。反射面为圆柱面时，反射线或其延长线汇聚于一条焦线上，称为焦轴。反射波波阵面为柱面，凹柱面的反射波好像从实焦点出发的柱面波，凸柱面的反射波好像从虚焦点出发的柱面波。反射波的声压球曲波：柱曲波：0xfppxf发散时取“+”，聚焦时取“－”0xfppxf发散时取“+”，聚焦时取“－”p0：入射平面波声压；f：焦距（f＝r/2）x：中心轴线上某点至曲面顶点的距离px：x处的反射声波的声压2、平面波在曲面上的透射平面波入射到曲面上时，其折射波也将发生聚焦或发散。折射波的聚焦或发