超聲波探傷幻燈片課件第二章_超聲波探傷物理基礎(chǔ).ppt

1、第一章 超聲波探傷的物理基礎(chǔ),黃新超 河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院 2010年4月,第一章 超聲波檢測(cè)的物理基礎(chǔ),超聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播。 該章主要涉及幾何聲學(xué)和物理聲學(xué)的基本定律和概念。 幾何聲學(xué)：反射定律、折射定律、波形轉(zhuǎn)換。 物理聲學(xué)：波的疊加、干涉、衍射等,1 振動(dòng)與波動(dòng),11振動(dòng) 物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復(fù)周期性的運(yùn)動(dòng),稱(chēng)為機(jī)械振動(dòng). 振動(dòng)產(chǎn)生的必要條件： 一是，物體一旦離開(kāi)平衡位置，就會(huì)受到回復(fù)力的作用；二是阻力足夠小。 全振動(dòng)：物體受到一定力的作用，離開(kāi)平衡位置，產(chǎn)生一個(gè)位移；該力消失后，在回復(fù)力的作用下，將向平衡位置移動(dòng)，到達(dá)平衡位置時(shí)

2、，它并沒(méi)有停止，而是越過(guò)平衡位置運(yùn)動(dòng)到相反方向的最大位移；然后，再向平衡位置移動(dòng)。,振動(dòng)的表示：可用周期和頻率表示振動(dòng)的快慢；用振幅表示振動(dòng)的強(qiáng)弱。 周期T 振動(dòng)物體完成一次全振動(dòng)所需要的時(shí)間,稱(chēng)為振動(dòng)周期.單位：秒（S） 頻率f 振動(dòng)特物體在單位時(shí)間內(nèi)完成全振動(dòng)的次數(shù),稱(chēng)為振動(dòng)頻率.單位：赫茲（Hz） 振幅A 振動(dòng)物體離開(kāi)平衡位置的最大距離。,簡(jiǎn)諧振動(dòng) 最簡(jiǎn)單最基本的直線振動(dòng)稱(chēng)為諧振.其特點(diǎn)是物體受到的回復(fù)力大小與位移成正比,其方向總是指向平衡位置.,圖1.1 質(zhì)點(diǎn)諧振動(dòng)參考圖,質(zhì)點(diǎn)諧振動(dòng)等效圖,簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程 質(zhì)點(diǎn)的水平位移和時(shí)間t的關(guān)系式： y=Acos(t+) 其中：A：振幅，最大水平位

3、移 ：圓頻率， =2f=2 / T ：初相位，即t=0時(shí)質(zhì)點(diǎn)的相位 t+：質(zhì)點(diǎn)在t時(shí)刻的相位 簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程描述了諧振動(dòng)物體在任意時(shí)刻的位移情況。,阻尼振動(dòng) 在機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，由于受到摩擦力或其他阻力的作用，系統(tǒng)的能量會(huì)不斷損耗，質(zhì)量振動(dòng)的振幅逐漸減小，以至于振動(dòng)停止。所以，阻尼振動(dòng)是一個(gè)比較普遍情況，也稱(chēng)為衰減振動(dòng)。(不符合機(jī)械能守恒),受迫振動(dòng) 由于振動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的阻尼作用，能量逐漸消耗，因初始激發(fā)引起的自由振動(dòng)，將因?yàn)槟芰恐饾u損耗，振動(dòng)逐漸減弱，以至運(yùn)動(dòng)停止。要維持振動(dòng)必須由另一系統(tǒng)不斷給以激發(fā)，即不斷地補(bǔ)充能量，這種由外加作用維持的振動(dòng)，稱(chēng)為強(qiáng)迫振動(dòng)。 (不符合機(jī)械能守恒) y=Acos(

4、Pt+) 其中：A：振幅，最大水平位移 P：策動(dòng)力的圓頻率T ：初相位,12波動(dòng) 振動(dòng)的傳播過(guò)程，成為波動(dòng)。 波動(dòng)分為機(jī)械波和電磁波兩大類(lèi)。 機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程。如水波、聲波、超聲波等。 電磁波是交變電磁場(chǎng)在空間的傳播過(guò)程。如無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、射線等。 超聲波是機(jī)械波，因此下面只討論機(jī)械波。,物質(zhì)的彈性模型,彈性介質(zhì)：這種質(zhì)點(diǎn)間以彈性力聯(lián)系在一起的介質(zhì)稱(chēng)為彈性介質(zhì)。一般固體、液體、氣體都可視為彈性介質(zhì)。 機(jī)械波的產(chǎn)生：彈性介質(zhì)中的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)就會(huì)引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，于是振動(dòng)就以一定的速度由近及遠(yuǎn)地向各個(gè)方向傳播

5、開(kāi)來(lái)，從而就形成了機(jī)械波。,機(jī)械波：是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程. 機(jī)械波必須具備以下兩個(gè)條件: 1）要有作機(jī)械振動(dòng)的波源； 2）能傳播機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)。 振動(dòng)與波動(dòng)是互相關(guān)聯(lián)的，振動(dòng)是產(chǎn)生波動(dòng)的根源，波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播。波動(dòng)中介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)并不隨波前進(jìn)，只是以交變的振動(dòng)速度在各自的平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播過(guò)程，也是振動(dòng)能量的傳播過(guò)程。這種能量的傳播，不是靠質(zhì)點(diǎn)的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是由各質(zhì)點(diǎn)的位移連續(xù)變化來(lái)逐漸傳播出去的 。,機(jī)械波的主要物理量 波長(zhǎng) ： 單位：mm、m 同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離.或者說(shuō)：沿著波的傳播方向，兩個(gè)相鄰的同相位質(zhì)點(diǎn)間的距離。

6、頻率 ：f 單位：赫茲（Hz） 波動(dòng)過(guò)程中,任一給定點(diǎn)在1秒鐘內(nèi)所通過(guò)的完整波的個(gè)數(shù). 波速 ：C 單位：m/s km/s 波動(dòng)中,波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離稱(chēng)為波速.,C= f 或=C/f 波長(zhǎng)與波速成正比，與頻率成反比。 當(dāng)頻率一定時(shí)，波速愈大，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)； 當(dāng)波速一定時(shí)，頻率愈低，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)。,2 波的類(lèi)型,1、根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類(lèi) 根據(jù)波動(dòng)傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向相對(duì)于波的傳播方向的不同,可將波動(dòng)分為縱波、橫波、表面波和板波等. 縱波：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向平行。用 L 表示，又稱(chēng)壓縮波或疏密波。 當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變正應(yīng)力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波。

7、這時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)疏密相間，故縱波又稱(chēng)為壓縮波或疏密波。,凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。所以，縱波可以在固體、液體和氣體中傳播。,橫波：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直。用S 表示 當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生切變變形，從而形成橫波。只有固體能夠承受剪切應(yīng)力，液體和氣體不能承受剪切應(yīng)力，因此，橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體中傳播。,表面波：當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?。用R表示，表面波是瑞利在1887年首次提出的，因此，表面波又稱(chēng)瑞利波。,表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長(zhǎng)軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓

8、運(yùn)動(dòng)可以視為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的合成，即縱波和橫波的合成。所以，表面波和橫波一樣，只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體中傳播。 表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?。表面波的能量隨傳播深度的增加而迅速減弱。一般認(rèn)為，表面波檢測(cè)只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)的缺陷。,各 種 類(lèi) 型 波 的 比 較,2、按波的形狀分類(lèi) 波的形狀（波形）是指波陣面的形狀。 波陣面：同一時(shí)刻，介質(zhì)中振動(dòng)相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)所聯(lián)成的面稱(chēng)為波陣面。 波 前：某一時(shí)刻，波動(dòng)所到達(dá)的空間各點(diǎn)聯(lián)成的面積稱(chēng)為波前。 波 線：波的傳播方向稱(chēng)為為波線。 由以上定義可知，波前是最前面的波陣面。任意時(shí)刻，波前只有一個(gè)，而波陣面卻有很多。在各向

9、同性的介質(zhì)中，波線恒垂直于波陣面或波前。 據(jù)波陣面形狀不同，可以把不同波源發(fā)出的波分為平面波、柱面波和球面波。,（1）平面波 波陣面為互相平行的平面的波稱(chēng)為平面波。平面波的波源為一個(gè)平面。 尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的剛性平面波源在各向同性的均勻介質(zhì)中輻射的波可視為平面波。 平面波波束不擴(kuò)散，平面波各質(zhì)點(diǎn)振幅是一個(gè)常數(shù)，不隨距離而變化。,（2）柱面波 波陣面為同軸圓柱面的波稱(chēng)為柱面波。柱面波的波源為一條線 。 長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的線狀波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為柱面波。柱面波波束向四周擴(kuò)散，柱面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離平方根成反比。,（3）球面波 波陣面為同心圓的波稱(chēng)為球面波。球面波的波源為一點(diǎn) 。 尺寸

10、遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的點(diǎn)波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為球面波。球面波波束向四面八方擴(kuò)散，球面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離成反比。 實(shí)際應(yīng)用的超聲波探頭中的波源近似活塞振動(dòng)，在各向同性的介質(zhì)中輻射的波稱(chēng)為活塞波。當(dāng)距離源的距離足夠大時(shí)，活塞波類(lèi)似于球面波。,3、按振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類(lèi) 根據(jù)波源振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，將波動(dòng)分為連續(xù)波和脈沖波。 （1） 連續(xù)波 波源持續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波稱(chēng)為連續(xù)波。 超聲波穿透法檢測(cè)常采用連續(xù)波。,（2） 脈沖波 波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短（通常是微秒數(shù)量級(jí)），間歇輻射的波稱(chēng)為脈沖波。 目前超聲波檢測(cè)中廣泛采用的就是脈沖波。,3 超聲波的傳播速度,超聲波在介質(zhì)中的傳播速度是表征介質(zhì)聲學(xué)

11、特性的重要參數(shù)。 超聲波、次聲波和聲波都是機(jī)械波，在同一介質(zhì)中的傳播速度是相同的。 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)。 超聲波的傳播速度與下列因素有關(guān)： 1）介質(zhì)：彈性模量、密度、彈性變形形式、尺寸大小、均勻性等 2）超聲波的波型：如縱波、橫波與表面波等 3）溫度: 一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低。,3-1 無(wú)限大固體介質(zhì)中的聲速 縱波聲速： 橫波聲速： 表面波聲速： E：介質(zhì)的楊氏彈性模量； ：介質(zhì)的伯松比； ：介質(zhì)密度 G：介質(zhì)的切變彈性模量,由以上三式可知： 1）固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有關(guān)，不同的介質(zhì)聲速不同； 介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小，則聲

12、速愈大。 2）聲速與波的類(lèi)型有關(guān)，在同一種固體介質(zhì)中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并存在如下關(guān)系：CLCSCR 對(duì)于鋼材: CL:CS:CR=1.8 : 1 : 0.9,3-2 細(xì)長(zhǎng)棒中的縱波聲速 CLb 細(xì)長(zhǎng)棒中(棒徑d)縱波的聲速與無(wú)限大介質(zhì)中的縱波聲速不同.,3-3 液體、氣體介質(zhì)中聲速,B :液體、氣體介質(zhì)的容變彈性模量，表示產(chǎn)生單位容積相對(duì)變化量所需的壓強(qiáng)； ：液體、氣體介質(zhì)的密度 幾乎除水以外的所有液體當(dāng)溫度升高時(shí)，容變彈性模量減小，聲速降低。 水是溫度在74攝氏度左右時(shí)聲速達(dá)最大值。,3-4 聲速測(cè)量,探傷儀測(cè)量法 測(cè)厚儀測(cè)量法 示波器測(cè)量法,4 波的疊加、干涉、衍射和惠更

13、斯原理,4-1 波的疊加原理 幾列波相遇后仍保持自已原有的頻率、波長(zhǎng)、振動(dòng)方向等特性并按原來(lái)的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，好象在各自的途中沒(méi)有遇到其他波一樣，這就是波的疊加原理。又稱(chēng)波的獨(dú)立性原理。 波的迭加現(xiàn)象可以從許多事實(shí)觀察到，如兩石子落水，可以看到兩個(gè)以石子入水處為中心的圓形水波的迭加情況和相遇后兩波仍按原來(lái)的方向進(jìn)行傳播的情況。,4-2 波的干涉 兩列頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相相同或位相差恒一的波相遇時(shí)，介質(zhì)中某些地方的振動(dòng)互相加強(qiáng)，而另一些地方的振動(dòng)互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。 駐波 兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播時(shí)互相疊加而成的波，稱(chēng)為駐波,4-3惠更斯原理

14、 波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，如果介質(zhì)是連續(xù)的，那么介質(zhì)，中任何質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都將引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，因此波動(dòng)中任何質(zhì)點(diǎn)都可以看作是新的波源。據(jù)此惠更斯于1690年提出了著名的惠更斯原理：介質(zhì)中波動(dòng)傳播到的各點(diǎn)都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其后任意時(shí)刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。 利用惠更斯原理可以確定波前的幾何形狀和波的傳播方向。,惠更斯原理圖,4-4 波的衍射 波在傳播過(guò)程中遇到與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)恼系K物時(shí)，能繞過(guò)障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象，稱(chēng)為波的衍射或波的繞射。 波的衍射現(xiàn)象是衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)（TOFD）的物理基礎(chǔ)。,波的衍射,波的衍射和障礙物的尺寸Df

15、及波長(zhǎng)的相對(duì)大小有關(guān).當(dāng)Df 時(shí),反射強(qiáng),繞射弱,幾乎全反射;當(dāng)Df 時(shí),反射弱,繞射強(qiáng),缺陷回波很低,容易出現(xiàn)漏檢. 超聲波探傷的靈敏度約為/2 例:對(duì)鋼 ,頻率f=2.5MHz, 根據(jù) C= f 縱波聲速CL=5900m/s L= 2.36 mm 橫波聲速CS=3230m/s S= 1.29 mm 在頻率相同的條件下,橫波的檢測(cè)靈敏度高于縱波的檢測(cè)靈敏度. 相同介質(zhì)中,提高工作頻率可以檢出較小的缺陷.,衍射對(duì)探傷有利的方面: 由于波的衍射,使超聲波產(chǎn)生晶粒繞射順利地在介質(zhì)中傳播； 由于波的衍射,可以采用衍射波檢測(cè)缺陷。 衍射對(duì)探傷不利的方面: 由于波的衍射,使一些小的缺陷回波顯著下降,以致

16、造成漏檢.,5 超聲場(chǎng)的特征值,超聲場(chǎng)：充滿(mǎn)超聲波的空間或超聲振動(dòng)所波及的部分介質(zhì)。 超聲場(chǎng)具有一定的形狀和大小，只有當(dāng)缺陷位于超聲場(chǎng)內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。 超聲場(chǎng)的特征值主要有：聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。,5-1 聲壓 定義:超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的壓強(qiáng)P1與沒(méi)有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差,稱(chēng)為該點(diǎn)的聲壓. P=P1-P0 聲壓的單位:帕斯卡 Pa,微帕斯卡 Pa,聲壓公式 超聲場(chǎng)中t時(shí)刻,離振源距離x點(diǎn)的聲壓: P= -c Asin(t-x/c) = - Pm sin(t-x/c) 聲壓的幅值: Pm = c A= c :質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度, =A=2f A 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度和波速c不同！

17、 聲壓的幅值與介質(zhì)的密度、聲速和頻率成正比。 超聲波探傷儀示波屏上的波高與聲壓成正比。,5-2 聲阻抗 超聲場(chǎng)中任一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比稱(chēng)為 聲阻抗。 Z=P / =c 由 = P / Z不難看出，在相同聲壓下，Z增加，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度下降，因此，聲阻抗Z可以理解為介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。 聲阻抗的大小等于介質(zhì)的密度與波速的乘積。 一般材料的聲阻抗隨溫度升高而降低。,5-3 聲強(qiáng) I 單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的聲能稱(chēng)為聲強(qiáng)。 由以上公式可知： 1）聲強(qiáng)與頻率f的平方成正比，超聲波的頻率遠(yuǎn)大于聲波，因此，超聲波的聲強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲波的聲強(qiáng)。這是超聲波用于檢測(cè)的重要原因。 2）在同一介質(zhì)中

18、，聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比，與聲阻抗成反比。 大炮的聲強(qiáng) ，已經(jīng)震耳欲聾，超聲波的聲強(qiáng)可達(dá) ，比大炮的聲強(qiáng)高出 ，9個(gè)數(shù)量級(jí)！,6 分貝,在生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，所遇到的聲強(qiáng)數(shù)量級(jí)往往相差懸殊，如引起聽(tīng)覺(jué)的聲強(qiáng)范圍 ，最大值和最小值相差12個(gè)數(shù)量級(jí)。顯然采用絕對(duì)量來(lái)度量是不方便的，但如果對(duì)其比值（相對(duì)量）取對(duì)數(shù)來(lái)比較計(jì)算則可大大簡(jiǎn)化運(yùn)算。分貝就是兩個(gè)同量綱的量之比取對(duì)數(shù)后的結(jié)果。,在超聲波檢測(cè)中，當(dāng)超聲波探傷儀的垂直線性較好時(shí)，儀器示波屏上的波高與回波聲壓成正比。這時(shí)有 =20lgP2/P120lgH2/H1 （dB） 這里聲壓基準(zhǔn)P1或波高基準(zhǔn)H1可以任意選取。 當(dāng)H2/H11時(shí)，0 dB，說(shuō)明兩

19、波高相等時(shí)，二者的分貝差為零。 當(dāng)H2/H12時(shí)，6 dB，說(shuō)明H2為H1的兩倍時(shí)，H2比H1高6 dB。 當(dāng)H2/H11/2時(shí)，6 dB，說(shuō)明H2為H1的1/2時(shí)，H2比H1低6 dB。,分貝用于表示兩個(gè)相差很大的量之比顯得很方便，特別是在超聲波檢測(cè)中應(yīng)用更廣泛。例如示波屏上兩波高的比較就常常用dB表示。 例1：示波屏上一波高為80%，另一波高為20%，問(wèn)前者比后者高多少dB？ 解：20lgH2/H120lg80/2012（dB） 答：前者比后者高12dB。,例2：示波屏上有A、B、C三個(gè)波，其中A波比B波高3dB，C波比B波低3dB，已知B波高為50%，求A、C各為多少？ 解：由已知得20

20、lg A / B 3； lg A / B=0.15； A/B=1.41； A=1.41B1.415070.6% 又 20lgC / B 3； lgC / B=0.15； C/B=1.41;C=B/1.41=50/1.41=35.4% 答：A、C分別為70.6%和35.4%。,用分貝值表示反射波幅度的相互關(guān)系，不僅可以簡(jiǎn)化運(yùn)算，而且在確定基準(zhǔn)波高以后，可直接用儀器衰減器的讀數(shù)表示缺陷波相對(duì)波高。因此，分貝概念的引用對(duì)超聲檢測(cè)有很重要的實(shí)用價(jià)值。,7 超聲波垂直入射到界面時(shí)的反射與透射,71 單一平界面的反射與透射,P0 (I0),Z1,Z2,Pr (Ir),Pt (It),第一介質(zhì),第二介質(zhì),聲

21、壓反射率： r = Pr / P0 聲壓透射率： t = Pt / P0 界面兩側(cè)的聲波必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件： 1）界面兩側(cè)的總聲壓相等 Pr P0 Pt 2）界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值相等 0 r = t 由P/Z (P0- Pr) / Z1= Pt / Z2 由以上兩個(gè)條件可得： 1r = t (1-r) / Z1= t / Z2,聲強(qiáng)反射率： R= = r = ( ) 聲強(qiáng)透射率： T= = t r =1 T+R=1 下面討論幾種常見(jiàn)界面上聲壓和聲強(qiáng)的反射和透射情況,Ir,I0,2,2,Z2-Z1,Z1+Z2,It,I0,4Z1Z2,(Z1+Z2),2,（1） 當(dāng)Z2 Z1 如水/鋼 r

22、= (Z2-Z1) / (Z1+Z2)0,反射聲壓Pr 和入射聲壓 P0同相位，界面上入射波和反射波疊加形成駐波，合成聲壓最大Pr P0 水/鋼界面：r =0.935 R=0.875 t =1.935 T=0.125,平面波垂直到水/鋼界面 (Z2Z1),（2）當(dāng)Z1 Z2 如鋼/水 r = (Z2-Z1) / (Z1+Z2)0,反射聲壓Pr 和入射聲壓 P0相位相反，入射波和反射波合成聲壓振幅減小 鋼/水界面：r =0.935 R=0.875 t =0.065 T=0.125 超聲波垂直入射到某一界面時(shí)的聲強(qiáng)反射率與透射率與從何種介質(zhì)入射無(wú)關(guān)。,平面波垂直到鋼/水界面 (Z1Z2),（3）當(dāng)

23、Z1Z2 如鋼/空氣 鋼/空氣界面：r -1 t 0 t r =1 R 1 T 0 R+T=1 表明：當(dāng)入射波聲阻抗遠(yuǎn)大于透射波介質(zhì)聲阻抗時(shí)，聲壓反射率趨于1，透射率趨于0，聲壓幾乎全反射，無(wú)透射。 探傷中，探頭與工件間如不施加耦合劑，則形成固/氣界面，超聲波無(wú)法進(jìn)入工件。 （4）當(dāng)Z1Z2 如鋼和焊縫 r 0 t 1 R 0 T 1 超聲波垂直入射的聲阻抗相差很近的界面時(shí)，幾乎全透射，無(wú)反射。 在焊縫探傷中，母材和填充焊縫金屬，聲阻抗非常接近，若沒(méi)有任何缺陷，是不會(huì)產(chǎn)生界面回波的。,以上討論的超聲波縱波垂直入射到第一平界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射率和透射率公式同樣適用于橫波入射的情況，但必須注意的

24、是在橫波入射到固體/液體或固體/氣體界面上，橫波全反射。因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。,例：超聲波垂直入射至水/鋼界面，已知水的聲速CL1=1500m/s,密度為1000kg/m3，鋼中聲速CL2=5900m/s, Cs2=3230m/s,密度為7800kg/m3，試計(jì)算界面聲壓反射率r、聲壓投射率t、聲強(qiáng)反射率R和聲強(qiáng)透射率T？,解： 根據(jù)聲阻抗定義：Z=c 水的聲阻抗：Z1= 1cL1 = 1000kg/m31500m/s 鋼的聲阻抗：Z2= 2cL2 = 7800kg/m35900m/s ,72 薄層界面的反射率與透射率 薄層：耦合層、缺陷薄層,Z3,d2 超聲波脈沖寬度,d2 超聲波

25、脈沖寬度,1、均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層(Z1=Z3Z2),聲壓反射率和聲壓透射率與 有關(guān)。 （1）當(dāng) r0,t 1 即薄層厚度為其半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),超聲波全透射,幾乎無(wú)反射,好象不存在異質(zhì)薄層一樣. （2）當(dāng) r1,t 0 即當(dāng)異質(zhì)薄層厚度等于其四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),聲壓透射率最低,聲壓反射率最高.,鋼和鋁中氣隙、水隙聲壓透射率,鋼和鋁中氣隙、水隙聲壓反射率,（1）當(dāng)f1MHZ時(shí)，鋼中厚度為d= mm的氣隙幾乎100反射。兩塊緊貼在一起的十分精密的鋼塊之間的間隙也有 mm?？梢?jiàn)超聲波對(duì)檢測(cè)含有氣體介質(zhì)的裂紋等面積型缺陷的靈敏度是很高的。 （2）當(dāng)材料中的氣隙或水隙厚度一定時(shí)，頻率增加，聲壓反射率

26、隨著增加。 例：對(duì)鋼中氣隙d= mm時(shí)，f=1MHz,r=20%； f=5MHz,r=60% 提高超聲波探傷頻率對(duì)于提供探傷靈敏度是有利的。,2、薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面(Z1 Z3Z2) 例如：晶片保護(hù)膜工件； 有機(jī)玻璃耦合層工件 薄層的聲強(qiáng)透射率T為：,（1）當(dāng) 時(shí)， 當(dāng)薄層厚度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),通過(guò)薄層的聲強(qiáng)透射率與薄層的性質(zhì)無(wú)關(guān); （2）當(dāng) 時(shí)，且 當(dāng)薄層厚度等于四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),聲強(qiáng)透射率等于1，超聲波全透射。這對(duì)于直探頭保護(hù)膜設(shè)計(jì)具有重要的理論指導(dǎo)意義。,73聲壓往復(fù)透射率,在超聲波單探頭檢測(cè)中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。探頭發(fā)出的超聲波透過(guò)界面進(jìn)入工件，在固/氣界面產(chǎn)生

27、全反射后再次通過(guò)同一界面被探頭接收。這時(shí)探頭接收到的回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比，稱(chēng)為聲壓往復(fù)透射率T往,P0,Pt,Pt,Pa,Z1,Z2,Z空氣=0,1、往復(fù)透射率高，探傷靈敏度高，反之，探傷靈敏度低。 2、聲壓往復(fù)透射率與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，與從何種介質(zhì)入射到界面無(wú)關(guān)。 3、界面兩側(cè)的介質(zhì)聲阻抗相差愈小，聲壓往復(fù)透射率就愈高，反之就愈低。,8 超聲波斜入射到界面時(shí)的反射與折射,81 波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律 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

28、、反射線、折射線在同一平面內(nèi)； 3、入射角和折射角滿(mǎn)足： n: 折射率,縱波入射,Z1,Z2,L,L,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 , ,第一臨界角： 當(dāng)CL2 CL1 時(shí)，L L ,隨著L 增大,L 也增大，當(dāng) L 90時(shí)，所對(duì)應(yīng)的縱波入射角,1 第二臨界角：,（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

29、存在表面波，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(jī)玻璃/鋼界面時(shí)，有機(jī)玻璃中：CL1=2730m/s，鋼中CL2=5900m/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,橫波入射,Z1,Z2,S,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。,例：對(duì)鋼/空氣界面 5900m/s, =3230m/s, =33.2 當(dāng) 時(shí)，鋼中

30、橫波全反射。,S,有機(jī)玻璃,晶片,鋼,82 聲壓反射率,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。,1、縱波斜入射到鋼/空氣界面的反射 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。,L,rLS,rLL,2、橫波斜入射到鋼/空氣界面的反射 如圖所示

31、，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,S,L,S,S,20,40,60,80,s,rSS,0.2,1.0,0.4,0.8,0.6,rSL,rSS,rSL,33.2,83 斜入射時(shí)的聲壓往復(fù)透射率,Pt,Pt,P0,Pa,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，聲壓往復(fù)透射率才具有實(shí)際意義。,水/鋼界面聲壓往復(fù)透射率 下圖為

32、縱波傾斜入射至水/鋼界面時(shí)的聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系曲線。當(dāng)縱波入射角L14.5（）時(shí)，折射縱波的往復(fù)透射率TLL不超過(guò)13%，折射橫波的往復(fù)透射率TLS小于6。當(dāng)L=14.527.27（）時(shí)，鋼中沒(méi)有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波的往復(fù)透射率TLS最高不到20。實(shí)際檢測(cè)中水浸檢測(cè)鋼材就屬于這種情況。,有機(jī)玻璃/鋼界面上的聲壓往復(fù)透射率 下圖 為縱波傾斜入射至有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)往復(fù)透射率與入射角之間的關(guān)系曲線。當(dāng)L27.6（）時(shí)，折射縱波的往復(fù)透射率TLL不超過(guò)小于25 ，折射橫波的往復(fù)透射率TLS小于10 。當(dāng)L=27.657.7（）時(shí)，鋼中只有折射橫波，無(wú)折射縱波。折射橫波的往復(fù)透

33、射率TLS最高不超過(guò)30。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的L30，S37。實(shí)際檢測(cè)中有機(jī)玻璃橫波探頭檢測(cè)鋼材就屬于這種情況。,有機(jī)玻璃/鋼界面上的聲壓往復(fù)透射率,84 端角反射 端角反射：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。,84 端角反射,P0,Pa,橫波斜探頭,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。,鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率 橫波入射時(shí),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

34、，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。,超聲波是一種頻率很高波長(zhǎng)很短的機(jī)械波，當(dāng)超聲波入射到曲界面上時(shí)，與可見(jiàn)光入射到曲界面上的情況相似，具有聚焦和發(fā)散的特性。而且，由于超聲波在界面上會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，因此超聲波的聚焦與發(fā)散更為復(fù)雜。為了便于討論，這里不考慮波型轉(zhuǎn)換存在。超聲波在遇到曲界面時(shí)的聚集與發(fā)散，與入射波的波形，曲界面兩側(cè)的聲速等因素有關(guān)，存在多種可能性。下面就超聲波檢測(cè)中經(jīng)常遇到的情況，作簡(jiǎn)單的介紹。,9 超聲波聚

35、焦與發(fā)散,91 聲壓距離公式 1、平面波 平面波不擴(kuò)散，而是相互平行，因此，聲壓不隨距離而擴(kuò)散。 2、球面波 球面波的波振面為同心球面，超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓與該點(diǎn)至波源的距離成反比。 P0：初始聲壓 X：某點(diǎn)至波源的距離,3、柱面波 柱面波的波振面為同軸柱面，聲壓與距離的平方根成反比。,92 球面波在平界面上的反射與折射,1、球面波在單一平界面上的反射 球面波入射到平界面上,其反射波仍為球面波,且波源與入射波源對(duì)稱(chēng),反射波聲壓為: 式中: r 為聲壓反射率; x為從虛擬波源O算起的距離,2、球面波在雙界面的反射 球面波在互相平行的雙界間的多次反射仍符合球面波變化規(guī)律. 實(shí)際探傷中，當(dāng)平行界面的

36、間距d較大時(shí)，超聲波探頭發(fā)出的超聲波可視為球面波，示波屏上各次底波反射波的高度近似符合 1： ： 的規(guī)律。,3、球面波在單一平面上的折射 由于聲速的不同,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.只有當(dāng)張角較小時(shí)，可視為近似的球面波，且有： 對(duì)水/鋼界面: 這說(shuō)明：球面波入射的水/鋼界面時(shí)，其折射角更加發(fā)散。 折射聲壓： t ： 聲壓透射率; x ：從折射波源算起的距離,93平面波在曲界面上的反射與折射,1、平面波在曲界面上的反射 當(dāng)平面波入射到曲界面上時(shí)，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散。平面波束與曲界面上各入射的法線成不同的夾角：入射角為0C的聲束沿原方向返回，稱(chēng)為聲軸，其余聲線的反射則

37、隨著距聲軸距離的增大，反射角逐漸增大。 當(dāng)曲界面為凹球面時(shí)，反射線匯聚于一個(gè)焦點(diǎn)上； 當(dāng)曲界面為凹圓柱面時(shí)，反射線匯聚于一條焦線上。此時(shí)，焦距為： 式中：r曲界面的曲率半徑mm。,平面波入射到球面時(shí),其反射波發(fā)生聚焦或發(fā)散，與球面的凹凸有關(guān)。反射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波，其反射聲壓為： 式中：f 焦距 x 軸線上某點(diǎn)至頂點(diǎn)的距離; P0 頂點(diǎn)處入射波聲壓; ：+用于發(fā)散，-用于聚焦。,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)際探傷中，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 平面波入射到曲面上時(shí)，其折射波也將聚焦和發(fā)散，這時(shí)聚焦和發(fā)散不僅僅與曲面

38、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)于凹面，當(dāng)C1C2時(shí)聚焦，當(dāng)C1C2時(shí)發(fā)散；,對(duì)于凸面，當(dāng)C1C2時(shí)聚焦，當(dāng)C1C2時(shí)發(fā)散。,平面波入射至球面透鏡時(shí),其折射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波，聲壓公式： 式中: t 為聲壓透射率; f 為焦距, P0 為 頂點(diǎn)處入射波聲壓; + 用于發(fā)散,- 用于聚焦,平面波入射到柱面透鏡,其折射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波.其聲壓公式： 實(shí)際檢測(cè)用的水浸聚焦探頭就是根據(jù)平面波入射到C1C2的凸透鏡上，折射波發(fā)生聚焦的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)的，這樣可以提高檢測(cè)靈敏度。,94 球面波在曲界面上的反射和折射,1、球面波在曲界上的反射 球面波在球面上的反射波,可視為從像點(diǎn)發(fā)出的球面波. 式中: P1 為球面頂點(diǎn)處入射波聲壓; a 為球面頂點(diǎn)至波源的距離; “”“”