超声波探伤第2讲

1、1.2超声场的特征值充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质,称为超声场。描述超声场的物理量即特征值主要有声压、声强和声阻抗。一、声压P垂直作用于单位面积上的压力称为压强。任何静止介质不受外力作用时,介质所具有的压强称为静态压强。当介质中有超声波传播时,由于介质质点振动,使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强与没有超声波存在时同一点的静态压强之差称为该点的声压，用P表示。 单位：帕斯卡（Pa） 1Pa=1N/ 1N/=10达因/cm对于平面余弦波可以证明： （1.13）式中：的密度；C介质中的波速；A介质质点的振幅：质点振动的圆频率,=2f；A质点振动速度幅值，A；时间；

2、m至波源的距离；m声压幅值。由上式可知：(1)超声场中某一点的声压随时间按正弦函数规律周期性地变化。(2)超声场中某一点的声压幅值Pm与该点处质点振幅和圆频率成正比,而=2f,因此超声场中某一点的声压与超声波的频率成正比。由于超声波的频率很高,远大于声波的频率,故超声波的声压也远大于声波的声压。二、声阻抗Z介质中某一点的声压P与该处质点振动速度V之比,称为声阻抗,常用Z表示,Z。同一声压下,声阻抗Z愈大,质点的振动速度就愈小。声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。由（1.13）式得 （1.14）声阻抗在数值上等于介质的密度P与介质中声速C的乘积,单位为克或千克/。不同的介质具有不同的声阻

3、抗。声阻抗是衡量介质声学性质的重要参数。超声波在界面上的反射和透射率与界面两侧介质的声阻抗有密切关系。由于固体、液体和气体三者的波速C和密度相差很大,因此它们的声阻抗大不相同。在同一固体介质中,由于纵泼、横泼、表面波的波速不同,因此它们的声阻抗也不一样。常用固体介质的声阻抗列于表1.2。常用液体、气体介质的声阻抗列于表1.4。在超声波探伤中，温度的变化对介质的密度和波速都有影响，所以温度变化对声阻抗抗也有一定影响。三、声强I单位时间内垂直通过单位面积的声能,称为声强,用I表示。常用声强的单位：尔格或者瓦/。对于平面余弦波,其平均声强I为： （1.15）由(1.15)式可知,超声场中,声强与声压

4、平方成正比,与频率平方成正比。由于超声波的频率很高,故超声波的声强很大,这是超声波能用于探伤的重要依据。四、分贝和奈培的概念通常规定引起听觉最弱声强为声强标准。这在声学上称为闻阈,即f1000时引起人耳听觉的声强最小值。某一声强I与标准声强之比取常用对数得到二者相差数量级，称为声强级。用表示。声强级的单位为贝尔（），即：IL=1g 贝尔（）实际探伤中,感到贝尔这个单位太大,常取10倍对数,这时单位为分贝(dB) 分贝（）由于声强与声压的平方成正比,所以有：对于放大线性良好的超声波探伤仪,示波屏上波高与声压成正比,即任意两波高之比等于相应的声压之比，二者的分贝差为：或与值的换算关系见图1.13。

5、常用声压比(波高比)对应的dB值列于表1.5。若对或取自然对数,则其单位为奈培： 奈培（）令，分别代入（1.16）和（1.17）式得：18.6810.115由此可见,分贝和奈培是两个同量纲的量之比取对数以后的单位,分贝是取常用对数,奈培是取自然对数。利用（1.16）式可以计算出超声波探伤仪示波屏上任意两波高的分贝差,下面举例说明之。1.3超卢波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波从一种介质传播到另一种介质时,在两种介质的分界面上,一部分能量反射回原介质内,称反射波,另一部分能量透过界面在另一种介质内传播,称透射波。在界面上声能声压、声强的分配和传播方向的变化都将遵循一定的规律,本节先讨论超声波

6、垂直入射到平界面上时的反射和透射情况,重点是声能的分配比例。一、单一的平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,如图1.14所示。反射波与透射波的声压(或声强)是按一定规律分配的。这个分配比例由声压反射率(或声强、反射率)和透射率(或声强透射率)表示。设入射波的声压为P。(声强为I0)，反射波的声压为(声强为),透射波的声压为，(声强为)。界面上反射波声压与入射波声压P0之比成为界面的声压反射率，用表示。式中：第一种介质的声阻抗；第二种介质的声阻抗。界面上透射波声压与入射波声压Po之比称为界面的声

7、压透射率，用表示。 （1.19）界面上反射波声强与入射波声强I0之比称为声强反射率,用表示。 （1.20）界面上透射波声强It,与入射波声强I0之比称为声强透射率,用T表示。 （1.21）以上说明超声波垂直入射到平界面上时，声压或声强的分配比例仅与界面量测介质的声抗有关。下面讨论几种常见界面上的声压、声强反射和透射情况。(1)当时, ,反射波声压与入射波声压同相位。界面上反射波与入射波叠加类似驻波,合成声压振幅增大为P0十。例如超声波平面被垂直入射到水钢界面。如图1.15所示 以上计算表明,超声波垂直入射到水/钢界面时，其声压反射率r=0.935，声压透射率t =1.935。粗略地看，t1，似

8、乎违反能量守恒，其实不然，因为声压是力的概念，而力只会平衡不会守恒的，只有能量才会守恒。事实上,从声强方面看,这里R+T=0.875+0.125=1，说明符合能量守恒。（2）, 即反射波声压与入射波声压相位相反,反射波与入射波合成声压振幅减小。例如超声波平面波垂直入射到钢/水界面,如图1.16所示。，则：110.8750.125以上计算表明，超声波垂直入射到钢/水界面时,声压透射率很低，声压反射率很高。声强反射率与透射率与超声波垂直入射到水/钢界面相同。由此可见,超声波垂直入射到某界面时的声强反射率与透射率与从何种介质入射无关。(3) 则：1110计算表明,当入射波介质声阻抗远大于透射波介质声

9、阻抗时,声压反射率趋于一1,透射率趋于0，即声压几乎全反射，无透射，只是反射波声压与入射波声压有1800相位变化。探伤中，探头和工件间如不施加耦合剂，则形成固（晶片）气界面，超声波将无法进入工件。(4)当时,即界面两侧介质的声阻抗近似相等时, 。如钢的淬火部分与非淬火部分及普通碳钢焊缝的母材与焊接金属之间的声阻抗相差很小，一般约为，左右，设1，0.99，则：10.9999751这说明超声波垂直入射到两种声阻抗相差很小的介质组成的界面时，几乎全透射无反射。因此在焊缝探伤中，若母材与焊接金属结合面没有任何缺陷，是不会产生界面回波的。常用界面的纵波声压反射列于表1.6。以上讨论的超声波纵波垂直到单一

10、平界面上的声压、声强反射率和透射率公式同样适用于横波入射的情况。但必须注意的是在固体/液体或固体/气体界面上,横波全反射。因为横波不能在液体和气体中传播。在超声波单探头探伤中，探头兼作发射和接收超声波。超声波探头发出的超声波透过界面进入工件,在固体/气体界面产生全反射后再次通过同一界面被探头接收。如图1.17所示。这时探头接受到的回波声压Pa与入射波声压P0之比,称为声压往复透射率。 （1.22）比较(1.20)(1.22)式可以看出声压往复透射率与声强透射率在数值上相等。常用物质界面纵波声压往复透射率列于表1.7。由(1.22）式可知,声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关,与从何种介质入

11、射到界面无关,界面两侧介质的声阻抗相差愈小,声压往复透射率就愈高,反之就愈低。往复透射率高低直接影响探伤灵敏度高低。二、薄层界面超声波探伤时,经常遇到耦合层和缺陷薄层等问题,这些都可归结为超声波在薄层界面的反射和透射问题。此时超声波是由声阻抗为的第一介质,入射到和交界面,然后通过声阻抗为的第二介质薄层射到和界面,最后进入声阻抗为的第三介质。超声波通过一定厚度的异质薄层时,反射和透射情况与单一的平界面不同,异质薄层很薄,进入薄层内的超声波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射,形成一系列的反射波和透射波,如图1.18(a)所示.当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时,薄层两侧的各次反射波、透射波互不干涉,

12、如图1.18(b )所示。当脉冲宽度相对于薄层较宽时,薄层两侧的各次反射波、透射波就会互相叠加产生干涉,如图1.18(C )。由于上述原因,声压反射率和透射率的计算就比较复杂,本节不予介绍。一般说来,超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同期波长之比有关。1.当,即对均匀介质中的异质薄层,可有如下的规律性： （1.23） （1.24）式中：异质薄层厚度；异质薄层中的波长；m介质声阻抗之比，m=。由以上公式可知：(1)当时,0，1。这说明当薄层两侧介质声阻抗相等,薄层厚度为其半波长的整数倍时,超声波透射率最大,几乎无反射(0)，好象不存在异质薄层

13、一样，这种透声层常称为半波透声层。为正整数时,即异质薄层厚度等于其四分之一波长的奇数倍时,声压透射率最低,声压反射率最高。（1） 当，即薄层厚度小于14波长时，薄层厚度越小透射率越大，反射率越小。图1.19和图1.20分别表示在钢和铝中存在一个充满空气或水的缝隙时的声压反射率和声压透射率。由图1.20可知：当f=1MHZ时钢中厚度为d= 毫米的气隙几乎能100反射，两块紧贴在一起的十分精密的块规之间隙也有毫米,可见超声波对探测含有气体介质的裂纹等缺陷的灵敏度是很高的。当材料中的气隙或水隙厚度一定时,频率增加,声压反射率也随着增加。例如对于钢中的气隙d =毫米时,f=图120钢和铝中气隙、水隙声

14、压反射率明1MHz,r=20份,f=1Mz，20，5，60。可见提高探伤灵敏度是有利的。2. ,即非均匀介质中的薄层,例如晶片一保护膜一工件或晶片一耦合剂一工件等情况。此时,声压往复透射率为：由上式可知：（正整数）时，即超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时,若薄层厚度等于半波长的整数倍,通过薄层的声压往复透射率与薄层的性质无关,好象不存在薄层一样。(2) (n为正整数)，且时，表明超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层,若薄层厚度等于的奇数倍，层声阻抗为其两侧介质声阻抗儿何平均值时，即,其声压往复透射率等于1,超声波全透射。(3) 时,薄层愈薄,声压往复透过率愈大。1.4超声波倾斜入射

15、到平界面上的反射和折射当超声波倾斜入射到异质界面时,除产生反射、折射(透射)现象以外,还往往伴随着波型转换现象。一、波型转换和反射、折射定律1.波型转换当超声波倾斜入射到异质界面时，除了产生与入射波同类型的反射波和折射波以外，还会产生与入射波不同类型的反射波和折射波，这种现象称为波型转换。波型转换现象只发生在斜入射的场合，而且与界面两侧介质的状态有关。由于液体、气体介质中只能传播纵波，只有固体介质才能同时传播纵波和横波。因此波型转换只可能在固体中产生。同时还应指出,尽管气体介质理论上可以传播纵波，但由于气体声阻抗远小于固体或液体的声阻扰,使超声波在固/气或液/气界面上产生全反射。因此可以认为超

16、声波难以从固体或液体中进入气体。不同界面发生波型转换的情况如图1.21所示。2.反射、折射定律超声波在介质中的传播方向,通常用波的传播方向与界面法线的夹角来描述(如图1.22)。射波方向与法线间的夹角,称为入射角,常用表示。图1.21不同界面上的波型转换线的夹角,称为反射角,常用表示,折射波方向与界面法线夹角,称为折射角,常用表示超声波倾斜入射到异质界面时，反射波和折射波的传播方向由反射、折射定律(又称斯涅尔定律)来确定。即：式中： 纵波入射角纵波反射角,横波反射角,纵波折射角,横波折射角第一介质中的纵波声速,第一介质中的横波声速,第二介质中的纵波声速,第二介质中的横波声速。图1.22纵波倾斜

17、入射到固/固界面上由公式(1.26)和图1.22可得出反射、折射定律的特征：(1)反射、折射波线与入射波线分别在法线的两侧。（2）任何一种反射波或折射波所对应角度的正弦与相应的声速之比恒等于一个定值。(3)声速相同,对应的角度相等,因此同种波型的反射角与入射角相等。如，则,声速大,正弦值大,对应的角度大。因此,纵波反射角大于横波反射角，纵波折射角大于横波折射角。如果CL1CL2CL3，则LsL利用反射、折射定律可以求得纵波倾斜入射时,横波反射角,与纵波入射角的关系为由公式(1.27)求得钢材和铝材中横被反射角与纵被入射角关系曲线如图1.23所示.图1.23钢、铝中与的关系曲线由图1.23可以查

18、得任意纵波入射角所对应的横波反射角。图1.23同样适用于横波倾斜入射时，横波入射角与纵波反射角之间的关系。同理可得纵波倾斜入射时，纵波折射角L和横波折射角S，同纵放入射角L的关系为：由(1.28)和(1.29)式得超声波纵波倾斜入射到有机玻璃/钢、有机玻璃/铝界面时，折射角与入射角的关系曲线，如图1.24所示.超声波倾斜入射到水/钢、水/铝界面,折射角与入射角关系曲线如图1.25所示。由图I.24和图1.25中可以看出,对于有机玻璃/钢、铝和水/钢、铝界面,当纵波入射角相同时,铝中纵波折射角大于钢,而钢中横波折射角却大于铝。由图1.25还可看出,水中纵波入射角微小变化会引起钢中或铝中纵波折射角

19、较大的变化.因此在水浸法探伤无缝钢管或铝管时必须严格控制探头的入射角。图1.24有机玻璃/钢铝界面入射角与折射角的关系曲线，图1.25水/钢铝界面入射角与折射角的关系曲线。二、临界角1.第一临界角如图1.26所示，超声波纵波倾斜入射到界面上,若第二介质纵波波速大于第一介质中纵波波速,即，则纵波折射角大于纵入波射角,即。随着增加, 也增加,当增加到一定程度时,这时所对应的纵波入射角称为第一临界角,用表示。图1.26第一、二临界角示意图根据反射、折射定律得：令,得第一临界角为：当时，第二介质中只存在折射横波，不存在折射纵波。只有当第二介质中的纵波波速大于第一介质中的纵波波速时，才会出现第一临界角2

20、.第二临界角如图1.26所示,超声波纵波倾斜入射到界面上,若第二介质中的横波波速大于第一介质中的纵波波速,即,则横波折射角,大于纵波入射角,随着增加也增加,当增加到一定程度时,这时所对应的纵波入射角称为第二临界角,用表示。根据反射、折射定律得：令,得第二临界角为：当时,第二介质中既无折射纵波，又无折射横波。这时在介质表面产生表面波。只有当第二介质中的横波波速大于第一介质中的纵波波速时,才会出现第二临界角。由第一、二临界角的物理意义可知:(1)当时,第二介质中既存在折射纵波又存在折射横波。(2)当时,第二介质中只存在折射横波,不存在折射纵波。(3)当时,第二介质中既无折射纵波，又无折射横波，但这

21、时在第二介质表面形成表面波。这就是常用表面被探头的设计原理和依据。利用(1.30)和(1.31)式可以计算出不同界面上的第一、二临界角。1.5超声波在曲界面上的反射和透射超声波入射到曲界面(球面或柱面)时,与曲界面中心轴线重合的超声波垂直入射到曲界面,其反射波及透射波与入射波重合,偏离轴线的超声波则按不同的角度反射或折射。偏离轴线愈远,相应的反射角或折射角就愈大,如图1.38所示。结果使反射波或透射波产生聚焦或发散现象，聚焦还是发散主要取决于曲面凸凹形状和界面两侧介质的声速C1和C2。曲面的凸凹状,一般以第二介质作为界面形状的基准平面波在曲界面上的反射和透射1. 反射波 超声平面波入射到曲界面

22、上时,凹曲面的反射波聚焦,凸曲面的反射波发散，如图1.39所示。反射波波阵面的形状取决于曲界面的形状。界面为球面时,具有焦点,反射波波阵面为球面。凹球面上的反射波好像是从实焦点发出的球面波,凸球面上的反射波好像是从虚焦点发出的球面波。界面为柱面时,具有焦轴,反射波波阵面为柱面。凹图1.39平面披在曲界面上的反射柱面上的反射波好像是从实焦轴发出的柱面波,凸柱面上的反射波好像是从虚焦轴发出的柱面波。波束中心轴线上,反射波的声压分别为球曲面Px=P0fxf柱曲面Px=P0fxf式中：P0 入射平面波的声压；f焦距，f=2,界面曲率半径；x中心轴线上某点至曲面顶点的距离；PX中心轴线上x点处反射波声压

23、。式中的号选择,发散取“+”，聚焦取-。2.透射波超声平面波入射到曲界面上时,其透射波同样会产生聚焦或发散.如图1.40所示。这时产生聚焦还是发散不仅与曲界面的凹、凸有关,而与两种介质的声速C1和C2有关。由折射定律可得,超声波平面波入射到C1C2的凸曲面上时,其透射波将聚焦,如图1.40(a )、(b )所示。同理可得,超声波平面波入射C1C2的四曲面上时,其透射波将发散,如图1.40(c )、(d )所示。透射波的波阵面形状取决于曲界面的形状。如果曲面为球面,则其透射波波阵面为球面,透射波好象是从焦点发出的球面波。如果曲面为柱面,则其透射波波阵面为柱面,透射波好象是从焦轴发出的柱面波。波束

24、中心轴线上，透射波声压分别为：球曲面Px=tP0fxf 柱曲面Px=tP0fxf式中：t声压透射率；“”号选择聚焦取“+”；发散取“-”。上述讨论说明，发散现象将使原已按散角扩散的声束更加发散，指向性变差，声能散失增加，中心轴线上声压降低。聚焦的声束，声能更加集中，中心轴线上的声压增强，同时又可改善声束的指向特性，对提高探伤灵敏度和分辨率均有利。因此探伤中，有时在探头晶片前加装声透镜使透过声束聚焦，水浸聚焦探头就是一例。3.声透镜水浸聚焦探头是根据平面波入射到C1C2的曲面上，透射波将产生聚焦的原理设计制作的，如图1.41所示。压电晶片（波源）前加一声透镜便成为纵波聚焦探头。设声透镜曲率半径为

25、r，当不考虑超声波干涉时，由几何光学得在第二介质中的焦距f为： f=C1C1-C2r声透镜聚焦作用原理式中:C1第一介质声透镜中的波速；C2第二介质中的波速。当声透镜材料为有机玻璃,耦合介质为水时, C1=27303it/秒, C2=1480米/秒,则有：f=C1C1-C2r=27302730-1480r=2.2r水浸聚焦探头在水中无工件时的聚焦情况如图1.41(a)所示。当探伤工件时,由于一般材料波速C3大于水中波速C2,所以聚焦波束在工件中折射后会进一步集聚,使焦距缩短为f,如图1.41(b)所示。设新焦点至工件表面的距离为L,则新焦距f为：f=f-LC3C2式中：C3一一工件中的波速。例

26、：用波速C1=2650米/秒曲率半径r=40毫米的环氧树脂聚焦探头水浸探伤钢板,水中波速C2=14802米/秒,钢中波速C3=5900米/秒。欲使超声波波束聚焦于离钢板上表面距离L =5毫米处,求探头声透镜曲面顶点至工件上表面的距离。解：参考图1.41,由(1.37)式得探头在水中的焦距为：f=C1C1-C2r=26502650-148040=90.6由(1.38)得新焦距f为：f=f-LC3C2=90.6-559001480=70.7则探头声透镜曲面顶点至钢板上表面距离S为：S=f-L=70.7-5=65.7聚焦探头中的声透镜如果为球面,将获得点聚焦,如果为柱面,将获得线聚焦,目前在实际探伤

27、中线聚焦用更得多一些。二、球面波在曲界面上的反射和透射1.反射波超声波球面波入射到凹面上时,反射波将聚焦,入.射到凸面上时,反射波将发散。如图1.42所示。图1.42球面波在曲界面上的反射球面波在曲界面上的反射与平面波不同。平面波入射时,反射波会聚于焦点,但球面波入射时,反射波并不会聚于焦点,而会聚于像点B。凹曲面具有实像点,而凸曲面具有虚像点。球面波入射时,波束轴线上反射波声压分别为：Px=Pfxf(1+xa)柱曲面Px=Pf1+xaxf1+xa式中：P一一曲面顶点处入射泼声压,x波束轴线上某点至曲面顶点距离，“”号选择,聚焦取“-”；发散取“+”。由(1.39)式不难看出,球面波在球面镜上

28、的反射波声压只有一个极大值,即只有一个焦点,因此其反射波是单一的球面波。由(1.40)式可知,球面波在柱面镜上的反射波声压有两个极大值,即有两条焦轴,因此其反射波不再是单一的柱面波,而是由两个同的柱面波组成。球面波在柱面镜上的反射.在实际探伤中比较常见。如径向探伤大型圆柱形工件就是典型实例。2.透射波超声球面波入射到曲界面上,透射波同样会产生聚焦或发散现象,如图1.43所示。球面波在曲界面上的透射波聚焦还是发散取决于曲界面形状的凹凸形状和曲界面两侧介质的声速C1和C2。.当球面波入射到C1C2的凸曲面时,其透射波将聚焦,具有实像点,如图1.43(a)、(b )所示。当球面波入射到C1C2的凹曲

29、丽和C1C2的凸曲面时,其透射波将发散,具有虚像点,如图1.43(c)、(d )所示。由图1.43(d)可以看到,超声球面泼水浸探伤实心圆柱体或管材工件时,由于透射波的强烈发散作用,使探伤灵敏度明显下降。因此在实际探伤中，为了提高探伤的灵敏度,常常采用聚焦探头。1.6超声波的衰减超声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,超声波的能量逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。一、 衰减的原因引起超声波衰减的原因很多,主要包括扩散衰减,散射衰减和吸收衰减。1.扩散衰减超声波在传播过程中,由于波束的扩散引起的衰减称为扩散衰减。这是因为随着传播距离的增加,波束截面愈来愈大,使单位萌积上的能量逐渐减少。超声波扩散

30、衰减主要取决于波阵面的几何形状,而与传播介质的性质无关。对于平面波而言,波阵面为平面,波束并不扩散,因此不存在扩散衰减。如活塞波源附近就存在一个波束未扩散区,在这一区域内,不存在扩散衰减。对于柱面波而言,波阵面为圆柱面,波束向周围扩散,存在扩散衰减。其衰减规律为：柱面波声压与距离平方根成反比，即：球面波声压与距离成反比，即PX1/x。当活塞波至波源的距离足够远时，可视为球面波。2.散射衰减超声波在介质中传播时,由于散射引起的衰减称为散射衰减。散射是指超声波在传播过程中,遇到声阻抗不同的异质界面(如粗大晶粒的界面产生的反射、折射和波型转换现象。工件中的密集型缺陷,铸件中的铁素体和石墨颗粒,多晶材料中的晶界和位错等都可能成为散射源,引起散射衰减.被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去,最后转换为热能。当材质品粒较粗大时,被散射的超声波传播到探头被探头接收、将在示波屏上出现林状回波,亦称草状回波,如图1.44所示。从而使信噪比H信/H躁下降,严重时噪声波高H躁会H信湮没有用信号这就是超声波