华东交通大学机械工程测试技术超声波

1、第二章第二章 超声波检测技术超声波检测技术2.1 概述概述2.2 超声波的分类超声波的分类2.3 声场及介质的声参量声场及介质的声参量2.4 超声波在介质中的传播特性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超声波检测方法和通用检测技术2.7 超声波测厚超声波测厚2.8 超声波检测应用实例超声波检测应用实例第四节第四节 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性n一、超声场一、超声场n二、超声波垂直入射到界面上的反射和透射二、超声波垂直入射到界面上的反射和透射n三、超声波倾斜入射到界面上的反射和透射三、超声波倾斜入

2、射到界面上的反射和透射n四、超声波在曲面上的反射和透射四、超声波在曲面上的反射和透射4.14.1超声场超声场直探头发出的超声波束一、超声场结构一、超声场结构一般由主声束和副声束构一般由主声束和副声束构成成主声束主声束：截面大，能量集：截面大，能量集中，很好的指向性中，很好的指向性()副声束副声束：截面小，能量弱，：截面小，能量弱，方向易变方向易变第四节第四节 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性第四节第四节 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性 圆盘源超声场圆盘源超声场b主声束轴线上的声压分布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：

3、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 a 声束未扩散区声束未扩散区与扩散区与扩散区b 轴线上声压分布轴线上声压分布近场近场：出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场。：出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场。近场长度近场长度：距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离：距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离远场：远场：近场以外的部分近场以外的部分 探伤时，一般利用远场中的声学特性来发现缺陷。探伤时，一般利用远场中的声学特性来发现缺陷。近场长度近场长度N就圆直探头纵波而言，就圆直探头纵波而言，N可近似表示为：可近似表示为： ND2/4D: 直探头压电晶片直径直探头

4、压电晶片直径N：近场长度：近场长度 ：波长：波长指向特性指向特性由指向角由指向角(半扩散角半扩散角)表征表征 越小则越好越小则越好圆形直探头纵波而言圆形直探头纵波而言:arcsin1.22/D ：半扩散角，：半扩散角， ：波长：波长D：直径：直径Df( ) 则则 超声波不能在真空中传播（无声介质）超声波不能在真空中传播（无声介质）back4.24.2 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射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（即方向。但遇到异介质界面（即声阻抗差异较大声阻抗差

5、异较大的异质界面）时，的异质界面）时，会产生反射和透射现象。会产生反射和透射现象。第四节第四节 超声波在介质中的传播特性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，当超声波垂直入射到两种介质的界面时， 一部分能量透过一部分能量透过界面进入第二种介质，成为界面进入第二种介质，成为透射波透射波(声强为声强为 It )， 波的传播方向不波的传播方向不变；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，成为播，成为反射波反射波(声强为声强为 Ir )。声

6、波的这一性质是超声波检测缺陷声波的这一性质是超声波检测缺陷的物理基础。的物理基础。 1 1、 单一界面单一界面 当超声波垂直入射到足够当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时，将在第大的光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射波方介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。向相同的透射波。反射波声压反射波声压Pr与入射波声压与入射波声压P0的比值称为的比值称为声压反声压反射率射率r，透射波声压，透射波声压Pt和和P0的比值称为的比值称为声压透射率声压透射率t。 r和和t的数学表达式为：的数学表达式为： 1

7、2120rZZZZppr1220t2ZZZppt式中：式中： Z1、Z2分别为两种介质的声阻抗。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，引入为了研究反射波和透射波的能量关系，引入声强反射率声强反射率R和和声强透射率声强透射率T两个量。两个量。R为反射波声强为反射波声强(Ir)和入射波声强和入射波声强(I0)之之比；比；T为透射波声强为透射波声强(It)和入射波声强和入射波声强(I0)之比。之比。 2121220rZZZZrIIR21221202210t4ZZZZPZPZIITt 声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例仅声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配

8、比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。与界面两侧介质的声阻抗有关。1TR讨论：1、当当Z Z2 2Z Z1 1时，时，r r0 0，t1,t1,反反射波与入射波射波与入射波同相位，两波同相位，两波叠加，在界面叠加，在界面上声压振幅增上声压振幅增大为大为P P0 0+Pr+Pr。如。如平面波在水平面波在水/ /钢钢界面的反射和界面的反射和透射透射.P.Pt tPP0 02、当当Z Z1 1Z Z2 2时，时，r r0 0，反射波与入反射波与入射波相位相射波相位相反，两波叠反，两波叠加，在界面加，在界面上声压振幅上声压振幅减小为减小为P P0 0- -PrPr。如。如平面波在钢平面波在钢/ /水界面的

9、反水界面的反射和透射和透射射,P,Pt tP c cL L1 1时，折射角大于入射角，使纵波折射角时，折射角大于入射角，使纵波折射角达到达到9090的纵波入射角称为第一临界角，用符号的纵波入射角称为第一临界角，用符号表示。表示。当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，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。只有折射横波。 L2LL1LsinsinccL2L1arcsinccIL(2) (2) 第二临界角第二临界角 。使纵波透射角使纵波透射角 等于等于9090时的纵波时的纵波入射角入射角L L，用符号用符号表示表示。 且且c cS2S2 c cL1L

10、1时。时。 通常在超声检测中，临界角主要应用于第二介质为固体，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，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，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。生表面波。 S2SL1Lsi

11、nsinccS2L1arcsinccIIS (3) 第三临界角第三临界角 。使纵波反射角达到使纵波反射角达到90时的横波入射时的横波入射角称为第三临界角，用表示角称为第三临界角，用表示。第三临界角是在第三临界角是在固体介质固体介质与另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。只存在反射横波。L1LS1SsinsinccL1S1arcsinccIII 6、 斜入射时的声压反射率和透射率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斯涅耳反射、折射定律只讨论了超声波倾斜入射到界

12、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。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。变化。 对脉冲反射法，更关心的是声压往返透过率随入射角对脉冲反射法，更关心的是声压往返透过率随入射角度的变化。度的变化。在斜入射情况下，各种类型反射波和折射波的声在斜入射情况下，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

13、阻抗有关，还与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。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，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。射率图。纵波斜入射的声压反射率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。阻抗有关，而且与入射角有关。 1 1、纵波斜入射、纵波斜入射 到钢到钢/ /空气界面的声压空气界面的声压 反射率：反射率： 2 2、横波斜入射到钢、横波

14、斜入射到钢/ /空气界面的声压反射率：空气界面的声压反射率： 三、声压往复透射率三、声压往复透射率 纵波斜入射到水纵波斜入射到水/ /钢界面：钢界面：纵波斜入射到有机玻璃纵波斜入射到有机玻璃/ /钢界面的声压往复钢界面的声压往复透射率：透射率：back4.4 4.4 超声波入射到曲界面上的反射和透射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，称为的声线沿原方向返回，称为声轴声轴；其余声线的反射角则随着距声轴；其余声线的反射角

15、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个焦点焦点上；反射面为圆柱面时，反射线或其延长线汇聚于一条上；反射面为圆柱面时，反射线或其延长线汇聚于一条焦线焦线上。此时，焦距上。此时，焦距 f 与曲面曲率半径与曲面曲率半径r的关系为的关系为 2rf 平面波入射至曲面时的反射平面波入射至曲面时的反射（a）凹面镜（）凹面镜（b）凸面镜）凸面镜 超声波入射时，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发超声波入射时，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。散。 当曲面是球面时，反射线或其延长线汇聚于一个焦点上。当曲面是球面时

16、，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。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，反射面为圆柱面时，反射线或其延长线汇聚于一条焦线上，称为称为焦轴焦轴。反射波波阵面为柱面，凹柱面的反射波好像从实焦。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。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。反射波的声压反射波的声压球曲波：球曲波

17、：柱曲波：柱曲波：0 xfppxf发散时取发散时取“+”，聚焦时取聚焦时取“”0 xfppxf发散时取发散时取“+”，聚焦时取聚焦时取“”p0：入射平面波声压；：入射平面波声压；f：焦距（：焦距（fr/2）x：中心轴线上某点至曲面顶点的距离：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处的反射声波的声压2 、 平 面 波 在 曲 面 上 的 透 射、 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。折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，或发散。折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面两侧介质的声速有关。而且与界面两侧介质的声速有关。由斯涅耳定律，对由斯涅耳定律，对于凹面，于凹面，c c1 1 c c2 2时发散；对于凸面，时发散；对于凸面， c c1 1 c c2 2时聚焦，时聚焦，c c1 1 c c2 2时发散。时发散。