UT第二章2[1].7-2.9

1、 波型转换：当超声波斜入射的界面时，除产生同种类型的反射和折射外，还会产生不同类型的反射和折射。几何光学三定律：1、在均匀介质中光线沿直线传播；2、入射角反射角；入射线、反射线、折射线在同一平面内；3、入射角和折射角满足： l ：折射率，则有：nsinsin21ccn 21sinsinCCnl纵波斜入射Z1Z2LL L SSLSLSLl根据反射、折射定律：同一介质中纵波的声速不变,因此 同一介质中纵波的声速大于横波的声速，因此 ， 。22111sinsinsinsinsinSsLLSsLLLLCCCCCLLSLSL第一临界角：第一临界角： 当CL2 CL1 时，L L ,随着L 增大,L 也增

2、大，当 L 90时，所对应的纵波入射角，称为第一临界角，用 表示。21sinsinLLLLCC211arcsinLLCC第二临界角：第二临界角： 21arcsinSLCC21sinsinSsLLCC（1）当纵波入射角小于第一临界角时，第二介质中既有纵波又有横波；（2）当纵波入射角介于第一临界角和第二临界角时，第二介质中只有横波，没有纵波，这就是常用横波斜探头的制作原理。（3）当纵波入射角大于等于第二临界角时，第二介质中即没有纵波也没有横波，这是其介质的表面存在表面波，这就是常用表面波探头的制作原理。l例如，纵波倾斜入射到有机玻璃/钢界面时，有机玻璃中：CL1=2730m/s，钢中CL2=590

3、0m/s，CS2=3230m/s。则第一、二临界角分别为： 由此可见有机玻璃横波探头L=27.657.7，有机玻璃表面波探头L57.7 6 .2759002730arcsinarcsin21LLcc7 .5732302730arcsinarcsin21SLccl横波斜入射SZ1Z2SL L SLsl横波入射反射、折射定律第三临界角： 当横波入射角增大到一定程度，反射纵波沿着界面传播，这时所对应当横波入射角为第三临界角。 当横波入射角大于等于第三临界角时，第一介质中只有反射横波，没有反射纵波，即横波全反射。 只有当第一介质为固体介质时，才会有第三临界角。11arcsinLSIIICC111sin

4、sinLLSsCCl例：对钢/空气界面 5900m/s, =3230m/s, =33.2 当 时，钢中横波全反射。1LC1SC11arcsinLSIIICC02 .33sLLSS有机玻璃晶片钢钢sKtans 超声波反射、折射定律只讨论了各种反射波、折射波的方向问题，未涉及声压反射率和透射率问题。由于倾斜入射时，声压反射率、透射率不仅与介质的声阻抗有关，而且与入射角有关，其理论计算公式十分复杂，因此这里只介绍由理论计算结果绘制的曲线图形。 如图所示，当纵波倾斜入射到钢/空气界面时，纵波声压反射率rLL与横波声压反率rLS 随入射角L而变化。当L=60左右时，rLL很低，rLS很高。原因是纵波倾斜

5、入射，当L=60左右时产生一个较强的变型反射横波。钢空气LLSLrLSrLL20406080LrLL0.21.00.40.80.6rLS 如图所示，横波倾斜入射到钢/空气界面，横波声压反射率rSS 与纵波声压反射率rSL 随入射角而变化。当=30左右时，rSS很低，rSL较高。当33.2（）时，rSS=100，即钢种横波全反射。钢空气SLSS20406080srSS0.21.00.40.80.6rSLrSSrSL33.2lPtPtP0Pa 声压往复透射率：超声波倾斜入射，折射波全反射，探头接收到的回波声压Pa 与入射波声压P0之比。 超声波探伤中，常用的是反射法，超声波往复通过同一探测面，因此

6、，声压往复透射率才具有实际意义。0PPTa P0Pa横波斜探头l超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射。在端角反射中，超声波经历了两次反射，当不考虑波型转换时，二次反射回波与入射波互相平行，即l回波声压Pa与入射波声压P0之比称为端角反射率，用T端表示。l端角反射率： 回波声压Pa与入射波声压P0之比.T端 Pa / P0例：钢/空气界面上钢中的端角反射率。下图可知，纵波入射时，端角反射率都很低，这是因为纵波在端角的两次反射中分离出较强的横波。 l钢/空气界面上钢中的端角反射率 横波入射时（1）纵波入射时，端角反射率都很低，这是因为纵波在端角的两次反射中分离出较强的横波。（2）横波入射

7、时，入射角 或 附近时，端角反射率最低。 时，端角反射率达100%。 30S 6035 55sl横波入射时，入射角S=30或60附近时，端角反射率最低。S在3555时端角反射率达100，实际工作中，横波检测焊缝单面焊根部未焊透的情况就类似于这种情况，当横波入射角S（等于横波探头的折射角S）=3555，即K=tgS=0.71.43时，检测灵敏度最高。当S=56，即K=1.5时，检测灵敏度较低，可能引起漏检。 为了便于讨论，不考虑波型转换行为。 1 .平面波 平面波波束不扩散，而是互相平行，因此声压不随距离而变化。2. 球面波1PPx3. 柱面波 柱面波的波阵面为同轴柱面，柱面波声场中某处质点的振

8、幅与该点至波源的距离的平方根成反比，而声压与振幅成正比，因此柱面波的声压与距离的平方根成反比。1PPx1.单一的平界面上的反射1PPrx2.双界面的反射 前壁各次反射波声压比为1111 1:1:2462 3PPPdddl后壁各次波的声压比实际检测中，当距离 d 较大时，超声波探头发出的超声波可视为球面波，示波屏上各次底面反射波的高度之比近似符合的规律： 1111 1:1:353 5PPPddd1 11:2 33.单一平界面上的折射球面波入射到平界面上时，其折射波不再是严格的球面波了。只有当其张角较小时，可视为近似的球面波，图251 折射波声压1PPtx.平面波在曲界面上的反射 当平面波入射到曲

9、界面上时，其反射波将发生聚焦或发散。 反射波的聚焦或发散与曲面的凹凸（从入射方向看）有关。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。 （1）平面波入射到球面时，其反射波可视为从焦点发出的球面波。 （2）平面波入射到柱面时，其反射波可视为从焦轴发出的柱面波。 实际检测中球形、柱形气孔的反射就属于以上两种情况 。2.平面波在曲界面上的折射 平面波入射到曲界面上时，其折射波也将发生聚焦或发散，如图1.46。 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波速有关。 对于凹透镜，当 c1c2时发散； 对于凸透镜，当c1c2时聚焦，当c1c2时发散。 根据折射定理作图即可（1）平面波入射至球

10、面透镜时 （2）平面波入射到柱面透镜l对于凸面，当C1C2时聚焦，当C1C2时发散。1球面波在曲界面上的反射 球面波入射到曲界面上，其反射波将发生聚焦或发散，如图1.47。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。（1）球面波在球面上的反射波 （2）球面波在柱面上的反射波 （图1.49）超声波径向检测空心圆柱体的情况，类似于球面波在凸柱面上的反射，反射波发散。圆柱面上入射点处的反射回波声压总是低于同距离的平底面的反射声压 2.球面波在曲界面上的折射 球面波入射到曲界面上，其折射波同样会发生聚焦和发散 球形界面： 柱形界面： 水浸检测柱形或球形工件 聚焦检测超声波在介质中传播时，随着距离增加，超声

11、波能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减。l波束扩散、晶粒散射和介质吸收 1.扩散衰减 ：声束的扩散，使超声波的能量随距离增加而减弱的现象。超声波的扩散衰减仅取决与波振面的形状，与介质的性质无关。 平面波：不存在衰减； 球面波：球面波的波振面为同心球面，声束向四面八方扩散，存在扩散衰减，声压与距离成反比。 柱面波：波振面为同轴圆柱面，声束向四周扩散，存在扩散衰减，声压与距离的平方根成反比。2、散射衰减： 超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射而引起的衰减现象。散射衰减与介质的晶粒密切相关晶粒散射。当材质晶粒度大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿复杂的路径传到探头，在示波屏上引起林状回

12、波（又称 草波）使信噪比下降，严重时噪声湮没缺陷波。3.吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介质中质点间内摩擦和热传导引起超声波的衰减。 通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减，不包括扩散衰减。1.衰减方程衰减方程 平面波：0 xxPPe11:(1.59)(1.60):axxaxxPPexPPex球 面 波柱 面 波P0 波源的起始声压PX 至波源距离为x处的声压X 至波源的距离 介质衰减系数2.衰减系数 衰减系数只考虑了介质的散射和吸收衰减，未涉及扩散衰减。对于金属材料等固体介质而言，介质衰减系数等于散射衰减系数和吸收衰减系数之和。as1342234/asC fc Fdfdc Fdfdc

13、fddd：介质的晶粒直径 F：各项异性系数 c1、c2、c3、c4 常数l由以上公式可知：（1）介质的吸收系数与频率成正比；（2）介质的散射系数与f、d、F有关。 在实际探伤中，当介质的晶粒较粗大时，若采用较高的频率，将会引起严重衰减，示波屏出现大量草波，使信噪比明显下降，超声波的穿透能力也显著下降。这就是晶粒粗大的奥氏体钢和一些铸件探伤的困难所在。（3）对于液体介质而言，主要是介质的吸收衰减。l衰减系数定义和单位： 定义：在声束的传播方向上，单位声程衰减的dB数。单位： dB/mml衰减系数与声阻抗的关系 材料的声阻抗越大，衰减系数越小，超声波传播时的衰减越小。l衰减系数与温度的关系 固体材料的衰减系数随温度的升高而增大。 ZTl一般地说，如果频率相同，则在粗晶材料中，纵波比横波具有更强的穿透能力。换句话说，横波比纵波衰减严重。l1.薄板工件衰减系数的测定 对于厚度较小，上下底面平行，表面光洁的薄板工件或试块，可用直探头放在薄板表面，使声波在上下表面往复反射，在示波屏上出现多次底波，由于介质的衰减和反射损失，使底波高度依次减小，如图所示，介质的衰减系数按下面公式计算：xmnBBnm)(