UT第1章緒論超聲檢測通常是指工件內部宏觀缺陷檢測和材料厚度測量 1 1超聲檢測基礎知識1 1 1次聲波 聲波和超聲波它們都是在彈性介質中傳播的機械波 同一波形在同一介質中的傳播速度是相同的 它們的區別主要在于頻率不同 人們日常所聽到的各種聲音 是由于各種聲源的振動通過空氣等彈性介質傳播到耳膜 引起耳膜振動 牽動聽覺神經 使人產生聽覺 1 能引起人們聽覺的機械波稱為聲波 其頻率為20 20kHz之間 頻率低于20Hz的機械波稱為次聲波 頻率高于20kHz的機械波稱為超聲波 次聲波和超聲波 人耳是聽不到的 用于宏觀缺陷檢測的超聲波 其常用頻率為0 5 25MHz 對于鋼等金屬材料的檢測 常用頻率為0 5 10MHz 超聲波的特點就是頻率高 因而使超聲波具有一些重要特性 使其能廣泛用于無損檢測 1 超聲波方向性好 超聲波頻率高 波長短 擴散角小 可以定向發射 猶如手電筒發出的一束光 可在黑暗中找到所需物品一樣在被檢材料中發現缺陷 2 超聲波能量高 超聲波的檢測頻率遠高于聲波 其聲強與頻率的平方成正比 2 3 超聲波能在異質界面產生反射 折射 衍射和波形轉換 在超聲檢測中 特別是在脈沖反射法檢測中 利用了超聲波幾何聲學的一些特點 如在介質中直線傳播 遇界面產生反射 折射等 4 超聲波穿透能力強 超聲波在大多數介質中傳播時 傳播能量損失小 傳播距離大 穿透能力強 在很多金屬材料中其穿透能力可達數米 3 1 1 2超聲檢測工作原理超聲檢測主要基于超聲波在工件中的傳播特性 如超聲波在通過材料時能量會損失 在遇到聲阻抗不同的兩種介質的界面時會發生反射等 其主要的工作過程是 4 1 聲源產生超聲波 并通過一定的方式進入工件 2 超聲波在工件中傳播并與工件材料及其中的缺陷相互作用 使其傳播方向或特征發生改變 3 改變后的超聲波通過檢測設備接收 并對其進行處理和分析 4 根據接收到的超聲波信號特征 評估工件表面及其內部是否存在缺陷及缺陷的特征 通常用來發現缺陷并對其進行評估的基本信息是 5 1 是否存在來自缺陷的超聲信號及其幅度 2 回波的傳播時間 3 超聲波通過材料后的能量衰減 6 第2章超聲波探傷的物理基礎超聲波是一種機械波 是機械振動在介質中的傳播 機械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎 超聲波探傷中 主要涉及到幾何聲學和物理聲學中的一些基本定律和概念 如幾何聲學中的反射 折射定律及波型轉換 物理聲學中波的疊加 干涉 衍射等 7 2 1機械振動與機械波2 1 1機械振動物體 或質點 在某一平衡位置附近作來回往復的運動 稱為機械振動 振動是自然界最常見的一種運動形式 8 振動產生的必要條件是 物體一離開平衡位置就會受到回復力的作用 阻力要足夠小 物體 或質點 受到一定力的作用 將離開平衡位置 產生一個位移 該力消失后 在回復力作用下 它將向平衡位置運動 并且還要越過平衡位置移動到相反方向的最大位移位置 然后再向平衡位置運動 9 這樣一個完整運動過程稱為一個 循環 或叫一次 全振動 每經過一定時間后 振動體總是回復到原來的狀態 或位置 的振動稱為周期性振動 不具有上述周期性規律的振動稱為非周期性振動 10 振動是往復的運動 振動的快慢常用振動周期和振動頻率兩個物理量來描述 振動的強弱用振幅來表征 周期 當物體作往復運動時完成一次全振動所需的時間 稱為振動周期 用T表示 常用單位為秒 s 對于非周期性振動 往復運動已不再是周期性的 但周期這個物理量仍然可以反映這種運動的往復情況 頻率 振動物體在單位時間內完成全振動的次數 稱為振動頻率 用f表示 常用單位是赫茲 Hz 1Hz 1次 s 頻率和周期互為倒數 T 11 振幅 振動物體離開平衡位置的最大距離 稱為振動的振幅 用A標示 1 諧振動 物體 或質點 在受到跟位移大小成正比 而方向總指向平衡位置的回復力作用下的振動 就叫做諧振動 P8 12 彈簧振子的諧振動 彈簧一端固定 質量不計 另一端連接一小球 當小球處于O點時 所受外力為零 彈簧沒有變形 小球不受力 該點就是平衡位置 將小球從平衡位置O向右拉到A點 然后釋放 小球將左右振動 14 小球振動過程中 其重力與表面支持力始終平衡 假定小球的運動沒有任何其他阻力 對振動起作用的只有彈簧作用在小球上的彈力 當小球受到外力作用被拉到O點右側的A點時 它對平衡位置的位移方向向右 而所受彈力的方向卻向左 當小球運動到O點左側時 位移方向向左 而彈力方向卻向右 該彈力的方向總是跟小球對平衡位置的位移方向相反 指向平衡位置 這個彈力就是使小球振動的回復力 15 根據胡克定律 彈簧提供的回復力F的大小與小球相對平衡位置的位移X成正比 F KxK為彈簧的倔強系數 又稱勁度系數或彈性系數 反映彈簧的軟硬程度 它與彈簧的材料性質 截面積和原長度有關 單位是N m 負號表示回復力與位移方向相反 16 從運動學角度分析 彈簧振子的運動可以用振動圖像直觀地表示出來 表示振動質點的位移隨時間變化的規律 運動學 kinematics 從幾何的角度 指不涉及物體本身的物理性質和加在物體上的力 描述和研究物體位置隨時間的變化規律的力學分支 下圖是以縱軸表示時間 橫軸表示質點位移而形成的諧振動圖像 17 18 19 諧振動與做勻速圓周運動的質點在X軸上投影的運動特點完全一致 以振幅A為半徑作園 質點M沿圓周作勻速運動 質點M的水平位移X和時間t的關系可用下式描述 20 式中 A 振幅 表征振動質點離開平衡位置的最大位移 振動相位 表征振動質點在某一時刻t的位置和質點的運動方向 即 表征質點的運動狀態 X 某一時刻的水平位移 22 人們將位移隨時間的變化符合余弦 或正弦 規律的振動形式稱為諧振動 諧振動的振幅 頻率和周期保持不變 其頻率為振動系統的固有頻率 是最簡單 最基本的一種振動 任何復雜的振動都可視為多個諧振動的合成 作諧振動的物體在平衡位置時動能最大 勢能為零 在位移最大處勢能最大 動能為零 其總能量保持不變 23 2 阻尼振動 諧振動是理想條件下的振動 不考慮摩擦和其它阻力的影響 但任何實際物體的振動 總要受到阻力的作用 由于要克服阻力做功 則振動物體的能量不斷減少 這種振幅或能量隨時間不斷減少的振動 稱為阻尼振動 24 3 受迫振動 物體受到周期性變化的外力作用時 產生的振動 受迫振動剛開始時情況很復雜 經過一段時間后達到穩定狀態 變為周期性的諧振動 其振動頻率與策動力頻率相同 振幅保持不變 受迫振動的振幅與策動力的頻率有關 當策動力頻率與受迫振動物體固有頻率相同時 受迫振動的振幅達最大值 這種現象稱為共振 超聲波探頭中的壓電晶片在發射超聲波和接收超聲波時 產生的是受迫振動和阻尼振動 25 在設計探頭中的壓電晶片時 若使高頻電脈沖的頻率等于壓電晶片的固有頻率 就會產生共振 這時壓電晶片的電聲能量轉換效率最高 26 2 1 2機械波1 機械波的產生與傳播振動的傳播過程稱為波動 分機械波和電磁波兩大類 機械波是機械振動在彈性介質中的傳播過程 電磁波是交變電磁場在空間的傳播過程 27 在介質內部 各質點間以彈性力連接在一起 稱為彈性介質 在彈性力的作用下 彈性介質中一個質點的振動就會引起臨近質點的振動 鄰近質點的振動又會引起較遠質點的振動 于是振動就以一定的速度由近及遠地向各個方向傳播開來 從而就形成了機械波 產生機械波必須具備以下兩個條件 1 要有作機械振動的波源 2 要有能傳播機械振動的彈性介質 28 一般固體 液體 氣體都可視為彈性介質 液體和氣體不能用上述彈性力的模型來描述 其彈性波是在受到壓力時體積的收縮和膨脹產生的 29 振動與波動是互相關聯的 振動是產生波動的根源 波動是振動狀態的傳播 波動中介質各質點并不隨波前進 而是按照與波源相同的振動頻率在各自的平衡位置上振動 并將能量傳遞給周圍的質點 這種能量的傳播 不是靠物質的遷移來實現的 也不是靠相鄰質點的彈性碰撞來完成的 而是由各質點的位移連續變化來逐漸傳遞出去的 因此 機械波的傳播不是物質的傳播 而是振動狀態和能量的傳播 30 機械波的傳播特點每個質點只在平衡位置附近振動 不向前運動 后面質點重復前面質點的振動狀態 有相位落后 所有質點同一時刻位移不同 形成一個波形 振動狀態 波形 能量向前傳播 31 2 機械波的主要物理量 1 波長 同一波線上相鄰兩振動相位相同的質點的距離 稱為波長 用 表示 波源或介質中任意一質點完成一次全振動 波正好前進一個波長的距離 波長的常用單位為毫米 mm 或米 m 33 2 周期T和頻率f 為波動經過的介質質點產生機械振動的周期和頻率 機械波的周期和頻率只與振源有關 與傳播介質無關 波動頻率也可定義為波動過程中 任一給定點在1秒鐘內所通過的完整波的個數 與該點振動頻率數值相同 單位為赫茲 Hz 而波前進一個波長的距離所需要的時間 即為周期 同樣可以說 波經歷一個完整周期所傳播的距離 即為波長 34 3 波速C 波動中 波在單位時間內所傳播的距離稱為波速 用C表示 常用單位為米 秒 m s 次聲波 聲波和超聲波都是在彈性介質中傳播的機械波 在同一介質中的傳播速度相同 它們的區別主要在于頻率不同 C f或 C f振動的傳播速度稱為波速 聲速 不要把波速與質點的振動速度混淆起來 質點的振動方向與波動的傳播方向也不一定相同 35 2 2波的分類2 2 1按波的類型分類 1 縱波 介質中質點的振動方向與波的傳播方向相互平行的波 稱為縱波 L 凡能承受拉伸或壓縮應力的介質都能傳播縱波 固體介質能承受拉伸或壓縮應力 因此固體介質可以傳播縱波 液體和氣體雖然不能承受拉伸應力 但能承受壓應力產生體積的壓縮和膨脹 因此液體和氣體也可以傳播縱波 36 縱波 質點的振動方向與波的傳播方向一致 特征 具有交替出現的密部和疏部 例如 彈簧波 聲波 2 橫波 介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波稱為橫波 用 S 或 T 表示 當介質質點受到交變的剪切應力作用時 產生切變形變 從而形成橫波 故橫波又稱為切變波 只有固體介質才能承受剪切應力 液體和氣體介質不能承受剪切應力 因此橫波只能在固體介質中傳播 不能在液體和氣體介質中傳播 38 橫波 質點振動方向與波的傳播方向相垂直 特征 具有交替出現的波峰和波谷 3 表面波 當介質表面受到交變應力作用時 產生沿介質表面傳播的波 稱為表面波 常用 R 表示 表面波在介質表面傳播時 介質表面質點作橢圓運動 橢圓長軸垂直于波的傳播方向 短軸平行于波的傳播方向 橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動的合成 即縱波與橫波的合成 因此表面波同橫波一樣只能在固體介質中傳播 不能在液體或氣體介質中傳播 40 表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱 當傳播深度超過兩倍波長時 質點的振幅就已經很小了 因此 一般認為 表面波探傷只能發現距工件表面兩倍波長深度范圍內的缺陷 41 4 板波 在板厚與波長相當的薄板中傳播的波 稱為板波 根據質點的振動方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波 1 SH波 水平偏振的橫波在薄板中傳播的波 薄板中各質點的振動方向平行于板面而垂直于波的傳播方向 相當于固體介質表面中的橫波 42 2 蘭姆波 分為對稱型 S型 和非對稱型 A型 對稱型蘭姆波 薄板中心質點作縱向振動 上下表面質點作橢圓運動 振動相位相反并對稱于中心 非對稱型蘭姆波 薄板中心質點作橫向振動 上下表面質點作橢圓運動 相位相同 不對稱 43 2 2 2按波的形狀分類 波的形狀是指波陣面的形狀 波陣面 同一時刻 介質中振動相位相同的所有質點所連成的面稱為波陣面 波前 某一時刻 波動所到達的空間各點所連成的面為波前 波線 波的傳播方向稱為波線 波前是最前面的波陣面 是波陣面的特例 任意時刻 波前只有一個 而波陣面卻很多 在各向同性的介質中 波線恒垂直于波陣面或波前 44 1 平面波 波陣面為相互平行的平面的波 其波源為一平面 尺寸遠大于波長的剛性平面波源在各向同性的均勻介質中輻射的波 可視為平面波 平面波波束不擴散 平面波各質點振幅是一個常數 不隨距離而變化 其波動方程為 45 2 柱面波 波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波 柱面波的波源為一直線 長度遠大于波長的線狀波源在各向同性的介質中輻射的波可視為柱面波 柱面波波束向四周擴散 柱面波各質點的振幅與距離的平方根成反比 其波動方程為 46 3 球面波 波陣面為同心球面的波稱為球面波 球面波的波源為一點 尺寸遠小于波長的點波源在各向同性的介質中輻射的波可視為球面波 球面波波束向四面八方擴散 球面波各質點的振幅與距離成反比 其波動方程為 47 實際應用的超聲波探頭中的波源近似活塞振動 其在各向同性介質中輻射的波稱為活塞波 當距波源的距離足夠大時 活塞波的聲場特性類似于球面波 48 2 2 3按振動的持續時間分類1 連續波 波源持續不斷的振動所輻射的波稱為連續波 超聲穿透法檢測常采用連續波 49 2 脈沖波 波源振動持續時間很短 通常是微秒級 1 s 10 6s 間歇輻射的波稱為脈沖波 目前超聲檢測中廣泛采用的就是脈沖波一個脈沖波可分解為多個不同頻率的諧振波的疊加 將一個復雜振動分解為諧振動的方法 稱為頻譜分析 50 51 一個聲脈沖的頻譜可用專門的頻譜分析儀來進行顯示 其中人們關心的頻譜特征量有 峰值頻率 頻帶寬度和中心頻率 峰值頻率fp 幅度峰值所對應的頻率值 頻帶寬度 峰值兩側幅度下降為峰值的一半時的頻率值fl和fu之間的頻率范圍 6db帶寬 脈沖越短 則頻帶越寬 中心頻率fe 頻率值fl和fu之算數平均值 52 通常超聲檢驗中使用的是窄頻帶 寬 長 脈沖的脈沖波 53 54 2 3波的疊加 干涉和衍射2 3 1波的疊加與干涉1 波的疊加原理當幾列波在同一介質中傳播時 如果在空間某處相遇 則相遇處質點的振動是各列波引起振動的合成 在任意時刻該質點的位移是各列波引起位移的矢量和 幾列波相遇后 仍保持自己原有的頻率 波長 振動方向等特性并按原來的傳播方向繼續前進 好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣 這就是波的迭加原理 又稱波的獨立性原理 55 57 2 波的干涉波的干涉是在特定條件下波疊加所產生的現象 相遇時 介質中某些地方的振動相互加強 另一些地方的振動相互減弱或完全抵消的現象稱為波的干涉現象 能產生干涉現象的波稱為相干波 其波源稱為相干波源 當兩相干波的波程差等于波長的整數倍時 二者相互加強 合振動振幅最大 當兩相干波的波程差等于半波長的奇數倍時 二者相互抵消 合振動振幅最小 水波干涉俯視圖樣 波的迭加原理是波的干涉現象的基礎 波的干涉是波動的重要特征 在超聲波探傷中 由于波的干涉 使超聲波的波源附近出現聲壓極大 極小值 63 2 3 3惠更斯 菲涅耳原理與波的衍射1 惠更斯 菲涅爾原理 1690 1815 波動是振動狀態的傳播 如果介質是連續的 那么介質中任何質點的振動都將引起鄰近質點的振動 鄰近質點的振動又會引起較遠質點的振動 因此波動中任何質點都可以看作是新的波源 在其后任意時刻這些子波的包跡就決定了新的波陣面 利用惠更斯 菲涅爾原理可以確定波前的幾何形狀和波的傳播方向 解釋波的反射 折射和衍射等現象 64 2 波的衍射 繞射 波在傳播過程中遇到障礙物時 能繞過障礙物的邊緣 在障礙物的陰影區內繼續傳播的現象 波的繞射與障礙物尺寸Df及波長 的相對大小有關 65 當Df 時 波的繞射強 反射弱 缺陷回波很低 容易漏檢 當Df 時 反射強 繞射弱 聲波幾乎全反射 超聲檢測靈敏度約為 2 這是一個重要原因 66 超聲波探傷的靈敏度約為 2例 對鋼 頻率f 2 5MHz 根據C f縱波聲速CL 5900m s L 2 36mm橫波聲速CS 3230m s S 1 29mm在頻率相同的條件下 橫波的檢測靈敏度高于縱波的檢測靈敏度 相同介質中 提高工作頻率可以檢出較小的缺陷 67 2 4超聲波的傳播速度超聲波 次聲波和聲波的實質一樣 都是機械波 它們在同一介質中的傳播速度相同 超聲波在介質中的傳播速度與介質的彈性模量和密度有關 對特定的介質 彈性模量和密度為常數 故聲速也是常數 不同的介質 有不同的聲速 超聲波波型不同時 介質彈性變形形式不同 聲速也不一樣 2 4 1固體介質中的聲速固體介質不僅能傳播縱波 而且還可以傳播橫波和表面波等 但它們的聲速是不相同的 此外介質尺寸的大小對聲速也有一定的影響 無限大介質與細長棒中的聲速也不一樣 68 1 無限大固體介質中的聲速 當介質的尺寸遠大于波長時 就可以視為無限大介質 無限大固體介質中縱波聲速 CL 無限大固體介質中橫波聲速 CS 69 無限大固體介質中表面波聲速 CR 式中E 介質的楊氏彈性模量G 介質的剪切彈性模量 介質的密度 介質的泊松比 所有固體介質的泊松比都在0 0 5之間 70 泊松比 英語 Poisson sratio 又譯蒲松比 是材料力學和彈性力學中的名詞 定義為材料受拉伸或壓縮力時 材料會發生變形 而其橫向變形量與縱向變形量的比值 是一無量綱的物理量 71 小結 1 固體介質中的聲速與介質的密度和彈性模量有關 不同的介質 聲速不同 介質的彈性模量越大 密度越小 則聲速越大 2 聲速還與波的類型有關 在同一固體介質中 縱波 橫波和表面波的聲速各不相同 對鋼材而言 0 28 所以CL CS CR 1 8 1 0 9 72 2 細長棒中的縱波聲速 棒徑d CLb 73 3 聲速與溫度 應力及均勻性的關系 一般介質中的聲速隨介質溫度升高而降低 當應力方向與聲波的傳播方向一致時 應力增加 聲速加快 應力減小 聲速減小 固體材料組織均勻 晶粒度細 聲速大 固體材料組織不均勻 晶粒度粗 聲速慢 74 4 蘭姆波的聲速 由于蘭姆波傳播時受到上下界面的影響 因此其聲速與縱波 橫波 表面波不同 它不僅與介質的性質有關 而且與板厚 頻率等有關 對于特定的板厚和頻率組合 還可有多個對稱型和非對稱型的振動模式 每個模式具有不同的波速 蘭姆波聲速分為相速度和群速度 75 2 4 2液體 氣體介質中的聲速C 式中B 液體 氣體介質的容變彈性模量 表示產生單位容積相對變化量所需壓強 液體 氣體介質的密度 液體介質中聲速與溫度的關系 除水以外幾乎所有液體 當溫度升高時 容變彈性模量減小 聲速降低 但水在74 左右時聲速最大 水溫低于74 時 聲速隨溫度升高而增加 當水溫高于74 時 聲速隨溫度升高而降低 76 2 4 3聲速的測量聲速是衡量材料聲學性質的重要參數 實際檢測中有時需要測量材料中的聲速 77 1 超聲檢測儀器測量法 固定時間t 則C鋼 C水 78 這種方法測量聲速 精度不高 影響誤差的主要原因是 直探頭前面有一層保護膜 聲波在里面傳播有一段時間 另外d b的測量存在誤差 還有工件底波和水層底波前沿不一定完全重合 2 測厚儀測聲速 3 示波器測聲速 79 2 5超聲場的特征量充滿超聲波的空間或超聲振動所波及的部分介質 叫做超聲場 超聲場具有一定的空間大小和形狀 只有當缺陷位于超聲場內時 才有可能被發現 描述超聲場的特征量主要有聲壓 聲強 聲阻抗 80 2 5 1聲壓 超聲場中某一點在某一時刻所具有的壓強P1與沒有超聲波存在時的靜態壓強P0之差 稱為該點的聲壓P 聲壓單位 帕斯卡1Pa 1N m2P c 式中 介質的密度c 波速 c dx dt 質點的振動速度 u A 2 fA 超聲檢測儀器顯示的信號幅值的本質就是回波聲壓P 示波屏上的波高與回波聲壓成正比 在超聲檢側中 就缺陷而論 其回波聲壓值反應缺陷的大小 81 2 5 2聲阻抗 超聲場中任一點的聲壓與該處質點振動速度之比稱為聲阻抗 常用Z表示 Z P c c聲阻抗的單位為 克 厘米2秒 g cm2s 或千克 米2秒 kg m2s 聲阻抗是表征介質聲學性質的重要物理量 超聲波在兩種介質組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質的聲阻抗密切相關 材料的聲阻抗與溫度有關 一般材料的聲阻抗隨溫度升高而降低 這是因為聲阻抗Z c 而大多數材料的密度 和聲速c隨溫度增加而減少 82 2 5 3聲強I單位時間內垂直通過單位面積的聲能稱為聲強 常用I表示 單位是 瓦 厘米2 W cm2 或焦耳 厘米2秒 J cm2s 在同一介質中 超聲波的聲強與聲壓的平方成正比 I 83 2 5 4分貝與奈培通常規定引起聽覺的最弱聲強為I1 10 16瓦 厘米2作為聲強的標準 另一聲強 如平常談話的聲強為10 11瓦 厘米2 I2與標準聲強I1之比的常用對數稱為聲強級 單位為貝爾 BeL lg I2 I1 BeL 實際應用貝爾太大 取1 10為單位 分貝 db 10lg I1 I2 20lg P1 P2 db 84 在超聲探傷中 當超聲波探傷儀的垂直線性較好時 儀器示波屏上的波高與聲壓成正比 這時有 20lg P2 P1 20lg H2 H1 dB 這里聲壓基準P1或波高基準H1可以任意選取 當H2 H1 1時 0dB 說明兩波高相等時 二者的分貝差為零當H2 H1 2時 6dB 說明H2為H1的2倍時 二者波高差6dB 高 當H2 H1 1 2時 6dB 說明H2為H1的1 2倍時 二者波高差還是6db 低 85 若H2 H1或P2 P1取自然對數 則其單位為奈培 NP ln P2 P1 ln H2 H1 NP 令 P2 P1 e則ln P2 P1 lne 1 NP 20lg P2 P1 20lge 8 68db即 1NP 8 68db分貝與奈培就是兩個同量綱的量之比取對數后的單位 86 用分貝值表示回波幅度的相互關系 不僅可以簡化運算 而且在確定基準波高以后 可直接用儀器衰減器的讀數表示缺陷波的相對波高 因此 分貝概念的引用對超聲檢測有很重要的實用價值 此外 在超聲波探傷對缺陷的定量計算和衰減系數的測定中也常常用到分貝 87 2 6超聲波垂直入射到界面時的反射和透射超聲波從一種介質傳播到另一種介質時 在兩種介質的分界面上 一部分能量反射回原介質內 稱反射波 另一部分能量透過界面在另一種介質內傳播 稱透射波 在界面上聲能 聲壓 聲強 的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規律 關于垂直入射到平界面上時的反射和透射情況 重點是討論聲能的分配比例 88 2 6 1單一平界面的反射率與透射率設 入射波的聲壓為P0 反射波的聲壓為Pr 透射波的聲壓為Pt 則 rP Pr P0 tP Pt P0 89 該公式成立的條件是 1 界面兩側總聲壓相等 即 P0 Pr Pt1 r t 2 界面兩側質點振動速度幅值相等 即 90 設 入射聲強為I0 反射聲強為Ir 透射聲強為It 則 RI Ir I0 r2TI It I0 1 r2I P33 91 以鋼和水的界面為例 Z水 0 15 106g cm2 sZ鋼 4 5 106g cm2 sZ空 0 00004 106g cm2 s 92 水 鋼界面的聲壓反射率 rp 0 935水 鋼界面的聲壓透射率 tp 1 935Z1 Z2水 鋼界面的聲強反射率 Ri 0 875水 鋼界面的聲強透射率 Ti 0 125 93 鋼 水界面的聲壓反射率 rp 0 935鋼 水界面的聲壓透射率 tp 0 065Z1 Z2鋼 水界面的聲強反射率 Ri 0 875鋼 水界面的聲強透射率 Ti 0 125 94 鋼 空氣界面聲壓反射率 rp 1鋼 空氣界面聲壓透射率 tp 0Z1 Z2鋼 空氣界面聲強反射率 Ri 1鋼 空氣界面聲強透射率 Ti 0Z1 Z2 95 2 6 2薄層界面反射率與透射率超聲波通過一定厚度的異質薄層時 其反射和透射情況與單一平界面不同 計算起來也很復雜 一般來說 超聲波通過異質薄層時的聲壓反射率和透射率不僅與介質聲阻抗和薄層聲阻抗有關 而且與薄層厚度同其波長之比d2 2有關 96 1 均勻介質中的異質薄層 Z1 Z3 Z2 1 當d2 n n為整數 時 r 0 t 1 這說明當薄層兩側介質聲阻抗相等 且薄層厚度為其半波長的整數倍時 超聲波全透射 幾乎無反射 好像不存在異質薄層一樣 這種透聲層稱為半波透聲層 2 當d2 2n 1 n為整數 時 即異質薄層厚度等于其四分之一波長的奇數倍時 聲壓透射率最低 聲壓反射率最高 97 2 薄層兩側介質不同的雙界面 Z1 Z2 Z3 1 當d2 n n為整數 時 即薄層厚度等于半波長的整數倍時 通過薄層的聲強透過率與薄層的性質無關 好像薄層不存在一樣 2 當d2 2n 1 n為整數 且Z2 時 即薄層厚度等于四分之一波長的奇數倍 且薄層聲阻抗為兩側介質聲阻抗的幾何平均值時 其聲強透過率等于1 超聲波全透射 98 2 6 3聲壓往復透過率 在超聲波單探頭檢測中 探頭兼作發射和接收 探頭發射的超聲波透過界面進入工件 在固 氣底面產生全反射后 再次通過同一界面被探頭接收 此時探頭接收到的回波聲壓Pa與入射聲壓P0之比 稱為聲壓往復透過率 TpTP 1 r2 99 聲壓往復透過率與界面兩側介質的聲阻抗有關 與從何種介質入射到界面無關 界面兩側介質的聲阻抗相差越小 聲壓往復透過率就越高 反之就越小 聲壓往復透過率高低直接影響檢測靈敏度的高低 往復透過率高 檢測靈敏度就高 100 2 7超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射2 7 1波型轉換與反射 折射定律當超聲波傾斜入射到界面時 除產生同種類型的反射和折射波外 還會產生不同類型的反射和折射波 這種現象稱為波型轉換 101 1 縱波斜入射 Z1 Z2 L L 根據反射 折射定律 同一介質中縱波的聲速不變 因此 同一介質中縱波的聲速大于橫波的聲速 因此 2 橫波斜入射 Z1 Z2 S 已知有機玻璃中縱波聲速為 2730M S 鋼中縱波聲速為5900M S 橫波聲速為3230M S水中縱波聲速1480M S則 第一臨界角為27 6 14 5 第二臨界角為57 7 27 3 第三臨界角為33 2 105 2 7 2聲壓反射率超聲波反射 折射定律只討論了各種反射波 折射波的方向問題 未涉及聲壓反射率和透射率問題 由于傾斜入射時 聲壓反射率 透射率不僅與介質的聲阻抗有關 而且與入射角有關 其理論計算公式十分復雜 因此這里只介紹由理論計算結果繪制的曲線圖形 106 1 縱波傾斜入射到鋼 空氣界面 當入射角為60 左右時 縱波反射很低 橫波反射較高 原因是縱波斜入射 當入射角為60 左右時 會產生一個較強的變形反射橫波 此時的橫波反射角應為28 3 左右 107 2 橫波傾斜入射到鋼 空氣界面的反射當橫波入射角為30 左右時 橫波反射很低 縱波反射較高 當橫波入射角為33 2 時 橫波全反射 108 2 7 3聲壓往復透過率超聲波探傷中 常常采用反射法 超聲波往復透過同一檢測面 因此聲壓往復透射率更具有實際意義 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之比稱為聲壓往復透射率 常用T表示 T Pa P0 109 從縱波傾斜入射至水 鋼界面時的聲壓往復透射率與入射角的關系曲線可見 當縱波入射角小于14 5 時 折射縱波的往復透過率不超過13 折射橫波的往復透過率不超過6 當縱波入射角在14 5 27 27 之間時 鋼中沒有折射縱波 只有折射橫波 其最高往復透過率不到20 實際鋼材水浸探傷就屬于這種情況 110 從縱波傾斜入射至有機玻璃 鋼界面時往復透過率與入射角之間的關系曲線可見 當入射角小于27 6 時 折射縱波的往復透過率小于25 折射橫波的往復透過率小于10 當入射角為27 6 57 7 時 鋼中只有折射橫波 沒有折射縱波 其往復透過率最高不足30 此時對應的縱波入射角約為30 橫波折射角約為37 實際有機玻璃橫波探頭檢測鋼材就屬于這種情況 111 2 7 4端角反射超聲波在兩個平面構成的直角內的反射叫做端角反射 在端角反射中 超聲波經歷了兩次反射 當不考慮波型轉換時 二次反射回波與入射波互相平行 即Pa P0 且 90 112 回波聲壓與入射聲壓之比稱為端角反射率 T端 Pa P0縱波入射時 端角反射率都很低 原因是縱波在端角的兩次反射中都分離出較強的橫波 橫波入射時 入射角為30 或60 附近時 端角反射率最低 當橫波入射角 也就是探頭的折射角 為35 55 時 即K 0 7 1 43時 端角反射率達100 檢測靈敏度較高 當橫波入射角大于 等于56 時 即K 1 5 檢測靈敏度較低 113 上圖還反映在0 或90 附近時 無論縱波還是橫波的端角反射率理論上都很高 但實際上由于入射波 反射波在邊界互相干涉而部分抵消 檢測靈敏度并不高 114 橫波入射時 入射角 S 30 或60 附近時 端角反射率最低 S在35 55 時端角反射率達100 實際工作中 橫波檢測焊縫單面焊根部未焊透的情況就類似于這種情況 當橫波入射角 S 等于橫波探頭的折射角 S 35 55 即K tg S 0 7 1 43時 檢測靈敏度最高 當 S 56 即K 1 5時 檢測靈敏度較低 可能引起漏檢 115 116 2 8超聲波的聚焦與發散超聲波是一種頻率很高 波長很短的機械波 它與可見光一樣具有聚焦和發散的特性 由于超聲波還可能產生波型轉換 因此超聲波的聚焦與發散更為復雜 為了便于討論 這里不考慮波型轉換行為 117 1 平面波在曲界面上的反射 118 2 平面波在曲界面上的折射f r為曲率半徑 C1 C2 119 f r為曲率半徑 C1 C2 120 f r為曲率半徑 C1 C2 121 f r為曲率半徑 C1 C2 122 2 8 4球面波在曲界面上的反射與折射1 球面波在曲界面上的反射球面波入射到曲界面上 其反射波將發生聚焦或發散 凹曲面的反射波聚焦 凸曲面的反射波發散 123 距離b叫做像距 距離a叫做物距 像距 物距和焦距的關系是 式中 適用于凹面鏡 適用于凸面鏡 124 球面波在柱面上的反射 在實際檢測中具有現實意義 例如超聲波徑向檢測大型圓柱形鍛件屬于這種情況 凹柱面反射波聚集于像點 使像點處聲壓趨大 如果像點處存在一較小的缺陷 那么經底面反射至缺陷 再從缺陷反射至底面 最后由底面反射回探頭 形成類似W的反射路徑 稱為W反射 W反射時 示波屏上同時出現兩個缺陷波 一前一后 一高一低 前者位于底波之前 高度較低 為缺陷直接反射回波 后者位于底波之后 經聚焦放大以后高度較高 為