1、第二章 超聲檢測2-1 超聲檢測原理超聲檢測原理 探頭探頭工件工件缺陷缺陷缺陷波缺陷波電子線路電子線路底波底波始脈沖始脈沖顯示終端顯示終端 超聲檢測是一種利用超聲波在介質中傳播的超聲檢測是一種利用超聲波在介質中傳播的性質來判別工件和資料的缺陷和異常。性質來判別工件和資料的缺陷和異常。 人耳能聽到的聲音頻率為人耳能聽到的聲音頻率為16Hz20kHz， 超超聲是一種看不見、聽不到的彈性波。聲是一種看不見、聽不到的彈性波。 超聲檢測普通為超聲檢測普通為0.525MHz，常用頻率范圍，常用頻率范圍為為 0.510MHz。超聲波特性超聲波特性(1)在液體和固體介質中長間隔傳輸在液體和固體介質中長間隔傳輸

2、(雖然雖然在氣體中衰減很快在氣體中衰減很快)； (2)超聲波能量在傳輸時有明確的方向性；超聲波能量在傳輸時有明確的方向性；(3)超聲波在一定介質中傳輸時速度不變；超聲波在一定介質中傳輸時速度不變；(4)超聲波傳輸經過不同資料界面時，能夠超聲波傳輸經過不同資料界面時，能夠會改動其振動方式。會改動其振動方式。 超聲檢測就是利用超聲波來對資料和工件進展超聲檢測就是利用超聲波來對資料和工件進展檢驗和丈量。檢驗和丈量。 典型的運用，是超聲探傷以及資料和工件的物典型的運用，是超聲探傷以及資料和工件的物理性能與力學性能檢驗。理性能與力學性能檢驗。 在丈量方面，許多非聲學特性和某些形狀參量，在丈量方面，許多非

3、聲學特性和某些形狀參量，例如液位、流量等都可用超聲方法測定。例如液位、流量等都可用超聲方法測定。 超聲波運用非常廣泛。如超聲加工和處置，利超聲波運用非常廣泛。如超聲加工和處置，利用超聲能量來改動物質特性和形狀，如超聲鉆孔、用超聲能量來改動物質特性和形狀，如超聲鉆孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等。 超聲檢驗與丈量之間的關系非常親密，如超聲超聲檢驗與丈量之間的關系非常親密，如超聲探傷和超聲液位丈量，技術原理相仿。探傷和超聲液位丈量，技術原理相仿。 超聲檢測和超聲加工處置之間的區別明顯，超超聲檢測和超聲加工處置之間的區別明顯，超聲加工往往著艱苦功率的延續波超聲，而超

4、聲檢聲加工往往著艱苦功率的延續波超聲，而超聲檢測那么太多運用靈敏度高、功率不大的脈沖波。測那么太多運用靈敏度高、功率不大的脈沖波。 超聲加工處置時非常注重一些描畫聲場強弱的超聲加工處置時非常注重一些描畫聲場強弱的物理量物理量(如聲壓、聲強、聲功率等如聲壓、聲強、聲功率等)的測定。的測定。 而超聲檢測那么著重描畫介質中超聲傳播特性而超聲檢測那么著重描畫介質中超聲傳播特性的物理量的物理量(如聲速、聲衰減、聲阻抗等如聲速、聲衰減、聲阻抗等)的測定。的測定。 超聲波是一種機械振動所產生的波。超聲波是一種機械振動所產生的波。 質點的往復運動稱為振動，振動是動搖的產質點的往復運動稱為振動，振動是動搖的產生

5、根源，動搖是振動的傳播過程。生根源，動搖是振動的傳播過程。 超聲波的產生，依賴于作高頻機械振動的聲源超聲波的產生，依賴于作高頻機械振動的聲源和彈性介質的傳播和彈性介質的傳播 超聲波的傳播，包括振動過程和能量傳播。超聲波的傳播，包括振動過程和能量傳播。 研討超聲波傳播時，可以將彈性介質看成是研討超聲波傳播時，可以將彈性介質看成是相互間由彈性力聯絡著的無數質點所組成。相互間由彈性力聯絡著的無數質點所組成。 當在彈性介質的外表層上施加一個正弦變化的當在彈性介質的外表層上施加一個正弦變化的外力時，由于各質點間有彈性力聯絡，相鄰層外力時，由于各質點間有彈性力聯絡，相鄰層上的質點也將產生振動，一層推進一層

6、，振動上的質點也將產生振動，一層推進一層，振動也由近及遠地傳播。也由近及遠地傳播。2-1-1 動搖的種類與波型動搖的種類與波型 波的種類是根據質點振動方向和動搖傳波的種類是根據質點振動方向和動搖傳播方向的關系來區分，可分為縱波、橫波播方向的關系來區分，可分為縱波、橫波、外表波和板波，如下圖。、外表波和板波，如下圖。(1) 縱波縱波 當介質遭到交替變化的正弦拉當介質遭到交替變化的正弦拉-壓應力壓應力作用時，質點產陌生密相間的縱向振動，作用時，質點產陌生密相間的縱向振動，質點振動方向與波的傳播方向一致質點振動方向與波的傳播方向一致 縱波常用縱波常用 L 表示，它在介質中傳播時，僅使表示，它在介質中

7、傳播時，僅使介質各部分改動體積而不產生轉動。任何彈性介質各部分改動體積而不產生轉動。任何彈性介質介質 (固體、液體和氣體固體、液體和氣體)中都能傳播縱波。中都能傳播縱波。(2) 橫波橫波 當介質遭到交替變化的正弦剪切應力時，當介質遭到交替變化的正弦剪切應力時，質點產生具有波峰與波谷的橫向振動，并質點產生具有波峰與波谷的橫向振動，并在介質中傳播，其振動方向與波的傳播方在介質中傳播，其振動方向與波的傳播方向垂直，這種波稱為橫波，也稱切變波。向垂直，這種波稱為橫波，也稱切變波。 橫波用符號橫波用符號T或或S表示。在介質中傳播時，僅表示。在介質中傳播時，僅使介質各部分產生形變而介質體積不變。使介質各部

8、分產生形變而介質體積不變。 由于液體和氣體介質沒有剪切彈性，因此不由于液體和氣體介質沒有剪切彈性，因此不能傳播橫波。能傳播橫波。(3) 外表波外表波 半無限大彈性介質與氣體的交界面，遭半無限大彈性介質與氣體的交界面，遭到交替變化的外表張力作用時，介質外表到交替變化的外表張力作用時，介質外表質點發生縱向和橫向振動，質點繞其平衡質點發生縱向和橫向振動，質點繞其平衡位置作橢圓運動，并作用于相鄰質點而在位置作橢圓運動，并作用于相鄰質點而在外表傳播，這種波稱為外表波，也稱瑞利外表傳播，這種波稱為外表波，也稱瑞利波。波。 外表波常用符號外表波常用符號 R 表示，圖中表示的是瞬時表示，圖中表示的是瞬時的質點

9、位移形狀。外表波傳播深度約的質點位移形狀。外表波傳播深度約l2個波個波長，振幅隨深度的添加而迅速減小，當深度到長，振幅隨深度的添加而迅速減小，當深度到達兩個波長時，振幅降至最大振幅的達兩個波長時，振幅降至最大振幅的0.37倍倍(4) 板波板波 板狀介質遭到板狀介質遭到交替變化的外交替變化的外表張力作用，表張力作用，而且板厚與波而且板厚與波長相當，質點長相當，質點的縱向和橫向的縱向和橫向振動軌跡也是振動軌跡也是橢圓，聲場遍橢圓，聲場遍及整個板厚。及整個板厚。這種波稱為板這種波稱為板波，也稱蘭姆波，也稱蘭姆波。板波常用波。板波常用符號符號 P 表示表示板波與外表波不同，其傳播要遭到兩個界面的板波與

10、外表波不同，其傳播要遭到兩個界面的束縛，從而構成對稱型束縛，從而構成對稱型(S型，圖型，圖2-1d)和非對稱和非對稱型型(A型，圖型，圖2-1e)兩種情況。兩種情況。對稱型板波在傳播中，質點的振動以板厚為中心對稱型板波在傳播中，質點的振動以板厚為中心面對稱，上下外表上質點振動的相位相反，中心面對稱，上下外表上質點振動的相位相反，中心面上質點的振動方式類似于縱波。面上質點的振動方式類似于縱波。非對稱型板波在傳播中，上下外表質點振動的相非對稱型板波在傳播中，上下外表質點振動的相位一樣，質點的振動方式類似于橫波。位一樣，質點的振動方式類似于橫波。2-1-2 聲波的動搖特性聲波的動搖特性 聲波的動搖特

11、性，主要是指幾個波聲波的動搖特性，主要是指幾個波相遇時出現的干涉、疊加以及衍射景相遇時出現的干涉、疊加以及衍射景象。象。(1)波的干涉疊加波的干涉疊加 當幾個波在同一介質中傳播至某處當幾個波在同一介質中傳播至某處相遇，那么相遇處質點的振動是各個相遇，那么相遇處質點的振動是各個波所引起的振動的合成，相遇點上質波所引起的振動的合成，相遇點上質點的位移是各個波在該點所引起的位點的位移是各個波在該點所引起的位移的矢量和，這就是波的疊加原理。移的矢量和，這就是波的疊加原理。脈沖波由假設干正弦波疊加而成，脈沖波由假設干正弦波疊加而成，1MHz的脈沖的脈沖波是由波是由0.85MHz、1MHz和和1.21MH

12、z正弦波疊加正弦波疊加而成的。而成的。所以雖然看來脈沖波每個質點的振動沒有表示出所以雖然看來脈沖波每個質點的振動沒有表示出同樣高度，但它確實是由假設干正弦波所組成。同樣高度，但它確實是由假設干正弦波所組成。為合成某一脈沖，脈沖寬度愈窄，需求數量愈為合成某一脈沖，脈沖寬度愈窄，需求數量愈多的正弦子波，子波具有與中心頻率不同的頻多的正弦子波，子波具有與中心頻率不同的頻率。根據傅利葉分析，脈沖是由某一頻譜范圍率。根據傅利葉分析，脈沖是由某一頻譜范圍內的波構成，脈沖愈窄時頻譜愈寬。內的波構成，脈沖愈窄時頻譜愈寬。疊加波，假設符合相關條件疊加波，假設符合相關條件(頻率一樣，傳播頻率一樣，傳播方向一致和有

13、一定的相位關系方向一致和有一定的相位關系)，那么在空間某，那么在空間某些地方振動一直加強，而在另一些地方那么一直些地方振動一直加強，而在另一些地方那么一直減弱或完全消逝，這種景象稱為波的干涉。減弱或完全消逝，這種景象稱為波的干涉。 當兩個振幅與頻率都一樣的相關波，在同不斷當兩個振幅與頻率都一樣的相關波，在同不斷線上沿相反方向彼此相向傳播時，疊加而成的波線上沿相反方向彼此相向傳播時，疊加而成的波稱為駐波，駐波是波的干涉景象的特例。稱為駐波，駐波是波的干涉景象的特例。當在聲波傳播方向上的介質厚度恰為半波長的當在聲波傳播方向上的介質厚度恰為半波長的整數倍時就會產生駐波景象。這種駐波在介質的整數倍時就

14、會產生駐波景象。這種駐波在介質的厚度方向引起共振，這就是所謂共振法超聲檢測厚度方向引起共振，這就是所謂共振法超聲檢測的根本原理。的根本原理。(2)波的衍射波的衍射波在彈性介質中波在彈性介質中傳播時，假設遇傳播時，假設遇到妨礙物或其它到妨礙物或其它不延續的情況，不延續的情況，而使波陣面發生而使波陣面發生畸變的景象稱為畸變的景象稱為波的衍射。波的衍射。任不測形的波在傳任不測形的波在傳播過程中遇到一個播過程中遇到一個妨礙妨礙AB時，時，AB上上有一個寬度大小與有一個寬度大小與波長相當的狹縫，波長相當的狹縫，穿過狹縫的波是以穿過狹縫的波是以狹縫為中心的球形狹縫為中心的球形波，與原來的波陣波，與原來的波

15、陣面無關。面無關。這闡明可以把狹縫這闡明可以把狹縫看作新的波源。波看作新的波源。波前上的一切點，都前上的一切點，都可看作產生球面子可看作產生球面子波的點源，經過一波的點源，經過一段時間后，該波前段時間后，該波前的新位置將是這些的新位置將是這些子波波前相切的包子波波前相切的包跡面，這稱之謂惠跡面，這稱之謂惠更斯原理。更斯原理。惠更斯原理在超惠更斯原理在超聲檢測中獲得了聲檢測中獲得了廣泛運用，不僅廣泛運用，不僅適用于機械波，適用于機械波，同樣也適用于電同樣也適用于電磁波。它用幾何磁波。它用幾何方法比較廣泛地方法比較廣泛地處理了波的傳播處理了波的傳播問題。問題。(3)聲速、波長和頻率聲速、波長和頻率

16、 聲速是聲波在介質中傳播的速度聲速是聲波在介質中傳播的速度(c)，波，波長是指聲波每振動一次所走過的間隔長是指聲波每振動一次所走過的間隔()，頻率是指每秒鐘聲波振動的次數頻率是指每秒鐘聲波振動的次數(f)，三者，三者之間的關系之間的關系fc 聲速由介質決議，在各向同性的無限大彈性固聲速由介質決議，在各向同性的無限大彈性固體中，聲速可用下式表示體中，聲速可用下式表示式中式中E-介質的正彈性模量，介質的正彈性模量，-介質的密度，介質的密度，K-常數與波型有關。常數與波型有關。EKc 縱波聲速縱波聲速橫波聲速橫波聲速式中式中G-介質切變模量，介質切變模量，-介質的泊松比。介質的泊松比。外表波聲速外表

17、波聲速EcL)21 (1 (1GEcS)1 (21GcB112. 187. 0 縱波速度在氣體中每秒為幾百米，在液體中縱波速度在氣體中每秒為幾百米，在液體中為為12km/s，固體中為，固體中為36km/s。 在固體中還有橫波，橫波的速度約為縱波速在固體中還有橫波，橫波的速度約為縱波速度的一半，外表波速度約為橫波速度的度的一半，外表波速度約為橫波速度的0.95某些物質的密度、聲速和特性阻抗見表某些物質的密度、聲速和特性阻抗見表 當棒的直徑與波長相當時稱為細棒，細棒中聲當棒的直徑與波長相當時稱為細棒，細棒中聲波以膨脹方式傳播，稱為棒波。當棒的直徑波以膨脹方式傳播，稱為棒波。當棒的直徑d0.1(波長

18、波長)時，棒波的速度與泊松比無關，可時，棒波的速度與泊松比無關，可表示為表示為 總之，介質彈性能越好總之，介質彈性能越好(E和和G越大越大)、密度、密度越越小，那么聲波在介質中的傳播速度越高。小，那么聲波在介質中的傳播速度越高。Ecd2-1-3 聲場及其特征值聲場及其特征值 聲場特征常用聲壓、聲強和特性阻抗等聲場特征常用聲壓、聲強和特性阻抗等特征值來描畫。特征值來描畫。 聲壓聲壓(p)是指聲傳播時，呵斥介質中某點是指聲傳播時，呵斥介質中某點的壓強，單位為帕斯卡的壓強，單位為帕斯卡(Pa)，1Pa=1N/m2 聲波在介質中傳播時，介質中每一點的聲波在介質中傳播時，介質中每一點的聲壓將隨時間和間隔

19、的變化而改動。聲壓將隨時間和間隔的變化而改動。聲壓與介質密度、波速和頻率成正比聲壓與介質密度、波速和頻率成正比式中式中 v-質點振動速度質點振動速度 上式中當聲壓上式中當聲壓 p 不變時，不變時，c 越大，質點振動越大，質點振動速度就越小速度就越小 ，所以，所以c 被稱為介質的特性阻抗，被稱為介質的特性阻抗，以以 z表示。表示。vcp 超聲檢測中，可以到察看熒光屏上出現的反超聲檢測中，可以到察看熒光屏上出現的反射波高度，該高度與聲壓射波高度，該高度與聲壓 p 成正比。成正比。 液體阻抗約為氣體的液體阻抗約為氣體的3000倍，固體阻抗約為倍，固體阻抗約為液體的液體的30倍。倍。 在聲場中的某點，

20、在與指定方向垂直的單位在聲場中的某點，在與指定方向垂直的單位面積上，單位時間內經過的平均聲能，稱為聲面積上，單位時間內經過的平均聲能，稱為聲強度，以強度，以I表示。表示。 聲強度與質點位移振幅和質點振動頻率的聲強度與質點位移振幅和質點振動頻率的平方成正比，與質點振動速度振幅的平方成平方成正比，與質點振動速度振幅的平方成正比，與聲壓振幅的平方成正比。正比，與聲壓振幅的平方成正比。 超聲波的頻率很高，其強度遠遠大于普通超聲波的頻率很高，其強度遠遠大于普通聲音，這就是超聲波可以用于檢測的前提。聲音，這就是超聲波可以用于檢測的前提。 在實踐超聲波檢測中，超聲波是由一定尺寸的在實踐超聲波檢測中，超聲波是

21、由一定尺寸的探頭發出的，輻射的是活塞波。探頭發出的，輻射的是活塞波。 離探頭很近的地方可以為是平面波，遠離探頭離探頭很近的地方可以為是平面波，遠離探頭的地方那么視為球面波。的地方那么視為球面波。 這種聲源發射的聲波可以以為是由無數個能發這種聲源發射的聲波可以以為是由無數個能發射子波源的聲波疊加的結果。射子波源的聲波疊加的結果。 探頭中心軸線上的聲壓分布如用平面波實際分探頭中心軸線上的聲壓分布如用平面波實際分析可得下式析可得下式 式中式中a-輻射圓盤半徑輻射圓盤半徑xxapp220sin2檢測時測得的信號高度與聲壓成正比，中心軸檢測時測得的信號高度與聲壓成正比，中心軸上的聲壓分布如下圖。上的聲壓

22、分布如下圖。聲壓分布分為兩個區域，即聲壓分布分為兩個區域，即x時，時，N值可用下式獲得值可用下式獲得 可見，輻射器的直徑可見，輻射器的直徑D愈大、頻率愈高愈大、頻率愈高(波長波長越短越短)，那么近場長度，那么近場長度N也就愈長。也就愈長。44222DDN當當xN時稱為遠場區，此時聲壓隨間隔添加而下時稱為遠場區，此時聲壓隨間隔添加而下降，但只需聲程大于降，但只需聲程大于3N后，聲壓與聲程才比較后，聲壓與聲程才比較符合反比關系。因此，習慣上以聲程大于符合反比關系。因此，習慣上以聲程大于3N時時為遠場區。為遠場區。 遠場區的聲壓分布可由下式計算遠場區的聲壓分布可由下式計算 可見，中心軸線上的聲壓與晶

23、片面積和起始聲可見，中心軸線上的聲壓與晶片面積和起始聲壓成正比，而與波長和聲程成反比。壓成正比，而與波長和聲程成反比。xDpp1420聲場中的聲壓不但隨間隔聲場中的聲壓不但隨間隔x、時間、時間t而變，同時而變，同時還隨聲束的半分散角而變。半分散角直接反映還隨聲束的半分散角而變。半分散角直接反映聲場中聲能集中的程度和幾何邊境。聲場中聲能集中的程度和幾何邊境。換換能能器器聲場聲場傳播方向傳播方向角角半分散角半分散角的大小可按下式計算的大小可按下式計算式中式中 D-圓形壓電晶片的直徑圓形壓電晶片的直徑 a-方形晶片邊長方形晶片邊長Darc/22. 1sinaarc/sin換換能能器器聲場聲場傳播方向

24、傳播方向角角也就是說，半分散角也就是說，半分散角取決于晶片尺寸和波長取決于晶片尺寸和波長。提高頻率和加大晶片尺寸，均可改善超聲。提高頻率和加大晶片尺寸，均可改善超聲的指向性。的指向性。換換能能器器聲場聲場傳播方向傳播方向角角輻射器輻射的超聲波能量的輻射器輻射的超聲波能量的80%以上集中在主以上集中在主瓣的聲束上，副瓣的能量小，傳播間隔短，因瓣的聲束上，副瓣的能量小，傳播間隔短，因此可以以為副瓣束集中在近場區。此可以以為副瓣束集中在近場區。換換能能器器聲場聲場傳播方向傳播方向角角 超聲檢測大多采用脈沖波，而在引見根本實超聲檢測大多采用脈沖波，而在引見根本實際時，普通采用延續波。際時，普通采用延續

25、波。 這是由于分析脈沖外形非常復雜，而從實踐這是由于分析脈沖外形非常復雜，而從實踐運用來說，近似用延續波替代脈沖波，但二者運用來說，近似用延續波替代脈沖波，但二者的聲場特性上別很大。的聲場特性上別很大。 由于脈沖波是繼續時間很短的動搖，所以它由于脈沖波是繼續時間很短的動搖，所以它們能夠不產生干涉或只產生不完全干涉。們能夠不產生干涉或只產生不完全干涉。 脈沖波中脈沖個數對近場區內的聲壓分布影脈沖波中脈沖個數對近場區內的聲壓分布影響極大。當脈沖個數小于等于響極大。當脈沖個數小于等于6時，近場區聲壓時，近場區聲壓明顯變得簡單，副瓣數目和尺寸減小。明顯變得簡單，副瓣數目和尺寸減小。2-1-4 超聲波在

26、異質界面上的超聲波在異質界面上的 透射、反射和折射透射、反射和折射 所謂異質界面，是指由兩種特性阻抗所謂異質界面，是指由兩種特性阻抗不同的介質所構成的界面，如氣不同的介質所構成的界面，如氣/界面、界面、氣氣/固界面、液固界面、液/固界面和不同固體界面等固界面和不同固體界面等。介質介質 I介質介質 II界面界面 超聲波從一種介質傳播到另一種介質，相對超聲波從一種介質傳播到另一種介質，相對于異質界面而言，當垂直入射時只需反射和透于異質界面而言，當垂直入射時只需反射和透射，波的類型射，波的類型(縱波或橫波縱波或橫波)不發生變化。不發生變化。介質介質 I介質介質 II界面界面當傾斜入射時當傾斜入射時除

27、反射波外，除反射波外，透射波產生干透射波產生干射，同時伴隨射，同時伴隨有波型轉換。有波型轉換。入射入射縱波縱波L反射反射縱波縱波L1反射反射橫波橫波S1折射折射縱波縱波L1折射折射橫波橫波S1LL1S1L2S2固體介質固體介質 II固體介質固體介質 I超聲波以一定傾角超聲波以一定傾角入射固體界面，反入射固體界面，反射波和折射波都分射波和折射波都分裂成兩種波型，除裂成兩種波型，除原有波型的反射和原有波型的反射和折射波外，還存在折射波外，還存在不同波型的反射波不同波型的反射波與折射波。與折射波。入射入射縱波縱波L反射反射縱波縱波L1反射反射橫波橫波S1折射折射縱波縱波L1折射折射橫波橫波S1LL1

28、S1L2S2固體介質固體介質 II固體介質固體介質 I入射縱波入射縱波(L)除產生除產生反射縱波反射縱波(L1)和折射和折射縱波縱波(L2)外，還產生外，還產生反射橫波反射橫波(S1)和折射和折射橫波橫波(S2)，與法線夾，與法線夾角分別角分別L、L1、L2、S1和和S2入射入射縱波縱波L反射反射縱波縱波L1反射反射橫波橫波S1折射折射縱波縱波L1折射折射橫波橫波S1LL1S1L2S2固體介質固體介質 II固體介質固體介質 I這些角度與波速之間這些角度與波速之間的關系符合反射和折的關系符合反射和折射定理如下式射定理如下式22112211sinsin sinsinsinSSSSLLLLLLccc

29、cc入射入射縱波縱波L反射反射縱波縱波L1反射反射橫波橫波S1折射折射縱波縱波L1折射折射橫波橫波S1LL1S1L2S2固體介質固體介質 II固體介質固體介質 I 由于由于CL=CL1 ，所以，所以L與與L1相等相等 。 對一樣介質對一樣介質CLCS，所以所以L1大于大于S1，L2大于大于S2 即縱波的反射角和折即縱波的反射角和折射角分別大于橫波的反射角分別大于橫波的反射角和折射角。射角和折射角。入射入射縱波縱波L反射反射縱波縱波L1反射反射橫波橫波S1折射折射縱波縱波L1折射折射橫波橫波S1LL1S1L2S2固體介質固體介質 II固體介質固體介質 I 當波速小的介質入射當波速小的介質入射到波

30、速大的介質時，折到波速大的介質時，折射角大于入射角，隨著射角大于入射角，隨著入射角度增大，折射角入射角度增大，折射角也增大。也增大。 當當L增大到增大到LK1時，時，使使L2等于等于90o，繼續增，繼續增大，縱波在界面被完全大，縱波在界面被完全反射，介質反射，介質中只存在中只存在橫波，此時縱波入射角橫波，此時縱波入射角LK1稱為第一臨界角。稱為第一臨界角。入射入射縱波縱波L反射反射縱波縱波L1反射反射橫波橫波S1折射折射縱波縱波L1折射折射橫波橫波S1LL1S1L2S2固體介質固體介質 II固體介質固體介質 I 當當L1繼續增大到繼續增大到LK2時、使時、使S2等等于于90o，再增大時橫，再增

31、大時橫波也被全反射波也被全反射 此時的縱波入射此時的縱波入射角角LK2稱為第二臨稱為第二臨界角界角入射入射縱波縱波L反射反射縱波縱波L1反射反射橫波橫波S1折射折射縱波縱波L1折射折射橫波橫波S1LL1S1L2S2固體介質固體介質 II固體介質固體介質 I不同介質具有不同的不同介質具有不同的臨界角，計算公式為臨界角，計算公式為211LLLKccarc212SLLKccarc入射入射縱波縱波L反射反射縱波縱波L1反射反射橫波橫波S1折射折射縱波縱波L1折射折射橫波橫波S1LL1S1L2S2固體介質固體介質 II固體介質固體介質 I超聲波入射到特性阻抗不同的界面，一部分能超聲波入射到特性阻抗不同的

32、界面，一部分能量透過界面進入另一介質，另一部分反射回原量透過界面進入另一介質，另一部分反射回原有介質，從介質有介質，從介質I到介質到介質的聲壓透過率為的聲壓透過率為反射率為反射率為式中式中 Z1、Z2分別為介質分別為介質I和和的特性阻抗的特性阻抗2122ZZZT1212ZZZZR從上述公式可見透過率與反射率之間關系為從上述公式可見透過率與反射率之間關系為超聲檢測中常采用同一探頭發射和接納超聲超聲檢測中常采用同一探頭發射和接納超聲波，假設把往返兩者結合起來思索，那么聲波，假設把往返兩者結合起來思索，那么聲壓的往返透過率為壓的往返透過率為 當用油耦合劑探測測試件時，在油與鋼界面當用油耦合劑探測測試

33、件時，在油與鋼界面上的往返透過率約為上的往返透過率約為11%。RT122121)(4ZZZZT 兩種介質的特性阻抗相差很大時兩種介質的特性阻抗相差很大時(如固體和氣如固體和氣體界面體界面)，超聲在界面上幾乎全反射，聲波既不，超聲在界面上幾乎全反射，聲波既不能從固體進入氣體，也不能從氣體進入固體。能從固體進入氣體，也不能從氣體進入固體。 超聲檢測時，要保證探頭和工件之間完全耦超聲檢測時，要保證探頭和工件之間完全耦合，否那么由于氣隙的存在影響超聲的進入。合，否那么由于氣隙的存在影響超聲的進入。探頭探頭耦合劑耦合劑工件工件 例如鋼的特性阻抗為例如鋼的特性阻抗為4.5106(Pa.s)/m，空氣的，空

34、氣的聲阻抗為聲阻抗為0.0004106(Pa.s)/m，當超聲波傳輸到，當超聲波傳輸到鋼與空氣的界面時，幾乎鋼與空氣的界面時，幾乎100%被反射。被反射。 鋼中有氣隙存在時很容易被發現，而鋼試件中鋼中有氣隙存在時很容易被發現，而鋼試件中的非金夾雜物，由于它的特性阻抗與基體比較接的非金夾雜物，由于它的特性阻抗與基體比較接近，因此其反射波比較弱。近，因此其反射波比較弱。探頭探頭耦合劑耦合劑工件工件氣孔氣孔探頭探頭耦合劑耦合劑工件工件夾雜物夾雜物當探頭與鋼試件之間存在空氣時，超聲波根本當探頭與鋼試件之間存在空氣時，超聲波根本上不能透入鋼中，采用機油為耦合劑時，約有上不能透入鋼中，采用機油為耦合劑時，

35、約有16%的發射聲壓進入鋼中，已足夠了。的發射聲壓進入鋼中，已足夠了。探頭探頭耦合劑耦合劑工件工件可把超聲波看作和光線一樣是直線傳播，用幾可把超聲波看作和光線一樣是直線傳播，用幾何光學實際來討論超聲波的曲面反射和折射規何光學實際來討論超聲波的曲面反射和折射規律。當平面波入射到曲界面時，超聲的透射情律。當平面波入射到曲界面時，超聲的透射情況如圖況如圖曲界面對相鄰介質中的透射波所起作用，就如曲界面對相鄰介質中的透射波所起作用，就如光學上聚焦透鏡和發散透鏡一樣，要思索界面光學上聚焦透鏡和發散透鏡一樣，要思索界面的彎曲方向和兩種介質的聲速比。的彎曲方向和兩種介質的聲速比。聚焦聲透鏡，是超聲檢測中提高檢

36、測靈敏度的有聚焦聲透鏡，是超聲檢測中提高檢測靈敏度的有效途徑。超聲波檢測用的聚焦透鏡往往采用平凹效途徑。超聲波檢測用的聚焦透鏡往往采用平凹面的型式，如下圖面的型式，如下圖聚焦探頭通常用有機玻璃或環氧樹脂作聲聚焦透聚焦探頭通常用有機玻璃或環氧樹脂作聲聚焦透鏡，透鏡與晶片接觸的面仍為平面，而聲透視面鏡，透鏡與晶片接觸的面仍為平面，而聲透視面為凹曲面。為凹曲面。 當與聲透鏡凹曲面接觸的第二介質的聲速當與聲透鏡凹曲面接觸的第二介質的聲速c2小于小于透鏡中聲速透鏡中聲速c1時、透射聲波具有聚焦作用，透鏡時、透射聲波具有聚焦作用，透鏡的凹面曲率半徑為的凹面曲率半徑為fccr121在環氧透鏡水浸聚焦的情況下

37、，在環氧透鏡水浸聚焦的情況下，r可近似為可近似為fr45. 0當聚焦聲束射入工件當聚焦聲束射入工件時，工件中的焦點深時，工件中的焦點深度如下圖，并可根據度如下圖，并可根據以下公式進展計算以下公式進展計算式中式中、f及及 H圖中已圖中已標明，標明，c1、c2分別為分別為水中和工件中的聲速水中和工件中的聲速。21ccHf 2-1-5 超聲波傳播中的衰減超聲波傳播中的衰減 超聲波傳播過程中遇到妨礙物，就超聲波傳播過程中遇到妨礙物，就能夠產生假設干景象，這些景象與妨能夠產生假設干景象，這些景象與妨礙物的大小有關。礙物的大小有關。 假設妨礙物的尺寸比超聲波的波長假設妨礙物的尺寸比超聲波的波長小得多，那么

38、它們對超聲波的傳播幾小得多，那么它們對超聲波的傳播幾乎沒有影響。乎沒有影響。 假設妨礙物的尺寸與超聲波的波長假設妨礙物的尺寸與超聲波的波長近似，其聲阻抗與周圍介質不同，那近似，其聲阻抗與周圍介質不同，那么超聲波將發生不規那么反射、折射么超聲波將發生不規那么反射、折射和透射。和透射。 這些景象都是波的散射，是呵斥超聲波在介質這些景象都是波的散射，是呵斥超聲波在介質傳播時、隨著傳播間隔的添加其能量逐漸減弱的傳播時、隨著傳播間隔的添加其能量逐漸減弱的主要要素，稱為衰減。主要要素，稱為衰減。 其它兩種呵斥超聲波衰減的要素是由于聲束傳其它兩種呵斥超聲波衰減的要素是由于聲束傳播時分散和由于介質的吸收。播時

39、分散和由于介質的吸收。 在多晶體金屬資料中，散射是呵斥超聲波衰減在多晶體金屬資料中，散射是呵斥超聲波衰減的主要緣由。的主要緣由。 散射景象主要取決于資料內部組織、超聲波波散射景象主要取決于資料內部組織、超聲波波長和散射體的外形。長和散射體的外形。 當組織為粗晶當組織為粗晶(如鑄態組織、奧氏體焊縫等如鑄態組織、奧氏體焊縫等)或或組織中有大量第二相時，特別是當它們的尺寸與組織中有大量第二相時，特別是當它們的尺寸與超聲波波長相當時，散射景象特別嚴重。超聲波波長相當時，散射景象特別嚴重。 超聲散射時產生的不規那么反射波和折射波超聲散射時產生的不規那么反射波和折射波景象，在熒光屏上扮演為林狀回波景象，在熒光屏上扮演為林狀回波(或草狀回波或草狀回波)干擾信號，使信噪比下降，降低檢測靈敏度。干擾信號，使信噪比下降，降低檢測靈敏度。 工件外表粗糙度也對衰減產生影響，采用的工件外表粗糙度也對衰減產生影響，采用的超聲波頻率愈高時散射愈嚴重。超聲波頻率愈高時散射愈嚴重。 吸收是由于介質的粘滯性呵斥的質點之間的吸收是由于介質的粘滯性呵斥的質點之間的摩擦引起的，它使一部分能量轉變為熱能。摩擦引起的，它使一部分能量轉變為熱能。 吸收與介質粘滯系數、導熱系數及頻率的某吸收與介質粘滯系數、導熱系數及頻率的某次