超声波探伤物理基础ppt课件.pptVIP

超声波探伤的物理基础,1,第一章绪论,1.1超声检测的定义和作用,1.2超声检测的发展简史和现状,1.3超声检测的基础知识,1.3.1次声波、声波和超声波,1.3.2超声检测工作原理,1.3.3超声检测方法的分类,1.3.4超声检测的优点和局限性,1.3.5超声检测的适用范围,2,前言,第二章超声波伤的物理基础,超声波探伤是目前应用最广泛的无损检测方法之一。,特点：超声波是一种机械波。超声波波长短、能量高，可以在介质中直线传播，在传播过程中遇到异质界面时会发生反射、折射、端点衍射及波型转换。,A型脉冲反射法超声波探伤，就是利用缺陷处反射回来的声波大小来评价缺陷的。缺陷越大或说反射面越大，反射回波就越强。,目前，较先进的超声波探伤方法有：超声相控阵检测技术、TOFD检测技术超声相控阵阻尼振动的振幅不断减小,而周期不变。阻尼振动不符合机械能守恒定律,返回,15,4受迫振动,第二章超声波探伤的物理基础,概念：物体受到周期性外力的作用时产生的振动,如：汽缸中的活塞的振动，扬声器中的纸盆振动,演示,受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动力的频率与物体的固有频率相同时，受迫振动的振幅达到最大值。这种现象称为共振,特点：受迫振动是受外力的作用不符合机械能守恒定律,16,第二章超声波探伤的物理基础,探头的频率由晶片厚度决定，高频电脉冲是一个前沿很陡的电脉冲,例如：超声波探头的压电晶片在发射超声波时,一方面在高频电脉冲激励下产生受迫振动，另一方面在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用，因此又是阻尼振动，即先是受迫振动后是阻尼振动,压电晶片在接收超声波时同样产生受迫振动和阻尼振动,在设计探头时应使高频电脉冲的频率等于压力晶片的固有频率，从而产生共振，这时压电晶片的电声能转换效率最高,返回,17,第二章超声波探伤的物理基础,二、波动,波动分电磁波和机械波两大类,机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。如水波、声波、超声波。电磁波是交变电磁场在空间传播的过程。如无线电波、可见光、紫外线、X射线、射线等等。,电磁波和机械波区别,我们这里只讨论机械波,演示,18,第二章超声波探伤的物理基础,弹性质点的振动会引起邻近质点的振动,邻近质点的振动又会引起较远质点的振动。于是振动就以一定的速度由近及远地向各个方向传播。从而形成机械波,机械波的形成,产生机械波必备的两个条件：1)产生振动的波源；2)能传播振动的弹性介质,振动是波动的根源，波动是振动状态和能量的传播。波动中介质各质点并不随波前进，只是以交变的振动速度在各自的平衡位置附近往复运动,振动与波动的区别,返回,19,第二章超声波探伤的物理基础,2、波长、频率和波速,波长：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，称为波长，用表示。单位常用mm或m,频率f：在1秒钟内所振动的次数，用f表示，单位Hz,波速C：波在单位时间内所传传播的距离，对于超声波检测来讲，波速就是声速，用C表示，单位：m/s或Km/S,20,第二章超声波探伤的物理基础,三者之间的关系是：C=f，=C/f，f=C/,声速越大，波长越长，频率越高波长越短。波长是超声波检测的重要参数，波长短可以发现较小的缺陷,3、波动方程y=Acos(t-x/c)=Acos(t-Kx),返回,21,第二章超声波探伤的物理基础,三、次声波、声波和超声波,1、次声波、声波和超声波的划分,次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，它们在同一介质中传播的速度相同，只是频率不同,人耳能听到的声音叫声波，频率范围在2020000Hz之间。,低于20Hz的声波人耳听不到，叫次声波,高于20000Hz人耳也听不到，叫超声波,22,2、超声波的应用,第二章超声波探伤的物理基础,目前探伤用的超声波频率一般在0.5-10MHz范围。对于金属材料检测，常用的频率为1-5MHz,超声波的特点：1)指向性好2)波长很短、能量高3)能在界面上产生反射、折射和波型转换4)穿透力强,超声波除应用在无损检测外，还应用在医疗诊断、治疗、工业清洗、焊接、加工等等。,3、次声波的应用次声波波长长，绕射能力强，传播衰减小，传播距离远。次声波在气象、海洋、地震、和地质勘探等方面得到应用,23,第二章超声波探伤的物理基础,总结,本节重点,1.振动的基本概念与特点,2、谐振动的概念与特点,3、阻尼振动的概念与特点,4、受迫振动的概念与特点，共振的概念与应用,5、机械波的形成,6、产生机械波必备的两个条件,7、振动与波动的区别与联系,8、波长、频率和波速之间的关系计算,返回,24,机械波的分类方法：有三类,第二章超声波探伤的物理基础,一、按质点的振动方向,二、按波阵面,三、按脉冲持续时间分类,1、纵波L,2、横波S,3、表面波R,4、板波,1、平面波,2、柱面波,3、球面波,1、连续波,2、脉冲波,第二节波的类型,25,第二章超声波探伤的物理基础,一、按质点的振动方向分类,传声介质凡能承受压缩或拉伸应力的介质都能传播纵波。固体介质能承受拉伸应力和压缩应力，因此固体介质可以传播纵波；液体和气体虽然不能承受拉应力，但在承受压应力时产生容积变化，因此液体和气体也可以传播纵波。,概念：质点的振动方向与传播方向平行的波称为纵波，用L表示；又称压缩波或疏密波。,1、纵波L,返回,26,第二章超声波探伤的物理基础,2、横波S,传声介质：只有固体介质才能承受切变应力，液体和气体不能承受切变应力，因此横波只能在固体介质中传播。,当质点受到交变的剪切应力用时，产生切变形变，从而形成横波。故又称切变波。,概念：质点的振动方向与波的传播方向垂直的波，称为横波，用S表示,纵波横波特点演示,纵波横波波形演示,返回,27,3、表面波R,第二章超声波探伤的物理基础,特点：表面波在固体表面传播，其能量随传播深度的增加而迅速减弱。当传播深度超过2倍波长时质点的振幅就很小了。因此表面波只能发现距工件表面2倍波长以内的缺陷。,传声介质：表面波只能在固体表面传播，不能在液体和气体表面传播。,表面波是由纵波与横波在表面的合成波，介质表面的质点呈椭圆运动。,概念：当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，用R表示；表面波是由瑞利提出来的，因此又称瑞利波。,28,4、板波,第二章超声波探伤的物理基础,小结：以上4种波除纵波外其它波只能在固体中传播，纵波可以在固体、液体、气体中传播。,根据质点的振动方向又分为SH波和兰姆波。在表面上下振动的波称为兰姆波，在表面横向振动的波为SH波,概念：在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板波,返回,29,第二章超声波探伤的物理基础,二按波阵面分类,波阵面：同一时刻振动相位相同的所有质点所联成的面称为波阵面。,波源：刚性平面波源，尺寸远大于波长；波阵面：平面；特征：波束不扩散，振幅为常数。,按波阵面的形状不同分为：平面波、柱面波、球面波。,1、平面波,30,波源：线状波源，尺寸远大于波长；波阵面：柱面；特征：波束向四周扩散，振幅与距离平方根成反比。,波源：点波源，尺寸远小于波长；波阵面：球面；特征：波束向四面八方扩散，振幅与距离成反比。,超声波探伤的波源近似活塞振动，在各向同性的介质中的波叫活塞波，当离源的距离足够大时，活塞波类似球面波。,第二章超声波探伤的物理基础,2、柱面波,3、球面波,返回,31,连续波：波源持续不断的振动，穿透法常采用连续波脉冲波：短时间的脉冲波，持续时间很短。微秒级。,第二章超声波探伤的物理基础,三、按振动的持续时间分,例：,返回,重点：纵波、横波、表面波的概念、质点振动特点、传播介质,32,第三节超声波的传播速度,超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关。对特定的介质其弹性模量和密度为常数，故声速度也是常数,第二章超声波探伤的物理基础,不同的介质有不同的声速度,超声波波型不同时，介质弹性变形型式不同，声速也不一样,一、固体介质中纵波、横波与表面波声速,1、无限大固体介质中纵波、横波与表面波声速,33,对于钢材有：CL1.8CS；CR0.9CS；,从上述公式可知:,1)固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量有关,不同的介质声速不同;介质的弹性模量越大，密度越小，则声速越大,2)声速与波的类型有关，在同一固体介质中，纵波、横波、表面波的声速各不相同，其相互之间的关系如下：CLCSCR,2、细长棒中（d）纵波声速CLb与无限大介质中纵波声速不同,第二章超声波探伤的物理基础,纵波1.10,横波1.11,表面波1.12,34,3、常见介质中的声速m/s,4、声速与温度的关系,一般固体中的声速随温度的升高而降低。,第二章超声波探伤的物理基础,35,由上式可知，液体的弹性模量越大、密度越小，则声速越大,第二章超声波探伤的物理基础,二、板波声速,三、液体、气体介质中的纵波声速,B液体、气体介质的容变弹性模量；液体、气体的密度；,概念：板波是在板厚与波长相当的薄板中传播，板波的传播是以相速度和群速度传播,液体和气体中不能传播横波,36,温度对液体声速的影响,综上所述，固体和液体介质在温度升高时，声速都下降，唯有水例外，水在74时声速有极大值。,几乎所有的液体，当温度升高时，声速降低，唯有水例外，温度升高时声速增大，在74时声速达到最大，之后又有所下降。,第二章超声波探伤的物理基础,37,四、声速的测量,1、探伤仪测量法,用超声波探伤仪测量是最简单的方法。原理是脉冲反射法,声速比较法,用已知厚度和声速的工件，调节好仪器时基线，并记录；仪器各控制旋钮不变，测量待测工件，该工件是已知厚度,第二章超声波探伤的物理基础,38,则有：t1=2d1/C1t2=2d2/C2,上述两式中，t1为仪器时基线上底波的位置（格数），d1和C1为已知工件的厚度和声速；t2为被测工件的底波在时基线上的位置（格数），此值通过与t1比较而得出；d2为被测工件的厚度，C2是未知数。,第二章超声波探伤的物理基础,39,例,第二章超声波探伤的物理基础,如：使用CSK-IA试块和直探头，调节器时基线，根据测量厚度进行调节，将25mm的一次底波调到2.5格,将二次波调到5格,三次波调到7.5格,此时每格所代表的时间是:,当测量厚度为60mm的另一工件,一次底波在5格处出现时,则该工件的纵波声速为:,这种方法不是很精确.可能有几-几十米的误差.其准确度受基准试块的声速、试块精度、时基线的线性、读数误差影响。用水作测量基准原理相同.,40,另外一种解题方法,解：,t1,t2,2d1/C1,2d2/C2,d1/C1,d2/C2,第二章超声波探伤的物理基础,用A型脉冲反射式超声波探伤仪测试两种工件时，t1、t2分别表示一次底波的格数或水平距离,用测厚仪测试两种工件时，t1、t2分别表示仪器的读数,41,2、测厚仪测量法,原理与超声波探伤仪法相同。现在测厚仪基本上都是脉冲反射法。该方法比用探伤仪要精确一些。,由驻波理论可知，当试件厚度为/2的整数倍时，入射波与反射波在试件内形成驻波，产生共振，据共振原理得声速计算公式为：C=2fnd/n实际工作中均为脉冲反射式。,常用测厚仪有共振法和脉冲反射法两种。,第二章超声波探伤的物理基础,1）共振法,2）脉冲反射法,42,3、示波器测量法,示波器的时基线可以读出两次反射波的时间差，通过公式可直接计算出声速。C=2d/t,第二章超声波探伤的物理基础,本节重点：声速与介质的关系、声速与温度的关系、声速的测量方法,返回,43,第四节波的叠加、干涉、衍射与惠更斯原理,一、波的叠加与干涉,1、波的迭加原理,第二章超声波探伤的物理基础,几列波在同一介质中传播时，如果在某点相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。几列波相遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性，并按原来的传播方向继续前进，好象在各自的途径中没有遇到其它波一样，这就是波的迭加原理，又称波的独立性原理。,动画演示1,动画演示2,44,2、波的干涉,1)当=n(n为整数)时，A=A1+A2，合振幅最大；2)当=(2n+1)/2(n为整数)时，A=A1-A2的绝对值，合振幅最小，当A1=A2时，则A=0，完全抵消。,超声波探伤中由于波的干涉在使声源附近出现声压极大值和极小值,波的迭加原理是以波的干涉现象为基础。,两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相差一定值，相遇时在某处振动互相加强，而在另一些地方振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象。产生干涉现象的波互称相干波。,第二章超声波探伤的物理基础,45,二、驻波,第二章超声波探伤的物理基础,如声波从水入射到钢时产在水/钢界面上产生波节，波从钢入射到水时在钢水界面上就产生波腹。,声波从波密介质入射到波疏介质时在界面上产生波节；当声波从波疏介质入射到波密介质时在界面上产生波腹。,两列振幅相同的相干波（频率相同）在同一直线上沿相反方向传播时，互相迭加而成的波，称为驻波。驻波又称节波，在波节位置，振幅恒为零。,驻波演示,46,三、惠更斯原理和波的衍射,1、惠更斯原理,2、波的绕射,第二章超声波探伤的物理基础,概念：介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源，在其后任意时刻这些子波的包迹就决定新的波阵面,障碍物与波长相比越小则产生绕射越强，反射越弱，当障碍物很小时几乎全绕射不反射，这就是超声波探伤灵敏度的问题,障碍物越大反射越强，反之则反射越弱。当障碍物的大小与波长相当时，波能绕过障碍物继续前进，这种现象称为波的绕射,演示1,演示,演示2,47,3、波的衍射,这种现象在新标准中得到应用。利用衍射波测量缺陷的高度和长度就是这个原理。,波的衍射是惠更斯原理的体现当波传播到缺陷的端部时，在缺陷的端部会产生一个波源,第二章超声波探伤的物理基础,演示,超声波探伤灵敏度约为/2，这是一个重要的原因。当障碍物与波长之比很大时，波几乎全反射不绕射。,返回,48,第五节超声场的特征值,超声波所存在的空间或超声波振动所涉及的部分空间叫超声场。描述超声场的特征值主要有声压、声强和声阻抗。,一、声压P,第二章超声波探伤的物理基础,声场中某点某一时刻的压强P1与没有超声波存在时的静态压强P0之差，称为该点该时刻的声压。P=P1-P0单位：帕斯卡Pa；Pa,超声场中,某点的声压幅值与介质密度、波速和频率成正比。超声波频率很高，因此声压远大于声波的声压在示波屏上波高与声压成正比.,49,二、声阻抗Z,超声场中任意一点的声压与该处质点的振动速度之比称为声阻抗.用Z表示,第二章超声波探伤的物理基础,从上式可见,在同一声压下,声阻抗增加（对两种介质而说）,则质点振动速度下降,因此声阻抗可以理解为介质对质点振动的阻碍作用.类似电学中的欧姆定律R=U/I,即声阻抗等于该点的介质密度与声速之积;Pm=cu=ZuZ=Pm/u,Z=P/u=cu/u=c单位:克/厘米2秒,或千克/米2秒.,50,声阻抗是表征介质声学特性的重要物理量.超声波在两种介质界面上的反射与透射直接与声阻抗相关.,第二章超声波探伤的物理基础,常用材料的声阻抗,材料的声阻抗与温度有关,一般材料的声阻抗随温度的升高而降低.这是因为大多数材料温度增加密度降低、声速降低。,51,第二章超声波探伤的物理基础,三、声强,单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，用I表示,单位:瓦/厘米2;或焦尔/厘米2.秒;,超声波传播到介质某处时,原来静止不动的质点开始振动,因而具有动能,同时该处介质产生弹性变形,因而具有弹性势能,其总能量为二者之和,由以上公式可知:1)超声波的传播是能量的传播.体积元的动能和势能同时最大，同时为0，与单独的谐振系统不同。2)超声波的声强与频率的平方成正比;3)超声波的声强与声压的平方成正比.,52,第二章超声波探伤的物理基础,本节重点：,声压、声阻抗、声强的物体意义声压与声强的区别,返回,53,第六节分贝与奈培,第二章超声波探伤的物理基础,分贝与奈培的概念,在科学生产过程中,两个数之比相差很大,用起来不方便,常将其比值取对数后计算就大大简便.尤其是在声学和电学领域得到广泛应用。,分贝与奈培是用来比较两个数的大小的.即将两个同量纲的数进行比较后取对数后的单位,54,第二章超声波探伤的物理基础,实际应用贝尔太大，故常取1/10贝尔即分贝（dB）来作单位。,55,第二章超声波探伤的物理基础,1、分贝的应用,例1：示波屏上波高为80%，另一波高为20%问前者比后者高多少dB？,例2示波屏上有三个波A、B、C，A波比B波高3dB，C波比B波低3dB，已知B波高为50%，求A、C两波各为多高？,56,第二章超声波探伤的物理基础,也可以直接从HA与HC相差6dB得到HC=35.3分贝数可以直接从仪器衰减器中读出.衰减系数的测定要用到分贝。,重点：分贝的计算,返回,57,第七节超声波垂直入射到界面时的反射与透射,超声波垂直入射到异质界面时,会发生反射和透射。并遵循一定规律。,一、单一界面的反射率与透射率,第二章超声波探伤的物理基础,58,第二章超声波探伤的物理基础,59,解上述方程组得,第二章超声波探伤的物理基础,60,由以上几式可以得出：T+R=11+r=t,以上各式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两侧介质的声阻抗有关。,第二章超声波探伤的物理基础,61,下面讨论几种常见界面上声压、声强反射与透射情况。,例如：超声波垂直入射到水/钢界面，即从水入射到钢.如图1.27,第二章超声波探伤的物理基础,62,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似乎违返能量守恒,其实不然,因为声压是力的概念,而力只会平衡(P0+Pr=Pt)不会守恒.但从声强方面看,R+T=0.125+0.875=1说明能量守恒,第二章超声波探伤的物理基础,63,例如超声波垂直入射到钢/水界面，即从钢入射到水.如图1.28,第二章超声波探伤的物理基础,64,以上计算表明,超声波垂直入射到钢/水界面时,其声压反射率r=0.935高,声压透射率t=0.065很低。声强反射率和透射率与水/钢界面相同，即两种介质的界面对于声强来说，其反射率与透射率不变，与从哪种介质入射无关。,第二章超声波探伤的物理基础,65,声压反射率，从声阻抗大的介质中入射到声阻抗小的介质中时，反射率高，透射率低；从声阻抗小的介质中入射到声阻抗大的介质中时，反射率高，透射率更高；,第二章超声波探伤的物理基础,66,以上计算表明,当入射波介质的声阻抗远大于透射波介质的声阻抗时，声压反射率趋近于-1，透射率趋近于0，即声压几乎全反射，无透射，只是反射声压与入射声压相位相反。,超声波探伤中，如果探头与工件之间不施加耦合剂，则形成固/气界面，超声波将无法进入工件。,第二章超声波探伤的物理基础,67,4)当Z1Z2时，即界面两侧的声阻抗近似相等时，,这说明超声波垂直入射到两种介质声阻抗相差很小的介质时，几乎全透射，不反射。因此在焊缝探伤中，若母材与填充金属结合面没有任何缺陷，是不会产生界面回波的。如：复合钢板复合层检测，当复层与基层复合良好时，没有反射波，当复层与基层复合不好时（中间有空气），反射波强烈。,第二章超声波探伤的物理基础,68,以上讨论的超声波纵波垂直入射到单一平界面上的声压、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/液或固/气界面上，横波全反射。因为横波不能在液体和气体中传播。,二、簿层界面的反射率与透射率,第二章超声波探伤的物理基础,常用物质界面的纵波声压反射率见表1.6(P25),69,异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在异质薄层内进行多次反射与透射，形成一系列的反射波和透射波，如图1.29,第二章超声波探伤的物理基础,当超声波的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,当脉冲宽度较薄层厚度较宽时，薄层两侧的各次反射与透射就会互相叠加产生干涉,超声波通过薄层的反射与透射是一个很复杂的过程。,70,第二章超声波探伤的物理基础,图1.30与图1.31.图表明空气和水在钢和铝中的声压的反射率与透射率.,71,第二章超声波探伤的物理基础,钢和铝中气隙、水隙声压透射率,钢和铝中气隙、水隙声压反射率,72,第二章超声波探伤的物理基础,2、薄层两侧介质不同的双界面（Z1Z2Z3）即非均匀介质中的薄层。,这一点对于设计超声波探头保护膜具有重要指导意义。,73,第二章超声波探伤的物理基础,三、声压往复透射率,探头发射的声波进入工件，声波到达底面时全反射后再次通过同一界面被探头接收。如图1.32。,超声波单探头探伤时，探头即作发射又作接收，即先发射脉冲，之后等待接收返回的脉冲。,74,第二章超声波探伤的物理基础,同理,水浸法探伤时,钢水界面的往复透射率为12.5%.,往复透射率的高低直接影响探伤灵敏度的高低.往复透射率高则灵敏度高,反之则低.,声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关,与从何种介质入射到界面无关.界面两侧介质的声阻抗相差越小,声压往复透射率就越高,反之则低.,重点：界面条件、反射率和透射率的计算、特殊薄层厚度界面的反射率和透射率、声压往复透射率计算,返回,75,第二章超声波探伤的物理基础,第八节超声波倾斜入射到界面时的反射与折射,一、波型转换与反射、折射定律,当超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类型的反射和折射波外，还会产生不同类型的反射波和折射波，这种现象称为波型转换。,1、纵波斜入射,当纵波倾斜入射到固/固界面时，除产生反射纵波和折射纵波外，还会产生反射横波和折射横波。如图1.33所示。,76,第二章超声波探伤的物理基础,各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律,声速大，则角度大，声速小，则角度小。在同一介质中，纵波声速大于横波声速，因此纵波角度大于横波角度。,77,第二章超声波探伤的物理基础,1）第一临界角,概念：当入射纵波在第二介质中产生的折射纵波，其折射角达到90时，即折射纵波全反射时，入射纵波的入射角，称为第一临界角。,超声波横波探伤时，纵波入射角大于第一临界角。工件内只有横波没有纵波，折射纵波全反射。,产生条件：第一介质中的纵波声速小于第二介质中的纵波声速。,78,第二章超声波探伤的物理基础,概念：当入射纵波在第二介质中产生的折射横波，其折射角达到90时，即折射横波全反射时，入射纵波的入射角，称为第二临界角。,2）第二临界角,超声波表面波探伤时，纵波入射角大于第二临界角。工件只有表面波没有纵波和横波，折射纵波和折射横波全反射。,产生条件：第一介质中的纵波声速小于第二介质中的横波声速。,79,第二章超声波探伤的物理基础,当纵波入射角大于第一临界角小于第二临界角时，工件内只有横波没有纵波,当纵波入射角小于第一临界角时，工件既有纵波又有横波,当纵波入射角大于第二临界角时，工件内即没有纵波也没有横波，只有表面波；,由此可见,有机玻璃横波探头,L=27.657.7之间，有机玻璃表面波探头L57.7,80,第二章超声波探伤的物理基础,在固体介质中，入射横波会产生反射纵波和反射横波，由于纵波声速大于横波声速，当入射横波的入射角达到一定值时，反射纵波的反射角达到90，此时工件内只有反射横波，没有反射纵波，横波全反射，此时的横波入射角称为第三临界角。,2、横波入射,横波入射同样符合反射、折射定律。,第三临界角,81,第一个波为根部焊瘤反射波；第二个波为焊缝表面反射纵波；第三个波为焊缝表面反射横波；,这种情况在用横波探测异型工件时，会发生S33.2的情况，此时工件内即有反射纵波又有反射横波，会引起误判。,如焊缝探伤时有时会产生山形回波就是这个原因。,第二章超声波探伤的物理基础,82,第二章超声波探伤的物理基础,现只介绍由理论计算结果绘制的曲线图。,二、声压反射率,由于超声波倾斜入射，其声压反射率不仅与介质的声阻抗有关而且还与入射角有关，是一个复杂的计算过程，这里不再讨论。,本节讨论下列两种情况（1）纵波倾斜入射到钢/空气界面的反射（2）横波倾斜入射到钢/空气界面的反射,83,第二章超声波探伤的物理基础,1、纵波倾斜入射到钢/空气界面的反射见图1.35,纵波入射到钢/空气界面时,纵波声压反射率与横波声压反射率随入射角而变化,当入射角等于60度左右时,纵波反射率很低,横波反射率很高.原因是纵波入射角等于60度左右时,产生一个较强的变型反射横波.,84,第二章超声波探伤的物理基础,2、横波倾斜入射到钢/空气界面反射见图1.36,横波倾斜入射到钢/空气界面,横波反射率与纵波反射率随入射角而变化.当入射角在30度左右时,横波反射率很低,纵波反射率很高.当横波入射角大于33.2度时,横波全反射,即钢中只有横波没有纵波.,85,第二章超声波探伤的物理基础,超声波探伤常采用反射法.超声波往复透过同一探测面,因此声压往复透过率更具有实际意义.,三、声压往复透射率,86,第二章超声波探伤的物理基础,图1.38为纵波倾斜入射至水/钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系曲线.,当纵波入射角小于14.5度时,折射纵波的往复透射率不超过13%,折射横波的往复透射率不超过6%;,87,第二章超声波探伤的物理基础,当入射角在14.527.27度时,钢中只有横波没有纵波,横波往复透射率最高不到20%.实际探伤中,水浸探伤就属于这种情况.,当入射角在27.57.7度时,钢中只横波没有纵波,横波往复透射率最高不到30%,这时对应的纵波入射角为30度,横波折射角为37度.,图1.39为纵波倾斜入射至有机玻璃/钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系曲线.,当纵波入射角小于27.6度时,折射纵波的往复透射率不超过25%,折射横波的往复透射率不超过10%;,实际探伤中,有机玻璃探头探测钢材就属于这种情况.,88,第二章超声波探伤的物理基础,回波声压与入射波声压之比称为端角反射率,用T端表示.,四、端角反射,概念：超声波在两个平面构成的直角内的反射,叫端角反射,如图1.40,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,二次反射波与入射波平行,且+=90,89,第二章超声波探伤的物理基础,图1.41为钢/空气界面上钢中的端角反射率.,图1.41a中可知,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分离出较强的横波.,90,第二章超声波探伤的物理基础,图1.41b中可知,横波入射时,在s=30或s=60附近时,端角反射率最低.s=30-55时,端角反射率达100%。此时K=tgs=0.7-1.43,实际工作中横波探伤根部未焊透或裂纹的情况就属于这类情况.当s56即K1.5时,探伤灵敏度较低,可能引起漏检.,重点：反射和折射定律的应用、第一、二、三临界角的概念、端角反射的概念、液体和气体中只传播纵波,返回,91,P=P1/xP1声场中距离单位为1处的声压,第二章超声波探伤的物理基础,第九节超声波的聚焦与发散,超声波指向性好,它与可见光一样具有聚焦和发散的特性.,一、声压距离公式,对于平面波,波束不扩散,因此声压不随距离而变化.球面波与柱面波其波束随距离的增加而扩散,其扩散规律有所不同.,1、球面波声压距离公式,球面波的波阵面为同心球面,球面波声场中某处质点的振幅与该点至声源的距离成反比,而声压又与振幅成正比,因此球面波的声压与距离成反比.,92,第二章超声波探伤的物理基础,柱面波的波阵面为同轴柱面，柱面波声场中某处质点的振幅，与该点至波源的距离的平方根成反比。即该点的声压与该点至声源的距离的平方根成反比。,2、柱面波声压距离公式,93,反射波还是球面波，反射波源与入射波源相对于平面对称。如远场探伤，大平底的反射。,二、球面波在平界面上的反射与折射,1、单一的平界面上的反射,第二章超声波探伤的物理基础,反射波声压,94,第二章超声波探伤的物理基础,2、双界面的反射,球面波在互相平行的双界面间的多次反射仍符合球面波的变化规律。,前壁各次反射波声压比：1:1/2:1/3:后壁各次反射波声压比：1:1/3:1/5:,实际探伤中，当距离较大时，超声波探头发出的波可视为球面波（大于3N，远场），示波屏上各次底面反射波的高度之比近似符合：1：1/2：1/3的规律。,95,球面波在平面上的折射遵循折射定律。当球面波入射到水/钢界面时，球面波更加发散,见图1.44。实际工作中，水/钢界面有这种情况。,3、单一平界面上的折射,第二章超声波探伤的物理基础,96,三、平面波在曲界面上的反射与折射,凹面聚焦；凸面发散；焦点为r/2；实际工作中，气孔和柱孔就类似这种类型。,第二章超声波探伤的物理基础,1、平面波在曲界面上的反射,97,第二章超声波探伤的物理基础,2、平面波在曲界面上的折射,如：球面透镜和柱面透镜,98,第二章超声波探伤的物理基础,聚焦与发散与两侧介质的声速相关,水浸探头有机玻璃声速大于水的声速,制成凹面探头,可形成聚焦声束.有利于提高探伤灵敏度.,99,凹曲面的反射波聚焦,凸曲面的反射波发散.,第二章超声波探伤的物理