超声波探伤的物理基础——(第四节超声平面在平界面上斜入射的行为)

第一章第一章 超声波探伤的物理基础超声波探伤的物理基础 第四节第四节 超声平面在平界面上斜入射的行为超声平面在平界面上斜入射的行为 超声平面波以一定的倾斜角入射到异质界面上时 就会产生声波的反射和折射 并且 遵循反射和折射定律 在一定条件下 界面上还会产生波型转换现象 一 斜入射时界面上的反射 折射和波型转换一 斜入射时界面上的反射 折射和波型转换 1 超声波在固体界面上的反射 1 固体中纵波斜入射于固体 气体界面 图 1 25 中 为纵波入射角 为纵波反射角 为横波反射角 其反射定律 L 1L 1S 可用下列数学式表示 1 34 1S 1S 1L 1L L L sin C sin C sin C 因入射纵波 L 与反射纵波 L1在同一介质内传播 故它们的声速相同 即 所 1LL CC 以 又因同一介质中纵波声速大于横波声速 即 所以 1LL 1S1L CC 1S1L 2 横波斜入射于固体 气体界面 图 1 26 中 为横波入射角 为横波反射角 为纵波反射角 由反射定律可 S 1S 1L 知 1 35 1L 1L 1S 1S S S sin C sin C sin C 图 1 25 纵波斜入射 图 1 26 横波斜入射 因入射横波 S 与反射横波 S1在同一介质内传播 故它们的声速相同 即 所 1SS CC 以 又因同一介质中 所以 1SS 1S1L CC 1S1L 结论 当超声波在固体中以某角度斜入射于异质面上 其入射角等于反射角 纵波反射角大 于横波反射角 或者说横波反射声束总是位于纵波反射声束与法线之间 图 1 27 表示钢 及铝材中纵波入射时的横波反射角 也可以看成横波入射时的纵波反射角 2 超声波的折射 1 纵波斜入射的折射 图 1 28 中为第一介质的纵波入射角 为第二介质的纵波折射角 为第二介 L L S 质的横波折射角 其折射定律可用下列数学式表示 1 36 S 2S L 2L L L sin C sin C sin C 图 1 27 钢及铝村中纵波入射时的横波反射角 或横波入射时的纵波反射角 图 1 28 纵波 斜入射 在第二介质中 因 所以 横波折射声束总是位于纵 2S2L CC SL sinsin SL 波折射声束与法线之间 2 横波斜入射的折射 横波在固体中斜入射至固 固 固 液介面时 其折射规律同样符合式 1 36 所示的形 式 可写成 1 37 L 2L 2S 2S S S sin C sin C sin C 3 由于气体和液体不能传播波横波 所以不是任何情况下反射波和折射波都有波型 的转换 这一点要注意 图 1 29 是几种不同情况界面的波型转换 a I 固体 II 液体 纵波入射 在 II 中 没有折射横波 b 介质情况同 a 但是横波入射 在 II 中也只有折射的纵波 c 中 I 是 液体 II 是固体 纵波入射在介质 I 中只有反射纵波 d 二种介质都是液体 则反射和折 射波都是纵波 e f 二种介质都是固体 入射波是纵波及横波 在一般情况下反射波和折 射波中既有纵波又有横波 若声波从固体斜射到空气界面 则在固体中才存在反射纵波和 或 横波 图 1 29 声波的各种反射 折射情况 纵波第一临界角定义如下 纵波射入斜 使固体中 90 的纵波入射角就是纵波 1LK L 第一临界角 见图 1 30 所示 此时 2L 2L 1LK L C 90sin C sin C 1 38 2L L1 1LK C C sin 对于入射角大于纵波第一临界角的所有纵波入射声束均会使纵波不传入第二介质 产 生纵波全反射的现象 2 纵波第二临界角 纵波第二临界角定义如下 纵波斜入射 使固体中90 的纵波入射角就是纵 2LK S 波第二临界角 见图 1 31 所示 此时 2S 2 2LK L C 90sin C sin C 图 1 30 纵波第一临界面 图 1 31 横波全反射和第二临界 角 1 39 S L1 2LK C C sin 对于入射角大于纵波第二临界角的所有纵波入射声束 均会使变形横波不传入第二介 质 产生横波全反射的现象 图 1 32 为有机玻璃 钢 铝 界面入射角和折射角的关系曲线 常用介质的纵波第一临界和第二临界角见表 1 4 所列 表 1 4 常用介质纵波和第一临界角和第二临界角 有机玻璃 钢 2 27 5900 2700 sin 1 1LK 7 56 3230 2700 sin 1 2LK 有机玻璃 铝 4 25 6300 2700 sin 1 1LK 2 61 3080 2700 sin 1 2LK 水 钢 7 14 5900 1500 sin 1 1LK 7 27 3230 1500 sin 1 2LK 水 铝 8 13 6300 1500 sin 1 1LK 1 29 3080 1500 sin 1 2LK 10 20 30 40 50 60 c s 图 1 32 有机玻璃 钢 铝 界面入射角和折射角的关系曲线 由表 1 4 可知 采用有机玻璃透声楔的斜探头进行横波探伤时 要在钢中得到单一横 波 其入射角的选择 27 2 56 7 3 第三临界角 横波斜入射于固体 空气界面 S 为横波射角 为纵波反射角 为横波反射角 1L 1S 此时认为横波在空气中不产生折射现象 因同一介质中 CS CL 所以 S 当入射 1L 角 S 达到某一数值时 就可使 90 产生纵波全反射现象 1L 定义横波斜入射至固体 空气界面并产生纵波全反射的横波入射角为第三临界角 用符 号表示 3SK 1L 1L 3SK S C 90sin C sin C 1 40 1L S1 3SK C C sin 常用介质的第三临界角见表 1 5 所列 表 1 5 常用介质第三临界角 钢 空气 2 33 5900 3232 sin 1 3SK 铝 空气 3 29 6300 3080 sin 1 3SK 有机玻璃 空气 7 32 2700 1460 sin 1 3SK 三 斜入射时反射系数 折射系数和往复透射率三 斜入射时反射系数 折射系数和往复透射率 超声波斜入射时 运用反射定律和折射定律可以确定 遇到界面后反射和折射超声波 束的传播方向 但不能确定入射波和反射波 折射波之间的声压关系 实际上 斜入射波 尤其是在产生波型转换的情况下 反射波及折射波的声压变化不仅随入射波型的不同而不 同 而且还与入射角的大小和界面两侧介质性质有关 由于理论计算十分复杂 因此实际 应用中常以相应的曲线进行分析 下面仅以几种常用情况加以讨论 1 纵波从水斜入射至固体 当纵波从水斜入射至固体 如钢或铝 时 随着纵波入射角的变化 反射声压和折射声 压迹随之变化 图 1 33 所示为入射纵波在水 铝界面上的反射和折射 从图中可见 当纵 波在水中的入射角小于 13 5 时 纵波在铝中的折射角和声压随水中纵波入射角的增大而很 快增中 铝中折射横波比较弱 水中反射纵波声压为入射声压的 80 左右 当入射角达到 13 5 水 铝纵波临界角 后 铝中纵波不存在 只有横波 相应的横波折射角 S 在 30 以上 并且随入射角的增大 折射横波声压随之增加 当 29 2 以后 横波全反射 铝中不 L 再存在折射波 水中纵波反射声压系数为 100 从图中还可以看出 在 13 5 时 铝 L 中横波声压几乎为零 而反射声压 纵波 为 100 透射的纵波声压亦为 100 在 13 5 特别是 15 到 29 2 之间 铝中折射波声压较大 这就是对于水浸横波探伤铝 L 时 选用的纵波入射角必须在 13 5 29 2 之间的原因 图 1 33 入射纵波在水和铝界面上的反射和折射 2 纵波从有机玻璃斜入射至固体 目前 各种斜探头大多以有机玻璃作为透声楔 晶片产生的纵波通过有机玻璃入射到 有机玻璃 固体界面 耦合层 并在耦合层与固体之间接合面上波型转换后 在固体中得到 所需要的波型 横波 表面波及板波 由于耦合层极薄 运用反向定律 折射定律计算反 射角 折射角和分析界面上声压反射系数 透射系数 往复透过率时 可忽略耦合层的影 响 只以界面两侧的有机玻璃和固体的声学性质为计算和分析的依据 纵波斜入射在有机玻璃 钢界面的情况如图 1 34 所示 从图中可见 有二个临界角 即纵波临界角 27 6 和横波临界角 57 8 只有当入射角 27 6 57 8 之间时 钢中才能得 到纯的横波折射 随着入射角的增大 横波折射角随之增大 折射横波声压平缓地增加 而往复透射率却随折射角增大而下降 图 1 34 纵波斜入射在有机玻璃 钢界面上的反射和折射规律 而在超声波探伤法中 脉冲反射式探伤仪示波屏上的反射回波高代表了发射声波在界 面上的回波幅度 这就是我们感兴趣的往复透过率问题 图 1 34 所示即为有机玻璃钢 界 面的情况 图中斜入波的往复透过率 TP可由下式计算 2P1P ttt P p P p P p P T 式中 P 为入射声压 Pt为透射声压 经固体 空气界面 100 反射后变为第二介质向第一介 质入射的声压 为第一介质波向第二介质内透射的声压透射率 为第二介质返回声波 2P 1P a 向第一介质内透射的声压透射率 从图中可看出 1 有机玻璃与固体工件之间采用耦合剂液态接触比固体接触的横波声 压往复透过率高得多 2 声压往复透过率随入射角或折射角的不同而有所变化 有 L S 机玻璃 钢界面声压往复透过率一般不超过 30 有机玻璃 铝界面声压透过率高于前者 但最高不超过 65 3 固体 空气界面上的声压反射系数 实际工件底面往往就是固体 空气界面 研究固体 空气界面上的声压反射系数对分析 工件底面返回声压有实用意义 图 1 35 和 1 36 为入射波在固体 空气界面声压反射系数 与入射角的关系曲线 P L 图 1 35 纵波入射钢 空气界面声压 图 1 36 横波入射钢 空气 钢 水铝 空气 铝 水界面声压反 反射系数与 L的关系曲线 射系数与 L的关系曲线 从图 1 35 中可以看出 1 纵波入射角 20 70 对应的横波反射角 10 30 范围内 反射横波的声压 L S 反射系数据较大 40 最高可达 60 此时的横波反射声压很强 LS LS 2 纵波入射角 60 70 范围内反射纵波的声压反射系数最小 此时一般不 L LL LL 大于 20 纵波反射声压很弱 图 1 36 为横波斜入射钢 空气 钢 水 铝 空气 铝 水界 面声压反射系数与横波入射角的关系曲线 P S 从图 1 36 中可以看出 1 在钢 空气界面 当钢中横波入射角为 30 左右时 反射横波的声压反射系数最 SS 低 其值小于 15 入射角继续增大 横波反射声压就激增 直到 33 2 时横波声压反射 系数 100 此时纵波反射角 SS L 90 钢中只有横波而无反射纵波 33 2 为第三临界角 铝 空气界面的 3SK 29 5 6300 3080 sin 1 3SK 2 当横波斜入射于固体 液体界面 如钢 水 铝 水 时 由于一部分声能在液体中折射 为纵波传播 故其横波声压反射系数比固体 空气界面小 如图 1 36 中虚线所示 这种差 异在小于第三临界角时并不明显 大于第三临界角的横波声压反射系数 对于钢 水来 SS 说只有 10 左右的差值 对于铝 水来说就有 20 左右的差值 四 超声波在规则界面上的反射 折射和波型转换规律四 超声波在规则界面上的反射 折射和波型转换规律 超声波探伤中所遇到的实际工件界面形状是多种多样的 但比较常见的规则界面有平 s 面 倾斜平面 直角平面 圆柱面等 1 倾斜平面上的反射 超声波入射到与主声束不垂直的面 如工件的倾斜底面或与探测面有一倾角的缺陷 相当于超声波斜入射于固体 空气界面 此时不仅可能发生波型转换 而且反射波方向和声 压反射系数均会变化 其变化规律与纵波斜入射和横波斜入射于固体 空气 固体 液体界 面的情况相同 见图 1 37 所示 图 1 37 超声波在斜平面上的反射 2 直角平面上的反射 超声波在二个互相垂直平面构成的端面或三个互相垂直平面构成的方角反射时 会产 生角反射效应 在实际探伤中也较 为常见 这些反射有以下规律 1 倾斜射到其中一个平面上的 入射声束 经两次反射后以平行于 入射方向返回 并以过直角顶点且 与入射声束平行的直线为轴对称 见图 1 38 所示 2 端角内的声压反射系数取决 于入射声波波型和入射角的大小 其变化规律见图 1 39a 由图 1 39b 可知 倾斜入射的 横波在端角平面内产生的声压反射系数以横波入射角 30 55 范围内为最高 在 S S 20 34 或在 56 70 范围内声压反射率为最低 S 横波探伤时 对垂直于底面的裂缝等缺陷 宜选用与 裂缝面夹角 30 50 的横波最 为有利 而选用 60 角是很不利的 图 1 38 声波在端角内的反射 图 1 39 钢中端角平面内声压反射率 当斜探头折射角 S 60 端角平面上横波入射角 S 30 探头距端角恰当位置时 会 产生回波信号超前的特殊情况 此时 因反射纵波较强 且它的纵波二次反射角约为 2L 24 因此 探头就能接收到二次反射纵波 L2 的回波信号 又因纵波声速大于横波声速 故该回波信号比端角内正常二次反射横波的回波信号在示波屏时间轴上要超前 见图 1 40 所示 图 1 40 折射角为 50 时横波在端角上的二次反纵射波超前 3 狭长工件侧壁平面引起的波型转换 1 狭长工件侧壁引起的波型转换 对截面宽度或直径 d 与探头晶片尺寸可比的长直工件进行轴向纵波探伤时 探头扩散 声束中的一部分边缘声束等于以很大的纵波入射角斜入射工件侧壁平面 并产生纵波和 L 变型横波 S1 其中 S1横波穿越工件成为另一侧壁平面上的入射横波 其中一部分经波型转 换后成为变形纵波 L2和横波 L2经底面反射后被探头接收 见图 1 41 所示 若工件足够 长 则变形横波可能在工件厚度方向上作多次横穿 它们的波型转换情况与第一次横穿时 类同 图 1 41 迟到回波的产生及其在示波屏上的位置 因为横波声速比纵波声速慢 这样经变型横波转换后探头接收到的回波显然滞后于单 纯按纵波传播至底返回的回波 滞后时间与变型横波横穿工件厚度的次数成正比 这些比 正常纵波底面回波滞后的变型波称为迟到回波 其滞后声程 X 可用下式计算 1 40 1 C C 2 nd X 2 S L 式中 d 为工件宽度 或直径 n 为变型横波横穿工件次数 将材料声速代入式 1 40 得钢中迟到回波的滞后声程为 1 41 nd76 0 X 铝中滞后声程为 1 42 nd88 0 X 2 与声束轴线平行的工件侧避干扰 实践证明 位于工件侧壁附近的小缺陷 用与侧壁平行的声束很难检测 这是因 为存在着工件侧壁干扰现象的缘故 这一干扰现象往往由经侧壁反射后的纵波 或横波 与 不经反射的直射纵波之间的干涉引起的 见图 1 42 所示 其结果是干扰了直射声波 的返回声压 使探测灵敏度下降 在脉冲反射式探伤中 一般单次脉冲持续时间所对应的声程不大于 4