超声检测的物理基础

1、第第2 2章章 超声检测的物理基础超声检测的物理基础2.3.3 2.3.3 薄层界面的反射率与透射率薄层界面的反射率与透射率n超声检测时，经常遇到耦合层和缺陷薄层等问题，这些都可归超声检测时，经常遇到耦合层和缺陷薄层等问题，这些都可归结为超声波在薄层界面的反射和透射问题。此时，超声波是由结为超声波在薄层界面的反射和透射问题。此时，超声波是由声阻抗为声阻抗为Z Z1 1的第一介质入射到的第一介质入射到Z Z1 1和和Z Z2 2界面，然后通过声阻抗为界面，然后通过声阻抗为Z Z2 2的第二介质薄层射到的第二介质薄层射到Z Z2 2和和Z Z3 3界面，最后进入声阻抗为界面，最后进入声阻抗为Z Z

2、3 3的第的第三介质。三介质。 n特点：特点：n（1 1）超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情）超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与单一的平界面不同。异质薄层很薄，进入薄层内的超况与单一的平界面不同。异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射，形成一系声波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射，形成一系 的反射波和透射波的反射波和透射波n（2 2）超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅）超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波长之比长之比d d2

3、 2/ /2 2有关有关2.3.3 2.3.3 薄层界面的反射率与透射率薄层界面的反射率与透射率2.3.3 2.3.3 薄层界面的反射率与透射率薄层界面的反射率与透射率n1.1.均匀介质中的异质薄层（均匀介质中的异质薄层（Z Z1=1=Z Z33Z Z2 2） n（1 1）当）当 （n n为整数）时，为整数）时， 。这说明当薄层。这说明当薄层两侧介质声阻抗相等，薄层厚度为其半波长的整数倍时，超声波全透两侧介质声阻抗相等，薄层厚度为其半波长的整数倍时，超声波全透射，几乎无反射，好象不存在异质薄层一样。这种透声层常称为半波射，几乎无反射，好象不存在异质薄层一样。这种透声层常称为半波透声层。透声层。

4、n（2 2）当）当 （n n为整数）时，即异质薄层厚度等于其四分为整数）时，即异质薄层厚度等于其四分之一波长的奇数倍时，声压透射率最低，声压反射率最高。之一波长的奇数倍时，声压透射率最低，声压反射率最高。n（3 3）1/4 1/4 波长甚至趋近于波长甚至趋近于0 0，薄层愈小，穿透愈大。，薄层愈小，穿透愈大。 0,1rt22(21)4dn222nd2.3.3 2.3.3 薄层界面的反射率与透射率薄层界面的反射率与透射率2 2薄层两侧介质不同的双界面薄层两侧介质不同的双界面n（1 1）当）当 （n n为整数）时，为整数）时， 。这说明。这说明超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时，若薄层厚度

5、等于超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时，若薄层厚度等于半波长的整数倍，则通过薄层的声强透射率与薄层的性质无关，好半波长的整数倍，则通过薄层的声强透射率与薄层的性质无关，好象不存在薄层一样象不存在薄层一样 n（2 2）当）当 （n n为整数）时，且为整数）时，且 时，此时，此时时T T1 1，即声强透射率等于，即声强透射率等于1 1，超声波全透射。，超声波全透射。 这对于直探头保护这对于直探头保护膜的设计膜的设计 具有重要的指导意义。具有重要的指导意义。222dn123ZZZ132134()Z ZTZZ22(21)4dn213ZZ Z2.7 2.7 超声波倾斜入射到界面上的超声波倾斜入射

6、到界面上的反射、折射和波型转换反射、折射和波型转换 （1 1）波型转换与反射、折射定律）波型转换与反射、折射定律 （2 2）声压反射率）声压反射率 （3 3）声压往复透射率）声压往复透射率 （4 4）端角反射）端角反射（1 1）波型转换与反射、折射定律）波型转换与反射、折射定律n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和折射波，这种现象称为波型转换会产生不同类型的反射和折射波，这种现象称为波型转换 图240 声波倾斜入射示意图（1 1） 波型转换与反射、折射定律波型转换与反射、折射定律 当超声波

7、垂直入射到光滑平界面时，将在第一介质中产生一当超声波垂直入射到光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射个与入射波方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。波方向相同的透射波。1纵波斜入射纵波斜入射 当纵波当纵波L倾斜入射到界面时，除产生反射纵波倾斜入射到界面时，除产生反射纵波L和折射纵波和折射纵波L外，还会产生反射横波外，还会产生反射横波S和折射横波和折射横波S，如图，如图240（a）所）所示。各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律：示。各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律： 11122sinsinsinsinsinS

8、SLLLLLSLScccccI C1II C2s1=c1ts2=c2t（1 1）波型转换与反射、折射定律）波型转换与反射、折射定律由于在同一介质中纵波波速不变，因此由于在同一介质中纵波波速不变，因此 。又由于在同。又由于在同一介质中纵波波速大于横波波速，一介质中纵波波速大于横波波速， 因此因此（1 1）第一临界角）第一临界角：（2 2）第二临界角）第二临界角：LL ,LsLS 112arcsinLLcc90L90S图241 临界角示意图21arcsinSLIIcc（1 1）波型转换与反射、折射定律）波型转换与反射、折射定律由由 和和 的定义可知：的定义可知： L L 时，第二介质中既有折射纵波

9、时，第二介质中既有折射纵波LL又有折射又有折射横波横波SS。 L L 时，第二介质中只有折射横波时，第二介质中只有折射横波SS，没有折射，没有折射纵波纵波LL，这就是常用横波探头制作和横波检测的原理。，这就是常用横波探头制作和横波检测的原理。L L 时，第二介质中既无折射纵波时，第二介质中既无折射纵波LL，又无折射横，又无折射横波波SS。这时在其介质的表面存在表面波。这时在其介质的表面存在表面波R R，这就是常用表面波探，这就是常用表面波探头的制作原理。头的制作原理。例如，纵波倾斜入射到有机玻璃例如，纵波倾斜入射到有机玻璃/ /钢界面时，有机玻璃中钢界面时，有机玻璃中cLcL1=2730m/s

10、1=2730m/s，水中，水中cLcL1=1480m/s1=1480m/s，钢中：，钢中：cLcL2=5900m/s2=5900m/s，cScS2=3230m/s2=3230m/s。则第一、二临界角分别为：。则第一、二临界角分别为： （1 1）波型转换与反射、折射定律）波型转换与反射、折射定律由此可见有机玻璃横波探头楔块角度由此可见有机玻璃横波探头楔块角度 有机玻璃表面波探头楔块角度有机玻璃表面波探头楔块角度 57.7 度度 。27.6 57.7L122730arcsinarcsin27.65900LLcc122730arcsinarcsin57.73230LSCC14.527.2733.12

11、水水钢钢（1 1）波型转换与反射、折射定律）波型转换与反射、折射定律2 2横波斜入射横波斜入射 当横波倾斜入射到界面时，同样会产生波型转换当横波倾斜入射到界面时，同样会产生波型转换 入射角增加到一定程度时，入射角增加到一定程度时， 在第一介质中只有在第一介质中只有反射横波，没有反射纵波，即横波全反射，这时所对应的横波反射横波，没有反射纵波，即横波全反射，这时所对应的横波入射角称为第三临界角，用入射角称为第三临界角，用表示表示 对于钢：对于钢：cLcL1=5900m/s1=5900m/s，CSCS1=3230m/s 1=3230m/s ， 当当 33.233.2时，钢中横波全反射。时，钢中横波全

12、反射。11arcsinSLcc113230arcsinarcsin33.25900SLCC（1 1）波型转换与反射、折射定律）波型转换与反射、折射定律n在实际的横波斜探头探伤中，入射到工件中的横波斜射到与在实际的横波斜探头探伤中，入射到工件中的横波斜射到与探测面平行的底面，对底面的横波入射角都大于第三临界角，探测面平行的底面，对底面的横波入射角都大于第三临界角，故不会出现反射纵波；如射到不平行探测面的反射面上，则故不会出现反射纵波；如射到不平行探测面的反射面上，则横波入射角有可能小于第三临界角，从而出现反射纵波与反横波入射角有可能小于第三临界角，从而出现反射纵波与反射横波同时存在的情况射横波同

13、时存在的情况，如图所示示例。，如图所示示例。 横波入射产生变形纵波（2 2）声压反射率）声压反射率1.1.纵波倾斜入射到钢纵波倾斜入射到钢/ /空气界面空气界面的反射的反射 纵波斜入射到钢纵波斜入射到钢/ /空气时空气时纵波声压反射率与横波纵波声压反射率与横波声压反射率随入射角的变化。声压反射率随入射角的变化。随着纵波入射角从随着纵波入射角从0 0逐渐增加，纵波声压逐渐增加，纵波声压反射率从反射率从1.01.0逐渐下降；逐渐下降；而在而在6060与与7070之间之间纵波声压反射率达到纵波声压反射率达到极小值；纵波入射角极小值；纵波入射角继续增大，纵波声压继续增大，纵波声压反射率又随之增大直到反

14、射率又随之增大直到1.01.0。当入射角在当入射角在6060度左右时度左右时产生一个较强的反射横波。产生一个较强的反射横波。（2 2）声压反射率）声压反射率2.2.横波倾斜入射到钢横波倾斜入射到钢/ /空气界面的反射空气界面的反射n教材图教材图2 24343表示的是横波斜入射到表示的是横波斜入射到钢钢/ /空气时的情况。随着横波入射角空气时的情况。随着横波入射角从从0 0逐渐增加，横波声压反射率从逐渐增加，横波声压反射率从1.01.0逐渐下降；而在逐渐下降；而在2020与与3030之间之间横波声压反射率达到极小值；横波横波声压反射率达到极小值；横波入射角继续增大，横波声压反射率入射角继续增大，

15、横波声压反射率继续随之增大，当横波反射角继续随之增大，当横波反射角SS33.233.2时横波声压反射率等时横波声压反射率等于于1.01.0。（2 2）声压反射率）声压反射率n随着横波入射角从随着横波入射角从0逐渐增加，纵波声压反射率逐渐增加，纵波声压反射率逐渐增加，直到达到第三临界角（注意纵波反射角逐渐增加，直到达到第三临界角（注意纵波反射角大于横波入射角。这时与横波反射率的极小值基本大于横波入射角。这时与横波反射率的极小值基本上是相对应的，即反射横波声压进入极小值的区域，上是相对应的，即反射横波声压进入极小值的区域，其能量大部分给予了反射纵波。其能量大部分给予了反射纵波。（3 3）声压往复透

16、射率）声压往复透射率n超声检测中，常常采用反射法，超声波往复透过同一探侧超声检测中，常常采用反射法，超声波往复透过同一探侧面，因此声压往复透射率更具有实际意义。面，因此声压往复透射率更具有实际意义。 超声波倾斜入射，折射波全反射，探头接收到的回波声压超声波倾斜入射，折射波全反射，探头接收到的回波声压Pa 与入射与入射波声压波声压P0之比称为声压往复透射率，常用之比称为声压往复透射率，常用T表示，表示，T=Pa/P0。如图。如图244所示所示。 图图244 244 斜入射声压往复透射率示意图斜入射声压往复透射率示意图（3 3）声压往复透射率）声压往复透射率n纵波斜入射至水纵波斜入射至水/ /钢界

17、面时的声压往复透射率与入射角的关系图钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系图n当纵波入射角小于当纵波入射角小于14.514.5( (第一临界角第一临界角) )时，折射纵波往复透射率不超过时，折射纵波往复透射率不超过1313，折射横波往复透射率小与，折射横波往复透射率小与6 6。n当纵波入射角为当纵波入射角为14.514.527.2727.27( (第二临界角第二临界角) )之间时，钢中没有折射纵之间时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波往复透射率最高不到波，只有折射横波，其折射横波往复透射率最高不到2020。 (3)(3)声压往复透射率声压往复透射率n纵波斜入射至有机玻璃纵波斜入射至有

18、机玻璃/ /钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系n当纵波入射角小于当纵波入射角小于27.627.6( (第一临界角第一临界角) )时，折射纵波往复透射率小于时，折射纵波往复透射率小于2525，折，折射横波往复透射率小与射横波往复透射率小与1010。n当纵波入射角为当纵波入射角为14.514.527.2727.27( (第二临界角第二临界角) )之间时，钢中没有折射纵波，只之间时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波往复透射率最高不超过有折射横波，其折射横波往复透射率最高不超过3030，最高往复透射率时所对，最高往复透射率时所对应的纵波入射角约为应的

19、纵波入射角约为3030，横波折射角约为，横波折射角约为3737。折射角在。折射角在35355050之间往之间往复透射率比较高，更大的折射角往复透射率相对较低。复透射率比较高，更大的折射角往复透射率相对较低。（4 4）端角反射）端角反射n超声波在两个平面构成的直角内的反射称为端角反射，如图超声波在两个平面构成的直角内的反射称为端角反射，如图247247所示。所示。n在端角反射中超声波经历了两次反射，如不考虑波型转换，在端角反射中超声波经历了两次反射，如不考虑波型转换，第二次反射回波与入射波互相平行，回波声压第二次反射回波与入射波互相平行，回波声压P Pa a与入射波与入射波声压声压P P0 0之比称为端角反射