超声检测技术-ppt课件.ppt

1、1超声检测技术超声检测技术(UT)2一一. . 什么是超声波什么是超声波1 超声检测的基础知识人耳能够听到的机械波，人耳能够听到的机械波，频率在频率在16Hz20kHz之间，称为声波。人耳之间，称为声波。人耳听不到的机械波，频率听不到的机械波，频率高于高于20kHz的称为超声的称为超声波；频率低于波；频率低于16Hz的的称为次声波。频率在称为次声波。频率在310831011Hz之之间的称为微波。超声波间的称为微波。超声波的频率越高，就越接近的频率越高，就越接近光学的反射、折射等特光学的反射、折射等特性。性。3超声波无损探伤超声波无损探伤：利用超声波对材料中的宏观缺陷进行探测，：利用超声波对材料

2、中的宏观缺陷进行探测，依据是声波通过材料时能量会有损失，在遇到两种介质的分依据是声波通过材料时能量会有损失，在遇到两种介质的分界面时，会发生反射等，常用的频率为界面时，会发生反射等，常用的频率为0.525MHz。1 超声检测的基础知识41 超声检测的基础知识n超声波检测过程为：超声波检测过程为：用某种方式向被检测试件中引入或激励超声波；用某种方式向被检测试件中引入或激励超声波；超声波在试件中传播并与试件材料和其中的物体相超声波在试件中传播并与试件材料和其中的物体相互作用，使其传播方向或特征改变；互作用，使其传播方向或特征改变；改变后的超声波有通过检测设备被检测到，并对其改变后的超声波有通过检测

3、设备被检测到，并对其进行分析处理；进行分析处理；根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部存在的缺陷的特征。存在的缺陷的特征。5n用于发现缺陷并进行评估的基本信息：用于发现缺陷并进行评估的基本信息：来自材料内部各种不连续的反射信号的存在及其幅度；来自材料内部各种不连续的反射信号的存在及其幅度；入射信号与接收信号之间的声传播时间；入射信号与接收信号之间的声传播时间；声波通过材料以后能量的衰减。声波通过材料以后能量的衰减。1 超声检测的基础知识6n优点： 适用于金属、非金属、复合材料等材料及制件的无损评价适用于金属、非金属、复合材料等材料及制件的无损评

4、价； 穿透力强，可对较大厚度范围（如，几米长的钢锻件）的试穿透力强，可对较大厚度范围（如，几米长的钢锻件）的试件内部缺陷进行检测；件内部缺陷进行检测； 灵敏度高，可检测很小的缺陷；灵敏度高，可检测很小的缺陷； 可较准确地测定缺陷的深度位置；可较准确地测定缺陷的深度位置； 设备轻便，对人体及环境无害，可作现场检测。设备轻便，对人体及环境无害，可作现场检测。1 1 超声检测的基础知识超声检测的基础知识7n局限性局限性l 纵波脉冲反射法存在盲区，缺陷走向对检测灵敏度有影响，纵波脉冲反射法存在盲区，缺陷走向对检测灵敏度有影响，对位于表面和近表面的某些缺陷常常难于检测；对位于表面和近表面的某些缺陷常常难

5、于检测；l 试件形状复杂、表面粗糙、曲率半径小等对超声检测实施有试件形状复杂、表面粗糙、曲率半径小等对超声检测实施有较大影响；较大影响；l 材料的某些内部缺陷，如晶粒度、非均匀性、非密致性等会材料的某些内部缺陷，如晶粒度、非均匀性、非密致性等会使缺陷检测的灵敏度和信噪比变差；使缺陷检测的灵敏度和信噪比变差；l 对缺陷作定性、定量表征的准确性依赖操作者的经验；对缺陷作定性、定量表征的准确性依赖操作者的经验；l 需要耦合剂。需要耦合剂。1 超声检测的基础知识8超声清洗1 超声检测的基础知识9清洗液中导入超声清洗液中导入超声波，产生空化、声波，产生空化、声流、辐射压，这些流、辐射压，这些效应使污物被

6、机械效应使污物被机械剥离，并促进污物剥离，并促进污物与清洗液的化学反与清洗液的化学反应应超声清洗机理超声清洗机理1 超声检测的基础知识10超声清洗设备组成超声振子1 超声检测的基础知识11超声塑料焊接1 超声检测的基础知识12超声金属焊接1 超声检测的基础知识13超声加工1 超声检测的基础知识14超声搪锡1 超声检测的基础知识15超声聚焦刀1 超声检测的基础知识16 二二. . 描述超声波的基本物理量描述超声波的基本物理量超声波的产生依赖于做高频机械振动的超声波的产生依赖于做高频机械振动的“声源声源”和传播机和传播机械振动的弹性介质，所以械振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测的物理基机

7、械振动和波动是超声检测的物理基础础。 描述超声波波动特性的描述超声波波动特性的基本物理量有：基本物理量有： 声速声速c、频率、频率f、波、波长长、周期、周期T 、角频率、角频率。其中频率和周期是由波源决定的，声。其中频率和周期是由波源决定的，声速与传声介质的特性和波型有关。速与传声介质的特性和波型有关。 这些量之间的关系如下：这些量之间的关系如下： cfT211 超声检测的基础知识17 三三. . 超声波的特点超声波的特点 超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测。其能广泛应用于无损检测。 1) 1) 方向性好方

8、向性好 超声波具有像光波一样定向束射的特性。超声波具有像光波一样定向束射的特性。 2 2）穿透能力强穿透能力强 对于大多数介质而言，它具有较强的穿透对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。 3 3）能量高能量高 超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。波的能量远大于声波的能量。 4）遇有界面时，将）遇有界面时，将产生反射、折射和波型的转换产生反射、折射和波型的转换。利用超。利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声声波在

9、介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。 1 超声检测的基础知识18 四四. . 超声波的分类超声波的分类超声波的分类方法很多，主要有：按介质质点的振超声波的分类方法很多，主要有：按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系分类，即动方向与波的传播方向之间的关系分类，即按波型按波型分类；分类；按波振面的形状分类，即按波振面的形状分类，即按波形按波形分；按振动的持续时间分；按振动的持续时间分类等。其中，按波型是研究超声波在介质中传播规律分类等。其中，按波型是研究超声波在介质中传播规律的重要理论依据，将着重讨论

10、。的重要理论依据，将着重讨论。 1 超声检测的基础知识191 超声检测的基础知识201. 1. 超声波的波型超声波的波型超声波的超声波的波型指的是介质质点的振动方向与波的传播方向波型指的是介质质点的振动方向与波的传播方向的关系的关系。按波型可分为纵波、横波、表面波和板波等。按波型可分为纵波、横波、表面波和板波等。 （1 1） 纵波纵波。介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的。介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波，波叫纵波，用用L L表示表示。介质质点在交变拉压应力的作用下，质。介质质点在交变拉压应力的作用下，质点之间产生相应的伸缩变形，从而形成了纵点之间产生相应的伸缩变形，从而形

11、成了纵波。纵波传播时，波。纵波传播时，介质的质点疏密相间，所以纵波有时又称为压缩波或疏密波。介质的质点疏密相间，所以纵波有时又称为压缩波或疏密波。纵波是超声检测中应用最普遍的一种波型，也是唯一在液体、纵波是超声检测中应用最普遍的一种波型，也是唯一在液体、气体、固体中均可传播的波型。由于其反射和接收容易实现，气体、固体中均可传播的波型。由于其反射和接收容易实现，在应用时常采用纵波声源经波型转换得到其它波型。在应用时常采用纵波声源经波型转换得到其它波型。 1 超声检测的基础知识21纵波纵波 1 超声检测的基础知识22（2 2） 横波横波。介质中质点的振动方向垂直于波的传。介质中质点的振动方向垂直于

12、波的传播方向的波叫横波，播方向的波叫横波，用用S S或或T T表示表示。横波的形成是由于。横波的形成是由于介质质点受到交变切应力作用时，介质质点受到交变切应力作用时， 产生了切变形变，产生了切变形变，所以所以横波又叫做切变波横波又叫做切变波。液体和气体介质不能传播切。液体和气体介质不能传播切应力，只有固体介质能够承受切应力，因而应力，只有固体介质能够承受切应力，因而横波只能横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。横波速度通常为纵波声速的一半。实际检测中常用横横波速度通常为纵波声速的一半。实际检测中常用横波的主要原因是，通过波型转换，很容

13、易在材料中得波的主要原因是，通过波型转换，很容易在材料中得到一个传播方向与表面有一定倾角的单一波型，以对到一个传播方向与表面有一定倾角的单一波型，以对不平行于表面的缺陷进行检测。不平行于表面的缺陷进行检测。1 超声检测的基础知识23横波横波 1 超声检测的基础知识24（3 3） 表面波（瑞利波）表面波（瑞利波）。表面波是仅在半无限大固体介质。表面波是仅在半无限大固体介质的表面或与其它介质的界面及其附近传播而不深入到固体内部的表面或与其它介质的界面及其附近传播而不深入到固体内部传播的波型的总称。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，传播的波型的总称。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，因此因此表面

14、波又称为瑞利波，表面波又称为瑞利波， 常常用用R表示表示。 瑞利波传播时随着穿瑞利波传播时随着穿透深度的增加，质点振动能量下降很快，通常认为其穿透深度透深度的增加，质点振动能量下降很快，通常认为其穿透深度约为一个波长，因此，它只能用来检测表面和近表面缺陷，且约为一个波长，因此，它只能用来检测表面和近表面缺陷，且对表面裂纹有很高的灵敏度。对表面裂纹有很高的灵敏度。1 超声检测的基础知识25（4 4） 板波（兰姆波）。在板厚和波长相当的弹性薄板板波（兰姆波）。在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波叫板波中传播的超声波叫板波( (或兰姆波或兰姆波) )。板波传播时声场遍及整。板波传播时声场遍及整个

15、板的厚度。个板的厚度。 薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合，薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合， 质点振动的轨迹为一椭圆，在薄板的中间也有超声波传播。质点振动的轨迹为一椭圆，在薄板的中间也有超声波传播。板波按其传播方式又可分为对称型（板波按其传播方式又可分为对称型（S S型）和非对称型（型）和非对称型（A A型）型）两种，这是由质点相对于板的中间层作对称两种，这是由质点相对于板的中间层作对称型还是非对称型型还是非对称型运动来决定的。运动来决定的。 1 超声检测的基础知识26板波板波(a) 对称型；对称型； (b) 非对称型非对称型 1 超声检测的基础知识272. 2. 超声波的波形超声

16、波的波形超声波由声源向周围传播的过程可用超声波由声源向周围传播的过程可用波阵面波阵面进行描述。进行描述。 在无限大且各向同性的介质中，振动向各方向传播，在无限大且各向同性的介质中，振动向各方向传播， 用波线用波线表示传播的方向；表示传播的方向；将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面称为波阵面所连成的面称为波阵面；某一时刻振动传播到达的距声源最远；某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面称为的各点所连成的面称为波前波前。在各向同性介质中波线垂直于波。在各向同性介质中波线垂直于波阵面。在任何时刻，波前总是距声源阵面。在任何时刻，波前总是距声源

17、最远的一个波阵面。最远的一个波阵面。 波波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。前只有一个，而波阵面可以有任意多个。 1 超声检测的基础知识28波线、波线、 波前与波阵面波前与波阵面(a) 平面波；平面波； (b) 柱面波；柱面波； (c) 球面波球面波 1 超声检测的基础知识29根据波阵面的形状根据波阵面的形状( (波形波形) )，可将超声波分为平面波、柱面，可将超声波分为平面波、柱面波和球面波等。波和球面波等。 平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵面为同轴圆平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵面为同轴圆柱面，球面波的波阵面为同心球面，如图所示。当声源是一个柱面，球面波的波阵面为同心球

18、面，如图所示。当声源是一个点时，在各向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。点时，在各向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。 可可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。 当当声源的尺寸远小声源的尺寸远小于测量点距声源的距离时，可以把超声波看成于测量点距声源的距离时，可以把超声波看成是球面波。是球面波。 球面波的波动方程为球面波的波动方程为 )(coscxtxAy1 超声检测的基础知识303. 3. 连续波与脉冲波连续波与脉冲波 连续波连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波脉冲波

19、是是质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波。对脉质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波。对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率。和中心频率。 1 超声检测的基础知识31一一. .超声场的物理量超声场的物理量: :声压、声强声压、声强1. 1. 声压声压当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时

20、所具有的压强中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的之差称为该点的声压，用声压，用P表示表示,即即 )Pa(01PPP2 超声场及介质的声参量简介32对于平面余弦波，对于平面余弦波， 可以证明：可以证明： cVcxtAcxtVcxtPP)(sinc)(sinc)(sinmm式中：为介质的密度式中：为介质的密度; ;c c为介质中的声速；为介质质点的为介质中的声速；为介质质点的角角频率频率；V V为介质质点振动的为介质质点振动的振幅振幅； 为质点振动速度的幅为质点振动速度的幅值；值；t t为时间

21、；为时间；x x为质点距声源的距离；为质点距声源的距离； 为声压幅值。为声压幅值。由上式可知：超声场中某一点的声压幅值由上式可知：超声场中某一点的声压幅值Pm与角频率成正与角频率成正比，也就与频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于声波比，也就与频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于声波的频率，故超声波的声压一般也远大于声波的声压。的频率，故超声波的声压一般也远大于声波的声压。 AVmcAP m2 超声场及介质的声参量简介33 2. 2. 声强声强单位时间内垂直通过单位面积的单位时间内垂直通过单位面积的声能声能，称为声强，用，称为声强，用I I表表示。示。 对于平面纵波，其声对于平面纵波，其

22、声强强I为为 ZPZVcAI2m2m22212121由上式可知，超声场中，声强与角频率平方成正比。由于超声由上式可知，超声场中，声强与角频率平方成正比。由于超声波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于探伤波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于探伤的重要依据。的重要依据。 2 超声场及介质的声参量简介34 3. 3. 分贝的概念分贝的概念实际探伤中，将声强实际探伤中，将声强I I1 1与与I I2 2之比取对数的之比取对数的1010倍得到二者相差倍得到二者相差的数量级，这时单位为的数量级，这时单位为分贝，用分贝，用dB表示，即表示，即 )dB(lg1021II有有 m2m1

23、21lg20lg10PPII式中：式中： Pm1、 Pm2分别为声强分别为声强I1、 I2对应的声压幅值。对应的声压幅值。 2 超声场及介质的声参量简介35对于线性良好的超声波探伤仪，示波屏上波高与声压成正对于线性良好的超声波探伤仪，示波屏上波高与声压成正比比，即任意两波高，即任意两波高H1、H2之比等于相应的声压之比等于相应的声压Pm1、Pm2之比，之比， 即即 dBlg20lg20212mm1HHPP2 超声场及介质的声参量简介36 二二. . 介质的声参量介质的声参量1. 1. 声速声速声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型有声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型有关

24、，但更依赖于传声介质自身的特性。因此，声速又是一个表关，但更依赖于传声介质自身的特性。因此，声速又是一个表征介质声学特性的参量。了解受检材料的声速，对于缺陷的定征介质声学特性的参量。了解受检材料的声速，对于缺陷的定位和定量分析都有重要的意义。位和定量分析都有重要的意义。 声速又可分为声速又可分为相速度相速度和和群速度群速度。相速度是指声波传播到介。相速度是指声波传播到介质的某一选定相位点时在传播方向上的声速。群速度是指传播质的某一选定相位点时在传播方向上的声速。群速度是指传播声波的包络上具有某种特征（如幅值最大）的点上沿传播声波的包络上具有某种特征（如幅值最大）的点上沿传播方向方向上的声速。上

25、的声速。 群速度是波群的能量传播速度。群速度是波群的能量传播速度。 2 超声场及介质的声参量简介37（1）纵波、横波和表面波的声速）纵波、横波和表面波的声速。纵波、横波和表面波。纵波、横波和表面波的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的，而的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的，而与频率无关，即它们各自的相速度和群速度相同，因此一般与频率无关，即它们各自的相速度和群速度相同，因此一般说到它们的声速都是指相速度。不同材料声速值有较大的差说到它们的声速都是指相速度。不同材料声速值有较大的差异。异。 在给定的材料中，频率越高，波长越短。在给定的材料中，频率越高，波长越短。 同一固体

26、介质中，纵波声速同一固体介质中，纵波声速c1大于横波声速大于横波声速cs，横波声速，横波声速cs又大于瑞利波声速又大于瑞利波声速cr。对于钢材，。对于钢材，c1 1.8cs，cs1.1cr。（2 2） 板波的声速板波的声速。板波的声速与其他波型不同，其相。板波的声速与其他波型不同，其相速度随频率变化而变化。相速速度随频率变化而变化。相速度随频率变化而变化的现象被度随频率变化而变化的现象被称为频散。称为频散。 2 超声场及介质的声参量简介38 2. 2. 声阻抗声阻抗 介质中某一点的声压幅值介质中某一点的声压幅值P Pm m与该处质点振动速度幅值与该处质点振动速度幅值V Vm m之之比，称为声阻

27、抗，常用比，称为声阻抗，常用Z Z表示。在同一声压下，声阻抗表示。在同一声压下，声阻抗Z Z愈大，愈大，质点的振动速度就愈小。质点的振动速度就愈小。声阻抗表示超声场中介质声阻抗表示超声场中介质对质点振动对质点振动的阻碍作用。的阻碍作用。cVPZmm39 3. 3. 声衰减系数声衰减系数超声波的衰减指的是超声波在材料中传播时，声压或声超声波的衰减指的是超声波在材料中传播时，声压或声能随距离的增大逐渐减小的现象。能随距离的增大逐渐减小的现象。引起衰减的原因主要有三引起衰减的原因主要有三个方面个方面：一是声束的扩散；二是由于材料中的晶粒或其他微：一是声束的扩散；二是由于材料中的晶粒或其他微小颗粒引起

28、声波的散射；三是介质的吸收。小颗粒引起声波的散射；三是介质的吸收。 在超声检测中，谈到超声波在材料中的衰减时，通常关在超声检测中，谈到超声波在材料中的衰减时，通常关心的是散射衰减和吸心的是散射衰减和吸收衰减，而不包括扩散衰减。收衰减，而不包括扩散衰减。 对于平面对于平面波来说，波来说， 声压幅值衰减规律可用下式表示：声压幅值衰减规律可用下式表示： xppe02 超声场及介质的声参量简介40介质中超声波的衰减系数介质中超声波的衰减系数与超声波的频率关系密切，与超声波的频率关系密切， 通常情况下，通常情况下，衰减系数随频率的增高而增大衰减系数随频率的增高而增大。 将上式两边取对数可转换为以下关系式

29、：将上式两边取对数可转换为以下关系式： )dB/mm(lg2010ppx此时此时的单位为的单位为dBdBmm(mm(分贝毫米分贝毫米) )。在超声检测中，直接可测量的量是两个声压比值的分贝数。在超声检测中，直接可测量的量是两个声压比值的分贝数。 因此衰减系数可通过超声波穿过一定厚度（因此衰减系数可通过超声波穿过一定厚度（x x）材料后声压衰）材料后声压衰减的分贝（减的分贝（dBdB）数进行测量，将衰减量）数进行测量，将衰减量(dB)(dB)除以除以厚度即为厚度即为衰减系数衰减系数。 2 超声场及介质的声参量简介41一一. . 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波垂直入射到平界面上的反射和

30、透射当超声波垂直入射到两种介质的界面时，一部分能量透过当超声波垂直入射到两种介质的界面时，一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波界面进入第二种介质，成为透射波(声强为声强为It)， 波的传播方向波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为反射波向传播，成为反射波(声强为声强为Ir)。声波的这一性质是超声波检。声波的这一性质是超声波检测缺陷的物理基础。测缺陷的物理基础。 3 超声波在介质中的传播特性42超声波垂直入射于平界面的反射与透射 3 超声波在介质中的传播特性43通常将反射波声压通常将反射波声压P

31、r与入射波声压与入射波声压P0的比值称为的比值称为声压反射声压反射率率r，将透射波声压，将透射波声压Pt和和P0的比值称为的比值称为声压透射率声压透射率t。可以证明，。可以证明， r和和t的数学表达式为：的数学表达式为： 12120rZZZZppr1220t2ZZZppt式中：式中： Z1为第一种介质的声阻抗；为第一种介质的声阻抗； Z2为第二种介质的声阻抗。为第二种介质的声阻抗。 3 超声波在介质中的传播特性44为了研究反射波和透射波的为了研究反射波和透射波的能量关系能量关系，引入声强反射率，引入声强反射率R和声强透射率和声强透射率T两个量。两个量。R为反射波声强为反射波声强(Ir)和入射波

32、声强和入射波声强(I0)之之比；比；T为透射波声强为透射波声强(It)和入射波声强和入射波声强(I0)之比。之比。 2121220rZZZZrIIR21221202210t4ZZZZPZPZIITt3 超声波在介质中的传播特性界面两侧声阻抗差异越大，界面两侧声阻抗差异越大，反射声能越大，透射声能反射声能越大，透射声能越小。越小。因此有利于检测裂因此有利于检测裂纹等有空气隙的缺陷，这纹等有空气隙的缺陷，这也是超声检测通常要使用也是超声检测通常要使用耦合剂的原因。耦合剂的原因。当缺陷的声阻抗接近基体当缺陷的声阻抗接近基体材料时，则不易被检出。材料时，则不易被检出。453 超声波在介质中的传播特性Z

33、1Z2r=-0.935t=0.065Z2Z1r=0.935t=1.93546对于脉冲反射技术来说，还有一个有意义的量是声压往返对于脉冲反射技术来说，还有一个有意义的量是声压往返透过率，如图所示。通常入射声压经过两种介质的界面透射到透过率，如图所示。通常入射声压经过两种介质的界面透射到试件中后，均需经过相反的路径（假设在工件底面的反射为全试件中后，均需经过相反的路径（假设在工件底面的反射为全反射）再次穿过界面到第一介质中才被探头所接收。反射）再次穿过界面到第一介质中才被探头所接收。 两次穿两次穿透界面时透射率的大小，决定着接收信号的强弱。因此，透界面时透射率的大小，决定着接收信号的强弱。因此，

34、将将声压沿相反方向两次穿过界面时总的透射率称为声声压沿相反方向两次穿过界面时总的透射率称为声压往返透过压往返透过率率(tp)，其数值等于两次穿透界面的透射率的乘积其数值等于两次穿透界面的透射率的乘积2212121p4ZZZZttt3 超声波在介质中的传播特性47声压往返透过率 3 超声波在介质中的传播特性48 二二. . 超声波超声波垂直入射垂直入射到薄层界面上时的反射和透射到薄层界面上时的反射和透射在超声检测中经常遇到超声波进入第二种介质后，穿过在超声检测中经常遇到超声波进入第二种介质后，穿过第二种介质再进入第三种介质的情况。当超声波从介质第二种介质再进入第三种介质的情况。当超声波从介质1

35、1（声（声阻抗为阻抗为Z Z1 1）中垂直入射到介质）中垂直入射到介质1 1和介质和介质2 2（声阻抗为（声阻抗为Z Z2 2）的界面）的界面上时，上时， 一部分声能被反射，另一部分透射到介质一部分声能被反射，另一部分透射到介质2 2中；当透中；当透射的声波到达介质射的声波到达介质2 2和介质和介质3 3（声阻抗为（声阻抗为Z Z3 3）的界面时，再次）的界面时，再次发生反射与透射，其反射波部分在介质发生反射与透射，其反射波部分在介质2 2中传播至介质中传播至介质2 2与介与介质质1 1的界面，则又会发生同样的过程。如此不断地继续下去，的界面，则又会发生同样的过程。如此不断地继续下去，则在两个

36、界面的两侧，产生一系列的反射波与透射则在两个界面的两侧，产生一系列的反射波与透射波。波。 3 超声波在介质中的传播特性49在两个界面上的反射和透射3 超声波在介质中的传播特性 d250当当Z Z1 1 = = Z Z3 3时时2222222222222sin141112sin14112sin141dmmtdmmdmmr其中：其中：21ZZm 3 超声波在介质中的传播特性51。1,0,222trnd。最大0,41222trnd。，trdd22243 超声波在介质中的传播特性讨论：讨论：523 超声波在介质中的传播特性当当 时时2222231222231312sin2cos4dZZZZdZZZZt

37、p321ZZZ53。23131224,2ZZZZtndp。，且141231222ptZZZnd。，ptdd22243 超声波在介质中的传播特性与与Z2无关无关超声检测时，若试件超声检测时，若试件表面较平整，则应尽表面较平整，则应尽量减少涂耦合剂，并量减少涂耦合剂，并施加压力使耦合剂层施加压力使耦合剂层很薄，保证信号幅度很薄，保证信号幅度的稳定性。的稳定性。54三三. . 超声波超声波倾斜入射倾斜入射到平界面上的反射、到平界面上的反射、 折射和波型变换折射和波型变换当超声波相对于界面入射点法线以一定的角度倾斜入射到当超声波相对于界面入射点法线以一定的角度倾斜入射到两种不同介质的界面上时，在界面上

38、会产生反射、折射和波型两种不同介质的界面上时，在界面上会产生反射、折射和波型转换现象。入射声波与入射点法线之间的夹转换现象。入射声波与入射点法线之间的夹角称为入射角。角称为入射角。 3 超声波在介质中的传播特性55超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换(a) 纵波入射；纵波入射； (b) 横波入射横波入射 3 超声波在介质中的传播特性56 1. 1. 反射反射 如图所示，当纵波以入射角如图所示，当纵波以入射角L倾斜入射到异质界面上时，倾斜入射到异质界面上时，将会在介质将会在介质1中与入射点法线的另一侧产生与法线成一定夹角中与入射点法线的另一

39、侧产生与法线成一定夹角L的反射纵波。的反射纵波。 反射波与入射点法线之间的夹角称为反射角。反射波与入射点法线之间的夹角称为反射角。入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何光学的反射定律，即入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何光学的反射定律，即L=L。与光的反射不同的是，当介质与光的反射不同的是，当介质1 1为固体时，界面上既产生为固体时，界面上既产生反射纵波，同时又发生波型转换并产生反射横波，即反射后同反射纵波，同时又发生波型转换并产生反射横波，即反射后同时产生纵波与横波两种波型。这时，时产生纵波与横波两种波型。这时，横波反射角横波反射角S S与纵波与纵波入入射角之间的关系与光学中的斯奈尔定律相同

40、射角之间的关系与光学中的斯奈尔定律相同，为，为 S1sL1Lsinsincc3 超声波在介质中的传播特性57若入射声波为横波，也会产生同样的现象，见图（若入射声波为横波，也会产生同样的现象，见图（b)b)， 这时横波入射角这时横波入射角S S与横波与横波反射角反射角S相等相等。介质。介质1为固体时纵为固体时纵波反射角与横波入射角之间的关系为波反射角与横波入射角之间的关系为 L1LS1Ssinsincc由于固体中纵波声速总是大于横波声速，因此，无论是纵波入由于固体中纵波声速总是大于横波声速，因此，无论是纵波入射还是横波入射，均有。射还是横波入射，均有。当介质当介质1为液体或气体时，为液体或气体时

41、，则入射波和反射波只能为纵波。则入射波和反射波只能为纵波。 SL3 超声波在介质中的传播特性58 2. 2. 折射折射当两种介质声速不同时，透射部分的声波会发生传播方向当两种介质声速不同时，透射部分的声波会发生传播方向的改变，称为折射。不论是纵波入射还是横波入射，只要介质的改变，称为折射。不论是纵波入射还是横波入射，只要介质2 2为固体，为固体， 则介质则介质2 2中除有与入射波相同波型的折射波外，均中除有与入射波相同波型的折射波外，均可因在界面发生波型转换而产生与入射波不同波型的折射波。可因在界面发生波型转换而产生与入射波不同波型的折射波。 这时，介质这时，介质2 2中可能同时存在纵波与横波

42、。折射角与入射角之中可能同时存在纵波与横波。折射角与入射角之间的关系符合斯奈尔定律。间的关系符合斯奈尔定律。 折射角相对于入射角的大小和折射波声速与入射波声速的折射角相对于入射角的大小和折射波声速与入射波声速的比率有关。同时，由于纵波比率有关。同时，由于纵波声速总是大于横波声速，因此声速总是大于横波声速，因此纵波纵波折射角折射角L要大于横波折射角要大于横波折射角S。 3 超声波在介质中的传播特性59 3. 3. 临界角临界角当第二种介质中的折射波型的声速比第一种介质中入射波当第二种介质中的折射波型的声速比第一种介质中入射波型的声速大时，折射角大于入射角。此时，存在一个临界入射型的声速大时，折射

43、角大于入射角。此时，存在一个临界入射角，在这个角度下，折射角等于角，在这个角度下，折射角等于9090。大于这一角度时，第二。大于这一角度时，第二种介质中不再有相应波型的折射波。种介质中不再有相应波型的折射波。 (1) (1) 第一临界角第一临界角。当入射波为纵波，且。当入射波为纵波，且c cL2L2 c cL1L1时，时，使纵波使纵波折射角达到折射角达到9090的纵波入射的纵波入射角称为第一临界角角称为第一临界角，用符号，用符号表表示。当纵波入射角大于第一临界角时，第二介质中不再有折射示。当纵波入射角大于第一临界角时，第二介质中不再有折射纵波。纵波。 3 超声波在介质中的传播特性12arcsi

44、nLLcc60(2) (2) 第二临界角第二临界角。当入射波为纵波，第二介质为固体，。当入射波为纵波，第二介质为固体， 且且c cS2S2 c cL1L1时，使横波折射角达到时，使横波折射角达到9090的纵波入射角为第二临界的纵波入射角为第二临界角，用符号角，用符号表示。表示。 通常在超声检测中，临界角主要应用于第二介质为固体，通常在超声检测中，临界角主要应用于第二介质为固体， 而第一介质为固体或液体的情况。这种情况下，可而第一介质为固体或液体的情况。这种情况下，可利用入射角利用入射角在第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中在第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中产生一定角产生一定角度

45、范围内的纯横波，度范围内的纯横波， 对试件进行检测。对试件进行检测。 3 超声波在介质中的传播特性12arcsinLScc61 (3) (3) 第三临界角第三临界角。第三临界角是在固体介质与另一种介质。第三临界角是在固体介质与另一种介质的界面上，用横波作为入射波时产生的。使纵波的界面上，用横波作为入射波时产生的。使纵波反射角反射角达到达到9090时的横波入射角称为第三临界角，用时的横波入射角称为第三临界角，用表示。表示。 （4 4） 斜入射时的声压反射率和透射率斜入射时的声压反射率和透射率斜入射时反射波和透射波的声压关系较为复杂。但在超声斜入射时反射波和透射波的声压关系较为复杂。但在超声检测中

46、，关心的是斜入射的反射率和透射率随入射角度的变化。检测中，关心的是斜入射的反射率和透射率随入射角度的变化。 对脉冲反射法，对脉冲反射法， 更关心的是声压往返透过率随入射角更关心的是声压往返透过率随入射角度的变度的变化。化。 3 超声波在介质中的传播特性11arcsinSLcc623 超声波在介质中的传播特性633 超声波在介质中的传播特性643 超声波在介质中的传播特性65 四四. . 超声波入射到曲界面上的反射和透射超声波入射到曲界面上的反射和透射1. 1. 平面波入射到曲界面上的反射平面波入射到曲界面上的反射平面波入射到曲界面上时的情况如图所示。平面波束与曲平面波入射到曲界面上时的情况如图

47、所示。平面波束与曲面上各入射点的法线成不同的夹角：入射角为面上各入射点的法线成不同的夹角：入射角为0的声线沿原的声线沿原方向返回，称为声轴；其余声线的反射角则随着距声轴距离的方向返回，称为声轴；其余声线的反射角则随着距声轴距离的增大而增大。当曲面是球面时，反射线或其延长线汇聚于一个增大而增大。当曲面是球面时，反射线或其延长线汇聚于一个焦点上；反射面为圆柱面时，反射线或其延长线汇聚于一条焦焦点上；反射面为圆柱面时，反射线或其延长线汇聚于一条焦线上。此时，焦距线上。此时，焦距F与曲面曲率半径与曲面曲率半径r的关系为的关系为 2rF 3 超声波在介质中的传播特性66平面波入射至曲面时的反射平面波入射

48、至曲面时的反射 3 超声波在介质中的传播特性672. 2. 平面波在曲面上的折射平面波在曲面上的折射 平面波入射到曲面上时，其折射波也将发生聚焦或发散。平面波入射到曲面上时，其折射波也将发生聚焦或发散。这时折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面这时折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面两侧介质的声速有关。对于凹面，两侧介质的声速有关。对于凹面，c c1 1 c c2 2时发散；时发散；对于凸面，对于凸面， c c1 1 c c2 2时聚焦，时聚焦，c c1 1 c c2 2时发散。时发散。 折射后的焦距折射后的焦距F为为 121ccrF3 超声波在介质中的传播特性68平

49、面波在曲面上的折射平面波在曲面上的折射 3 超声波在介质中的传播特性c1c2c1c2c1c269 一一. . 圆形压电晶片声源的声场圆形压电晶片声源的声场理想的圆盘声源是指圆形平面的声振动源，当它沿平面法理想的圆盘声源是指圆形平面的声振动源，当它沿平面法线方向振动时，其面上各点的振动速度幅值和相位都相同，线方向振动时，其面上各点的振动速度幅值和相位都相同， 发射的波称为发射的波称为活塞波活塞波。 圆盘声源发出的声场，由于声源尺寸有限，必然在其边缘圆盘声源发出的声场，由于声源尺寸有限，必然在其边缘发生衍射效应使声束向周围空间扩散，形成一个随距离增大而发生衍射效应使声束向周围空间扩散，形成一个随距

50、离增大而波阵面面积不断扩大的扩散声束。另一方面，声源上各点发出波阵面面积不断扩大的扩散声束。另一方面，声源上各点发出的声波相互干涉又使得声压的空间分布不是随距离单调变化的。的声波相互干涉又使得声压的空间分布不是随距离单调变化的。 因此，对圆盘声源声场中声压分布的描述非常复杂。从圆盘声因此，对圆盘声源声场中声压分布的描述非常复杂。从圆盘声源的对称性来分析，通过圆盘中心且垂直于盘面的直线应是声源的对称性来分析，通过圆盘中心且垂直于盘面的直线应是声场的对称轴，称为圆盘场的对称轴，称为圆盘声源轴线声源轴线。讨论圆盘声源的声场将从声。讨论圆盘声源的声场将从声压沿轴线压沿轴线的分布以及声束扩散的特性着手。