【正文】 2022/5/30 聲速的測量 ? ? （ 1）檢測儀器按時間刻度 ? （ 2）檢測儀器按深度刻度 ? ? （ 1）共振式測厚儀 ? （ 2）脈沖反射式測厚儀 ? 2022/5/30 超聲場的特征值 ? 聲壓 P：當介質(zhì)中有超聲波傳播時，由于介質(zhì)質(zhì)點振動，使介質(zhì)中壓強交替變化。超聲場中某一點在某一瞬時所具有的壓強 p1與沒有超聲波存在時同一點的靜態(tài)壓強 P0之差稱為該點的聲壓，用 p表示 ,單位為帕， Pa， )Pa(01 ppp ??2022/5/30 超聲場的特征值 ? Z ? 任一點的聲壓 p與該處質(zhì)點振動速度之比叫聲阻抗 Z，單位： g/()； kg/()。聲阻抗表示聲場中介質(zhì)對質(zhì)點振動的阻礙作用。在同一聲壓下，介質(zhì)的聲阻抗越大，質(zhì)點的振動速度就越小。 ? 實驗證明，氣體、液體與金屬之間的特性聲阻抗之比大約為 1:3000:8000。 ? Z=P/V=ρC ? 一般材料隨 溫度升高而 Z降低 。 2022/5/30 超聲場的特征值 ? 聲強 I：在超聲場的傳播方向上，單位時間內(nèi)垂直通過單位面積上的聲能叫聲強，用 I表示，單位 W/cm2。 ? I=ρcA2ω2/2=ZV2/2=P2/2Z ? 超聲波的聲強和頻率的平方成正比， ? 同一介質(zhì)中，超聲波的聲強和聲壓成正比。 2022/5/30 超聲場的特征值 ? ? 分貝的概念 ? 以引起聽覺的最弱聲強 I0=1016W/cm2為聲強標準，在聲學上稱為“聞閾”，即 f=1000Hz時引起人耳聽覺的聲強最小值。 ? 將某一聲強 I與標準聲強 I0之比取常用對數(shù)得到二者相差的數(shù)量級，稱為聲強級，聲強級的單位為貝爾 B，即 ? △ =lg(I2/ I1) 貝爾（ B） ? 在實際應(yīng)用過程中，貝爾這個單位太大，常用分貝（ dB）作為聲強級的單位。 2022/5/30 超聲場的特征值 1分貝 人類耳朵剛剛能聽到的聲音 20分貝以下 認為是安靜的， 15分貝以下 ,認為是“死寂”的 2040分貝 大約是情侶耳邊的喃喃細語 4060分貝 正常的交談聲音 60分貝以上 屬于吵鬧范圍 70分貝 很吵的，而且開始損害聽力神經(jīng) 汽車噪音介乎 80100分貝 90分貝以上 會使聽力受損 100120分貝 如無意外，一分鐘人類就得暫時性失聰（致聾） 2022/5/30 超聲場的特征值 ? 在實際應(yīng)用過程中，超聲波的幅度或強度也用相同的方法即分貝表示， )dB(II0 l g1)dB(pp2 0 l g2121 ??? △△2022/5/30 超聲場的特征值 目前市售的超聲波探傷儀，其示波屏上波高與聲壓成正比，即任意兩點的波高之比等于相應(yīng)的聲壓之比，二者的分貝差 )dB(HH2 0 l gpp2 0 l g2121 ???實際檢測時，常按此式 計算超聲波探傷儀示波 頻上任意兩個波高的分 貝差。 2022/5/30 超聲場的特征值 ? 若對二者取自然對數(shù)，則其單位為奈培 NP： ? 奈培與分貝的關(guān)系為： )NP(HHlnppln2121 ???1 1 5 N d B8 6 d N P??2022/5/30 超聲波垂直入射到界面的反射和透射 ? 超聲波在無限大介質(zhì)中傳播時，將一直向前傳播，不改變方向。但遇到異介質(zhì)界面（即聲阻抗差異較大的異質(zhì)界面）時，會產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象 當超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射波。 2022/5/30 單一平界面的反射率和透射率 ? 反射波聲壓 Pr與入射波聲壓 P0的比值稱為 聲壓反射率 r，透射波聲壓 Pt和 P0的比值稱為 聲壓透射率 t。 ? r和 t的數(shù)學表達式為： 12120rZZZZppr????1220t 2ZZZppt???式中： Z Z2分別為兩種介質(zhì)的聲阻抗。 2022/5/30 單一平界面的反射率和透射率 ? 聲強反射率 R和聲強透射率 T： R為反射波聲強(Ir)和入射波聲強 (I0)之比； T為透射波聲強 (It)和入射波聲強 (I0)之比。 2121220r?????????????ZZZZrIIR? ? 21221202210t 4ZZZZPZPZIIT t???? 聲波垂直入射到平界面上時，聲壓和聲強的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。 2022/5/30 單一平界面的反射率和透射率 ? 在垂直入射時，界面兩側(cè)的聲波必須滿足兩個邊界條件： ? （ 1）一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總聲壓，否則界面會發(fā)生運動； ? （ 2）兩側(cè)質(zhì)點速度振幅相等，以保持波的連續(xù)性。 ? 上述超聲波縱波垂直入射到單一平界面上的聲壓、聲強與其反射率、透射率的計算公式，同樣適用于橫波入射的情況。但在固液、固氣界面上，橫波將發(fā)生全反射，這是因為橫波不能在液體和氣體中傳播。 2022/5/30 單一平界面的反射率和透射率 ? 幾種情形的討論： ? （ 1） Z2＞ Z1 ? （ 2） Z1＞ Z2 ? （ 3） Z1遠大于 Z2 ? （ 4） Z1≈Z2 2022/5/30 薄層界面的反射率和透射率 ? 薄層界面 ? 在進行超聲檢測時，經(jīng)常遇到很薄的耦合層和缺陷薄層，這些都可以歸納為超聲波在薄層界面的反射和透射問題。 ? 在兩個界面上的反射和透射 d2 超聲波由聲阻抗為 Z1的第一介質(zhì)入射到 Z1和 Z2的交界面 ，然后通過聲阻抗為 Z2的第二介質(zhì)薄層射到 Z2和 Z3的交界面 ，最后進入聲阻抗為 Z3的第三介質(zhì) 。 當然在有三層介質(zhì)時 ， 很多情況是第一介質(zhì)和第三介質(zhì)為同一種介質(zhì) （ 超聲波檢測即是這種情況 ） 。 2022/5/30 異質(zhì)薄層中的波長為異質(zhì)薄層厚度m12dZZm ? 薄層界面的反射率和透射率 ? （ Z1=Z3≠Z2） )2(s)m1(m4111t)2(s)m1(m411)2(s)m1(m41r222222222222??????dindindin????透射率反射率2022/5/30 薄層界面的反射率和透射率 ? 由公式可知： ? （ 1）半波透聲層 ? （ 2）薄層厚度為 1/4波長的奇數(shù)倍時 愈大。愈小，時，即當最大，時，）（當，時，當trtrntrn4d0d0412d102d2222?????????????2022/5/30 2. 薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面 由上式可知：往復(fù)透射率為工件等情況，此時聲壓耦合劑或晶片工件，保護薄膜層，如晶片，即非均勻介質(zhì)中的薄當)2(s i n)()2(c o s)(4ZZZ2222231222223131321???? dZZZZdZZZZt??????????2313122 )(42d)1(ZZZZtn???? 時，當? 即超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層，如薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍時，通過薄層的聲壓往復(fù)透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān)。 2022/5/30 2. 薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面 1412d31222?????tZZZn有時，且時，）（當?此時為全透射的情況。 2022/5/30 聲壓往復(fù)透射率 ? 在單探頭超聲檢測中，探頭發(fā)出的超聲波透過界面進入工件，在固 氣底面產(chǎn)生全反射后再次通過同一界面被探頭接收，這時探頭接收到的回波聲壓 Pa和入射波聲壓P0之比，稱為聲壓往復(fù)透射率。 2)(42121ZZZZppppppTtoatoa????垂直入射，底面全反射的情況下，聲壓往復(fù)透射率在數(shù)值上和聲強透射率相等。 聲壓往復(fù)透射率與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，與從何種介質(zhì)入射無關(guān)，聲阻抗相差越小，聲壓往復(fù)透射率越高。 聲壓往復(fù)透射率高低直接影響檢測靈敏度高低，往復(fù)透射率高，檢測靈敏度就高。 2022/5/30 超聲波傾斜入射到界面時的反射和透射 ? 超聲波傾斜入射到界面時，除產(chǎn)生同種類型的發(fā)射和折射波外，還會產(chǎn)生不同種類型的反射和折射波，這就是 波型轉(zhuǎn)換。 2022/5/30 超聲波傾斜入射到界面時的反射和透射 超聲波傾斜入射到平界面上的反射、折射 (a) 縱波入射； (b) 橫波入射 s39。αL39。αs39。αL39。α2022/5/30 1. 縱波斜入射 ? 當縱波傾斜入射到界面時，除產(chǎn)生反射縱波和折射縱波外，還會產(chǎn)生反射橫波和折射橫波，各種反射波和折射波的方向符合反射、折射定律。 S2SL2LS139。sL139。LL1L s i ns i ns i ns i ns i nccccc??? ???? αα折射角相對于入射角的大小和折射波聲速與入射波聲速的比率有關(guān)。同時， 由于縱波聲速總是大于橫波聲速，因此縱波折射角βL要大于橫波折射角 βS。 2022/5/30 （ 1）第一臨界角 ? 當入射波為縱波，且 cL2cL1時，折射角大于入射角，使縱波折射角達到 90176。 的縱波入射角稱為第一臨界角，用符號 αⅠ 表示。 當縱波入射角大于第一臨界角時，第二介質(zhì)中不再有折射縱波，只有折射橫波 。 L2LL1L s ins incc?? ?L2L1a r c s inccI ?? ?2022/5/30 （ 2）第二臨界角 ? 當入射波為縱波，第二