【正文】 分貝的噪音為例 ， 在一百米處 ， 仍然可以聽到 81分貝的噪音 （ 以上標(biāo)準(zhǔn)會(huì)因環(huán)境的差異有所不同 ， 并非絕對(duì)值 ） 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 第一章 超聲波檢測 )dB(II0l g1II)dB(pp20 l gpp21212121 ??? 在實(shí)際應(yīng)用過程中，超聲波的幅度或強(qiáng)度也用相同的方法即分貝表示，定義： IL 2m2222112121 cVcpcAI m ???? ???分貝差 第 6章 常用無損檢測方法 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(diǎn)的波高之比等于相應(yīng)的聲壓之比，二者的分貝差 若對(duì)二者取自然對(duì)數(shù)，則其單位為奈培 NP： 奈培與分貝的關(guān)系為： )dB(HH20l gpp20l g2121 ???)NP(HHlnppln2121 ???實(shí)際檢測時(shí)，常按此式 計(jì)算超聲波探傷儀示波 頻上任意兩個(gè)波高的分 貝差。 第一章 超聲波檢測 1 15 N dB8 6d N P??第 6章 常用無損檢測方法 聲波在介質(zhì)中的傳播是由其聲學(xué)參量 （ 聲速 、 聲阻抗 、 聲衰減系數(shù)等 ） 決定的 ， 因此需要研究介質(zhì)的聲參量 。 聲阻抗 Z 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，任一點(diǎn)的聲壓 p與該點(diǎn)速度振幅 V之比叫聲阻抗 Z，單位： g/()； kg/()。 聲阻抗表示聲場中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。在同一聲壓下，介質(zhì)的聲阻抗越大，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度就越小。實(shí)驗(yàn)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。 二、 介質(zhì)的聲參量 VpZ ? 第一章 超聲波檢測 效聲壓與通過該點(diǎn)的有效質(zhì)點(diǎn)速度的比值。又可用介質(zhì)的密度與聲速的乘積來表示。聲波經(jīng)均質(zhì)性介質(zhì)時(shí)基本按直線持續(xù)傳播； 聲波經(jīng)兩種介質(zhì)時(shí)，其聲阻抗差超過 %即產(chǎn)生聲學(xué)界面，引起反射 。脈沖反射式超聲診斷儀顯示的人體組織斷面聲像，實(shí)質(zhì)上是人體組織中聲阻抗差別的空間分布圖。 第 6章 常用無損檢測方法 聲速表示聲波在介質(zhì)中傳播的速度 ， 它與超聲波的波型有關(guān) ， 但更依賴于傳聲介質(zhì)自身的特性 。 因此 ， 聲速又是一個(gè)表征介質(zhì)聲學(xué)特性的參量 。 了解受檢材料的聲速 ， 對(duì)于缺陷的定位和定量分析都有重要的意義 。 聲速又可分為 相速度和群速度 。 相速度：聲波傳播到介質(zhì)的某一選定的相位點(diǎn)時(shí) ， 在傳播方向上的聲速； 群速度：在傳播聲波的 包絡(luò)面 上，具有某種特性（如幅值最大）的點(diǎn)上，聲波在傳播方向上的速度。 群速度是波群的能量傳播速度。 非頻散介質(zhì)中， 相速度等于群速度。 第一章 超聲波檢測 相速度隨頻率變化而變化的現(xiàn)象被稱為 頻散 。 第 6章 常用無損檢測方法 （ 1） 縱波 、 橫波和表面波的聲速 。 縱波 、 橫波和表面波的聲速主要是由介質(zhì)的彈性性質(zhì) 、 密度和泊松比決定的 ， 而與頻率無關(guān) ，即它們各自的相速度和群速度相同 ， 因此一般說到它們的聲速都是指相速度 。 不同材料聲速值有較大的差異 。 在給定的材料中 ， 頻率越高 ， 波長越短 。 同一固體介質(zhì)中 ， 縱波聲速 cL大于橫波聲速 cs， 橫波聲速 cs又大于表面波聲速 cr。 對(duì)于鋼材 ， cL ≈， cs≈。 （ 2） 板波的聲速 。 板波的聲速與其他波型不同 ， 其相速度隨頻率變化而變化 ， 具有頻散特性 。 幾種不同波形的聲速 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 （ 1） 液體中的聲速： （ 2） 無限固體介質(zhì)中的縱波聲速： （ 3） 無 限 固體介質(zhì)中的橫波聲速： 幾種不同介質(zhì)中的聲速 第一章 超聲波檢測 ?KcL ?)21)(1()1(???????? EcL)1(2 ??? ???EGcSK ——液 體的體積彈性模量， MPa； E—— 固 體的楊氏彈性模量， MPa ； G—— 固 體的剪切彈性模量， MPa 。 聲速的一般表達(dá)式 密度彈性率聲速 ?第 6章 常用無損檢測方法 聲衰減系數(shù) a 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) ， 隨著傳播距離的增加能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做 超聲波的衰減 。 在傳聲介質(zhì)中 ， 單位距離內(nèi)某一頻率下聲波能量的衰減值叫做該頻率下該介質(zhì)的 衰減系數(shù) a， 單位為 dB/m或 dB/cm。 引起衰減的原因主要有三個(gè)方面：一是聲束的擴(kuò)散；二是由于材料中的晶?；蚱渌⑿☆w粒引起聲波的散射；三是介質(zhì)的吸收 。 ?????吸收衰減散射衰減擴(kuò)散衰減聲衰減有三種類型 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 （ 1）擴(kuò)散衰減：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，因波前在逐漸擴(kuò)展，從而導(dǎo)致聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波的擴(kuò)散衰減。它主要取決于波陣面的幾何形狀，與傳播介質(zhì)無關(guān)。 平面波不存在擴(kuò)散衰減，而球面波和柱面波有擴(kuò)散衰減現(xiàn)象。 （ 2）散射衰減：散射是由于物質(zhì)的不均勻產(chǎn)生的，不均勻材料含有聲阻抗急劇變化的界面，在這兩種物質(zhì)的界面上，將產(chǎn)生聲波的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，必然導(dǎo)致聲能的降低。 （ 3）吸收衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦、熱傳導(dǎo)、引起的聲波能量減弱的現(xiàn)象，叫做超聲波的吸收衰減。 固體介質(zhì)中，吸收衰減相對(duì)于散射衰減幾乎可忽略不計(jì)，但對(duì)液體介質(zhì)，吸收衰減是主要的衰減方式。 在超聲檢測中 ， 談到超聲波在材料中的衰減時(shí) ， 通常關(guān)心的是散射衰減和吸收衰減 ， 而不包括擴(kuò)散衰減 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 一 、 超聲波在無限大介質(zhì)中傳播時(shí) ， 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(shí) ，會(huì)產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象 。 第三節(jié) 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 超聲波垂直入射于平界面的反射與透射 當(dāng)超聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)， 一部分能量透過界面進(jìn)入第二種介質(zhì)，成為透射波 (聲強(qiáng)為 It)， 波的傳播方向不變；另一部分能量則被界面反射回來，沿與入射波相反的方向傳播，成為反射波 (聲強(qiáng)為 Ir)。 聲波的這一性質(zhì)是超聲波檢測缺陷的物理基礎(chǔ)。 單一界面 當(dāng)超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時(shí)，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 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(xué)表達(dá)式為： 12120rZZZZppr????1220t 2ZZZppt???式中： Z Z2分別為兩種介質(zhì)的聲阻抗。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 為了研究反射波和透射波的能量關(guān)系 ， 引入 聲強(qiáng)反射率 R和 聲強(qiáng)透射率 T兩個(gè)量 。 R為反射波聲強(qiáng) (Ir)和入射波聲強(qiáng) (I0)之比； T為透射波聲強(qiáng) (It)和入射波聲強(qiáng) (I0)之比 。 2121220r?????????????ZZZZrIIR? ? 21221202210t 4ZZZZPZPZIIT t???? 第一章 超聲波檢測 聲波垂直入射到平界面上時(shí)，聲壓和聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。 第 6章 常用無損檢測方法 在垂直入射時(shí) ， 界面兩側(cè)的聲波必須滿足兩個(gè)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(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)； （ 2） 兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)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(qiáng)與其反射率 、 透射率的計(jì)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?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 薄層界面 在進(jìn)行超聲檢測時(shí) ， 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 。 第一章 超聲波檢測 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(jìn)入聲阻抗為 Z3的第三介質(zhì) 。 當(dāng)然在有三層介質(zhì)時(shí) ， 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 ） 。 在兩個(gè)界面上的反射和透射 d2 第 6章 常用無損檢測方法 （ 1） 當(dāng)?shù)谝?、 三介質(zhì)為同一介質(zhì)時(shí) )2(s)m1(m4111t)2(s)m1(m411)2(s)m1(m41r222222222222??????dindindin????透射率反射率由上兩式可知： 愈大。愈小，時(shí)，即當(dāng)最大，時(shí)，）（當(dāng)，時(shí)，當(dāng)trtrntrn4d0d0412d102d2222????????????? 第一章 超聲波檢測 12ZZm ?第 6章 常用無損檢測方法 由上式可知：往復(fù)透射率為工件等情況，此時(shí)聲壓耦合劑或晶片工件，保護(hù)薄膜層，如晶片，即非均勻介質(zhì)中的薄）當(dāng)（)2(s i n)()2(c o s)(4ZZZ22222231222223131321???? dZZZZdZZZZt??????????2313122 )(42d ZZZZtn???? 時(shí)，當(dāng)? 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(shí)，通過薄層的聲壓往復(fù)透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān)。 第一章 超聲波檢測 超聲波測厚 1412d 31222?????tZZZn 時(shí)，有時(shí)，且）（當(dāng) ?此時(shí)為全透射的情況。 復(fù)透射率愈大。時(shí)，薄層愈薄，聲壓往當(dāng) 4d 22 ??第 6章 常用無損檢測方法 二 、 超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射 當(dāng)超聲波相對(duì)于界面入射點(diǎn)法線以一定的角度傾斜入射到兩種不同介質(zhì)的界面上時(shí) ， 在界面上會(huì)產(chǎn)生 反射 、 折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象 。 入射聲波與入射點(diǎn)法線之間的夾角稱為 入射角 。 光的折射是由于光在不同介質(zhì)的傳播速度不同而引起的 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 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 s?L?s?L? 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 S1sL1L s i ns i ncc?? ? 反射 當(dāng)縱波以入射角 αL傾斜入射到異質(zhì)界面上時(shí) ， 將會(huì)在介質(zhì)1中于入射點(diǎn)法線的另一側(cè)產(chǎn)生與法線成一定夾角 的反射縱波 。 稱為 反射角 。 入射縱波與反射縱波之間的關(guān)系符合幾何光學(xué)的反射定律 ， 即 αL= 。 與光的反射不同的是 ， 當(dāng)介質(zhì) 1為固體時(shí) ， 界面上既產(chǎn)生反射縱波 ， 同時(shí)又發(fā)生波型轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生反射橫波 ， 即反射后同時(shí)產(chǎn)生縱波與橫波兩種波型 。 這時(shí) ， 橫波反射角 與縱波入射角之間的關(guān)系與光學(xué)中的斯涅耳定律相同 ， 為 L?L?S? 第一章 超聲波檢測 L?第 6章 常用無損檢測方法 第一章 超聲波檢測 斯涅耳定律 Snell39。s Law(光的折射定律）：光入射到不同介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射和折射。其中入射光和折射光位于同一個(gè)平面上，并且與界面法線的夾角滿足如下關(guān)系： n1sinθ