【正文】 1） 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 ， 聲速又是一個表征介質(zhì)聲學(xué)特性的參量 。 了解受檢材料的聲速 ， 對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 。 相速度是指聲波傳播到介質(zhì)的某一選定相位點時在傳播方向上的聲速 。 群速度是指傳播聲波的包絡(luò)上具有某種特征 （ 如幅值最大 ） 的點上沿傳播方向上的聲速 。 群速度是波群的能量傳播速度 。 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又大于瑞利波聲速 cr。 對于鋼材 ， 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 。 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 2） 超聲波的衰減指的是超聲波在材料中傳播時 ， 聲壓或聲能隨距離的增大逐漸減小的現(xiàn)象 。 引起衰減的原因主要有三個方面：一是聲束的擴散；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 。 在超聲檢測中 ， 談到超聲波在材料中的衰減時 ， 通常關(guān)心的是散射衰減和吸收衰減 ， 而不包括擴散衰減 。 對于平面波來說 ， 聲壓幅值衰減規(guī)律可用下式表示： xpp ??? e0 （ 610） 第 6章 常用無損檢測方法 介質(zhì)中超聲波的衰減系數(shù) α 與超聲波的頻率關(guān)系密切 ， 通常情況下 ， 衰減系數(shù)隨頻率的增高而增大 。 將式 (610)兩邊取對數(shù)可轉(zhuǎn)換為以下關(guān)系式： )dB/ m m(lg201 0ppx??（ 611） 此時 ， 的單位為 dB／ mm(分貝／毫米 )。 在超聲檢測中 ， 直接可測量的量是兩個聲壓比值的分貝數(shù) 。 因此衰減系數(shù)可通過超聲波穿過一定厚度 （ Δ x） 材料后聲壓衰減的分貝 （ Δ dB） 數(shù)進行測量 ， 將衰減量 (Δ dB)除以厚度即為衰減系數(shù) α 。 第 6章 常用無損檢測方法 1. 超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射 如圖 67所示 ， 當(dāng)超聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的界面時 ， 一部分能量透過界面進入第二種介質(zhì) ， 成為透射波 (聲強為 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 (聲強為 Ir)。 聲波的這一性質(zhì)是超聲波檢測缺陷的物理基礎(chǔ) 。 第 6章 常用無損檢測方法 圖 67 超聲波垂直入射于平界面的反射與透射 第 6章 常用無損檢測方法 通常將反射波聲壓 Pr與入射波聲壓 P0的比值稱為聲壓反射率 r， 將透射波聲壓 Pt和 P0的比值稱為聲壓透射率 t。 可以證明 ， r和 t的數(shù)學(xué)表達式為： 12120rZZZZppr???? （ 612） 1220t 2ZZZppt???（ 613） 式中： Z1為第一種介質(zhì)的聲阻抗； Z2為第二種介質(zhì)的聲阻抗。 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 ， 引入聲強反射率 R和聲強透射率 T兩個量 。 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????（ 614） （ 615） 第 6章 常用無損檢測方法 對于脈沖反射技術(shù)來說 ， 還有一個有意義的量是聲壓往返透過率 ， 如圖 68所示 。 通常入射聲壓經(jīng)過兩種介質(zhì)的界面透射到試件中后 ， 均需經(jīng)過相反的路徑 （ 假設(shè)在工件底面的反射為全反射 ） 再次穿過界面到第一介質(zhì)中才被探頭所接收 。 兩次穿透界面時透射率的大小 ， 決定著接收信號的強弱 。 因此 ， 將聲壓沿相反方向兩次穿過界面時總的透射率稱為聲壓往返透過率 (tp)， 其數(shù)值等于兩次穿透界面的透射率的乘積 ， 由式 （ 613） 可得 ? ? 2212121p4ZZZZttt????（ 616） 第 6章 常用無損檢測方法 圖 68 聲壓往返透過率 第 6章 常用無損檢測方法 2. 超聲波垂直入射到多層界面上時的反射和透射 在超聲檢測中經(jīng)常遇到超聲波進入第二種介質(zhì)后 ， 穿過第二種介質(zhì)再進入第三種介質(zhì)的情況 。 如圖 69所示 ， 當(dāng)超聲波從介質(zhì) 1（ 聲阻抗為 Z1） 中垂直入射到介質(zhì) 1和介質(zhì) 2（ 聲阻抗為 Z2） 的界面上時 ， 一部分聲能被反射 ， 另一部分透射到介質(zhì) 2中；當(dāng)透射的聲波到達介質(zhì) 2和介質(zhì) 3（ 聲阻抗為 Z 3）的界面時 ， 再次發(fā)生反射與透射 ， 其反射波部分在介質(zhì) 2中傳播至介質(zhì) 2與介質(zhì) 1的界面 ， 則又會發(fā)生同樣的過程 。 如此不斷地繼續(xù)下去 ， 則在兩個界面的兩側(cè) ， 產(chǎn)生一系列的反射波與透射波 。 第 6章 常用無損檢測方法 圖 69 在兩個界面上的反射和透射 第 6章 常用無損檢測方法 3. 超聲波傾斜入射到平界面上的反射 、 折射和波型變換 當(dāng)超聲波相對于界面入射點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 ， 在界面上會產(chǎn)生反射 、 折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象 ， 見圖 610。 入射聲波與入射點法線之間的夾角稱為入射角 。 第 6章 常用無損檢測方法 圖 610 (a) 縱波入射； (b) 橫波入射 第 6章 常用無損檢測方法 1) 反射 如圖 610（ a） 所示 ， 當(dāng)縱波以入射角 αL傾斜入射到異質(zhì)界面上時 ， 將會在介質(zhì) 1中于入射點法線的另一側(cè)產(chǎn)生與法線成一定夾角 αL′的反射縱波 。 反射波與入射點法線之間的夾角稱為反射角 。 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=αL′。 與光的反射不同的是 ， 當(dāng)介質(zhì) 1為固體時 ， 界面上既產(chǎn)生反射縱波 ， 同時又發(fā)生波型轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生反射橫波 ， 即反射后同時產(chǎn)生縱波與橫波兩種波型 。 這時 ， 橫波反射角 α S′ 與縱波入射角之間的關(guān)系與光學(xué)中的斯奈爾定律相同 ， 為 S1sL1L s i ns i ncc?? ??（ 617） 第 6章 常用無損檢測方法 若入射聲波為橫波 ， 也會產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象 ， 見圖 610（ b)， 這時橫波入射角 α S與橫波反射角 α S′ 相等 。 介質(zhì) 1為固體時縱波反射角與橫波入射角之間的關(guān)系為 L1LS1S s i ns i ncc?? ??（ 618） 由于固體中縱波聲速總是大于橫波聲速，因此，無論是縱波入射還是橫波入射，均有 。當(dāng)介質(zhì) 1為液體或氣體時，則入射波和反射波只能為縱波。 SL ?? ???第 6章 常用無損檢測方法 2） 當(dāng)兩種介質(zhì)聲速不同時 ， 透射部分的聲波會發(fā)生傳播方向的改變 ， 稱為折射 。 不論是縱波入射還是橫波入射 ， 只要介質(zhì)2為固體 ， 則介質(zhì) 2中除有與入射波相同波型的折射波外 ， 均可因在界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生與入射波不同波型的折射波 。 這時 ， 介質(zhì) 2中可能同時存在縱波與橫波 (見圖 610)。 折射角與入射角之間的關(guān)系符合斯奈爾定律 。 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 β L要大于橫波折射角 β S。 第 6章 常用無損檢測方法 3） 當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)中的折射波型的聲速比第一種介質(zhì)中