超聲波探傷幻燈片課件第二章超聲波探傷物理基礎(chǔ)(編輯修改稿)
2025-02-03 09:48 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 P0 (I0) Z1 Z2 Pr (Ir) Pt (It) 第一介質(zhì) 第二介質(zhì) 聲壓反射率： r = Pr / P0 聲壓透射率： t = Pt / P0 界面兩側(cè)的聲波必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件： 1）界面兩側(cè)的總聲壓相等 Pr＋ P0＝ Pt 2）界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值相等 μ0 – μr = μt 由 μ＝ P/Z (P0 Pr) / Z1= Pt / Z2 由以上兩個(gè)條件可得： 1＋ r = t (1r) / Z1= t / Z2 2112ZZZZr???2122ZZZt?? 聲強(qiáng)反射率： R= = r = ( ) 聲強(qiáng)透射率： T= = t – r =1 T+R=1 下面討論幾種常見(jiàn)界面上聲壓和聲強(qiáng)的反射和透射情況 Ir I0 2 2 Z2Z1 Z1+Z2 It I0 4Z1Z2 (Z1+Z2) 2 ? （ 1） 當(dāng) Z2 Z1 如水 /鋼 r = (Z2Z1) / (Z1+Z2)0,反射聲壓 Pr 和入射聲壓 P0同相位，界面上入射波和反射波疊加形成駐波，合成聲壓最大 Pr＋ P0 水 /鋼界面： r = R= t = T= 平面波垂直到水 /鋼界面 (Z2＞ Z1) ? （ 2）當(dāng) Z1 Z2 如鋼 /水 r = (Z2Z1) / (Z1+Z2)0,反射聲壓 Pr 和入射聲壓 P0相位相反，入射波和反射波合成聲壓振幅減小 鋼 /水界面： r =－ R= t = T= 超聲波垂直入射到某一界面時(shí)的聲強(qiáng)反射率與透射率與從何種介質(zhì)入射無(wú)關(guān)。 平面波垂直到鋼 /水界面 (Z1＞ Z2) ? （ 3）當(dāng) Z1Z2 如鋼 /空氣 鋼 /空氣界面： r ≈ 1 t ≈ 0 t –r =1 R ≈ 1 T ≈ 0 R+T=1 表明：當(dāng)入射波聲阻抗遠(yuǎn)大于透射波介質(zhì)聲阻抗時(shí)，聲壓反射率趨于－ 1，透射率趨于 0，聲壓幾乎全反射，無(wú)透射。 探傷中，探頭與工件間如不施加耦合劑，則形成固 /氣界面，超聲波無(wú)法進(jìn)入工件。 ? （ 4）當(dāng) Z1≈ Z2 如鋼和焊縫 r ≈0 t ≈ 1 R ≈ 0 T ≈ 1 超聲波垂直入射的聲阻抗相差很近的界面時(shí)，幾乎全透射，無(wú)反射。 在焊縫探傷中，母材和填充焊縫金屬，聲阻抗非常接近，若沒(méi)有任何缺陷，是不會(huì)產(chǎn)生界面回波的。 ? 以上討論的超聲波縱波垂直入射到第一平界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射率和透射率公式同樣適用于橫波入射的情況，但必須注意的是在橫波入射到固體 /液體或固體 /氣體界面上，橫波全反射。因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。 例：超聲波垂直入射至水 /鋼界面，已知水的聲速 CL1=1500m/s,密度為1000kg/m3，鋼中聲速CL2=5900m/s, Cs2=3230m/s,密度為 7800kg/m3，試計(jì)算界面聲壓反射率 r、聲壓投射率 t、聲強(qiáng)反射率 R和聲強(qiáng)透射率 T？ ? 解： 根據(jù)聲阻抗定義： Z=ρc 水的聲阻抗： Z1= ρ1cL1 = 1000kg/m3 1500m/s ＝ 鋼的聲阻抗： Z2= ρ2cL2 = 7800kg/m3 5900m/s ＝ 2112ZZZZr???smkg ?? 26 /smkg ?? 27 /2122ZZZt??22112 )(ZZZZR???22121)(4ZZZZT??? 167。 7－ 2 薄層界面的反射率與透射率 薄層：耦合層、缺陷薄層 Z3 Z2 Z1 d2 d2 超聲波脈沖寬度 d2 ≈ 超聲波脈沖寬度 均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層 (Z1=Z3≠Z2) 222222222s i n)1(4112s i n)1(41????dmmdmmr????2222 2s i n)1(4111?? dmmt???聲壓反射率和聲壓透射率與 有關(guān)。 （ 1）當(dāng) r≈0,t ≈1 即薄層厚度為其半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí) ,超聲波全透射 ,幾乎無(wú)反射 ,好象不存在異質(zhì)薄層一樣 . （ 2）當(dāng) r≈1,t ≈0 即當(dāng)異質(zhì)薄層厚度等于其四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí) ,聲壓透射率最低 ,聲壓反射率最高 . 22?d222??? nd4)12( 22???? nd鋼和鋁中氣隙、水隙聲壓透射率 dfcfcdd ??? ???? 2/22鋼和鋁中氣隙、水隙聲壓反射率 （ 1）當(dāng) f＝ 1MHZ時(shí)，鋼中厚度為 d= mm的氣隙幾乎 100％反射。兩塊緊貼在一起的十分精密的鋼塊之間的間隙也有 mm?？梢?jiàn)超聲波對(duì)檢測(cè)含有氣體介質(zhì)的裂紋等面積型缺陷的靈敏度是很高的。 （ 2）當(dāng)材料中的氣隙或水隙厚度一定時(shí)，頻率增加，聲壓反射率隨著增加。 例：對(duì)鋼中氣隙 d= mm時(shí)， f=1MHz,r=20%； f=5MHz,r=60% 提高超聲波探傷頻率對(duì)于提供探傷靈敏度是有利的 。 510?510?510?710?710?? 薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面 (Z1 ≠ Z3≠Z2) 例如：晶片－保護(hù)膜－工件； 有機(jī)玻璃－耦合層－工件 薄層的聲強(qiáng)透射率 T為： 2222231222223131 2s i n)(2c o s)(4???? dZZZZdZZZZT????22222312222231312s i n)(2c o s)(4???? dZZZZdZZZZT????（ 1） 當(dāng) 時(shí)， 當(dāng)薄層厚度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí) ,通過(guò)薄層的聲強(qiáng)透射率與薄層的性質(zhì)無(wú)關(guān) 。 （ 2） 當(dāng) 時(shí)，且 當(dāng)薄層厚度等于四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí) ,聲強(qiáng)透射率等于 1，超聲波全透射。 這對(duì)于直探頭保護(hù)膜設(shè)計(jì)具有重要的理論指導(dǎo)意義。 222 ?nd ? 23131)(4ZZZZT??4)12( 22 ??? nd 312 ZZZ ??1)(42231231 ???ZZZZZZT167。 7－ 3聲壓往復(fù)透射率 ? 在超聲波單探頭檢測(cè)中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。探頭發(fā)出的超聲波透過(guò)界面進(jìn)入工件，在固 /氣界面產(chǎn)生全反射后再次通過(guò)同一界面被探頭接收。這時(shí)探頭接收到的回波聲壓 Pa與入射波聲壓 P0之比，稱(chēng)為 聲壓往復(fù)透射率 T往 P0 Pt Pt Pa Z1 Z2 Z空氣 =0 往復(fù)透射率高，探傷靈敏度高，反之，探傷靈敏度低。 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)入射到界面無(wú)關(guān)。 界面兩側(cè)的介質(zhì)聲阻抗相差愈小，聲壓往復(fù)透射率就愈
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