超聲波檢測(cè)相關(guān)知識(shí)(編輯修改稿)
2025-05-27 06:51 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 即 t=Pt/P0。 單一平界面的反射率與透射率 ? 在界面兩側(cè)的聲波，必須符合下列兩個(gè)條件： （ 1）界面兩側(cè)的總聲壓相等，即 p0+pr=pt。（相位關(guān)系，力平衡） （ 2）界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值相等，即（ p0pr）/Z1=pt/Z2（能量平衡） ? 由上述兩邊界條件和聲壓反射率、透射率定義得： ? 解上述聯(lián)立方程得聲壓反射率 r和透射率 t分別為： ???????21 /)1(1ZtZrtr??????????????ZZZpptZZZZpprtr22021202單一平界面的反射率與透射率 ? 界面上反射波聲強(qiáng) Ir與入射波聲強(qiáng) I0之比稱為聲強(qiáng)反射率，用 R表示。 界面上透射波聲強(qiáng) It與入射波聲強(qiáng) I0之比稱為聲強(qiáng)透射率，用 T表示。 ? 超聲波垂直入射到平界面上時(shí)，聲壓或聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。由以上幾式可以導(dǎo)出： T+R=1 tr=1 212122202120120)(22ZZZZrPPZPZPIIR rrr???????2212120221120220 )(422ZZZZPPZZZPZPIIT ttt??????討論： 當(dāng) Z2Z1時(shí)，如水 /鋼 當(dāng) Z1Z2時(shí)，如鋼 /水 當(dāng) Z1Z2時(shí)，（如鋼 /空氣界面） 當(dāng) Z1≈Z2時(shí)，如普通碳鋼焊縫的母材與填充金屬之間 單一平界面的反射率與透射率 )()(422212122122012120?????????????????????????ZZZZTrRZZZPPtZZZZPPrtr22122012120????????????????????????RTrRZZZPPtZZZZPPrtr0000 000 122012120????????????????ZZZPPtZZZZPPrtr099 99 )(522122012120???????????????????????????RTrRZZZPPtZZZZPPrtr單一平界面的反射率與透射率 ? 以上討論為超聲波縱波垂直到單一平界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射率和透射率 ? 同樣適用于橫波入射的情況，但必須注意的是在固體 /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。 八 超聲波傾斜入射到界面時(shí)的反射和折射 波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律 ? 當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會(huì)產(chǎn)生不同類型的反射和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換 圖 6 聲波傾斜入射示意圖 波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律 ? 1．縱波斜入射 ? 當(dāng)縱波 L傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生反射縱波 L′和折射縱波 L″外，還會(huì)產(chǎn)生反射橫波 S′和折射橫波 S″，如前圖所示。各種反射波和折射波方向符合反射、折射定律(snell定律）： 111s in39。s ins inLLLLLLccc??? ??波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律 由于在同一介質(zhì)中縱波波速不變，因此 。又由于在同一介質(zhì)中縱波波速大于橫波波速，因此 （ 1）第一臨界角 αⅠ ： （ 2）第二臨界角 αⅡ ： LL??? ?,L s L S? ? ? ?????112a r c s in LLcc? ?90L? ??90S? ??圖 7 臨界角示意圖 21ar cs inSLII cc??波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律 ? 由 αⅠ 和 αⅡ 的定義可知： ? ① α αⅠ 時(shí)，第二介質(zhì)中既有折射縱波 L″又有折射橫波 S″。 ? ② αⅠ ～ αⅡ 時(shí)，第二介質(zhì)中只有折射橫波 S″，沒(méi)有折射縱波 L″，這就是常用橫波探頭制作和橫波檢測(cè)的原理。 ? α ≥αⅡ 時(shí)，第二介質(zhì)中既無(wú)折射縱波 L″，又無(wú)折射橫波S″。這時(shí)在其介質(zhì)的表面存在表面波 R，這就是常用表面波探頭的制作原理。 ? 例如，縱波傾斜入射到有機(jī)玻璃 /鋼界面時(shí)，有機(jī)玻璃中cL1=2730m/s，水中 cL1=1480m/s，鋼中： cL2=5900m/s，cS2=3230m/s。則第一、二臨界角分別為： 波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律 αⅠ αⅡ 由此可見(jiàn)有機(jī)玻璃橫波探頭楔塊角度 有機(jī)玻璃表面波探頭楔塊角度 ≥ 度 。 2 7 .6 ~ 5 7 .7L? ? ? ?122730a r c s i n a r c s i n 2 7 . 65900LLcc? ? ? ?122730a r c s in a r c s in 5 7 . 73230LSCC? ? ? ?波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律 ? 2．橫波斜入射 ? 當(dāng)橫波傾斜入射到界面時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換。 入射角增加到一定程度時(shí)， =90176。 ,在第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒(méi)有反射縱波，即橫波全反射，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的橫波入射角稱為第三臨界角，用 αⅢ 表示 αⅢ 對(duì)于鋼： cL1=5900m/s， CS1=3230m/s ， αⅢ 當(dāng) ≥176。 時(shí)，鋼中橫波全反射。 L??11a r c s in SLcc?113230a r c s i n a r c s i n 3 3 . 25900SLCC? ? ?S?波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律 ? 在實(shí)際的橫波斜探頭探傷中，入射到工件中的橫波斜射到與探測(cè)面平行的底面，對(duì)底面的橫波入射角都大于第三臨界角，故不會(huì)出現(xiàn)反射縱波；如射到不平行探測(cè)面的反射面上，則橫波入射角有可能小于第三臨界角，從而出現(xiàn)反射縱波與反射橫波同時(shí)存在的情況，如圖所示示例。 ? 圖 8 橫波入射產(chǎn)生變形縱波 端角反射 ? 超聲波在兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射稱為端角反射，如圖 9所示。 ? 在端角反射中超聲波經(jīng)歷了兩次反射，如不考慮波型轉(zhuǎn)換，第二次反射回波與入射波互相平行，回波聲壓 Pa與入射波聲壓 P0之比稱為端角反射率，用 T端表示，即 T端＝ Pa/ P0。 ? 圖 10為鋼空氣界面上鋼中的端角反射率與入射角的關(guān)系圖。圖 (a)是縱波入射端角的情況，端角反射率大都很低，這是因?yàn)榭v波在端角的兩次反射中分離出較強(qiáng)的橫波。 圖 9 端角反射示意圖 端角反射 ? 圖 b是橫波入射端角的情況，入射角等于 30176。 或 60176。 附近時(shí)，端角反射率最低。入射角在 35176。 ～ 55176。 之間時(shí)，端角反射率達(dá) 100％。也就是說(shuō)，橫波斜探頭的折射角 βS為 35176。 ～ 55176。 （ K＝ tgβS＝ ～ ）之間時(shí)，探測(cè)類似端角的缺陷（例如焊縫中的未焊透）靈敏度較高，βS＞ 55176。 （ K＞ ）靈敏度較低。 圖 10 端角反射率與入射角的關(guān)系 九 超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波衰減。 ? 衰減的原因 波束擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收 在聲波的傳播過(guò)程中，隨著傳播距離的增大，聲波的聲束不斷擴(kuò) 展增大，因此單位面積上的聲能 (或聲壓 )隨距離的增大而減弱，這種衰減稱為擴(kuò)散衰減。 ? 擴(kuò)散衰減僅取決于波陣面的幾何形狀而與傳播介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。在遠(yuǎn)離聲源的聲場(chǎng)中，球面波的聲壓 P與至聲源距離 a成反比 (即 P∝ 1/a)，而柱面波則為 P∝ (1/a)1/2。對(duì)于平面波，聲能 (或聲壓 )不隨傳播距離而變化，不存在擴(kuò)散
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