【文章內(nèi)容簡介】 入射波型的聲速大時 ， 折射角大于入射角 。 此時 ， 存在一個臨界入射角 ， 在這個角度下 ， 折射角等于 90176。 。 大于這一角度時 ， 第二種介質(zhì)中不再有相應波型的折射波 。 (1) 第一臨界角 。 當入射波為縱波 ， 且 cL2cL1時 ， 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 α Ⅰ 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 。 第 6章 常用無損檢測方法 (2) 第二臨界角 。 當入射波為縱波 ， 第二介質(zhì)為固體 ， 且 cS2cL1時 ， 使橫波折射角達到 90176。 的縱波入射角為第二臨界角 ， 用符號 α Ⅱ 表示 。 通常在超聲檢測中 ， 臨界角主要應用于第二介質(zhì)為固體 ， 而第一介質(zhì)為固體或液體的情況 。 這種情況下 ， 可利用入射角在第一臨界角和第二臨界角之間的范圍 ， 在固體中產(chǎn)生一定角度范圍內(nèi)的純橫波 ， 對試件進行檢測 。 第 6章 常用無損檢測方法 (3) 第三臨界角 。 第三臨界角是在固體介質(zhì)與另一種介質(zhì)的界面上 ， 用橫波作為入射波時產(chǎn)生的 。 使縱波反射角達到90176。 時的橫波入射角稱為第三臨界角 ， 用表示 α Ⅲ 。 4） 斜入射時反射波和透射波的聲壓關系較為復雜 。 但在超聲檢測中 ， 關心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的變化 。 對脈沖反射法 ， 更關心的是聲壓往返透過率隨入射角度的變化 。 第 6章 常用無損檢測方法 3. 1） 平面波入射到曲界面上時的情況如圖 611所示 。 平面波束與曲面上各入射點的法線成不同的夾角：入射角為 0176。 的聲線沿原方向返回 ， 稱為聲軸；其余聲線的反射角則隨著距聲軸距離的增大而增大 。 當曲面是球面時 ， 反射線或其延長線匯聚于一個焦點上；反射面為圓柱面時 ， 反射線或其延長線匯聚于一條焦線上 。 此時 ， 焦距 F與曲面曲率半徑 r的關系為 2rF ? （ 619） 第 6章 常用無損檢測方法 圖 平面波入射至曲面時的反射 第 6章 常用無損檢測方法 2） 平面波在曲面上的折射 平面波入射到曲面上時 ， 其折射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散 ， 如圖 612所示 。 這時折射波的聚焦或發(fā)散不僅與曲面的凹凸有關 ， 而且與界面兩側介質(zhì)的聲速有關 。 對于凹面 ， c1c2時聚焦 ， c1c2時發(fā)散；對于凸面 ， c1c2時聚焦 ， c1c2時發(fā)散 。 折射后的焦距 F為 121ccrF??（ 620） 第 6章 常用無損檢測方法 圖 612 平面波在曲面上的折射 第 6章 常用無損檢測方法 1. 理想的圓盤聲源是指圓形平面的聲振動源 ， 當它沿平面法線方向振動時 ， 其面上各點的振動速度幅值和相位都相同 ， 發(fā)射的波稱為活塞波 。 圓盤聲源發(fā)出的聲場 ， 由于聲源尺寸有限 ， 必然在其邊緣發(fā)生衍射效應使聲束向周圍空間擴散 ， 形成一個隨距離增大而波陣面面積不斷擴大的擴散聲束 。 另一方面 ， 聲源上各點發(fā)出的聲波相互干涉又使得聲壓的空間分布不是隨距離單調(diào)變化的 。 因此 ， 對圓盤聲源聲場中聲壓分布的描述非常復雜 。 從圓盤聲源的對稱性來分析 ， 通過圓盤中心且垂直于盤面的直線應是聲場的對稱軸 ， 稱為圓盤聲源軸線 。 討論圓盤聲源的聲場將從聲壓沿軸線的分布以及聲束擴散的特性著手 。 第 6章 常用無損檢測方法 1) 根據(jù)疊加原理 ， 圓盤聲源軸線上任何一點處的聲壓等于聲源上各點輻射的聲壓在該點的疊加 。 如果聲源發(fā)出的波為連續(xù)簡諧波 ， 并假定介質(zhì)為無衰減的液體介質(zhì) ， 則可推出聲源軸上聲壓幅值 P的分布符合下式： ??????????????????? xxDPP 220 4πs i n2?（ 621） 式中： P0為聲源的起始聲壓； D為圓盤聲源的直徑； λ為傳聲介質(zhì)中聲波的波長； x為圓盤聲源軸線上某一點距聲源的距離 。 第 6章 常用無損檢測方法 圖 613 圓盤聲源軸線上的聲壓分布 第 6章 常用無損檢測方法 由式 (621)，經(jīng)數(shù)學推導，可以得到最后一個聲壓極大值點距聲源距離的表達式： 442 ?? ??DN （ 622） 當 Dλ 時 ， λ /4可以忽略 ， 從而得到近場長度的簡化計算公式如下 ， 可用于實際工作中近場長度的估算： ?42DN ?（ 623） 再看圖 613中遠場區(qū)部分的特點 ， 圖中標有 “ P球 ” 的虛線為球面波聲壓隨距離的變化曲線 ， 可以看出 ， 距離大于 3N 以后 ， 圓盤聲源聲軸上的聲壓幅值變化與球面波的曲線非常接近 。 這一結論也可通過式 (621)導出 。 第 6章 常用無損檢測方法 當 4λ x/D23，也就是 x3N時，式（ 621）可簡化為 xSPxDPP?? 020 4π ?? （ 624） 式中： S=πD2/4為圓盤聲源的面積 。 聲壓幅值與距聲源的距離成反比 ， 正是球面波的聲壓幅值的變化規(guī)律 。 第 6章 常用無損檢測方法 2） 指向性與擴散角研究的是聲束在空間擴散的規(guī)律 。 同樣根據(jù)疊加原理 ， 可將在空間中距聲源有一定距離的任一點的聲壓 ， 看做是聲源上各點的輻射聲壓的疊加 (見圖 614)， 從而得到聲場內(nèi)聲壓幅值的分布情況 ， 如圖 615所示 。 第 6章 常用無損檢測方法 圖 614 圓盤聲源遠場中任一點的聲壓推導 第 6章 常用無損檢測方法 圖 615 圓盤聲源聲場指向性示意圖 第 6章 常用無損檢測方法 超聲場中超聲波的能量主要集中于以聲軸為中心的某一角度范圍內(nèi) ， 這一范圍稱為主聲束 。 這種聲束集中向一個方向輻射的性質(zhì)叫做聲場的指向性 。 在主聲束角度范圍以外還存在一些能量很低的 、 只分布于聲源附近的副瓣聲束 。 主聲束所包含的角度范圍可由距聲源充分遠處的聲壓分布得到 。 設 Rs為圓形聲源的半徑 ， r為空間任一點 M到聲源中心的距離 ， θ為 M點與聲源中心的連線與聲源軸線的夾角 。 當滿足條件 r3R2s/λ， 也就是 r3N時 ， 聲壓幅值的表達式為 ???????????s i n)s i n(2),(ss10kRkRJrSPrP （ 625） 式中： J1為第一類第一階貝塞爾函數(shù)； S為聲源面積。 第 6章 常用無損檢測方法 根據(jù)上式可知 ， 距聲源充分遠處的任一橫截面上 ， 以聲源軸線上的聲壓為最高 。 這是超聲檢測中對缺陷定位的依據(jù) 。 同時 ， 存在偏離軸線的若干個角度 θ上的聲壓的幅值為零 。 將遠場中第一個聲壓為零的角度 ， 稱為指向角或半擴散角 ， 以θ0表示為 D?? i n0 ?（ 626） 指向角是代表主聲束范圍的角度 ， 反映了聲束的定向集中程度 ， 也反映了聲束隨距離擴散的快慢 。 指向角越大 ， 則聲束指向性越差 ， 聲束擴散越快 。 由式 (626)可看出 ， 聲源的直徑越大 ， 波長越短 ， 則聲束指向角越小 ， 指向性越好 。 第 6章 常用無損檢測方法 圖 616 圓盤聲源非擴散區(qū)示意圖 第 6章 常用無損檢測方法 當 λ D時，式 (626)可簡化為 )ra d( D?? ?（ 627） 由于超聲能量主要集中于主聲束 ， 對于圓形晶片 ， 可以認為在距聲源一定距離內(nèi) ， 超聲能量未逸出以晶片直徑所約束的范圍 ， 聲束直徑小于晶片直徑 。 這一距離之內(nèi)就稱為非擴散區(qū) ， 如圖 616所示 。 非擴散區(qū)之外 ， 則稱為擴散區(qū) 。 按幾何關系 ， 可得到非擴散區(qū)的長度 b為 Nb ? (628) 第 6章 常用無損檢測方法 3) 簡化計算時假定聲源是均勻 、 連續(xù)激發(fā)的 ， 而實際探頭多是非均勻激發(fā)的脈沖波源；簡化計算時假定介質(zhì)是液體介質(zhì) ， 實際檢測對象