【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ： n1sinθ1 = n2sinθ2 其中， n1和 n2分別是兩個(gè)介質(zhì)的折射率， θ1和 θ2分別是入射光（或折射光）與界面法線的夾角，叫做入射角和折射角。 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 若入射聲波為橫波，也會(huì)產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象，這時(shí)橫波入射角 α S與橫波反射角 相等。介質(zhì) 1為固體時(shí)縱波反射角與橫波入射角之間的關(guān)系為 L1LS1S s ins incc?? ?由于固體中縱波聲速總是大于橫波聲速，因此，無(wú)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(shí)，則入射波和反射波只能為縱波 。 SL ?? ?S? 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 當(dāng)兩種介質(zhì)聲速不同時(shí) ， 透射部分的聲波會(huì)發(fā)生傳播方向的改變 ， 稱(chēng)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(shí) ， 介質(zhì) 2中可能同時(shí)存在縱波與橫波 。 折射角與入射角之間的關(guān)系符合斯涅耳定律 。 第一章 超聲波檢測(cè) 斯涅耳定律 S2SL2LS1sL1LL1L s i ns i ns i ns i ns i nccccc????? ????折射角相對(duì)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(shí)， 由于縱波聲速總是大于橫波聲速，因此縱波折射角βL要大于橫波折射角 βS。 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 (1) 第一臨界角 α Ⅰ 。 當(dāng)入射波為縱波 ， 且 cL2cL1時(shí) ， 折射角大于入射角 ， 使縱波折射角達(dá)到 90176。 的縱波入射角稱(chēng)為第一臨界角 ， 用符號(hào) α Ⅰ 表示 。 當(dāng)縱波入射角大于第一臨界角時(shí) ，第二介質(zhì)中不再有折射縱波 ， 只有折射橫波 。 第一章 超聲波檢測(cè) L2LL1L s ins incc?? ?L2L1a r c s inccI ??第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 (2) 第二臨界角 α Ⅱ 。 當(dāng)入射波為縱波 ， 第二介質(zhì)為固體 ， 且 cS2cL1時(shí) ， 使橫波折射角達(dá)到 90176。 的縱波入射角為第二臨界角 ，用符號(hào) α Ⅱ 表示 。 通常在超聲檢測(cè)中 ， 臨界角主要應(yīng)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(duì)試件進(jìn)行檢測(cè) 。 或：第二介質(zhì)中既無(wú)折射縱波 ， 又無(wú)折射橫波 ， 介質(zhì)的表面將產(chǎn)生表面波 。 第一章 超聲波檢測(cè) S2SL1L s ins incc?? ?S2L1a r c s inccII ??第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 (3) 第三臨界角 αⅢ 。 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(shí)產(chǎn)生的 。 使縱波反射角達(dá)到 90176。時(shí)的橫波入射角稱(chēng)為第三臨界角 ， 用表示 αⅢ 。 此時(shí) ， 介質(zhì)中只存在反射橫波 。 第一章 超聲波檢測(cè) L1LS1S s ins incc?? ?L1S1a r c s inccIII ??第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 4 斜入射時(shí)的聲壓反射率和透射率 斯 涅耳反射、折射定律只討論了超聲波傾斜入射到界面上時(shí)，各種類(lèi)型反射波和折射波的傳播方向，沒(méi)有涉及它們的聲壓反射率和透射率。 斜入射時(shí)反射波和透射波的聲壓關(guān)系較為復(fù)雜。但在超聲檢測(cè)中，關(guān)心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的變化。 對(duì)脈沖反射法， 更關(guān)心的是聲壓往返透過(guò)率隨入射角度的變化。 在斜入射情況下，各種類(lèi)型反射波和折射波的聲壓反射率和透射率不僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，還與入射波的類(lèi)型及入射角的大小有關(guān)。 由于理論計(jì)算公式復(fù)雜，因此借助于公式或?qū)嶒?yàn)得到幾種常見(jiàn)界面的聲壓反射率和透射率圖，見(jiàn)圖 17~19。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 聲壓往復(fù)透射率 超聲波傾斜入射時(shí)，聲壓往復(fù)透射率等于兩次相反方向通過(guò)同一界面的聲壓透射率的乘積，即 toatoappppppT ?? 第一章 超聲波檢測(cè) 見(jiàn)圖 110。 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 端角反射 當(dāng)工件的兩個(gè)相鄰表面構(gòu)成直角，超聲波束傾斜射向任一表面，且其反射波束指向另一表面時(shí)，即構(gòu)成端角反射的情況。在這種情況下， 同類(lèi)型的反射波和入射波總是相互平行，方向相反 ；不同類(lèi)型的反射波和入射波互不平行，且難以被發(fā)射探頭接收。 第一章 超聲波檢測(cè) ??第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 三 、 平面波束與曲面上各入射點(diǎn)的法線成不同的夾角：入射角為 0176。的聲線沿原方向返回 ， 稱(chēng)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(dāng)曲面是球面時(shí) ， 反射線或其延長(zhǎng)線匯聚于一個(gè) 焦點(diǎn) 上；反射面為圓柱面時(shí) ， 反射線或其延長(zhǎng)線匯聚于一條 焦線上 。 此時(shí) ， 焦距 f 與曲面曲率半徑 r的關(guān)系為 2rf ? 第一章 超聲波檢測(cè) 平面波入射至曲面時(shí)的反射 （ a）凹面鏡（ b）凸面鏡 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 超聲波入射時(shí)，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發(fā)散。 當(dāng)曲面是球面時(shí)，反射線或其延長(zhǎng)線匯聚于一個(gè)焦點(diǎn)上。反射波波陣面為球面，凹球面的反射波好像從實(shí)焦點(diǎn)出發(fā)的球面波，凸球面的反射波好像從虛焦點(diǎn)出發(fā)的球面波。 反射面為圓柱面時(shí)，反射線或其延長(zhǎng)線匯聚于一條焦線上，稱(chēng)為 焦軸 。反射波波陣面為柱面，凹柱面的反射波好像從實(shí)焦點(diǎn)出發(fā)的柱面波，凸柱面的反射波好像從虛焦點(diǎn)出發(fā)的柱面波。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 平面波在曲面上的透射 平面波入射到曲面上時(shí) ， 其折射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散 。折射波的聚焦或發(fā)散不僅與曲面的凹凸有關(guān) ， 而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速有關(guān) 。 由斯涅耳定律 ， 對(duì)于凹面 ， c1c2時(shí)聚焦 ， c1c2時(shí)發(fā)散；對(duì)于凸面 ， c1c2時(shí)聚焦 ， c1c2時(shí)發(fā)散 。 折射后的焦距 f為 121ccrf?? 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 第一章 超聲波檢測(cè) 由斯涅耳定律 ， 對(duì)于凹面 ， c1c2時(shí)聚焦 ， c1c2時(shí)發(fā)散；對(duì)于凸面 ， c1c2時(shí)聚焦 ， c1c2時(shí)發(fā)散 。 平面波在曲面上的透射 c1＜ c2 c1＞ c2 c1＞ c2 c1＜ c2 聚焦 ? ? 發(fā)散 凹面 凹面 凸面 凸面 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 透射波陣面的形狀取決于曲界面的形狀。如曲面為球面，則透射波陣面為球面，透射波好像是從焦點(diǎn)出發(fā)的球面波；曲面為柱面時(shí)，則透射波好像是從焦軸出發(fā)的柱面波。 聲束發(fā)散，將使按原擴(kuò)散角擴(kuò)散的聲束更加發(fā)散，指向性變差，聲能損失增加，中心軸線上聲壓降低。 聲束聚焦，使得聲能更為集中，中心軸線上聲壓增強(qiáng)，聲束指向性更加改善，對(duì)提高檢測(cè)靈敏度和分辨率均有利。 因此在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，有時(shí)在探頭晶片前加裝聲透鏡，使透過(guò)的聲束聚焦，水浸聚焦探頭就是一例。 3 水浸聚焦探頭是根據(jù)平面波入射到 c1c2的凸曲面上時(shí)透射波將產(chǎn)生聚焦的原理設(shè)計(jì)制作的。 聚焦探頭中的聲透鏡，如果為球面，將獲得點(diǎn)聚焦；如果為柱面，將獲得線聚集。目前在實(shí)際檢測(cè)中，線聚焦多用于機(jī)械化自動(dòng)檢測(cè)，點(diǎn)聚焦多用于人工檢測(cè)。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 一 、 超聲檢測(cè)中使用的超聲波探頭 ， 主要部件是用壓電材料做的壓電晶片 ， 壓電晶片的兩表面涂有導(dǎo)電銀層作為電極 ， 使晶片表面上各點(diǎn)都具有相同的電位 。 將晶片接于高頻電源時(shí) ， 晶片兩面便以相同的相位產(chǎn)生拉伸或壓縮效應(yīng) ， 發(fā)射超聲波的晶片恰如活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)一樣輻射出聲能 。 因此它相當(dāng)于一個(gè)活塞聲源 ， 通常將直探頭所產(chǎn)生的超聲場(chǎng)作為圓形活塞聲源來(lái)處理 。 理想的圓盤(pán)聲源是指圓形平面的聲振動(dòng)源 ， 當(dāng)它沿平面法線方向振動(dòng)時(shí) ， 其面上各點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值和相位都相同 ， 發(fā)射的波稱(chēng)為 活塞波 。 第四節(jié) 第一章 超聲波檢測(cè) 壓電效應(yīng)的原理是，如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱(chēng)之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)（機(jī)械振動(dòng)），這就是我們平常所說(shuō)的超聲波信號(hào)。也就是說(shuō)，壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能 。 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 圓盤(pán)聲源發(fā)出的聲場(chǎng) ， 由于聲源尺寸有限 ， 必然在其邊緣發(fā)生衍射效應(yīng)使聲束向周?chē)臻g擴(kuò)散 ， 形成一個(gè)隨距離增大而波陣面面積不斷擴(kuò)大的擴(kuò)散聲束 。 另一方面 ， 聲源上各點(diǎn)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(duì)圓盤(pán)聲源聲場(chǎng)中聲壓分布的描述非常復(fù)雜 。 從圓盤(pán)聲源的對(duì)稱(chēng)性來(lái)分析 ， 通過(guò)圓盤(pán)中心且垂直于盤(pán)面的直線應(yīng)是聲場(chǎng)的 對(duì)稱(chēng)軸 ， 稱(chēng)為 圓盤(pán)聲源軸線 。 討論圓盤(pán)聲源的聲場(chǎng)將從聲壓沿軸線的分布以及聲束擴(kuò)散的特性著手 。 圓盤(pán)聲源遠(yuǎn)場(chǎng)中任一點(diǎn)的聲壓推導(dǎo) 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 根據(jù)疊加原理 ， 圓盤(pán)聲源軸線上任何一點(diǎn)處的聲壓等于聲源上各點(diǎn)輻射的聲壓在該點(diǎn)的疊加 。 如果聲源發(fā)出的波為連續(xù)簡(jiǎn)諧波 ， 并假定介質(zhì)為無(wú)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?式中： P0為聲源的起始聲壓； D為圓盤(pán)聲源的直徑； λ為傳聲介質(zhì)中聲波的波長(zhǎng)； x為圓盤(pán)聲源軸線上某一點(diǎn)距聲源的距離 。 這是描述直探頭中心軸線上聲壓分布的公式。在采用當(dāng)量法超聲波缺陷測(cè)定時(shí)，它是最基本的公式。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 二、近場(chǎng)區(qū)、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)和超聲波的指向性 由軸線上聲壓公式，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到最后一個(gè)聲壓極大值點(diǎn)距聲源距離的表達(dá)式： 當(dāng) Dλ時(shí)， λ/4可以忽略，從而得到近場(chǎng)長(zhǎng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下，可用于實(shí)際工作中近場(chǎng)長(zhǎng)度的估算： ?42DN ?442 ?? ??DN 第一章 超聲波檢測(cè) 圓盤(pán)聲源軸線上的聲壓分布 近場(chǎng)區(qū) 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū) 圖中標(biāo)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(pán)聲源聲軸上的聲壓幅值變化與球面波的曲線非常接近 。 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 在聲場(chǎng)中，稱(chēng) xN的區(qū)域?yàn)槁曉吹?近場(chǎng)區(qū) ，最后一個(gè)聲壓最大值至聲源的距離 N稱(chēng)為 近場(chǎng)長(zhǎng)度 。在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，由于聲源表面上各點(diǎn)輻射至被考察點(diǎn)的波程差大，所引起的聲源振幅差和相位差也大，且它們彼此相互干涉，結(jié)果是近場(chǎng)區(qū)的聲源分布十分復(fù)雜，出現(xiàn)很多極大值與極小值。因此在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)如果有缺陷存在，其反射波極不規(guī)則，對(duì)缺陷的判斷十分困難。 在聲場(chǎng)中， xN的區(qū)域?yàn)槁曉吹?遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū) 。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，聲壓隨距離增加而減小，聲源軸線上距離為 x處聲壓 p的最大值為 xFPxDPP D?? 020m a x 4π ?? 第一章 超聲波檢測(cè) 近場(chǎng)區(qū) 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 指向性與擴(kuò)散角研究的是聲束在空間擴(kuò)散的規(guī)律 。 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(diǎn)的聲壓 ，看做是聲源上各點(diǎn)的輻射聲壓的疊加 ， 從而得到聲場(chǎng)內(nèi)聲壓幅值的分布情況 。 指向性與擴(kuò)散角 第一章 超聲波檢測(cè) 圓盤(pán)聲源遠(yuǎn)場(chǎng)中任一點(diǎn)的聲壓推導(dǎo) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 )( K as i n)( K as i n2J 1???Dc 聲場(chǎng)中的 指向性 是指聲場(chǎng)中 θ 方向的聲壓振幅 pmax(θ )與 θ =0176。時(shí)的聲壓振幅 pmax(0)之比，它表達(dá)了聲場(chǎng)中聲壓 p的振幅與方向角 θ之間的變化關(guān)系，以 Dc表示： 第一章 超聲波檢測(cè)