【正文】 指向性越差 ， 聲束擴(kuò)散越快 。 聲壓 p最大值的表達(dá)式為 ???????)s i n()s i n(2 10m a x ??? KaKaJxFPP D 第一章 超聲波檢測(cè) 圓盤聲源聲場(chǎng)指向性示意圖 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 主聲束所包含的角度范圍可由距聲源充分遠(yuǎn)處的聲壓分布得到。 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 。 圓盤聲源聲場(chǎng)指向性示意圖 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 超聲場(chǎng)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 。 指向性與擴(kuò)散角 第一章 超聲波檢測(cè) 圓盤聲源遠(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。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 。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。 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 在聲場(chǎng)中，稱 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稱為 近場(chǎng)長(zhǎng)度 。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。 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為圓盤聲源的直徑； λ為傳聲介質(zhì)中聲波的波長(zhǎng)； x為圓盤聲源軸線上某一點(diǎn)距聲源的距離 。 討論圓盤聲源的聲場(chǎng)將從聲壓沿軸線的分布以及聲束擴(kuò)散的特性著手 。 因此 ， 對(duì)圓盤聲源聲場(chǎng)中聲壓分布的描述非常復(fù)雜 。 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 圓盤聲源發(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)使聲束向周圍空間擴(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 。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)。 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（稱為逆壓電效應(yīng)）。 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 。 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 。 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。 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。 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。 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。 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 。 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 。 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，稱為 焦軸 。 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。 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 。 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。 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。 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。 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。 斜入射時(shí)反射波和透射波的聲壓關(guān)系較為復(fù)雜。 此時(shí) ， 介質(zhì)中只存在反射橫波 。 使縱波反射角達(dá)到 90176。 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 。 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) 。 的縱波入射角為第二臨界角 ，用符號(hào) α Ⅱ 表示 。 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 。 的縱波入射角稱為第一臨界角 ， 用符號(hào) α Ⅰ 表示 。 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 (1) 第一臨界角 α Ⅰ 。 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)。 這時(shí) ， 介質(zhì) 2中可能同時(shí)存在縱波與橫波 。 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 ， 稱為折射 。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 。其中入射光和折射光位于同一個(gè)平面上，并且與界面法線的夾角滿足如下關(guān)系： 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。 這時(shí) ， 橫波反射角 與縱波入射角之間的關(guān)系與光學(xué)中的斯涅耳定律相同 ， 為 L?L?S? 第一章 超聲波檢測(cè) L?第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 第一章 超聲波檢測(cè) 斯涅耳定律 Snell39。 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= 。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 超聲波傾斜入射到平界面上的反射、折射 (a) 縱波入射； (b) 橫波入射 s?L?s?L? 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 S1sL1L s ins incc?? ? 反射 當(dāng)縱波以入射角 αL傾斜入射到異質(zhì)界面上時(shí) ， 將會(huì)在介質(zhì)1中于入射點(diǎn)法線的另一側(cè)產(chǎn)生與法線成一定夾角 的反射縱波 。 入射聲波與入射點(diǎn)法線之間的夾角稱為 入射角 。 復(fù)透射率愈大。愈小，時(shí)，即當(dāng)最大，時(shí)，）（當(dāng)，時(shí)，當(dāng)trtrntrn4d0d0412d102d2222????????????? 第一章 超聲波檢測(cè) 12ZZm ?第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 由上式可知：往復(fù)透射率為工件等情況，此時(shí)聲壓耦合劑或晶片工件，保護(hù)薄膜層，如晶片，即非均勻介質(zhì)中的?。┊?dāng)（)2(s i n)()2(c o s)(4ZZZ22222231222223131321???? dZZZZdZZZZt??????????2313122 )(42d ZZZZtn???? 時(shí)，當(dāng)? 即超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層，如薄層厚度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，通過(guò)薄層的聲壓往復(fù)透射率與薄層的性質(zhì)無(wú)關(guān)。 當(dāng)然在有三層介質(zhì)時(shí) ， 很多情況是第一介質(zhì)和第三介質(zhì)為同一種介質(zhì) （ 超聲波檢測(cè)即是這種情況 ） 。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 薄層界面 在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí) ， 經(jīng)常遇到很薄的耦合層和缺陷薄層 ，這些都可以歸納為超聲波在薄層界面的反射和透射問(wèn)題 。 上述超聲波縱波垂直入射到單一平界面上的聲壓 、 聲強(qiáng)與其反射率 、 透射率的計(jì)算公式 ， 同樣適用于橫波入射的情況 。 2121220r?????????????ZZZZrIIR? ? 21221202210t 4ZZZZPZPZIIT t???? 第一章 超聲波檢測(cè) 聲波垂直入射到平界面上時(shí)，聲壓和聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 為了研究反射波和透射波的能量關(guān)系 ， 引入 聲強(qiáng)反射率 R和 聲強(qiáng)透射率 T兩個(gè)量 。 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 反射波聲壓 Pr與入射波聲壓 P0的比值稱為 聲壓反射率 r， 透射波聲壓 Pt和 P0的比值稱為 聲壓透射率 t。 聲波的這一性質(zhì)是超聲波檢測(cè)缺陷的物理基礎(chǔ)。 但遇到異介質(zhì)界面 （ 即聲阻抗差異較大的異質(zhì)界面 ） 時(shí) ，會(huì)產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象 。 在超聲檢測(cè)中 ， 談到超聲波在材料中的衰減時(shí) ， 通常關(guān)心的是散射衰減和吸收衰減 ， 而不包括擴(kuò)散衰減 。 （ 3）吸收衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦、熱傳導(dǎo)、引起的聲波能量減弱的現(xiàn)象，叫做超聲波的吸收衰減。 平面波不存在擴(kuò)散衰減，而球面波和柱面波有擴(kuò)散衰減現(xiàn)象。 ?????吸收衰減散射衰減擴(kuò)散衰減聲衰減有三種類型 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 （ 1）擴(kuò)散衰減：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，因波前在逐漸擴(kuò)展，從而導(dǎo)致聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波的擴(kuò)散衰減。 在傳聲介質(zhì)中 ， 單位距離內(nèi)某一頻率下聲波能量的衰減值叫做該頻率下該介質(zhì)的 衰減系數(shù) a， 單位為 dB/m或 dB/cm。 幾種不同波形的聲速 第一章 超聲波檢測(cè) 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 （ 1） 液體中的聲速： （ 2） 無(wú)限固體介質(zhì)中的縱波聲速： （ 3） 無(wú) 限 固體介質(zhì)中的橫波聲速： 幾種不同介質(zhì)中的聲速 第一章 超聲波檢測(cè) ?KcL ?)21)(1()1(???????? EcL)1(2 ??? ???EGcSK ——液 體的體積彈性模量， MPa； E—— 固 體的楊氏彈性模量， MPa ； G—— 固 體的剪切彈性模量， MPa 。 （ 2） 板波的聲速 。 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又大于表面波聲速 cr。 不同材料聲速值有較大的差異 。 第 6章 常用無(wú)損檢測(cè)方法 （ 1） 縱波 、 橫波和表面波的聲速 。 非頻散介質(zhì)中， 相速度等于群速度。 相速度：聲波傳播到介質(zhì)的某一選定的相位點(diǎn)時(shí) ， 在傳播方向上的聲速；