【正文】 t 2ZZZppt???式中： Z Z2分別為兩種介質(zhì)的聲阻抗。 2121220r?????????????ZZZZrIIR? ? 21221202210t 4ZZZZPZPZIIT t???? 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)。 ? 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。 2022/5/30 單一平界面的反射率和透射率 ? 幾種情形的討論： ? （ 1） Z2＞ Z1 ? （ 2） Z1＞ Z2 ? （ 3） Z1遠(yuǎn)大于 Z2 ? （ 4） Z1≈Z2 2022/5/30 薄層界面的反射率和透射率 ? 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題。 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 ） 。愈小，時(shí)，即當(dāng)最大，時(shí)，）（當(dāng)，時(shí)，當(dāng)trtrntrn4d0d0412d102d2222?????????????2022/5/30 2. 薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面 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)中的薄當(dāng))2(s i n)()2(c o s)(4ZZZ2222231222223131321???? dZZZZdZZZZt??????????2313122 )(42d)1(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)，通過薄層的聲壓往復(fù)透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān)。 2022/5/30 聲壓往復(fù)透射率 ? 在單探頭超聲檢測(cè)中，探頭發(fā)出的超聲波透過界面進(jìn)入工件，在固 氣底面產(chǎn)生全反射后再次通過同一界面被探頭接收，這時(shí)探頭接收到的回波聲壓 Pa和入射波聲壓P0之比，稱為聲壓往復(fù)透射率。 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)入射無關(guān)，聲阻抗相差越小，聲壓往復(fù)透射率越高。 2022/5/30 超聲波傾斜入射到界面時(shí)的反射和透射 ? 超聲波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的發(fā)射和折射波外，還會(huì)產(chǎn)生不同種類型的反射和折射波，這就是 波型轉(zhuǎn)換。αL39。αL39。 S2SL2LS139。LL1L s i ns i ns i ns i ns i nccccc??? ???? αα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)。 2022/5/30 （ 1）第一臨界角 ? 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。 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 。 的縱波入射角為 第二臨界角 ，用符號(hào) αⅡ 表示。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)。 2022/5/30 （ 2）第二臨界角 ? 如：有機(jī)玻璃和鋼界面， ? αⅠ =176。 S2SL1L s ins incc?? ?S2L1a r c s inccII ??2022/5/30 （ 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(shí)產(chǎn)生的。 時(shí)的橫波入射角稱為第三臨界角，用表示 αⅢ 。 ? 鋼中， αⅢ =176。s ins inccα??L1S1a r c s inccIII ??2022/5/30 聲壓反射率 ? 超聲波反射、折射定律只討論了超聲波傾斜入射到界面上時(shí)，各種類型反射波和折射波的傳播方向，沒有 ? 斜入射時(shí)反射波和透射波的聲壓關(guān)系較為復(fù)雜。 對(duì)脈沖反射法， 更關(guān)心的是聲壓往返透過率隨入射角度的變化。由于理論計(jì)算公式復(fù)雜，因此借助于公式或?qū)嶒?yàn)得到幾種常見界面的聲壓反射率和透射率。在這種情況下，同類型的反射波和入射波總是相互平行，方向相反；不同類型的反射波和入射波互不平行，且難以被發(fā)射探頭接收。 和 60176。 ~55176。 2022/5/30 超聲波的聚集和發(fā)散 ? 聲壓距離公式 ? 1. 平面波聲束不擴(kuò)散，而是互相平行，聲壓不隨距離變化。（振幅與距離成反比，聲壓與振幅成正比） XP 1p?P1距離為單位 1處的聲壓 X某點(diǎn)至波源的距離 2022/5/30 超聲波的聚集和發(fā)散 ? 3. 柱面波聲壓距離公式 XP 1p?柱面波的波陣面為同軸柱面，某處質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離的平方根成反比，而聲壓與振幅成正比。 XP1rP ?r –聲壓反射率 X—從虛擬波源算起的距離 2022/5/30 球面波在平界面上的反射與折射 ? 2. 雙界面上的反射 ? 球面波在相互平行的雙界面間的多次反射仍符合球面波的變化規(guī)律。從入射上看，凹界面的反射波聚焦，凸界面的反射波發(fā)散。 +用于發(fā)散， 用于聚焦 Po曲面頂點(diǎn)處入射波聲壓 實(shí)際檢測(cè)中，球形、柱形氣孔的反射波就屬于以上兩種情形。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)。 2022/5/30 平面波在曲界面上的反射與折射 ? 平面波在曲界面的折射 聚焦 c1＜ c2 c1＞ c2 c1＞ c2 c1＜ c2 ? ?發(fā)散 凹面 凹面 凸面 凸面 2022/5/30 2. 平面波在曲界面上的折射 ? （ 1）平面波入射到球面透鏡時(shí)， ? （ 2）平面波入射到柱面透鏡時(shí)， ∣∣ fx f0tPPx ??∣∣ fx f0tPPx ??實(shí)際檢測(cè)用的水浸聚焦探頭就是根據(jù)平面波入射到 c1＞ c2的凸透鏡上，折射波會(huì)聚焦的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，可以提高檢測(cè)靈敏度。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)。 ? 見書圖 244 ? （ 1）球面波在球面上的反射波 ∣）（∣ax1fxfa1PPx???P1/a球面頂點(diǎn)處入射波聲壓 f—焦距， f=r/2 177。 2022/5/30 1. 球面波在曲界面上的反射 ? （ 2）球面波在柱面上的反射波 ? 此反射波既不是單純的球面波，也不是單純的柱面波，而是近似兩個(gè)不同的柱面波疊加。 2022/5/30 2. 球面波在曲界面上的折射 ? 球形界面 ? 柱形界面 ）（ 1/x c 21fxfa1PPxact ???]1/xc 21f) [ x1/xc 2(1fa1PPx）（ acact ????C2/C1透射介質(zhì)與入射介質(zhì)中波速之比 2022/5/30 超聲波的衰減 ? 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波衰減。 ? ：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。 ? 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。 ? 散射衰減與材質(zhì)的晶粒度密切相關(guān)。 ? 3. 吸收衰減 ：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)引起的超聲波衰減叫吸收衰減。 2022/5/30 衰減方程與衰減系數(shù) ? 1. 衰減方程 ? 平面波不存在擴(kuò)散衰減，只存在介質(zhì)衰減，其聲壓衰減方程為： ? Px=P0eαx ? 球面波和柱面波既存在擴(kuò)散衰減，又存在散射衰減，其聲壓衰減方程分別為： x1xPPx αe? x1xPPx αe?2022/5/30 衰減方程與衰減系數(shù) ? 2. 衰減系數(shù) ? 對(duì)金屬材料等固體介質(zhì)：衰減系數(shù)等于散射衰減系數(shù) αs和吸收衰減系數(shù) αa之和。 ? （ 2）介質(zhì)的散射衰減與 f、 d、 F有關(guān)。 ? α=αa=8π2f2η/2ρc3 ? 由于 η、 c、 ρ都和溫度有關(guān)，所以一般 α隨溫度升高而降低。 η介質(zhì)的粘滯系數(shù) ρ—介質(zhì)的密度 C波速 2022/5/30 衰減系數(shù)的測(cè)定 ? 1. 薄板工件衰減系數(shù)的測(cè)定 ? 條件：厚度較小，上下底面互相平行，表面光潔 xmnBn)(2/BmLg20??? ?? ）（m、 n—底波的反射次數(shù) Bm、 Bn—第 m、 n次底波高度 δ—反射損失，每次反射損失約為（ ~） dB x薄板的厚度 2022/5/30 衰減系數(shù)的測(cè)定 ? 2. 厚板或粗圓柱體衰減系數(shù)的測(cè)定 ? 條件：厚度大于 200mm的板材或軸類工件 ? 方法：第一、第二次底波高度測(cè)定衰減系數(shù) xB262/B1Lg20 ?? ??? ）（B B2—第一、二次底波高度 6擴(kuò)散引起的分貝差 δ—反射損失，每次反射損失約為（ ~） dB x薄板的厚度 2022/5/30 第三章 超聲波反射聲場(chǎng)與規(guī)則反射體的回波聲壓 ? 縱波發(fā)射聲場(chǎng) ? 圓盤波源輻射的縱波聲場(chǎng) ? 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。 因此，對(duì)圓盤聲源聲場(chǎng)中聲壓分布的描述非常復(fù)雜。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。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： ? ??????? ??? xxRsPP 220πs i n2?2022/5/30 縱波發(fā)射聲場(chǎng) ? 式中： ? P0為聲源的起始聲壓； ? Rs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。 2022/5/30 縱波發(fā)射聲場(chǎng)