超聲波檢測理論基礎(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 介質為固體， 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 αⅡ 表示。 ? 通常在超聲檢測中，臨界角主要應用于第二介質為固體， 而第一介質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，在固體中產生一定角度范圍內的 純橫波 ， 對試件進行檢測。 ? 第二介質中既無折射縱波，又無折射橫波，介質的表面將產生 表面波 R。 2022/5/30 （ 2）第二臨界角 ? 如：有機玻璃和鋼界面， ? αⅠ =176。 ? αⅡ =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與另一種介質的界面上，用橫波作為入射波時產生的。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 αⅢ 。此時，介質中只存在反射橫波。 ? 鋼中， αⅢ =176。 L1LS1S 39。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，各種類型反射波和折射波的傳播方向，沒有 ? 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。 在斜入射情況下，各種類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介質的聲阻抗有關，還與入射波的類型及入射角的大小有關 。由于理論計算公式復雜，因此借助于公式或實驗得到幾種常見界面的聲壓反射率和透射率。見圖 232， 233 2022/5/30 聲壓往復透射率 ? 超聲波傾斜入射時，聲壓往復透射率等于兩次相反方向通過同一界面的聲壓透射率的乘積，即 toatoappppppT ??2022/5/30 端角反射 ? 當工件的兩個相鄰表面構成直角，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，即構成端角反射的情況。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，且難以被發射探頭接收。 ??oappT ?端橫波入射時，入射角在 30176。 和 60176。 附近時，端角反射率很低，入射角在35176。 ~55176。 時，端角反射率很高。 2022/5/30 超聲波的聚集和發散 ? 聲壓距離公式 ? 1. 平面波聲束不擴散，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某點至波源的距離 2022/5/30 超聲波的聚集和發散 ? 3. 柱面波聲壓距離公式 XP 1p?柱面波的波陣面為同軸柱面，某處質點的振幅與距離的平方根成反比，而聲壓與振幅成正比。 2022/5/30 球面波在平界面上的反射與折射 ? 1. 單一的平界面上的反射 ? 球面波入射到平界面上，反射波仍為球面波，且波源與入射波源對稱。 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律。 ? 當入射角較小， r=，距離 d較大不產生干涉，對于脈沖波，前壁各次聲壓比為： ? 后壁各次波的聲壓比為： 31211d61Pd41Pd21P ：：???51311d51Pd31Pd1P ：：???2022/5/30 球面波在平界面上的反射與折射 ? 3. 單一界面上的折射 ? 球面波入射到平界面上，其折射波不再是嚴格的球面波，只有其張角較小時，可視為近似的球面波，且有 ? 對于水 鋼界面： ? 折射波聲壓： 212s in1s in21cc??δδδδ415 9 0 01 4 5 02121 ???ccδδXP1tP ?2022/5/30 平面波在曲界面上的反射與折射 ? 1. 平面波在曲界面上的反射 ? 平面波入射到曲界面時，其反射波將發生聚焦或發散。從入射上看，凹界面的反射波聚焦，凸界面的反射波發散。 2022/5/30 平面波在曲界面上的反射與折射 ? （ 1）平面波入射到球面時，其反射波可視為從焦點發出的球面波，在軸線上距離曲面頂點 x處的反射波聲壓為： ? （ 2）平面波入射到柱面時，其反射波可視為從焦點發出的柱面波，在軸線上距離曲面頂點 x處的反射波聲壓為： ∣∣ fx f0PPx ??∣∣ fx f0PPx ??f—焦距， f=r/2 177。 +用于發散， 用于聚焦 Po曲面頂點處入射波聲壓 實際檢測中，球形、柱形氣孔的反射波就屬于以上兩種情形。 2022/5/30 平面波在曲界面上的反射與折射 ? 2. 平面波在曲界面上的折射 ? 平面波入射到曲面上時，其折射波也將發生聚焦或發散。折射波的聚焦或發散不僅與曲面的凹凸有關，而且與界面兩側介質的聲速有關。對于凹面， c1c2時聚焦， c1c2時發散；對于凸面， c1c2時聚焦， c1c2時發散。 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， ? （ 2）平面波入射到柱面透鏡時， ∣∣ fx f0tPPx ??∣∣ fx f0tPPx ??實際檢測用的水浸聚焦探頭就是根據平面波入射到 c1＞ c2的凸透鏡上，折射波會聚焦的特點設計的，可以提高檢測靈敏度。 聚焦探頭中的聲透鏡，如果為球面，將獲得點聚焦；如果為柱面，將獲得線聚集。目前在實際檢測中，線聚焦多用于機械化自動檢測，點聚焦多用于人工檢測。 2022/5/30 球面波在曲面上的反射與折射 ? 1. 球面波在曲界面上的反射 ? 球面波入射到曲界面上，其反射波要發生聚焦或發散，凹曲面聚焦，凸曲面發散。 ? 見書圖 244 ? （ 1）球面波在球面上的反射波 ∣）（∣ax1fxfa1PPx???P1/a球面頂點處入射波聲壓 f—焦距， f=r/2 177。 +用于發散， 用于聚焦 a—球面頂點至波源的距離 實際檢測中，距離較大的球形氣孔，就屬于此類情形。 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，而是近似兩個不同的柱面波疊加。 ∣）（）（∣]x / a1fx[/x1fa1PPx????a實際檢測中，超聲波徑向檢測大型圓柱形鍛件。 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透射介質與入射介質中波速之比 2022/5/30 超聲波的衰減 ? 超聲波在介質中傳播時，隨著距離的增加，超聲波能量逐漸減弱的現象叫做超聲波衰減。 ? . 衰減的原因 ? 主要原因是波束的擴散、晶粒散射和介質吸收。 ? ：聲波在介質中傳播時，因波前在逐漸擴展，從而導致聲波能量逐漸減弱的現象叫做超聲波的擴散衰減。它主要取決于波陣面的幾何形狀，與傳播介質無關。 ? 平面波不存在擴散衰減，而球面波和柱面波有擴散衰減現象。 2022/5/30 超聲波的衰減 ? 2. 散射衰減 ：超聲波在介質中傳播時，遇到聲阻抗不同的界面產生散亂反射引起衰減的現象。 ? 散射衰減與材質的晶粒度密切相關。 晶粒度粗大，散射衰減嚴重 。 ? 3. 吸收衰減 ：超聲波在介質中傳播時，由于介質中質點間內摩擦和熱傳導引起的超聲波衰減叫吸收衰減。 ? 在超聲檢測中，談到超聲波在材料中的衰減時，通常關心的是散射衰減和吸收衰減，而不包括擴散衰減。 2022/5/30 衰減方程與衰減系數 ? 1. 衰減方程 ? 平面波不存在擴散衰減，只存在介質衰減，其聲壓衰減方程為： ? Px=P0eαx ? 球面波和柱面波既存在擴散衰減，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 ? 2. 衰減系數 ? 對金屬材料等固體介質：衰減系數等于散射衰減系數 αs和吸收衰減系數 αa之和。 ? α= αs +αa ? 注意： ? （ 1）介質的吸收衰減和頻率成正比。 ? （ 2）介質的散射衰減與 f、 d、 F有關。 2022/5/30 衰減方程與衰減系數 ? 對液體介質而言，主要是介質的吸收衰減。 ? α=αa=8π2f2η/2ρc3 ? 由于 η、 c、 ρ都和溫度有關，所以一般 α隨溫度升高而降低。 ? 工作中可根據底波次數和幅度來判斷衰減情況，從而判斷材料晶粒度大小、缺陷密集程度等。 η介質的粘滯系數 ρ—介質的密度 C波速 2022/5/30 衰減系數的測定 ? 1. 薄板工件衰減系數的測定 ? 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 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 衰減系數的測定 ? 2. 厚板或粗圓柱體衰減系數的測