超声波在异质界面的传播.doc

超声波在异质界面的传播特性与检测方法 （讲稿） 1. 课程引入： 超声检测一般是指使超声波与试件相互作用，对反射、透射和散射的波进行研究，进行试件的宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。 超声波是超声振动在介质中的传播，其实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动。我们把充满超声波的空间，或在介质中超声振动波及的质点所占据的范围称为超声场。声压、声强、声阻抗是描述超声场特征的几个重要物理量，也就是超声场的特征量。 超声波在界面发折射的能量分别用声强反射率R和声强射率表示。同时也用声压率R和声压射率来表示超声波传播特性。 超声波垂直入射界面时产生一个与入射方向相反的反射波，和一个与入射波同方向的射波。而波型没有改变。 用角标、和分别表示入射、反射和折射。在垂直入射时介质两侧声波必须满足两个边界条件：①一侧总声压等于另一侧总声压： ②两侧质点速度振幅相等，保持连续性： 所以 其中R称为声压反射率，称为声压射率。Pr为反射声压振幅；P为透射声压振幅；P为入射声压振幅。Z1Z2时，入射声压和反射声压同相而叠加，故透射声压相当于入射声压和反射声压之和。如水/钢界面 钢声阻抗 解： Z1Z2时，入射和反射的质点振动速度同相。而入射和反射声压反相，总声压相抵消而减小，故透射声压很小。如钢/水界面。 T＝1＋R Z1Z2时，声压（声强）几乎全反射，透射率趋于0。如钢/空气界面 Z2－Z1 R＝————≈－1 T＝1＋R＝1＋(－1)＝0 Z2＋Z1 例如钢空气界面，此时Z1(钢)＝46×106kg/m2·s，Z2(空气)＝0.0004×106kg/m2·s，则声压反射率为： Z2－Z1 0.0004－46 R＝————＝——————≈－1 Z2＋Z1 0.0004＋46 声压透射率为： T＝1＋R＝1＋(－1)＝0 结果表明，在这种情况下声波全反射。 Z1≈Z2时，反射率R＝0，＝1，声波不发生反射，全部透射。 Z2－Z1 R＝————≈0 ＝1＋rp＝1＋0＝1 Z2＋Z1 例如普通碳钢焊缝的母材金属和焊缝金属声阻抗仅相差1％，在焊缝探伤时，超声波从母材金属Z1射入焊缝金属Z2＝0.99Z1，其m≈0.99，则声压反射率为： 1－m 1－0.99 R＝——— ＝—————＝0.005 1＋m 1＋0.99 声压透过率为： ＝1＋＝1＋0.005≈1 结果表明，在这种情况下声波全透射。 与这种情况相对应的是材料中存在的平面状缺陷，如：裂纹、分层、夹杂等。设薄层厚度为d，介质2中的波长为，并以m表示两种介质声阻抗之比： ①当时，，，即均匀介质中薄层厚度为薄层中半波长的整数倍时，超声波几乎全透射而无反射。 ②当时，透射率最小而反射率最大。因此，当材料中存在均匀薄层状缺陷，且缺陷厚度恰为半波长时，则可能因反射率低而造成漏检。但实际缺陷往往不是完全平行的，且实际超声波不是单一频率的，因此，因缺陷厚度使其对超声波的反射率为0的情况是极少出现的。 ③当时，薄层厚度越小，透射率越大，反射率越小。 ④当时，或时，，，这说明当薄层厚度非常小时，超声波也是几乎不反射而全部透射；另外，当两种介质声阻抗很接近时，声波也几乎全部透射。 2 薄层两侧介质不同 薄层与两侧介质均不相同，与探头晶片与试件间存在保护膜或耦合剂的情况相当。这时，薄层的声强透射率以下式表达： 由上式可知： ①当时，，即超声波垂直到两侧介质不同的薄层时，若薄层的厚度为半波长的整数倍，则透过薄层的声强透射率与薄层的性质无关。 ②当时，且时，则有，说明超声波完全透射。这一结果，可用于直探头保护膜材料的选择及厚度的设计。 ③当时，薄层越薄，声压透射率越大。 ④当时，同样有，即透射声强与薄层性质无关，而仅与薄层两侧介质的声阻抗相关。因此在超声检测时，若试件表面较为平整，则应尽量少涂耦合剂，并施加一定的压力，使耦合层厚度很薄，以保证信号幅度的稳定性。 4. 超声波倾斜入射到平界面上： 在两种不同介质之间的界面上，声波传输的几何性质与其他波相同，斯涅耳定律是有效的。不同的是，当声波以一定的倾斜角到达固体介质的表面时，由于界面作用，将改变其传输模式（例如从纵波转变为横波，反之亦然）。传输模式的变换还导致传输速度的变化，此时应以新的声波速度代入斯涅耳公式。 1 斯涅耳定律： 式中，为入射角；为折射角