1、第第一一章章 超声波超声波检测检测 1.1超声检测的基础知识超声检测的基础知识 超声波的产生依赖于做高频机械振动的超声波的产生依赖于做高频机械振动的“声源声源”和传和传播机械振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测播机械振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测的物理基础。的物理基础。超声波是超声振动在介质中的传播，超声波是在弹性超声波是超声振动在介质中的传播，超声波是在弹性介质中传播的机械波。与声波和次声波在弹性介质中的传介质中传播的机械波。与声波和次声波在弹性介质中的传播类同，区别在于超声波的频率高于播类同，区别在于超声波的频率高于20kHz。工业超声波检测常用的工作频率为：工业超声
2、波检测常用的工作频率为：0.510MHz。一、超声波的特点一、超声波的特点1.超声波的方向性好：超声波的方向性好：超声波具有像光波一样定向束超声波具有像光波一样定向束射的特性。射的特性。2.超声波的穿透能力强：超声波的穿透能力强：对于大多数介质而言，它具对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。透能力可达数米。3.超声波的能力高：超声波的能力高：超声检测的工作频率远高于声波超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。的频率，超声波的能量远大于声波的能量。4.遇有界面时，超声波将产生反射、
3、折射和波型的转遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的转换：换：利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。得以大幅度提高。5.对人体无害。对人体无害。二、超声波的分类二、超声波的分类（一）描述超声波的基本物理量（一）描述超声波的基本物理量 声速：声速：单位时间内，超声波在介质中传播的距离称为声速，单位时间内，超声波在介质中传播的距离称为声速，用符号用符号“c”表示。表示。频率：频率：单位时间内，超声波在介质中任一给定点所通过完整单位时间内，超声波在介质
4、中任一给定点所通过完整波的个数称为频率，用符号波的个数称为频率，用符号“f”表示。表示。波长：波长：声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点之间的距离称为波长，用符号之间的距离称为波长，用符号“”表示。表示。周期：周期：声波向前传播一个波长距离时所需要的时间称为周期，声波向前传播一个波长距离时所需要的时间称为周期，用符号用符号“T”表示。表示。角频率：角频率：角频率用符号角频率用符号“”表示。定义为表示。定义为=2f。上述各量之间的关系为：上述各量之间的关系为：T=1/f=2/=/c 二、超声波的分类二、超声波的分类（二）超声波的分类（二）超
5、声波的分类 超声波的分类方法很多，如图超声波的分类方法很多，如图1-1所示。主要所示。主要有：有：按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系分类，关系分类，即按波型分类；即按波型分类；按波振面的形状分类，按波振面的形状分类，即按波形分；按振动的持续时间分类即按波形分；按振动的持续时间分类等。等。其中，按其中，按波型是研究超声波在介质中传播规律的重要理论依波型是研究超声波在介质中传播规律的重要理论依据，将着重讨论。据，将着重讨论。图 1-1 超声波的分类二、超声波的分类二、超声波的分类1 1）超声波的波型超声波的波型超声波的波型指的是介质质点的振动方向与
6、波的传播方向超声波的波型指的是介质质点的振动方向与波的传播方向的关系。按波型可分为纵波、横波、表面波和板波等。的关系。按波型可分为纵波、横波、表面波和板波等。（1 1）纵波。介质中质点的振动方向与波的传播方向相同纵波。介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波，用的波叫纵波，用L L表示表示(见图见图1-2)1-2)。介质质点在交变拉压应力的。介质质点在交变拉压应力的作用下，质点之间产生相应的伸缩变形，从而形成了纵作用下，质点之间产生相应的伸缩变形，从而形成了纵波。纵波。纵波传播时，介质的质点疏密相间，所以纵波有时又称为压缩波波传播时，介质的质点疏密相间，所以纵波有时又称为压缩波或疏密波
7、。或疏密波。能在任何介质中传播，气体、液体、固体。能在任何介质中传播，气体、液体、固体。图1-2 纵波（2 2）横波。介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的横波。介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波叫横波，用波叫横波，用S S或或T T表示表示(见图见图1-3)1-3)。横波的形成是由于介质质。横波的形成是由于介质质点受到交变切应力作用时，点受到交变切应力作用时，产生了切变形变，所以横波又叫产生了切变形变，所以横波又叫做切变波。液体和气体介质不能承受切应力，只有固体介质能做切变波。液体和气体介质不能承受切应力，只有固体介质能够承受切应力，够承受切应力，因而横波只能在固体介质中传播，不能
8、在液体因而横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。和气体介质中传播。（3 3）表面波（瑞利波）。当超声波在固体介质中传播时，表面波（瑞利波）。当超声波在固体介质中传播时，对于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波即表面波对于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波即表面波(见见图图1-4)1-4)，受表面张力的作用。瑞利首先对这种波给予了理论上，受表面张力的作用。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，因此的说明，因此表面波又称为瑞利波，表面波又称为瑞利波，常用常用R表示。表示。图1-3 横波 图1-4 表面波（4 4）板波（兰姆波）。在板厚和波长相当的弹性薄板板波（兰姆波）。在板厚和
9、波长相当的弹性薄板中传播的超声波叫板波中传播的超声波叫板波(或兰姆波或兰姆波)。板波传播时声场遍及整。板波传播时声场遍及整个板的厚度。个板的厚度。薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合，薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合，质点振动的轨迹为一椭圆，在薄板的中间也有超声波传播质点振动的轨迹为一椭圆，在薄板的中间也有超声波传播(见见图图1-5)1-5)。板波按其传播方式又可分为对称型（。板波按其传播方式又可分为对称型（S S型）和非对称型）和非对称型（型（A A型）两种，这是由质点相对于板的中间层作对称型）两种，这是由质点相对于板的中间层作对称型还是型还是非对称型运动来决定的。非对称型运动来决定
10、的。图1-5 板波(a)对称型；(b)非对称型 2)2)超声波的波形超声波的波形超声波由声源向周围传播的过程可用波阵面进行描述。超声波由声源向周围传播的过程可用波阵面进行描述。如图如图1-61-6所示，在无限大且各向同性的介质中，振动向各方向所示，在无限大且各向同性的介质中，振动向各方向传播，传播，用波线表示传播的方向用波线表示传播的方向；将同一时刻介质中振动相位将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面称为波阵面；某一时刻振动传播到相同的所有质点所连成的面称为波阵面；某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面称为波前。达的距声源最远的各点所连成的面称为波前。在各向同性介质在各向同
11、性介质中波线垂直于波阵面。在任何时刻，波前总是距声源中波线垂直于波阵面。在任何时刻，波前总是距声源最远的一最远的一个波阵面。个波阵面。波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。图1-6 波线、波前与波阵面(a)平面波；(b)柱面波；(c)球面波 根据波阵面的形状根据波阵面的形状(波形波形)，可将超声波分为平面波、柱面，可将超声波分为平面波、柱面波和球面波等。波和球面波等。平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵面为同轴圆平面波即波阵面为平面的波，而柱面波的波阵面为同轴圆柱面，球面波的波阵面为同心球面，如图柱面，球面波的波阵面为同心球面，如图1-61-6所示。当
12、声源是一所示。当声源是一个点时，在各向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。个点时，在各向同性介质中的波阵面为以声源为中心的球面。可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。可以证明，球面波中质点的振动幅度与距声源的距离成反比。当声源的尺寸远小当声源的尺寸远小于测量点距声源的距离时，可以把超声波看于测量点距声源的距离时，可以把超声波看成是球面波。成是球面波。球面波的波动方程为球面波的波动方程为)(coscxtxAy（1-1）3 3）连续波与脉冲波）连续波与脉冲波 连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波是连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波是质点振动时间很短的波
13、，超声检测中最常用的是脉冲波。对脉质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波。对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率。和中心频率。1.2 1.2 超声场及介质的声参量简介超声场及介质的声参量简介充满超声波的空间或介质中超声振动所波及的质点占据充满超声波的空间或介质中超声振动所波及的质点占据的范围叫超生场。的范围叫超生场。一、描述超声场的物理量一、描述超声场的物理量1.1.声压声压 p当介质中有超声波
14、传播时，由于介质质点振动，使介质当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的之差称为该点的声压，用声压，用P表示表示,即即)Pa(01PPP（1-2）对于平面余弦波，对于平面余弦波，有：有：ccos()22xPAt（1-3）式中：为介质的密度式中：为介质的密度;c c为介质中的声速；为介质质点的振为介质中的声速；为介质质点的振幅；幅；为介质质点振动的角频率；为介质质点振动的角频率；为质点振动速度的为
15、质点振动速度的幅值；幅值；t t为时间；为时间；x x为质点距声源的距离；为质点距声源的距离；为声压幅值。为声压幅值。由上式可知：超声场中某一点的声压幅值由上式可知：超声场中某一点的声压幅值Pm与角频率成正与角频率成正比，也就与频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于声波比，也就与频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于声波的频率，故超声波的声压一般也远大于声波的声压。的频率，故超声波的声压一般也远大于声波的声压。AAVmcAP m 2.2.声阻抗声阻抗 介质中某一点的声压幅值介质中某一点的声压幅值P Pm m与该处质点振动速度幅值与该处质点振动速度幅值V Vm m之之比，称为声阻抗，常用比，
16、称为声阻抗，常用Z Z表示表示,单位为单位为g/(cmg/(cm2 2ss)；k kg/(cm2s)。在同一声压下，声阻抗在同一声压下，声阻抗Z Z愈大，质点的振动速度就愈小。声阻愈大，质点的振动速度就愈小。声阻抗表示超声场中介质抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。对质点振动的阻碍作用。由式由式(1-3)得得 cVPZmm（1-4）气体、液体和固体的声阻抗相差较大：气体、液体和固体的声阻抗相差较大：Z Z气：气：Z Z液：液：Z Z金属金属=1=1：30003000：800080003.3.声强声强单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用
17、I I表表示，单位为示，单位为W/cmW/cm2 2。对于平面纵波，其声对于平面纵波，其声强强I为为 ZPZVcAI2m2m22212121（1-5）由式由式(1-5)可知，超声场中，声强与角频率平方成正比。由于超可知，超声场中，声强与角频率平方成正比。由于超声波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于探声波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于探伤的重要依据。伤的重要依据。4.4.分贝的概念分贝的概念实际探伤中，将声强实际探伤中，将声强I I1 1与与I I2 2之比取对数的之比取对数的1010倍得到二者相差倍得到二者相差的数量级，这时单位为的数量级，这时单位为分贝，用分贝
18、，用dB表示，即表示，即 )dB(lg1021II（1-6）根据式（根据式（1-5），有），有 m2m121lg20lg10PPII（1-7）式中：式中：Pm1、Pm2分别为声强分别为声强I1、I2对应的声压幅值。对应的声压幅值。对于线性良好的超声波探伤仪，示波屏上波高与声压成正对于线性良好的超声波探伤仪，示波屏上波高与声压成正比，即任意两波高比，即任意两波高H1、H2之比等于相应的声压之比等于相应的声压Pm1、Pm2之比，之比，即即 dBlg20lg20212mm1HHPP（1-8）取自然对数取自然对数ln，单位则为奈培。单位则为奈培。有：有：1NP8.86dB1dB=0.115NPm11m
19、22lnlnNPPHPH二、介质的声参量二、介质的声参量1.1.声速声速声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型有声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型有关，但更依赖于传声介质自身的特性。因此，声速又是一个表关，但更依赖于传声介质自身的特性。因此，声速又是一个表征介质声学特性的参量。了解受检材料的声速，对于缺陷的定征介质声学特性的参量。了解受检材料的声速，对于缺陷的定位和定量分析都有重要的意义。位和定量分析都有重要的意义。声速又可分为声速又可分为相速度相速度和和群速度群速度。相速度是指声波传播到介。相速度是指声波传播到介质的某一选定相位点时在传播方向上的声速。群速度是指传播质
20、的某一选定相位点时在传播方向上的声速。群速度是指传播声波的包络上具有某种特征（如幅值最大）的点上沿传播声波的包络上具有某种特征（如幅值最大）的点上沿传播方向方向上的声速。上的声速。群速度是波群的能量传播速度。群速度是波群的能量传播速度。（1）纵波、横波和表面波的声速。纵波、横波和表面波）纵波、横波和表面波的声速。纵波、横波和表面波的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的，而的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的，而与频率无关，即它们各自的相速度和群速度相同，因此一般与频率无关，即它们各自的相速度和群速度相同，因此一般说到它们的声速都是指相速度。不同材料声速值有较大的差说到它们
21、的声速都是指相速度。不同材料声速值有较大的差异。异。在给定的材料中，频率越高，波长越短。见在给定的材料中，频率越高，波长越短。见p16 同一固体介质中，纵波声速同一固体介质中，纵波声速c1大于横波声速大于横波声速cs，横波声速横波声速cs又又大于瑞利波声速大于瑞利波声速cr。对于钢材，对于钢材，c1 1.8cs，cs1.1cr。（2 2）板波的声速。板波的声速与其他波型不同，其相板波的声速。板波的声速与其他波型不同，其相速度随频率变化而变化。相速速度随频率变化而变化。相速度随频率变化而变化的现象被度随频率变化而变化的现象被称为频散。称为频散。2.2.声衰减系数声衰减系数超声波的衰减指的是超声波
22、在材料中传播时，声压或声超声波的衰减指的是超声波在材料中传播时，声压或声能随距离的增大逐渐减小的现象。引起衰减的原因主要有三能随距离的增大逐渐减小的现象。引起衰减的原因主要有三个方面：一是声束的个方面：一是声束的扩散扩散；二是由于材料中的晶粒或其他微；二是由于材料中的晶粒或其他微小颗粒引起声波的小颗粒引起声波的散射散射；三是介质的；三是介质的吸收吸收。在超声检测中，谈到超声波在材料中的衰减时，通常关在超声检测中，谈到超声波在材料中的衰减时，通常关心的是散射衰减和吸心的是散射衰减和吸收衰减，而不包括扩散衰减。收衰减，而不包括扩散衰减。对于平面对于平面波来说，波来说，声压幅值衰减规律可用下式表示：
23、声压幅值衰减规律可用下式表示：xppe0（1-9）介质中超声波的衰减系数介质中超声波的衰减系数与超声波的频率关系密切，与超声波的频率关系密切，通常情况下，衰减系数随频率的增高而增大。通常情况下，衰减系数随频率的增高而增大。将式将式(1-9)两边取对数可转换为以下关系式：两边取对数可转换为以下关系式：)dB/mm(lg2010ppx（1-10）此时此时,的单位为的单位为dBdBmm(mm(分贝毫米分贝毫米)。在超声检测中，直接可测量的量是两个声压比值的分贝数。在超声检测中，直接可测量的量是两个声压比值的分贝数。因此衰减系数可通过超声波穿过一定厚度（因此衰减系数可通过超声波穿过一定厚度（x x）材
24、料后声压衰材料后声压衰减的分贝（减的分贝（dBdB）数进行测量，将衰减量数进行测量，将衰减量(dB)(dB)除以除以厚度即为厚度即为衰减系数衰减系数。1.3 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性一、一、超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波垂直入射到平界面上的反射和透射(一一)单一界面单一界面 如图如图1-7所示，当超声波垂直入射到两种介质的界面时，所示，当超声波垂直入射到两种介质的界面时，一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波(声强为声强为It)，波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入波的传播方向不变；另一部分
25、能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为反射波射波相反的方向传播，成为反射波(声强为声强为Ir)。声波的这一性声波的这一性质是超声波检测缺陷的物理基础。质是超声波检测缺陷的物理基础。图1-7 超声波垂直入射于平界面的反射与透射 通常将反射波声压通常将反射波声压Pr与入射波声压与入射波声压P0的比值称为声压反射的比值称为声压反射率率r，将透射波声压将透射波声压Pt和和P0的比值称为声压透射率的比值称为声压透射率t。可以证明，可以证明，r和和t的数学表达式为：的数学表达式为：12120rZZZZppr（1-11）1220t2ZZZppt（1-12）式中：式中：Z1为第一种介质的声阻抗；
26、为第一种介质的声阻抗；Z2为第二种介质的声阻抗。为第二种介质的声阻抗。为了研究反射波和透射波的能量关系，引入声强反射率为了研究反射波和透射波的能量关系，引入声强反射率R和声强透射率和声强透射率T两个量。两个量。R为反射波声强为反射波声强(Ir)和入射波声强和入射波声强(I0)之之比；比；T为透射波声强为透射波声强(It)和入射波声强和入射波声强(I0)之比。之比。2121220rZZZZrIIR21221202210t4ZZZZPZPZIITt（1-13）（1-14）声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例仅与声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。界
27、面两侧介质的声阻抗有关。在垂直入射时，界面两侧的声波在垂直入射时，界面两侧的声波必须满足两个边界条件：必须满足两个边界条件：1、一侧声压等于另一侧声压；、一侧声压等于另一侧声压；2、两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。、两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。对于脉冲反射技术来说，还有一个有意义的量是声压往返对于脉冲反射技术来说，还有一个有意义的量是声压往返透过率，如图透过率，如图1-81-8所示。通常入射声压经过两种介质的界面透所示。通常入射声压经过两种介质的界面透射到试件中后，均需经过相反的路径（假设在工件底面的反射射到试件中后，均需经过相反的路径（假设在工件底面的反射为全反射）再次穿
28、过界面到第一介质中才被探头所接收。为全反射）再次穿过界面到第一介质中才被探头所接收。两两次穿透界面时透射率的大小，决定着接收信号的强弱。因此，次穿透界面时透射率的大小，决定着接收信号的强弱。因此，将声压沿相反方向两次穿过界面时总的透射率称为声将声压沿相反方向两次穿过界面时总的透射率称为声压往返透压往返透过率过率(tp)，其数值等于两次穿透界面的透射率的乘积，其数值等于两次穿透界面的透射率的乘积，由式由式（1-12）可得）可得 2212121p4ZZZZttt（1-15）图1-8 声压往返透过率(二二)薄层界面薄层界面在超声检测中经常遇到超声波进入第二种介质后，穿过在超声检测中经常遇到超声波进入
29、第二种介质后，穿过第二种介质再进入第三种介质的情况。如图第二种介质再进入第三种介质的情况。如图1-91-9所示，当超声所示，当超声波从介质波从介质1 1（声阻抗为（声阻抗为Z Z1 1）中垂直入射到介质中垂直入射到介质1 1和介质和介质2 2（声阻（声阻抗为抗为Z Z2 2）的界面上时，的界面上时，一部分声能被反射，另一部分透射到一部分声能被反射，另一部分透射到介质介质2 2中；当透射的声波到达介质中；当透射的声波到达介质2 2和介质和介质3 3（声阻抗为（声阻抗为Z3Z3）的的界面时，再次发生反射与透射，其反射波部分在介质界面时，再次发生反射与透射，其反射波部分在介质2 2中传播中传播至介质
30、至介质2 2与介质与介质1 1的界面，则又会发生同样的过程。如此不断的界面，则又会发生同样的过程。如此不断地继续下去，则在两个界面的两侧，产生一系列的反射波与地继续下去，则在两个界面的两侧，产生一系列的反射波与透射透射波。见波。见P20P20 图图1-9 1-9 在两个界面上的反射和透射在两个界面上的反射和透射二、二、超声波倾斜入射到平界面上的反射、超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换折射和波型变换当超声波相对于界面入射点法线以一定的角度倾斜入射到当超声波相对于界面入射点法线以一定的角度倾斜入射到两种不同介质的界面上时，在界面上会产生反射、折射和波型两种不同介质的界面上时，在界面上会
31、产生反射、折射和波型转换现象，见图转换现象，见图1-101-10。入射声波与入射点法线之间的夹。入射声波与入射点法线之间的夹角称为角称为入射角。入射角。图图1-10 超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换(a)纵波入射；纵波入射；(b)横波入射横波入射 1)反射反射 如图如图1-10（a）所示，当纵波以入射角所示，当纵波以入射角L倾斜入射到异质倾斜入射到异质界面上时，将会在介质界面上时，将会在介质1中于入射点法线的另一侧产生与法线中于入射点法线的另一侧产生与法线成一定夹角成一定夹角rL的反射纵波。的反射纵波。反射波与入射点法线之间的夹角反射
32、波与入射点法线之间的夹角称为反射角。入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何光学的称为反射角。入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何光学的反射定律，即反射定律，即L=rL。与光的反射不同的是，当介质与光的反射不同的是，当介质1 1为固体时，界面上既产生为固体时，界面上既产生反射纵波，同时又发生波型转换并产生反射横波，即反射后同反射纵波，同时又发生波型转换并产生反射横波，即反射后同时产生纵波与横波两种波型。这时，横波反射角时产生纵波与横波两种波型。这时，横波反射角r rS S与纵波入与纵波入射射角之间的关系与光学中的斯奈尔定律相同，为角之间的关系与光学中的斯奈尔定律相同，为 ssLLLL1L1S1L2
33、S2sinsinsinsinsinrrccccc（1-16）若入射声波为横波，也会产生同样的现象，见图若入射声波为横波，也会产生同样的现象，见图1-101-10（b)b)，这时横波入射角这时横波入射角S S与横波与横波反射角反射角r rS相等。介质相等。介质1为固体时纵波为固体时纵波反射角与横波入射角之间的关系为反射角与横波入射角之间的关系为 SLS1L1sinsinrcc（1-17）由于固体中纵波声速总是大于横波声速，因此，无论是纵波入由于固体中纵波声速总是大于横波声速，因此，无论是纵波入射还是横波入射，均有。当介质射还是横波入射，均有。当介质1为液体或气体时，为液体或气体时，则入射波和反射
34、波只能为纵波。则入射波和反射波只能为纵波。LSrr2 2）折射折射当两种介质声速不同时，透射部分的声波会发生传播方向当两种介质声速不同时，透射部分的声波会发生传播方向的改变，称为折射。不论是纵波入射还是横波入射，只要介质的改变，称为折射。不论是纵波入射还是横波入射，只要介质2 2为固体，为固体，则介质则介质2 2中除有与入射波相同波型的折射波外，均中除有与入射波相同波型的折射波外，均可因在界面发生波型转换而产生与入射波不同波型的折射波。可因在界面发生波型转换而产生与入射波不同波型的折射波。这时，介质这时，介质2 2中可能同时存在纵波与横波中可能同时存在纵波与横波(见图见图1-10)1-10)。
35、折射角。折射角与入射角之间的关系符合斯奈尔定律。与入射角之间的关系符合斯奈尔定律。折射角相对于入射角的大小和折射波声速与入射波声速的折射角相对于入射角的大小和折射波声速与入射波声速的比率有关。同时，比率有关。同时，由于纵波由于纵波声速总是大于横波声速，因此纵波声速总是大于横波声速，因此纵波折射角折射角L要大于横波折射角要大于横波折射角S。3 3）临界角临界角当第二种介质中的折射波型的声速比第一种介质中入射波当第二种介质中的折射波型的声速比第一种介质中入射波型的声速大时，折射角大于入射角。此时，存在一个临界入射型的声速大时，折射角大于入射角。此时，存在一个临界入射角，在这个角度下，折射角等于角，
36、在这个角度下，折射角等于9090。大于这一角度时，。大于这一角度时，第第二种介质中不再有相应波型的折射波。二种介质中不再有相应波型的折射波。(1)(1)第一临界角。当入射波为纵波，且第一临界角。当入射波为纵波，且c cL2L2 c cL1L1时，时，使纵波使纵波折射角达到折射角达到9090的纵波入射的纵波入射角称为第一临界角角称为第一临界角，用符号，用符号表表示。当纵波入射角大于第一临界角时，第二介质中不再有折射示。当纵波入射角大于第一临界角时，第二介质中不再有折射纵波。纵波。12arcsinLLcc(2)(2)第二临界角。当入射波为纵波，第二介质为固体，第二临界角。当入射波为纵波，第二介质为
37、固体，且且c cS2S2 c cL1L1时，时，使横波折射角达到使横波折射角达到9090的纵波入射角为第二临界的纵波入射角为第二临界角角，用符号，用符号表示。表示。通常在超声检测中，临界角主要应用于第二介质为固体，通常在超声检测中，临界角主要应用于第二介质为固体，而而第一介质为固体或液体的情况。这种情况下，可利用入射角在第一介质为固体或液体的情况。这种情况下，可利用入射角在第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中产生一定角度产生一定角度范围内的纯横波，范围内的纯横波，对试件进行检测。对试件进行检测。12arcsinLScc (3)(3)第三临界角。第
38、三临界角是在固体介质与另一种介质第三临界角。第三临界角是在固体介质与另一种介质的界面上，用横波作为入射波时产生的。的界面上，用横波作为入射波时产生的。使纵波反射角达到使纵波反射角达到9090时的横波入射角称为第三临界角时的横波入射角称为第三临界角，用表示，用表示。4 4）斜入射时的声压反射率和透射率斜入射时的声压反射率和透射率斜入射时反射波和透射波的声压关系较为复杂。但在超声斜入射时反射波和透射波的声压关系较为复杂。但在超声检测中，关心的是斜入射的反射率和透射率随入射角度的变化。检测中，关心的是斜入射的反射率和透射率随入射角度的变化。对脉冲反射法，对脉冲反射法，更关心的是声压往返透过率随入射角
39、更关心的是声压往返透过率随入射角度的变度的变化。化。见见P2211arcsinSLcc三、三、超声波入射到曲界面上的反射和透射超声波入射到曲界面上的反射和透射1）平面波入射到曲界面上的反射平面波入射到曲界面上的反射平面波入射到曲界面上时的情况如图平面波入射到曲界面上时的情况如图1-11所示。平面波束所示。平面波束与曲面上各入射点的法线成不同的夹角：入射角为与曲面上各入射点的法线成不同的夹角：入射角为0的声线的声线沿原方向返回，称为声轴；其余声线的反射角则随着距声轴距沿原方向返回，称为声轴；其余声线的反射角则随着距声轴距离的增大而增大。当曲面是球面时，反射线或其延长线汇聚于离的增大而增大。当曲面
40、是球面时，反射线或其延长线汇聚于一个焦点上；反射面为圆柱面时，反射线或其延长线汇聚于一一个焦点上；反射面为圆柱面时，反射线或其延长线汇聚于一条焦线上。此时，焦距条焦线上。此时，焦距F与曲面曲率半径与曲面曲率半径r的关系为的关系为 2rF （1-18）图图1-11 平面波入射至曲面时的反射平面波入射至曲面时的反射 三、三、超声波入射到曲界面上的反射和透射超声波入射到曲界面上的反射和透射1）平面波入射到曲界面上的反射平面波入射到曲界面上的反射反射波波阵面的形状取决于曲界面的形状。反射波波阵面的形状取决于曲界面的形状。（1）界面为球面时，具有焦点。反射波波阵面为球面，凹球面上的反射波好）界面为球面时
41、，具有焦点。反射波波阵面为球面，凹球面上的反射波好像从实焦点发出的球面波，凸球面上的反射波好像从虚焦点发出的球面波。像从实焦点发出的球面波，凸球面上的反射波好像从虚焦点发出的球面波。（2）界面为柱面时，具有焦轴。反射波波阵面为柱面，凹柱面上的反射波好）界面为柱面时，具有焦轴。反射波波阵面为柱面，凹柱面上的反射波好像从实焦轴发出的柱面波，凸柱面上的反射波好像从虚焦轴发出的柱面波。像从实焦轴发出的柱面波，凸柱面上的反射波好像从虚焦轴发出的柱面波。声速中心轴线上，反射波的声压分别为：声速中心轴线上，反射波的声压分别为：球曲面：球曲面：柱曲面：柱曲面：0(xfppxf发散取+，聚焦取-）0(xfppx
42、f发散取+，聚焦取-）2 2）平面波在曲面上的透射平面波在曲面上的透射 平面波入射到曲面上时，其透射波也将发生聚焦或发散，平面波入射到曲面上时，其透射波也将发生聚焦或发散，如图如图1-121-12所示。这时所示。这时透透射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面两侧介质的声速有关。对于凹面，关，而且与界面两侧介质的声速有关。对于凹面，c c1 1 c c2 2时发散；对于凸面，时发散；对于凸面，c c1 1 c c2 2时聚焦，时聚焦，c c1 1 时，时，/4/4可以忽略，从而得到近场长度的简化计算公可以忽略，从而得到近场长度的简化计算公式如下，可用于
43、实际工作中式如下，可用于实际工作中近场长度的估算：近场长度的估算：42DN（1-22）再看图再看图1-131-13中远场区部分的特点，图中标有中远场区部分的特点，图中标有“P P球球”的虚线为球的虚线为球面波声压随距离的变化曲线，可以看出，距离大于面波声压随距离的变化曲线，可以看出，距离大于3N 3N 以后，圆以后，圆盘声源声轴上的声压幅值变化与球面波的曲线非常接近。盘声源声轴上的声压幅值变化与球面波的曲线非常接近。当当4x/D23，也就是也就是x3N时，式（时，式（1-21）可简化为）可简化为 xSPxDPP0204（1-23）式中：式中：S=D2/4为圆盘声源的面积。声压幅值与距声源的距离
44、成为圆盘声源的面积。声压幅值与距声源的距离成反比，正是球面波的声压幅值的变化规律。反比，正是球面波的声压幅值的变化规律。2 2）指向性与扩散角指向性与扩散角 指向性与扩散角研究的是声束在空间扩散的规律。同样指向性与扩散角研究的是声束在空间扩散的规律。同样根据叠加原理，可将在空间中距声源有一定距离的任一点的根据叠加原理，可将在空间中距声源有一定距离的任一点的声压，看做是声源上各点的辐射声压的叠加声压，看做是声源上各点的辐射声压的叠加(见图见图1-14)1-14)，从，从而得而得到声场内声压幅值的分布情况，到声场内声压幅值的分布情况，如图如图1-15所示。所示。图1-14 圆盘声源远场中任一点的声
45、压推导 图1-15 圆盘声源声场指向性示意图 超声场中超声波的能量主要集中于以声轴为中心的某一角超声场中超声波的能量主要集中于以声轴为中心的某一角度范围内，这一范围称为主声束。这种声束集中向一个方向辐度范围内，这一范围称为主声束。这种声束集中向一个方向辐射的性质叫做声场的指向性。在主声束角度范围以外还存在一射的性质叫做声场的指向性。在主声束角度范围以外还存在一些能量很低的、只分布于声源附近的副瓣声束。些能量很低的、只分布于声源附近的副瓣声束。主声束所包含的角度范围可由距声源充分远处的声压分布主声束所包含的角度范围可由距声源充分远处的声压分布得到。设得到。设Rs为圆形声源的半径，为圆形声源的半径
46、，r为空间任一点为空间任一点M到声源中心到声源中心的距离，的距离，为为M点与声源中心的连线与声源轴线的夹角。当满点与声源中心的连线与声源轴线的夹角。当满足条件足条件r3R2s/，也就是也就是r3N时，声压幅值的表达式为时，声压幅值的表达式为 sin)sin(2),(ss10kRkRJrSPrP（1-24）式中：式中：J1为第一类第一阶贝塞尔函数；为第一类第一阶贝塞尔函数；S为声源面积。为声源面积。根据上式可知，距声源充分远处的任一横截面上，以声根据上式可知，距声源充分远处的任一横截面上，以声源轴线上的声压为最高。这是超声检测中对缺陷定位的依据。源轴线上的声压为最高。这是超声检测中对缺陷定位的依
47、据。同时，存在偏离轴线的若干个角度同时，存在偏离轴线的若干个角度上的声压的幅值为零。上的声压的幅值为零。将将远场中第一个声压为零的角度，称为指向角或半扩散角，远场中第一个声压为零的角度，称为指向角或半扩散角，以以0表示为表示为 D22.1sin0（1-25）指向角是代表主声束范围的角度，反映了声束的定向集中指向角是代表主声束范围的角度，反映了声束的定向集中程度，也反映了声束随距离扩散的快慢。指向角越大，则声束程度，也反映了声束随距离扩散的快慢。指向角越大，则声束指向性越差，声束扩散越快。由式指向性越差，声束扩散越快。由式(1-25)(1-25)可看出，声源可看出，声源的直径的直径越大，越大，波
48、长越短，则声束指向角越小，波长越短，则声束指向角越小，指向性越好。指向性越好。图1-16 圆盘声源非扩散区示意图 当当D时，式时，式(1-26)可简化为可简化为)rad(22.10D（1-26）由于超声能量主要集中于主声束，对于圆形晶片，可以认由于超声能量主要集中于主声束，对于圆形晶片，可以认为在距声源一定距离内，超声能量未逸出以晶片直径所约束的为在距声源一定距离内，超声能量未逸出以晶片直径所约束的范围，范围，声束直径小于晶片直径。这一距离之内就称为非扩散区，声束直径小于晶片直径。这一距离之内就称为非扩散区，如图如图1-161-16所示。非扩散区之外，则称为扩散区。按几何关系，所示。非扩散区之
49、外，则称为扩散区。按几何关系，可得到非扩散区的长可得到非扩散区的长度度b为为 Nb64.1(1-27)3)3)实际声源的声场实际声源的声场简化计算时假定声源是均匀、连续激发的，而实际探头多简化计算时假定声源是均匀、连续激发的，而实际探头多是非均匀激发的脉冲波源；简化计算时假定介质是液体介质，是非均匀激发的脉冲波源；简化计算时假定介质是液体介质，实际检测对象多为固体介质。对实际声场的研究结果表明，实实际检测对象多为固体介质。对实际声场的研究结果表明，实际声场与简化计算结果的差别主要在于近场区的声压分布。简际声场与简化计算结果的差别主要在于近场区的声压分布。简化计算结果中近场区声压变化剧烈，可有多
50、处极大值和极小值。化计算结果中近场区声压变化剧烈，可有多处极大值和极小值。而实际声场近场区声压分布比较均匀，幅度变化小，极值点的而实际声场近场区声压分布比较均匀，幅度变化小，极值点的数量也明显减少。数量也明显减少。尽管实际声场与简化分析结果有所差异，但在远场区是基尽管实际声场与简化分析结果有所差异，但在远场区是基本符合的。因此，可以应用本符合的。因此，可以应用简化推导得出的结果，进行实际检简化推导得出的结果，进行实际检测中的近似计算。测中的近似计算。2.2.规则反射体回波声压与规则反射体回波声压与AVGAVG曲线曲线1 1）规则反射体回波声压规则反射体回波声压超声检测用于发现材料中缺陷的最常用
