.第一章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第四節(jié)超聲平面在平界面上斜入射的行為超聲平面波以一定的傾斜角入射到異質(zhì)界面上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生聲波的反射和折射、并且遵循反射和折射定律。在一定條件下，界面上還會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。感謝閱讀一、斜入射時(shí)界面上的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換超聲波在固體界面上的反射固體中縱波斜入射于固體——?dú)怏w界面1–25中，為縱波入射角，為縱波反射角，為橫波反射角，其反射定律可謝謝閱讀用下列數(shù)學(xué)式表示：LL1S1CLCL1CS1(1–34)sinsinsinLL1S1因入射縱波L與反射縱波L1在同一介質(zhì)內(nèi)傳播，故它們的聲速相同，即CC，所以。又因同一介質(zhì)中縱波聲速大于橫波聲速，即C＞CLL1，所以＞。LL1L1S1L1S12.橫波斜入射于固體——?dú)怏w界面圖1–26中，為橫波入射角，為橫波反射角，為縱波反射角。由反射定律可知：SS1L1CSCS1CL1(1–35)sinsinsinSS1L1圖1–25 縱波斜入射 圖1–26 橫波斜入射因入射橫波S與反射橫波S在同一介質(zhì)內(nèi)傳播，故它們的聲速相同，即CC，所以1SS1。又因同一介質(zhì)中C＞C，所以，＞。SS1L1S1L1S1結(jié)論：當(dāng)超聲波在固體中以某角度斜入射于異質(zhì)面上，其入射角等于反射角，縱波反射角大于橫波反射角，或者說(shuō)橫波反射聲束總是位于縱波反射聲束與法線之間。圖(1–27)表示鋼及鋁材中縱波入射時(shí)的橫波反射角，也可以看成橫波入射時(shí)的縱波反射角。精品文檔放心下載超聲波的折射縱波斜入射的折射圖1–28中為第一介質(zhì)的縱波入射角，為第二介質(zhì)的縱波折射角，為第二介質(zhì)精品文檔放心下載LLS的橫波折射角，其折射定律可用下列數(shù)學(xué)式表示：CLCL2CS2(1–36)sinsinsinLLS.圖1–27鋼及鋁村中縱波入射時(shí)的橫波反射角(或橫波入射時(shí)的縱波反射角)圖1–28縱波斜入射在第二介質(zhì)中，因C＞C，所以sin＞sin，＞，橫波折射聲束總是位于縱波折射聲束與法線之間。L2S2LSLS2.橫波斜入射的折射橫波在固體中斜入射至固/固、固/液介面時(shí)，其折射規(guī)律同樣符合式(1–36)所示的形式，可寫(xiě)成：精品文檔放心下載CSCS2CL2(1–37)sinsinsinSS2L由于氣體和液體不能傳播波橫波，所以不是任何情況下反射波和折射波都有波型的轉(zhuǎn)換，這一點(diǎn)要注意。感謝閱讀圖1–29是幾種不同情況界面的波型轉(zhuǎn)換，(a)I—固體，II—液體，縱波入射，在II中沒(méi)有折射橫波；(b)介質(zhì)情況同(a)，但是橫波入射，在II中也只有折射的縱波；(c)中I是液體，II是固體，縱波入射在介質(zhì)I中只有反射縱波；(d)二種介質(zhì)都是液體，則反射和折射波都是縱波；(e)(f)二種介質(zhì)都是固體，入射波是縱波及橫波，在一般情況下反射波和折射波中既有縱波又有橫波。若聲波從固體斜射到空氣界面，則在固體中才存在反射縱波和(或)橫波。謝謝閱讀圖1–29 聲波的各種反射、折射情況縱波第一臨界.CLCL2Csinsin90L2LK1LK1sin1C(1–38)CLL2對(duì)于入射角大于縱波第一臨界角的所有縱波入射聲束均會(huì)使縱波不傳入第二介質(zhì)，產(chǎn)生縱波全反射的現(xiàn)象。感謝閱讀縱波第二臨界角縱波CLC2C第sinLK2sin90S2二臨界角EMBED圖1–30縱波第一臨界面圖1–31橫波全反射和第二臨界角EsinC(1–39)qLK21CLS對(duì)于入射角大于縱波第二臨界角的所有縱波入射聲束，均會(huì)使變形橫波不傳入第二介感謝閱讀a質(zhì)，產(chǎn)生橫波全反射的現(xiàn)象。圖1–32為有機(jī)玻璃/鋼(鋁)界面入射角和折射角的關(guān)系曲線。謝謝閱讀常用介質(zhì)的縱波第一臨界和第二臨界角見(jiàn)表1–4所列。感謝閱讀io表1–4常用介質(zhì)縱波和第一臨界角和第二臨界角ns.·csin1270027.2sin1270056.73有機(jī)玻璃/鋼LK15900LK23230有機(jī)玻璃/鋁sin1270025.4sin1270061.2LK16300LK23080定LK2義1500150027.7如水/鋼sin114.7sin1LK15900LK23230下：1500150029.1縱水/鋁sin113.8sin1LK16300LK23080波10°20°30°40°50°60°圖1–32有機(jī)玻璃/鋼(鋁)界面入射角和折射角的關(guān)系曲線斜入由射表，1使–固4體可.第三臨界角橫波斜入射于固體/空氣界面，S為橫波射角；為縱波反射角，為橫波反射角，L1S1此時(shí)認(rèn)為橫波在空氣中不產(chǎn)生折射現(xiàn)象。因同一介質(zhì)中，C＜C，所以S＜。當(dāng)入射角SLL1定義橫波斜入射至固體/空氣界面并產(chǎn)生縱波全反射的橫波入射角為第三臨界角，用符謝謝閱讀達(dá)號(hào)表示。到SK3CCCSL1某sinsin90L1SK3一SK3sin1C(1–40)CS數(shù)L1值常用介質(zhì)的第三臨界角見(jiàn)表1–5所列。時(shí)，表1–5常用介質(zhì)第三臨界角就鋼/空氣sin1323233.25900可SK33080使鋁/空氣SK3sin129.36300有機(jī)玻璃/空氣sin1146032.7ESK32700M三、斜入射時(shí)反射系數(shù)、折射系數(shù)和往復(fù)透射率超聲波斜入射時(shí)，運(yùn)用反射定律和折射定律可以確定，遇到界面后反射和折射超聲波束感謝閱讀E的傳播方向，但不能確定入射波和反射波、折射波之間的聲壓關(guān)系。實(shí)際上，斜入射波尤其感謝閱讀D是在產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換的情況下，反射波及折射波的聲壓變化不僅隨入射波型的不同而不同，而且還與入射角的大小和界面兩側(cè)介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。由于理論計(jì)算十分復(fù)雜，因此實(shí)際應(yīng)用中常精品文檔放心下載E以相應(yīng)的曲線進(jìn)行分析。下面僅以幾種常用情況加以討論：感謝閱讀(1)縱波從水斜入射至固體當(dāng)縱波從水斜入射至固體(如鋼或鋁)時(shí)，隨著縱波入射角的變化，反射聲壓和折射聲壓謝謝閱讀a跡t隨i之o變n化.，3圖1–3=L13，產(chǎn)生縱波全反射現(xiàn)象。所示為入(a)射縱 圖1–33 入射縱波在水和鋁界面上的反射和折射精品文檔放心下載波在水/鋁.縱波從有機(jī)玻璃斜入射至固體目前，各種斜探頭大多以有機(jī)玻璃作為透聲楔，晶片產(chǎn)生的縱波通過(guò)有機(jī)玻璃入射到有感謝閱讀機(jī)玻璃/固體界面(耦合層)，并在耦合層與固體之間接合面上波型轉(zhuǎn)換后，在固體中得到所需要的波型(橫波、表面波及板波)。由于耦合層極薄，運(yùn)用反向定律、折射定律計(jì)算反射角、折射角和分析界面上聲壓反射系數(shù)、透射系數(shù)、往復(fù)透過(guò)率時(shí)，可忽略耦合層的影響，只以界面兩側(cè)的有機(jī)玻璃和固體的聲學(xué)性質(zhì)為計(jì)算和分析的依據(jù)。感謝閱讀縱波斜入射在有機(jī)玻璃/鋼界面 圖1–34 縱波斜入射在有機(jī)玻璃/鋼界面上的反射和折射規(guī)律感謝閱讀的 而在超聲波探傷法中，脈沖反射式探傷儀示波屏上的反射回波高代表了發(fā)射聲波在界面謝謝閱讀情上的回波幅度，這就是我們感興趣的往復(fù)透過(guò)率問(wèn)題。圖1–34所示即為有機(jī)玻璃鋼/界面感謝閱讀況的情況。圖中斜入波的往復(fù)透過(guò)率T可由下式計(jì)算：如PPPPT圖tttPpppP1P21式中：P為入射聲壓；P為透射聲壓；經(jīng)固體/空氣界面100%反射后變?yōu)榈诙橘|(zhì)向第一精品文檔放心下載t–介質(zhì)入射的聲壓。 為第一介質(zhì)波向第二介質(zhì)內(nèi)透射的聲壓透射率；為第二介質(zhì)返回聲波感謝閱讀3P2P1向第一介質(zhì)內(nèi)透射的聲壓透射率。從圖中可看出：1.有機(jī)玻璃與固體工件之間采用耦合劑液態(tài)接觸比固體接觸的橫波聲謝謝閱讀所壓往復(fù)透過(guò)率高得多；2.聲壓往復(fù)透過(guò)率隨入射角或折射角S的不同而有所變化。有精品文檔放心下載示 機(jī)玻璃/鋼界面聲壓往復(fù)透過(guò)率一般不超過(guò)30%，有機(jī)玻璃/鋁界面聲壓透過(guò)率高于前者，感謝閱讀，但最高不超過(guò)65%。從 (3)固體/空氣界面上的聲壓反射系數(shù)圖 實(shí)際工件底面往往就是固體/空氣界面，研究固體/空氣界面上的聲壓反射系數(shù)對(duì)分析工感謝閱讀件底面返回聲壓有實(shí)用意義。圖1–35和1–36為入射波在固體/空氣界面聲壓反射系數(shù)與感謝閱讀可P入射角的關(guān)系曲線。L，有二個(gè)臨界角，即縱波.s圖1–35 縱波入射鋼/空氣界面聲壓 圖1–36 橫波入射鋼/空氣、鋼/水鋁/空氣、感謝閱讀鋁/水界面聲壓反反射系數(shù)與L的關(guān)系曲線 射系數(shù)與L的關(guān)系曲線精品文檔放心下載從圖1–35中可以看出：1.2.縱波縱入 從圖1–36中可以看出：射波 1入角 .射，角E2.當(dāng)橫波斜入射于固體/液體界面(如鋼/在水、鋁/水)時(shí)，由于一部分聲能在液體中折射鋼謝謝閱讀M為縱波傳播，故其橫波聲壓反射系數(shù)比固體/鋼空氣界面小，如圖1–36中虛線所示，這種差中謝謝閱讀EB/，對(duì)于鋼/水來(lái)說(shuō)只EM空SS有氣BD橫界E超聲波探傷中所遇到的實(shí)際工件界面形狀是多種多樣的，但比較常見(jiàn)的規(guī)則界面有平波面DE面、傾斜平面、直角平面、圓柱面等。而，q(1)傾斜平面上的反射uE無(wú)超聲波入射到與主聲束不垂直的面(如工當(dāng)件的傾斜底面或與探測(cè)面有一傾角的缺陷)，相謝謝閱讀精品文檔放心下載反tu反射系數(shù)均會(huì)變化，其變化規(guī)律與縱波斜入射中和橫波斜入射于固體/空氣、固體/液體界面的精品文檔放心下載射ia橫縱to波波入ni，射.o3n角E為.M3左右時(shí)，反射橫波的聲壓反射系數(shù)最低，其值小于15%。入射角繼續(xù)增大，橫波反射聲SS壓就激增，直到33.2℃時(shí)橫波聲壓反射系數(shù)=100%，此時(shí)縱波反射角=B=LSSLED=(L～對(duì).圖1–37 超聲波在斜平面上的反射直角平面上的反射超聲波在二個(gè)互相垂直平面構(gòu)成的端面或三個(gè)互相垂直平面構(gòu)成的方角反射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生謝謝閱讀角反射效應(yīng)，在實(shí)際探傷中也較為常見(jiàn)，這些反射有以下規(guī)律：感謝閱讀橫波 橫在波探端角傷時(shí)平面，對(duì)內(nèi)產(chǎn)垂直生的于底聲壓面的反射裂縫系數(shù)等 當(dāng)以缺斜陷橫探波，頭宜入折射選射角用角與裂ES縫M

1.傾斜射到其中一個(gè)平面上的入射聲束，經(jīng)兩次反射后以平行于入射方向返回，并以過(guò)直角頂點(diǎn)且與入射聲束平行的直線為軸對(duì)稱。見(jiàn)圖1–38所示。謝謝閱讀2.端角內(nèi)的聲壓反射系數(shù)取決于入射聲波波型和入射角的大小。其感謝閱讀圖1–38 聲波在端角內(nèi)的反射 變化規(guī)律見(jiàn)圖1–39a。精品文檔放心下載由圖1–39b可知，傾斜入射的圖1–39 鋼中端角平面內(nèi)聲壓反射率.1–40折射角為50°時(shí)橫波在端角上的二次反縱射波超前感謝閱讀狹長(zhǎng)工件側(cè)壁平面引起的波型轉(zhuǎn)換狹長(zhǎng)工件側(cè)壁引起的波型轉(zhuǎn)換對(duì)截面寬度或直徑d與探頭晶片尺寸可比的長(zhǎng)直工件進(jìn)行軸向縱波探傷時(shí)，探頭擴(kuò)散聲束中的一部分邊緣聲束等于以很大的縱波入射角L斜入射工件側(cè)壁平面，并產(chǎn)生縱波和變型橫波S，其中S橫波穿越工件成為另一側(cè)壁平面上的入射橫波，其中一部分經(jīng)波型轉(zhuǎn)精品文檔放心下載1 1換后成為變形縱波L和橫波，L經(jīng)底面反射后被探頭接收，見(jiàn)圖1–41所示。若工件足夠長(zhǎng)，謝謝閱讀2 2則變形橫波可能在工件厚度方向上作多次橫穿，它們的波型轉(zhuǎn)換情況與第一次橫穿時(shí)類同。精品文檔放心下載圖1–41 遲到回波的產(chǎn)生及其在示波屏上的位置因?yàn)闄M波聲速比縱波聲速慢，這樣經(jīng)變型橫波轉(zhuǎn)換后探頭接收到的回波顯然滯后于單純按縱波傳播至底返回的回波，滯后時(shí)間與變型橫波橫穿工件厚度的次數(shù)成正比。這些比正?？v波底面回波滯后的變型波稱為遲到回波，其滯后聲程X可用下式計(jì)算：謝謝閱讀ndC21(1–40)XL2CS式中：d為工件寬度(或直徑)；n為變型橫波橫穿工件次數(shù)。精品文檔放心下載將材料聲速代入式(1–40)，得鋼中遲到回波的滯后聲程為：精品文檔放心下載X0.76nd(1–41)鋁中滯后聲程為：X0.88nd(1–42)與聲束軸線平行的工件側(cè)避干擾實(shí)踐證明，位于工件側(cè)壁附近的小缺陷，用與側(cè)壁平行的聲束很難檢測(cè)，這是因?yàn)榫肺臋n放心下載存在著工件側(cè)壁干擾現(xiàn)象的緣故。這一干擾現(xiàn)象往往由經(jīng)側(cè)壁反射后的縱波(或橫波)與不經(jīng)反射的直射縱波之間的干涉引起的，見(jiàn)圖1–42所示，其結(jié)果是干擾了直射聲波的感謝閱讀.返回聲壓，使探測(cè)靈敏度下降。在脈沖反射式探傷中，一般單次脈沖持續(xù)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的聲程不大于4，故只要側(cè)壁反射聲束路程大于直射縱波聲束路程4，側(cè)壁干擾即可避免。謝謝閱讀對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)，縱波直探頭離側(cè)壁的距離d應(yīng)滿足下列條件：謝謝閱讀dmin＞3.5X(1–43)f式中：f為超聲波探測(cè)頻率，單位為兆赫。X為聲程，單位為毫米。精品文檔放心下載圓柱形底面的三角形反射由于圓柱形工件有一定曲率，直探頭與工件直接接觸時(shí)，接觸面為一很窄的條件區(qū)精品文檔放心下載域，從而在圓柱的橫截內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲束擴(kuò)散。圓柱曲率越小，擴(kuò)散越大。感謝閱讀當(dāng)擴(kuò)散W3dcos301.3d(1–44)聲L2束 即這種等邊三角形反射聲束比聲束軸線附近直射聲束所得底面回波聲程滯后了謝謝閱讀0與.3d，見(jiàn)圖1–43所示。探頭聲束軸線夾角(指向角)為時(shí)，擴(kuò)散縱波聲束經(jīng)圓柱面反射兩次后再返回探頭接收，形