华东交通大学 机械工程测试技术 超声波

1、当Z2＞Z1时，
r＞0，t>1,反 射波与入射波 同相位，两波 叠加，在界面 上声压振幅增 大为P0+Pr。如 平面波在水/钢 界面的反射和 透射.Pt>P0
2、当Z1＞Z2
时，r＜0， 反射波与入 射波相位相 反，两波叠 加，在界面 上声压振幅 减小为P0∣Pr∣。如 平面波在钢/ 水界面的反 射和透 射,Pt<P0
当d 2 （2n 1 ）
2
4
时，且Z 2
Z1Z 3时，有
t 1
此时为全透射的情况。
back
当d 2
2 时，薄层愈薄，声压往 复透射率愈大。 4
4.3 超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射
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，在界面会产生反射、折射和波型转
α ：入射角、β :透射角、γ ：反射角
3、反射 当纵波以入射角αL倾斜入射到介质界面上时，将会在介质 1中于入射点法线的另一侧产生与法线成一定夹角 的反射纵 L 波。 称为反射角。入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何 L
光学的反射定律，即αL=
。 L
与光的反射不同的是，当介质1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 时产生纵波与横波两种波型。这时，横波反射角 射角之间的关系与光学中的斯涅耳定律相同， 为
第二介质中既无折射纵波，又无折射横波，而在介质的表面将产 生表面波。
sin L sin S cL1 cS2
cL1 II arcsin cS2
(3) 第三临界角αⅢ 。使纵波反射角达到90°时的横波入射
角称为第三临界角，用表示αⅢ。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。此时，介质中 只存在反射横波。
sin S sin L cS1 cL1
III
cS1 arcsin cL1
6、 斜入射时的声压反射率和透射率
斯涅耳反射、折射定律只讨论了超声波倾斜入射到界面 上时，各种类型反射波和折射波的传播方向，没有涉及它们 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
Ⅱ
。使纵波透射角S 等于90°时的纵波
入射角α L，用符号αⅡ表示。 且cS2>cL1时。 通常在超声检测中，临界角主要应用于第二介质为固体，
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 第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中产生一定角度范
围内的纯横波，对试件进行检测。当入射角大于第二临界角时，
s
L
s L
横波入射到固/固界面时的斯涅耳定律
sin s sin L sin s sin L sin S cs1 cL1 cS1 cL 2 cS2
α ：入射角、β ：折射角、γ ：反射角 L：纵波、 S：横波 c:声速 1、2代表两种介质
s
L
s L
5、 临界角
纵波斜入射的声压反射率
斜入射时的声压反射率和透射率不仅与介质声 阻抗有关，而且与入射角有关。 1、纵波斜入射 到钢/空气界面的声压 反射率：
2、横波斜入射到钢/空气界面的声压反射率：
三、声压往复透射率 纵波斜入射到水/钢界面：
纵波斜入射到有机玻璃/钢界面的声压往复 透射率：
λ：波长
⑶
指向特性
由指向角(半扩散角θ)表征 θ ：半扩散角， λ：波长
∴D↑f↑(λ ↓) 则θ ↓
θ越小则越好
圆形直探头纵波而言:θ＝arcsin1.22λ/D
D：直径
⑷超声波不能在真空中传播（无声介质）
back
第四节 超声波在介质中的传播特性
4.2 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射
超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，不改变
比率有关。同时，由于纵波声速总是大于横波声速，因此纵
波折射角βL要大于横波折射角βS。
纵波入射到固/固界面时的斯涅耳定律
sin L sin L sin s sin L sin S cL1 cL1 cS1 cL 2 cS2
α ：入射角、β ：折射角、γ ：反射角 L：纵波、 S：横波 c:声速 1、2代表两种介质
2、 薄层界面
在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层，
这些都可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透射问题。
超声波由声阻抗为 Z1的第一 介质入射到Z1和Z2的交界面，然 后通过声阻抗为 Z2的第二介质薄 层射到Z2和Z3的交界面，最后进 入声阻抗为Z3的第三介质。当然
d2
在有三层介质时，很多情况是第
p r Z 2 Z1 r p0 Z 2 Z1
t r 1
pt 2Z 2 t p0 Z 2 Z1
式中： Z1、Z2分别为两种介质的声阻抗。
为了研究反射波和透射波的能量关系，引入声强反射率R
和声强透射率T两个量。R为反射波声强(Ir)和入射波声强(I0)之
比；T为透射波声强(It)和入射波声强(I0)之比。
的物理基础。
当超声波垂直入射到足够 大的光滑平界面时，将在第 一介质中产生一个与入射波 方向相反的反射波，在第二 介质中产生一个与入射波方 向相同的透射波。 超声波垂直入射于平界面的反射与透射
反射波声压 Pr与入射波声压 P0的比值称为声压反
射率r，透射波声压Pt和P0的比值称为声压透射率t。
r和t的数学表达式为：
方向。但遇到异介质界面（即声阻抗差异较大的异质界面）时， 会产生反射和透射现象。
1、 单一界面
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(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，沿与入射波相反的方向传 播，成为反射波(声强为 Ir )。声波的这一性质是超声波检测缺陷
Ⅰ 表示。当
波入射角α L。且cL2>cL1时，折射角大于入射角，使纵波折射角 达到90°的纵波入射角称为第一临界角，用符号α 只有折射横波。 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，
sin L sin L cL1 cL2
cL1 I arcsin cL2
(2) 第二临界角α
Z2 m Z1

2
透射率t
由上两式可知： 当d 2 n
时，r 0，t 1
当d 2 （2n 1 ） 当d 2 0即d 2

4
时，r最大，t 0 时，r愈小，t愈大。

4
超声波测厚
（2）当Z1 Z 2 Z3，即非均匀介质中的薄 层，如晶片 保护薄膜 工件， 或晶片 耦合剂 工件等情况，此时声压 往复透射率为 t ( Z1 Z 3 ) 2 cos2 ( 由上式可知：
Z 2 Z1 Ir 2 R r I0 Z Z 1 2
2
2
It Z1 Pt 4Z1 Z 2 T 2 Байду номын сангаас 0 Z 2 P0 Z 2 Z1 2
T R 1
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。
讨论：
第二章
2.1 概述
超声波检测技术
2.2 超声波的分类
2.3 声场及介质的声参量
2.4 超声波在介质中的传播特性
2.5 超声波检测仪、探头及试块 2.6 超声波检测方法和通用检测技术 2.7 超声波测厚 2.8 超声波检测应用实例
第四节 超声波在介质中的传播特性

一、超声场 二、超声波垂直入射到界面上的反射和透射 三、超声波倾斜入射到界面上的反射和透射 四、超声波在曲面上的反射和透射
4.1 超声场
第四节 超声波在介质中的传播特性
一、超声场结构 一般由主声束和副声束构 成 主声束：截面大，能量集 中，很好的指向性(θ) 副声束：截面小，能量弱， 方向易变
直探头发出的超声波束
⑴主声束轴线上的声压分布 以压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场为例：
a 声束未扩散区 与扩散区
S 与纵波入
sin L sin s cL1 cS1
若入射声波为横波，也会产生同样的现象，这时横波入射
角α S与横波反射角
S 相等。介质1为固体时纵波反射角与横
波入射角之间的关系为
sin S sin L cS1 cL1
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 L S 。当介质1为液体或气体时， 则入射波和反射波只能为纵波。
当入射超声波在界面上发生反射和透射时，由于入射角的 变化，使得在界面上两侧的第一介质、第二介质及界面上产生
波型转换的情况将会发生变化，在第二种介质中的透射波的波
型取决于入射角大小，而这些引起波型变化的入射角临界值分 别称为第一临界角α Ⅰ、第二临界角α
Ⅱ
和第三临界角α
Ⅲ
。
(1) 第一临界角α
Ⅰ
。使横波透射角 L 等于90°时的纵
一介质和第三介质为同一种介质 （超声波检测即是这种情况）。 在两个界面上的反射和透射
（1）当第一、三介质为同一介质时
反射率r
2 d 2 1 1 (m- ) 2 sin 2 ( ) 4 m 2 2 d 2 1 1 1 (m- ) 2 sin 2 ( ) 4 m 2 1 2 d 2 1 1 (m- ) 2 sin 2 ( ) 4 m 2 1
当d 2 n
2d 2
4 Z1 Z 3 ) (Z 2
2
Z1 Z 3 2 2d 2 ) sin 2 ( ) Z2 2
4 Z1Z 3 ( Z1 Z 3) 2
2
2
时，t