超声波2

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：
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
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
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
换现象。入射声波与入射点法线之间的夹角称为入射角。
1、波型转换
s

L
s
L
超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射
(a) 纵波入射； (b) 横波入射
2、斯涅耳定律
超声波从声速为c1的介质倾斜入射到传播速 度为c2的介质时，反射波、透射波的传播方向由反 射定律、透射定律确定（即斯涅耳定律）。
sin c1
I arcsin
(2) 第二临界角α
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
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
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。 对脉冲反射法，更关心的是声压往返透过率随入射角 度的变化。在斜入射情况下，各种类型反射波和折射波的声
压反射率和透射率不仅与界面两侧介质的声阻抗有关，还与
入射波的类型及入射角的大小有关。由于理论计算公式复杂， 因此借助于公式或实验得到几种常见界面的声压反射率和透 射率图。
当 d 2 2n 1 （ ）
2
4
时，且 Z 2
Z 1 Z 3 时，有
t 1
此时为全透射的情况。
复透射率愈大。
当d2
2
4
时，薄层愈薄，声压往
back
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
λ：波长
⑶
指向特性
由指向角(半扩散角θ)表征
θ越小则越好
圆形直探头纵波而言:θ＝arcsin1.22λ/D
θ ：半扩散角， λ：波长
∴D↑f↑(λ ↓) 则θ ↓
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
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 c S1

sin L c L1
III arcsin
c S1 c L1
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
Ir I0
T It I0
R
r
2
Z 2 Z1 Z Z 1 2
2 2 0
2
Z 1 Pt Z2P

4Z1Z 2
T R 1
2
Z 2
Z1
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：
1、当Z2＞Z1时，

sin c1

sin c2
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
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
b 轴线上声压分布
b
圆盘源超声场
近场：出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场。 近场长度：距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离 远场：近场以外的部分 探伤时，一般利用远场中的声学特性来发现缺陷。
⑵近场长度N 就圆直探头纵波而言，N可近似表示为：
N＝D2/4λ
D: 直探头压电晶片直径
N：近场长度
sin L cL1 sin L cL1 sin s cS1 sin L cL 2 sin S cS 2
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
横波入射到固/固界面时的斯涅耳定律
sin s cs1 sin L cL1 sin s cS1 sin L cL 2 sin S cS 2
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：
back
4.4
Δ但在垂直入射时，界面两侧的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，否则界面会发生运动；
——声压连续
（2）两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。
——法向速度相等
上述超声波纵波垂直入射到单一平界面上的声压、声强与
其反射率、透射率的计算公式，同样适用于横波入射的情况。
但在固液、固气界面上，横波将发生全反射，这是因为横波不 能在液体和气体中传播。
2 2
层，如晶片 往复透射率为
保护薄膜 工件，
4 Z 1Z 3 2 d 2
2
) (Z 2
Z 1Z 3 Z2
) sin (
2
2
2 d 2

2
)
由上式可知：
当d
2
n
2
2
时， t
4 Z 1Z (Z1 Z
3
) 3
2
即超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层，如薄层厚度等于半 波长的整数倍时，通过薄层的声压往复透射率与薄层的性质无关。
波入射角之间的关系为
sin S c S1

sin L c L1
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。
4、 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 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 为固体， 则介质2中除有与入射波相同波型的折射波外，均可
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，
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 c L1 sin S c S2

II arcsin
c L1 c S2
(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
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2中可能同时存在纵波与横波。折射角与入射角之间的 关系符合斯涅耳定律。 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
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
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
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。