UT第二章2[1].7-2.9解读

αS 钢 空气 L'
rSS
1.0
rSL
0.8
rSS
0.6 0.4
rSL
0.2
αs
20 33.2 40 αⅢ 60 80
2.7.3 斜入射时的声压往复透射率

P0 Pa α
β Pt
Pt
声压往复透射率：超声波倾斜入射，折射波 全反射，探头接收到的回波声压Pa 与入射 波声压P0之比。 Pa T P0 超声波探伤中，常用的是反射法，超声 波往复通过同一探测面，因此，声压往复 透射率才具有实际意义。
2.8.4 球面波在曲界面上的反射和折射
2.球面波在曲界面上的折射 球面波入射到曲界面上，其折射波同样 会发生聚焦和发散 球形界面： 柱形界面： 水浸检测柱形或球形工件 聚焦检测
2.9 超声波的衰减
2.9.1 衰减的原因
超声波在介质中传播时，随着距离增加， 超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波 衰减。 波束扩散、晶粒散射和介质吸收 1.扩散衰减 ：声束的扩散，使超声波的 能量随距离增加而减弱的现象。 超声波的扩散衰减仅取决与波振面的形状， 与介质的性质无关。
（1）纵波入射时，端角反射率都很低，这 是因为纵波在端角的两次反射中分离出 较强的横波。 （2）横波入射时，入射角S 30 或 60 附近 时，端角反射率最低。 35 ~ 55 时，端角反射率达100%。
s

横波入射时，入射角αS=30°或60°附近时，端 角反射率最低。αS在35°～55°时端角反射率 达100％，实际工作中，横波检测焊缝单面焊 根部未焊透的情况就类似于这种情况，当横波 入射角αS（等于横波探头的折射角βS）=35°～ 55°，即K=tgβS=0.7～1.43时，检测灵敏度最 高。当βS=56°，即K=1.5时，检测灵敏度较低， 可能引起漏检。
P Pt 1 x
2.8.3 平面波在曲界面上的反射与折射
.平面波在曲界面上的反射 当平面波入射到曲界面上时，其反射波将发生聚焦或 发散。 反射波的聚焦或发散与曲面的凹凸（从入射方向看）有 关。凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波发散。 （1）平面波入射到球面时，其反射波可视为从焦点发出 的球面波。 （2）平面波入射到柱面时，其反射波可视为从焦轴发出 的柱面波。 实际检测中球形、柱形气孔的反射就属于以上两种情 况。
C S1 arcsin C L1
III
=33.2°
0 33 . 2 当 s 时，钢中横波全反射。
有机玻璃
晶片
L αL
K tan s
S
钢
S s
2.7.2 声压反射率
超声波反射、折射定律只讨论了各种 反射波、折射波的方向问题，未涉及声 压反射率和透射率问题。由于倾斜入射 时，声压反射率、透射率不仅与介质的 声阻抗有关，而且与入射角有关，其理 论计算公式十分复杂，因此这里只介绍 由理论计算结果绘制的曲线图形。
平面波：不存在衰减； 球面波：球面波的波振面为同心球面， 声束向四面八方扩散，存在扩散衰减， 声压与距离成反比。 柱面波：波振面为同轴圆柱面，声束向 四周扩散，存在扩散衰减，声压与距 离的平方根成反比。
2、散射衰减： 超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不 同的界面产生散乱反射而引起的衰减现象。 散射衰减与介质的晶粒密切相关－晶粒散 射。当材质晶粒度大时，散射衰减严重， 被散射的超声波沿复杂的路径传到探头， 在示波屏上引起林状回波（又称 草波）使 信噪比下降，严重时噪声湮没缺陷波。
3.吸收衰减：超声波在介质中传播时，由
于介质中质点间内摩擦和热传导引起超 声波的衰减。
通常所说的介质衰减是指吸收衰减 与散射衰减，不包括扩散衰减。
2.9.2 衰减方程与衰减系数 1.衰减方程
平面波： P P e x x 0
P0 波源的起始声压 PX 至波源距离为x处的 声压 X 至波源的距离 α 介质衰减系数
2.8 超声波的聚焦与发散
2.8.1 声压距离公式
为了便于讨论，不考虑波型转换行为。 1 .平面波 平面波波束不扩散，而是互相平行，因 此声压不随距离而变化。 2. 球面波 P 1 P x
2.8.1 声压距离公式
3. 柱面波 柱面波的波阵面为同轴柱面，柱面波声 场中某处质点的振幅与该点至波源的距 离的平方根成反比，而声压与振幅成正 比，因此柱面波的声压与距离的平方根 成反比。 P 1
1、纵波斜入射到钢/空气界面的反 射
如图所示，当纵波倾斜入射到钢/空气界面时，纵波 声压反射率rLL与横波声压反率rLS 随入射角αL而变化。 当αL=60°左右时，rLL很低，rLS很高。原因是纵波倾斜 入射，当αL=60°左右时产生一个较强的变型反射横波。
L αL S' L' 钢 空气
rLL
sin L sin L C L1 CL2
C L1 1 arcsin CL2
第二临界角：
Ⅱ
sin L sin s C L1 CS 2
C L1 arcsin CS 2
（1）当纵波入射角小于第一临界角时，第二介 质中既有纵波又有横波；
（2）当纵波入射角介于第一临界角和第二临界 角时，第二介质中只有横波，没有纵波，这就 是常用横波斜探头的制作原理。
a s
d：介质的晶粒直径 F：各项异性系数 c1、c2、c3、c4 常数
a C1 f 3 c Fd f 2 2 c Fdf s 3 c f / d 4
4
d d d
由以上公式可知： （1）介质的吸收系数与频率成正比； （2）介质的散射系数与f、d、F有关。 在实际探伤中，当介质的晶粒较粗大时， 若采用较高的频率，将会引起严重衰减， 示波屏出现大量草波，使信噪比明显下降， 超声波的穿透能力也显著下降。这就是晶 粒粗大的奥氏体钢和一些铸件探伤的困难 所在。 （3）对于液体介质而言，主要是介质的吸收 衰减。
2.8.3 平面波在曲界面上的反射与折射
2.平面波在曲界面上的折射 平面波入射到曲界面上时，其折射波也将发生聚焦或 发散，如图1.46。 折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与 界面两侧介质的波速有关。 对于凹透镜，当 c1<c2时聚焦，当c1>c2时发散； 对于凸透镜，当c1>c2时聚焦，当c1<c2时发散。 根据折射定理作图即可 （1）平面波入射至球面透镜时 （2）平面波入射到柱面透镜
P1 ax 球面波 : Px e x P1 ax 柱面波 : Px e x
(1.59) (1.60)
2.9.2 衰减方程与衰减系数 2.衰减系数
衰减系数α只考虑了介质的散射和吸收衰 减，未涉及扩散衰减。对于金属材料等固体 介质而言，介质衰减系数α等于散射衰减系 数和吸收衰减系数之和。
2.7.4 端角反射
2.7.4
端角反射
横波斜探头
Pa P0
αβ
2.7.4 端角反射
超声波在两个平面构成的直角内的反射 叫做端角反射。在端角反射中，超声波 经历了两次反射，当不考虑波型转换时， 二次反射回波与入射波互相平行，即 回波声压 Pa 与入射波声压 P0 之比称为端 角反射率，用T端表示。




衰减系数定义和单位： 定义：在声束的传播方向上，单位声程衰 减的dB数。单位： dB/mm 衰减系数与声阻抗的关系 材料的声阻抗越大，衰减系数越小，超声 波传播时的衰减越小。 衰减系数与温度的关系 固体材料的衰减系数随温度的升高而增大。
P
x
2.8.2 球面波在平界面上的反射与折射
1.单一的平界面上的反射 P Pr 1 x
2.双界面的反射 前壁各次反射波声压比为
P P P 1 1 : : 1 : 2d 4d 6d 1 1 1: : : 2 3
2.8.2 球面波在平界面上的反射与折射

后壁各次波的声压比
P P P 1 1 : : 1 : d 3d 5d 1 1 1: : : 3 5
对于凹面，当C1＜C2时聚焦，当 C1＞C2时发散；

对于凸面，当C1＞C2时聚焦，当C1＜C2时发 散。
2.8.4 球面波在曲界面上的反射和折射
1．球面波在曲界面上的反射 球面波入射到曲界面上，其反射波将发生聚焦 或发散，如图 1.47 。凹曲面的反射波聚焦，凸 曲面的反射波发散。 （1）球面波在球面上的反射波 （2）球面波在柱面上的反射波 （图1.49）超声波径向检测空心圆柱体的情况， 类似于球面波在凸柱面上的反射，反射波发散。 圆柱面上入射点处的反射回波声压总是低于同 距离的平底面的反射声压
当横波入射角增大到一定程度，反射纵波沿着界面传 播，这时所对应当横波入射角为第三临界角。
III
C S1 arcsin C L1
当横波入射角大于等于第三临界角时，第一介质中只 有反射横波，没有反射纵波，即横波全反射。 只有当第一介质为固体介质时，才会有第三临界角。

例：对钢/空气界面 C L1 ＝5900m/s, C S 1=3230m/s,

端角反射率： 回波声压Pa与入射波声压P0之比. T端＝ Pa / P0 例：钢/空气界面上钢中的端角反射率。下图 可知，纵波入射时，端角反射率都很低， 这是因为纵波在端角的两次反射中分离出 较强的横波。

2.7.4 端角反射

钢/空气界面上钢中的端角反射率 －横波入射时
2.7.4 端角反射
1.0
rLS
0.8
rLL
0.6 0.4 0.2
rLS
αL 20 40 60 80
2、横波斜入射到钢/空气界面的反射
如图所示，横波倾斜入射到钢/空气界面，横波声压反射率 rSS 与纵波声压反射率rSL 随入射角而变化。当=30°左右时， rSS很低，rSL较高。当≥33.2°（αⅢ）时，rSS=100％，即钢种 S 横波全反射。 S'