第一章 超声检测物理基础 - 图文(5)

临界角，用?c??表示，并可得：

?c???arcsincl1 (1-32) ct2当纵波入射角达到第二临界角时，在介质2中既没有纵波也没有横波。

在超声检测中，临界角是个非常重要的概念。例如在接触法横波斜探头的楔块角度的设计中，为使斜探头在钢中激励出纯横波，务必使楔块中的纵波入射角在第一和第二临界角之间，对有机玻璃（Cl=2720m/s）和钢(Cc=5850m/s,Ct=3230m/s)的界面，第一和第二临界角分别为：?c?=27.60,

?c??=57.80，即有机玻璃中纵波的入射角度应在27.60~57.80之间。

③ 第三临界角?c???

当横波从固体介质中倾斜入射到固体与空气界面时，由于纵波声速大于横波声速，纵波反射角一定大于横波入射角，当横波入射角达到一定程度时，纵波反射角达到90°，这时的横波入射角称为第三临界角，用?c???表示，计算方法为：

?c????arcsinct1 (1-33) cl1 当横波入射角达到第三临界角时，在固体介质中只有横波而无纵波，因而对横波检测十分有利。对钢/空气而言，?c???=33.20。

4） 反射率和透射率

超声波倾斜入射时的声压反射率和透射率的计算比较复杂，重点观察反射率和透射率随 入射角的变化关系，对反射法超声检测，尤其关心声压往复透过率随入射角的变化关系。

① 纵波斜入射到水/铝界面，如图1-21。

0°10°6°20°22°24°26°28°29°29.2°α-TLSα-TLL0°2°4°408°10°11°12°13°13.56°TLSTLS，TLL(%)20TLLTLS0°20°40°60°80°βL，βS超声检测物理基础 第 21 页 共 35 页

图1-21 纵波斜入射到水/铝界面时的声压往返透过率

② 纵波斜入射到有机玻璃/钢界面，如图1-22。

4010°20°27.6°40°50°55°57°TLS，TLL(%)20TLLTLSTLS0°20°40°60°80°

βS图1-22 纵波斜入射到有机玻璃/钢界面时的声压往返透过率

③ 横波斜入射到钢/空气界面，如图1-23。

5000°10°20°30°31°32°33°33.2°100αtαtαlαl400钢真空30080RLL=RttRtLRLL,RLt，RtL(%)200401002000°20°40°60°80°

图1-23 纵波、横波在钢/空气界面斜入射时的反射率

2、曲面界面上的反射和折射

与超声波在平面界面上的行为相似，当超声波入射到曲面界面时，也会发生反射、折射

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RtL(%)60RLt

和波型转换现象。为简单起见，这里忽略波型转换，只讨论平面波在曲界面上的反射和折射现象。超声波在这种曲面上的反射和折射，将发生超声波的聚焦和发散现象。而究竟是发生聚焦还是发散，则取决于曲界面是凸面还是凹面以及两介质的声速的大小。

(1) 超声波在曲面界面上的反射

超声平面波入射到曲面界面时，不同声线的入射角不同，通过圆曲面中心的声线，其入射角为00，根据反射定律，反射角也为00，声波沿原路反射，称为声轴。离声轴越远声线的入射角越大，因而反射角也越大。这样，如图1-24所示，声波在凸面上发生发散现象；在凹面上发生聚焦现象。

OOF=r/2rF=r/2r

a) b)

图1-24 平面超声波入射到球凹面和球凸面时的反射现象

a) 聚焦 b) 发散

(2) 超声波在曲面界面上的折射

超声平面波入射到曲面界面时，同样，通过曲面中心的声线，其入射角为00，根据折射定律，折射角也为00，超声波按原方向继续前进；与之平行的其他声线，则因凸面和凹面、两介质的声速大小不同，发生聚焦或发散：对于凸面，如c1?c2，则聚焦；如c1?c2，则发散；对于凹面，如c1?c2，则发散；如c1?c2，则聚焦。如图1-25。

c1c2c1c2 c1c2c1c2

图1-25 平面波在曲面上的折射

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a)

c1?c2 b) c1?c2 c) c1?c2 d) c1?c2

(3) 声透镜

超声检测时为使声能更集中以提高检测灵敏度和定位精度，常使用声透镜。声透镜利用超声波在曲面界面上折射的原理，使超声波产生聚焦。液浸法超声检测中常用的声透镜为平凹透镜，即透镜的一面为平面，与直探头连接；另一面为凹面（多为球面或圆柱面），与液体接触平－凹型球面声透镜。如图1-26a。

?1c1?2c2DRFA

a) 平凹型球面声透镜聚焦原理图 b) fa?f0关系曲线

图1-26 平凹声透镜聚焦原理和焦距

根据几何声学的原理，可推导出这种球面声透镜的光学焦距Fo为： Fo?R (1-34) c21?c1可见，焦距与球面声透镜的曲率半径成正比；同时还与透镜及液体介质的声速有关。用有机玻璃制作声透镜以水浸法检测为例，可得：Fo?2.2R，由此可见，焦距与透镜的曲率半径成正比，只要球面声透镜的曲率半径足够大，其焦距也就足够大；焦距的大小不存在极限，焦距与晶片的直径、探头频率无关。

这个结论是不正确的。其实上述焦距的计算是根据类似于光学原理的几何声学原理推导的，因而计算的结果可称为声透镜的光学焦距，用Fo表示。这个计算公式仅在探头直径和球面的曲率半径均较小时才成立，曲率半径越大，误差越大。

球面声透镜的真正焦点应是其声轴线上声压（亦即声能）最高点，即为声焦点。该点距探头表面中心的距离才是球面声透镜真正的焦距，称为声焦距，用Fa表示。

根据波动声学的原理，通过推导球面声透镜声轴线上的声压分布规律，找到声压的最高点和声焦距。为方便计算，先将焦距作归一化处理：

归一化声焦距：fa?FaF，归一化光焦距：fo?o ，N为直探头在液体介质中的近NN场长度。

通过计算并经数值拟合，二者归一化焦距之间的关系为：

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5 fa?0.025fo?40.2f0?o730.fo6?61.fo21?63 (1-35) fo1.?32 40.037如图1-26b，可见，球面声透镜的声焦距除与球面的曲率半径、透镜及液体介质的声速有关外，还与直探头的直径、频率有关；声焦距的大小存在极限，该极限就是直探头在液体介质中的近场长度。 探头的直径越大，声焦距F也越大，而且频率越高，焦距越长。

1.2.4 超声波的衰减attenuation of ultrasound

声波在介质中传播时，声压和声能随距离的增加逐渐减小的现象称为超声波的衰减。超声波衰减的主要原因有三个：扩散、吸收和散射，由此引起的衰减分别称为扩散衰减、吸收衰减和散射衰减，其中，扩散衰减是由声场本身的特性引起的；吸收和散射衰减则是由介质材料引起的，与声场特性无关。 1、声波的扩散衰减

扩散衰减是由于声束扩散，即随着离声源的距离增加声束的截面不断增大，使单位面积上的声能不断减少造成的。扩散衰减仅取决于波阵面的形状，与介质的性质无关。在无穷大均匀理想介质中，球面波的声压与离声源距离成反比；柱面波的声压与离声源距离的平方根成反比；平面波声压不随距离变化，所以不存在扩散衰减。 2、声波的吸收衰减

声波在介质中传播时，将发生吸收现象并造成吸收衰减。吸收衰减主要来自三个方面：一是由热传导引起的声吸收；二是介质的内磨檫引起的声吸收；三是弹性损失。吸收衰减用吸收衰减系数表示，吸收衰减系数与频率 …… 此处隐藏：1843字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……