超声波在异质界面的传播

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1、........超声波在异质界面的传播特性与检测方法（讲稿）1.课程引入：超声检测一般是指使超声波与试件相互作用，对反射、透射和散射的波进行研究，进行试件的宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。超声波是超声振动在介质中的传播，其实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动。我们把充满超声波的空间，或在介质中超声振动波及的质点所占据的范围称为超声场。声压、声强、声阻抗是描述超声场特征的几个重要物理量，也就是超声场的特征量。超声波在界面发生折射的能量分别用声强反射率RI和声强透射率TI表示。同时也用声压反射率R和声压透射率T来表

2、示超声波传播特性。2.超声波垂直入射到单一平界面上：超声波垂直入射界面时产生一个与入射方向相反的反射波，和一个与入射波同方向的透射波。而波型没有改变。用角标、和分别表示入射、反射和折射。在垂直入射时介质两侧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：②两侧质点速度振幅相等，保持连续性：式中所以.专业学习资料.........其中R称为声压反射率，T称为声压透射率。Pr为反射声压振幅；Pt为透射声压振幅；Pi为入射声压振幅。Z1

3、射率R和声压透射率T。已知，水声阻抗钢声阻抗解：Z1>Z2时，入射和反射的质点振动速度同相。而入射和反射声压反相，总声压相抵消而减小，故透射声压很小。如钢/水界面。例：超声波从钢入射至水中求其声压反射率R和声压透射率TT＝1＋R.专业学习资料.........Z1>>Z2时，声压（声强）几乎全反射，透射率趋于0。如钢/空气界面Z2－Z1R＝————≈－1T＝1＋R＝1＋(－1)＝0Z2＋Z1例如钢空气界面，此时Z1(钢)＝46×106kg/m2·s，Z2(空气)＝0.0004×106kg/m2·s，则声压反射率为：Z2－Z10.0004－46R＝————＝——————≈－1Z2＋Z1

4、0.0004＋46声压透射率为：T＝1＋R＝1＋(－1)＝0结果表明，在这种情况下声波全反射。Z1≈Z2时，反射率R＝0，T＝1，声波不发生反射，全部透射。Z2－Z1R＝————≈0T＝1＋rp＝1＋0＝1Z2＋Z1例如普通碳钢焊缝的母材金属和焊缝金属声阻抗仅相差1％，在焊缝探伤时，超声波从母材金属Z1射入焊缝金属Z2＝0.99Z1，其m≈0.99，则声压反射率为：1－m1－0.99R＝———＝—————＝0.0051＋m1＋0.99声压透过率为：T＝1＋R＝1＋0.005≈1.专业学习资料.........结果表明，在这种情况下声波全透射。3.超声波垂直入射到薄层界面：当超声波从介

5、质1中垂直入射到介质1和介质2的界面上时，一部分声能被反射，另一部分声能透射到介质2中；当透射的声波到达介质2和介质3的界面时，再一次发生反射与透射，其反射波部分在介质2中传播至介质2与介质1的界面，则又会发生同样的过程。如此不断继续，则在两个界面的两侧，产生一系列的反射波与透射波。1均匀介质中的异质薄层与这种情况相对应的是材料中存在的平面状缺陷，如：裂纹、分层、夹杂等。设薄层厚度为d，介质2中的波长为，并以m表示两种介质声阻抗之比：.专业学习资料.........①当时，，，即均匀介质中薄层厚度为薄层中半波长的整数倍时，超声波几乎全透射而无反射。②当时，透射率最小而反射率最大。因此

6、，当材料中存在均匀薄层状缺陷，且缺陷厚度恰为半波长时，则可能因反射率低而造成漏检。但实际缺陷往往不是完全平行的，且实际超声波不是单一频率的，因此，因缺陷厚度使其对超声波的反射率为0的情况是极少出现的。③当时，薄层厚度越小，透射率越大，反射率越小。④当时，或时，，，这说明当薄层厚度非常小时，超声波也是几乎不反射而全部透射；另外，当两种介质声阻抗很接近时，声波也几乎全部透射。2薄层两侧介质不同薄层与两侧介质均不相同，与探头晶片与试件间存在保护膜或耦合剂的情况相当。这时，薄层的声强透射率以下式表达：.专业学习资料.........由上式可知：①当时，，即超声波垂直到两侧介质不同的薄层时，若

7、薄层的厚度为半波长的整数倍，则透过薄层的声强透射率与薄层的性质无关。②当时，且时，则有，说明超声波完全透射。这一结果，可用于直探头保护膜材料的选择及厚度的设计。③当时，薄层越薄，声压透射率越大。④当时，同样有，即透射声强与薄层性质无关，而仅与薄层两侧介质的声阻抗相关。因此在超声检测时，若试件表面较为平整，则应尽量少涂耦合剂，并施加一定的压力，使耦合层厚度很薄，以保证信号幅度的稳定性。4.超声波倾斜入射到平界面上：在两种不同介质之间的界面上，声波传输的几何性