超聲波探傷的物理基礎(chǔ)

第一章超聲波探傷的物理基礎(chǔ)第三節(jié)超聲平面波在大平界面上垂直入射的行為超聲波在異質(zhì)界面上的反射、透射和折射規(guī)律是超聲波探傷的重要物理基礎(chǔ)。當(dāng)超聲波垂直入射于平面界面時(shí)，主要考慮超聲波能量經(jīng)界面反射和透射后的重新分配和聲壓的變化，此時(shí)的分配和變化主要決定于界面兩邊介質(zhì)的聲阻抗。一、超聲波在單一的平面界面的反射和透射(1)反射、透射規(guī)律的聲壓聲強(qiáng)表示當(dāng)平面超聲波垂直入射于兩種聲阻抗不同的介質(zhì)的大平界面上時(shí)，反射波以與入射波方向相反的路徑返回，且有部分超聲波透過(guò)界面射入第二介質(zhì)，見(jiàn)圖1-17所示。平面界面上入射聲強(qiáng)為I,聲壓為P;反射聲強(qiáng)為I，聲壓為P;透射聲強(qiáng)為I,聲壓為P。若聲束入射a t t一側(cè)介質(zhì)的聲阻抗為Z，透射一側(cè)介質(zhì)聲Z(稱聲阻抗比Z(稱聲阻抗比)，就可(1-21a)阻抗為§根據(jù)界面上聲壓連續(xù)和振速連續(xù)的原則，并令m=得到：聲壓反射系數(shù)—=-2 1PZ+Z12聲壓透射系數(shù)2Z(1-21b)圖1-17平面波在大平面上的反射和透射=—T=P2Z(1-21b)圖1-17平面波在大平面上的反射和透射=—T=PT=廠PPZ若把聲壓看作是單位面積上受的力，那么作用于同一平面的力應(yīng)符合力的平衡原理，因此，聲壓變化就可寫(xiě)作P+Pa=Pt，等式兩邊除以P,得1+竺上PP1+Y=TPP(1-22)若把Ia/I和It/I分別定義為聲強(qiáng)反射率(R)和聲強(qiáng)透射率(D),就可得到:聲強(qiáng)反射率P2P2r=曠P2 PP2r=曠P2 P2(1-23)I2Z1聲強(qiáng)透射率(1-24)聲強(qiáng)是一種單位能量，作用于同一界面的聲強(qiáng)，應(yīng)滿足能量守恒定律，所以聲強(qiáng)變化可寫(xiě)作I=Ia+It，等式兩邊除以I,得到從式(1-23)從式(1-23)可知IIaI= +tIIIR+D=1(1-25)(Z-Z￥—2 1<Z+Z丿12(1-26)從式(1-22)和(1-25)可知D=1D=1-y2P4Z-Z 4m= 1 2 = (Z+Z)2 (1+m)212(1-27)即為聲壓往復(fù)透過(guò)率Tp。即為聲壓往復(fù)透過(guò)率Tp。見(jiàn)圖1-18所示。TP'PP'Tp=—r=r-r=TP?TPPPP 12P2ZTp=—r= 2—1PZ+Z12P2ZTp=—T= 1-2PtZ+Z21(2)聲壓往復(fù)透過(guò)率實(shí)際探傷中的探頭常兼作發(fā)射和接收聲波用，并認(rèn)為透射至工件底面的聲壓在鋼/空氣界面上被完全反射后，再次透過(guò)界面后被探頭所接收，因此，探頭接收到的返回聲壓P'與入射聲壓之比因?yàn)?m所以4m(1-28)4Z?ZTp=Tp?Tp= 1丁=(1-28)1 2(Z+Z)2 (1+m)212比較式(1-27)和式(1-28)可以看出，聲壓往復(fù)透射率和聲強(qiáng)透射率在數(shù)值上相等。(3)介質(zhì)對(duì)反射、透射的影響超聲波垂直入射于兩種不同聲阻抗介質(zhì)的平面界面，可以有以下四種常見(jiàn)的反射和透射情況。Z>z21若超聲波從水入射到鋼中，此時(shí)Z=1.5x106kg/m2.s,Z=46x106kg/m2.s。水/鋼界1(水) 2(鋼)面上聲壓反射系數(shù)為：ypZ—ypZ—Z-2 rZ+Z1246—1.51.5+46=0.937聲壓透射系數(shù)為2Z

t= 2 =1+y2=1.937pZ+Z p12圖(1-19)表示從水入射到鋼時(shí)，界面兩邊的聲壓分布情況。由圖可知，入射聲波自聲阻抗小的介質(zhì)入射至聲阻抗大的介質(zhì)，其反射聲壓略低于入射聲壓；透射聲壓高于入射聲壓并等于入射聲壓與反射聲壓之和。這是由于聲壓與介質(zhì)聲阻抗成正比的緣故，但透射波的聲強(qiáng)不可能大于入射聲強(qiáng)，即D=1—y2=1—0.9372=0.12，表示100%的入射聲強(qiáng)中只有12%P的聲強(qiáng)變?yōu)榈诙橘|(zhì)(鋼)中的透射波聲強(qiáng)；故鋼材水浸超聲波探傷應(yīng)適當(dāng)提高探測(cè)靈敏度以彌補(bǔ)鋼中透射聲強(qiáng)的減小。

圖1-18圖1-18聲壓往復(fù)透過(guò)率圖19從水入射至鋼時(shí)界面兩邊聲壓分布ZVZ21若超聲波從鋼入射到水中（即鋼材水浸探傷時(shí)工件底面的鋼/水界面），此時(shí)若Z1（鋼）=46x106kg/m2.s,Z=1.5X106kg/m2.s。鋼/水界面上聲壓反射系數(shù)為：Z-Z1.5-46 0937入肘洼蘆壓反酣誡川IE圖1-20從鋼入射至水的界面兩邊的聲壓分布Y=2 1= =—0.入肘洼蘆壓反酣誡川IE圖1-20從鋼入射至水的界面兩邊的聲壓分布pZ+Z46+1.512聲壓透射系數(shù)為：式中：負(fù)號(hào)表示入射聲波與反射聲波的相位差180°。聲壓透射系數(shù)為：2Zt= 2 =1—Y=1—0.937=0.063pZ+Z P12圖(1-20)表示從鋼入射到水時(shí)界面雙邊的聲入射至聲阻抗小的介質(zhì)，其反射聲壓絕對(duì)值小于入射聲壓，而兩者相位正好相反（入射至聲阻抗小的介質(zhì)，其反射聲壓絕對(duì)值小于入射聲壓，而兩者相位正好相反（Y得負(fù)值），且透射p聲壓也因兩者相位相反，互相抵消而數(shù)值極小，但透射到第二介質(zhì)（水）中的聲強(qiáng)D=1—y2=12%，與上述情況相同。pZ>>Z12超聲波從固體入射到空氣中，如鋼工件底面，或如探頭直接置于空氣中均屬具有固體/空氣界面的情況。此時(shí)若Z=46x106kg/m2.s,Z=0。0004x106kg/m2?s，鋼/空氣界面1（鋼） 入 2（空氣） 入 °上的聲壓反射系數(shù)為：Z—Z0.0004—46

y=—2 1= =—1pZ+Z 46+0.000412聲壓透射系數(shù)為：t=1+y=1+(—1)=0pp這也說(shuō)明超聲波探頭若與工件硬性接觸而無(wú)液體耦合劑，若工件表面毛糙，則相當(dāng)于探頭直接置于空氣，超聲波在晶片/空氣界面上將產(chǎn)生100%的反射，而無(wú)法透射進(jìn)入工件。Z?Z12超聲波入射至兩種聲阻抗接近的介質(zhì)界面上時(shí)就是這種情況，如普通碳鋼焊縫金屬與母材金屬兩者聲阻抗通常僅差1%（即Z2=（1+0.01）Z1），此時(shí)，界面上的聲壓反射系數(shù)為：

Yp聲壓透射系數(shù)為：Z—Yp聲壓透射系數(shù)為：Z—Z=—2 1Z+Z12(1+0.01)Z—Z11Z+(1+0.01)Z110.012+0.01二0.5%t=1+y=1+0.5%?1pp這表明在聲阻抗接近的異質(zhì)界面上反射聲壓極小，基本上可以忽略，而透射聲壓與入射聲壓基本相同，透射聲強(qiáng)D=1—Y2=1—(0.5%)q1，聲能也幾乎全部透射到第二介質(zhì)。p二、多層平面界面垂直入射在實(shí)際超聲波探傷中時(shí)常遇到聲波透過(guò)多層介質(zhì)，例如，鋼材中與探測(cè)面平行的異質(zhì)薄層、探頭晶片入射聲波進(jìn)入工件之前所經(jīng)過(guò)的保護(hù)膜、耦合劑等均是具有多層平面界面的實(shí)例。(1)透聲層圖1-21為超聲波入射至均質(zhì)材料中的雙層平面界面的情況，這時(shí)Z=Z,Z為異質(zhì)層132的聲阻抗。該異質(zhì)層雙層平面界面上的聲壓反射系數(shù)和透射系數(shù)可用下列公式計(jì)算：式中：異質(zhì)層中的波長(zhǎng)。t=p1'1+41￥.m m丿2冗式中：異質(zhì)層中的波長(zhǎng)。t=p1'1+41￥.m m丿2冗dsin2-九2 2冗dsin2-九2(1-29). 2冗dsin2-2(1-30),d為異質(zhì)厚度，九為超聲波在由公式(1-29)和(1-30)可以看出：若Z1=Z3(異質(zhì)層聲阻抗為z2),當(dāng)異質(zhì)層厚度剛好是該層中傳播聲波的半波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)，即d="?n,(n=1、2、3…正整數(shù))，貝si2翠=si2n?入n=si冗血=0，于2 九 九2是式(1-30)的y=0，式(1-35)的t=1。這種情況如果發(fā)生在鋼板中，那么，當(dāng)采用某種PP探測(cè)頻率探測(cè)鋼板中一種均勻的分層，而分層厚度恰為二分之一波長(zhǎng)時(shí)，Y=0，就得不P到該分層的反射回波(或反射回波很低)，從而導(dǎo)致該分層缺陷的漏檢。t=1，超聲波通過(guò)P這一介質(zhì)時(shí)，聲壓沒(méi)有變化，這層異質(zhì)層似乎不存在這時(shí)稱其為透聲層。為避免這種漏檢，可采用改變探測(cè)頻率的方法，改變后的探測(cè)頻率不應(yīng)是原探測(cè)頻率的整數(shù)倍。這種情況如果發(fā)生在直探頭的透聲層中，那么，為探頭采用鋼質(zhì)保護(hù)膜，并用來(lái)探測(cè)鋼工件時(shí)，保護(hù)膜與工件表面之間的耦合層就是一層異質(zhì)層。要使探頭發(fā)射的超聲波經(jīng)過(guò)耦合層后達(dá)到較高的透射效果(即t-1),就須使耦合層厚度為其半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，這種透聲層又稱為半波透聲層。P若Z豐Z(異質(zhì)層聲阻抗為Z),要使超聲波能以較高效率透過(guò)異質(zhì)層，就要求異質(zhì)1 3 2 )層變?yōu)槁暡ㄔ谄渲袀鞑ゲㄩL(zhǎng)的四分之一的奇數(shù)倍，即d=-?(2n-1),(n=1、2、3…正整數(shù))，4此時(shí)有最大的聲強(qiáng)透射率，即 4

Dmax2ZDmax2Z-Z2-Z

1 2 3—

(Z-Z+Z2)2

1 3 2(1-31)當(dāng)d= -n時(shí)，異質(zhì)層的聲強(qiáng)透射率取低，即2

4Z-ZD= 1 — (1-32)min(Z+Z)213直探頭選用非鋼質(zhì)保護(hù)膜，并探測(cè)鋼工件時(shí)就屬此種情況，此時(shí)耦合層的厚度應(yīng)該為九/4的奇數(shù)倍時(shí)，才有較好的透聲效果。若將直探頭保護(hù)膜看作處于晶片與耦合層之間的異質(zhì)層，(見(jiàn))所示因晶片聲阻抗總是不等于耦合層聲阻抗(即Z1工Z3)，因此，要使保護(hù)膜有較高的透聲效果，其厚度也應(yīng)是X/4的奇數(shù)倍。探頭保護(hù)膜除了要求有合適的厚度外，還應(yīng)有一個(gè)適當(dāng)?shù)穆曌杩埂．?dāng)保護(hù)膜聲阻抗Zm滿足下列關(guān)系時(shí)，聲強(qiáng)的透射率就較高。Zm=<Z晶片?Z工件 (1-33)實(shí)際探傷中探頭上施以一定壓力，探頭與工作接觸緊密，得到的反射回波也較高，其原因是當(dāng)耦合厚度d-0時(shí)，式(1-30)中 sin型 一0， Tp-1，透過(guò)的聲能XP也較多。在儀器和探頭性能測(cè)試時(shí)，或制作距離一波幅曲線時(shí)，為了使探頭獲得均勻的壓力，可用一定量的重塊壓在探頭上。當(dāng)然，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探傷時(shí)就沒(méi)有這種必要。(2)異質(zhì)薄層的檢測(cè)靈敏度在超聲波探傷中，當(dāng)缺陷反射聲壓僅為入射壓的1%時(shí)，探傷儀示波屏上就可得到可分辨的反射回波。被檢工件中的缺陷(如裂縫縫隙、層狀偏析和夾雜物等)薄層，當(dāng)它們的反射面與聲束垂直或接近垂直時(shí)，都可以看成均質(zhì)材料中的異質(zhì)薄層。從圖(1-23)中可以看出，鋼中氣隙厚度為10-4?10-5毫米(如兩塊高精度塊規(guī)之間的縫隙)時(shí)，用1MHz直探頭探測(cè)，也就能得到幾乎100%的反射。實(shí)際缺陷由于表面不平整和帶有附著物，其間隙厚度還要大得多，因此更容易被檢測(cè)出來(lái)。這說(shuō)明了反射法探測(cè)裂縫有較高靈敏度的原因、但當(dāng)鋼中1微米縫隙中充滿油(或水)時(shí)，仍用1MHz直探頭探測(cè)，可獲得6%的反射聲壓。圖(1-24)為鋼和鋁中油層界面的聲壓反射率。層厚d/層厚d/X圖1-23鋼和鋁中氣隙、水隙的反射率 圖1-24鋼和鋁中油隙的反射率例題：用2.5MHz直探頭得到鋼中縫隙回波比底波低10dB,若不考慮聲程衰減時(shí)，此縫隙厚度約為多少？解：入二cl=5.9X1°6?2.36mm,F/B=-10dB，從圖(1-24)上查得：佔(zhàn)0.31,f 2.5x106 Pd/九=0.0038所以d=0.0038x九=0.