第03章 《焊接质量检测》超声检测2

1第三章超声波检测2第三章超声波检测§3.2超声波的传播行为§3.2.1超声参量§3.2.2垂直入射平界面§3.2.3倾斜入射平界面§3.2.4在直角边与方角内的反射§3.2.5弯曲界面处的传播310()PPPPa=−¾声压当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声压，用P表示第三章超声波检测§3.2.1超声参量4对于平面余弦波，可以证明：mmsin()sin()sin()xPPtcxcVtcxcAtccVωρωρωωρ=−=−=−=式中：为介质的密度;c为介质中的声速;V为质点的振动速度；A为质点位移振幅；为介质质点振动的角频率；为质点振动速度幅值；t为时间；x为质点距声源的距离；为声压幅值。ρωωAV=mωρcAP=m第三章超声波检测5¾声阻抗　介质中某一点的声压幅值Pm与该处质点振动速度幅值Vm之比，称为声阻抗，常用Z表示。声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用cVPZρ==mm第三章超声波检测在同一声压下，声阻抗愈大，质点的振动速度就愈小6¾声强　单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用I表示。对于平面纵波，其声强I为ZPZVcAI2m2m22212121===ωρ可知，超声场中，声强与角频率平方成正比。由于超声波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于探伤的重要依据。第三章超声波检测7¾声速　声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型有关，但更依赖于传声介质自身的特性。同一固体介质中，纵波声速CL大于横波声速CS，横波声速CS又大于瑞利波声速CR对于钢材，CL≈1.8CS，CS≈1.1CR第三章超声波检测8第三章超声波检测§3.2.2垂直入射平界面一、单一平界面声压反射率r=Pr/P0声压透射率t=Pt/P0两侧介质的边界条件：1.声压相等P0+Pr=Pt2.质点振动速度振幅相等v1=v2P0PrPt已知：v=P/ρc=P/Zv1=（P0-Pr）/Z1v2=Pt/Z29第三章超声波检测21021-rPZZrPZZ==+20212tPZtPZZ==+式中：Z1为第一种介质的声阻抗Z2为第二种介质的声阻抗0201(-)rtrtPPPZPPZP+==声压透射率和反射率分别为：联立以上等式：10第三章超声波检测声强的反射率和透射率I0—入射声强Ir—反射声强It—透射声强声强反射率R=Ir/I0声强透射率T=It/I011第三章超声波检测2121220r⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−===ZZZZrIIR()2t11222020214tIZPZZTIZPZZ===+两侧介质的边界条件：声强是能量的概念，遵循能量守恒原则I0=Ir+It12第三章超声波检测1.Z1≈Z22.Z1＜Z23.Z1＞Z24.Z1≫Z213第三章超声波检测普通碳钢焊缝金属与母材金属两者的声阻抗仅差1%，若母材金属的声阻抗为Z1，焊缝金属的声阻抗Z2，那么超声波在母材与焊缝界面上的101%100%0.005100%101%r−=≈+1005.01≈+=t0)005.0(2≈=R1)005.0(12≈−=T1.Z1≈Z2声压反射率：声压透射率：声强反射率：声强透射率：14第三章超声波检测2.Z1＜Z2Z1Z215第三章超声波检测以超声纵波从水射向钢的情况为例4.50.150.9354.50.15r−==+24.51.9350.154.5t×==+注意：此时反射率为正值，入射波和反射波相位相同。值得注意的是声压透射率大于1，透射波声压甚至比入射波声压还大。0.126T=0.874R=16第三章超声波检测3.Z1＞Z2Z1Z217第三章超声波检测以超声纵波从钢射向水的情况为例此时反射率为负值，入射波和反射波相位相反。入射波和反射波在界面上合成的声压振幅减小0.154.50.9350.154.5r−==−+20.150.0650.154.5t×==+1260T.=8740R.=18第三章超声波检测4.Z1≫Z2相当于超声纵波从钢射向空气的情况：0.0044.510.154.5r−=≈−+10tr=+≈210Tr=−≈21Rr=≈19第三章超声波检测声压的往复透过率：将声压沿相反方向两次穿过界面时总的透射率称为声压往返透过率z等于两次穿透界面的透射率的乘积z数值上等于声强透射率z差异越小，往复透过率越大()''12200214rtrtPPPZZTPPPZZ==×=+垂直入射声压往复透射率20第三章超声波检测()()122221443.374.5097.8%3.374.50ZZTZZ××===++例１：在使用PZT-5晶片（）对钢制工件（）探伤时，若耦合剂中声压全透射，钢制工件底面声压全发射，求其声压往复透射率。6213.3710/Z=×克厘米秒6224.510/Z=×克厘米秒例２：水浸法（）探伤钢制工件时（），求解超声波在水钢界面的声压往复透射率。6210.1510/Z=×克厘米秒6224.510/Z=×克厘米秒()()122221440.154.5012.5%0.154.50ZZTZZ××===++21第三章超声波检测耦合层缺陷薄层二、薄层界面窄脉冲不干涉宽脉冲干涉22第三章超声波检测z当(n为整数)时薄层厚度为其半波长的整数倍时，超声波全透射，几乎无反射(r≈0)，好象不存在异质薄层一样。这种透声层常称为半波透声层z当(n为整数)时，异质薄层厚度等于其四分之一波长的奇数倍时，声压透射率昀低，声压反射率昀高22(21)4dnλ=+222dnλ=对于Z1=Z3≠Z2，即均匀介质中的异质薄层，其声压反射率与透射率为：22222222112()sin41121()sin4dmmrdmmπλπλ−=−−222211121()sin4tdmmπλ=−−23第三章超声波检测对于Z1≠Z3≠Z2，即非均匀介质中的薄层，其声强透射率为：22222312222231312sin)(2cos)(4λπλπdZZZZdZZZZT+++=z若薄层厚度等于半波长的整数倍，则通过薄层的声强透射率与薄层的性质无关，好象不存在薄层一样z若薄层厚度等于的奇数倍，薄层声阻抗为其两侧介质声阻抗几何平均值时，即，其声强透射率等于1，超声波全透射。z这对于直探头保护膜的设计具有重要的指导意义42λ312ZZZ=24第三章超声波检测一、纵波斜入射时的反射111sinsinsinLSLLSCCCααα==§3.2.3倾斜入射平界面25第三章超声波检测二、横波斜入射时的反射111sinsinsinLSsLSCCCααα==26第三章超声波检测三、纵波斜入射时的折射122sinsinsinLSLLSCCCαββ==27第三章超声波检测四、横波斜入射时的折射122sinsinsinLSsLSCCCαββ==28第三章超声波检测临界角：是指超声束的某个入射角，超过此角度时，某种特定的折射波型或反射波型在某个区域内就不再存在，这个角度就被成为临界角。五、斜入射时的临界角z第一临界角z第二临界角z第三临界角29第三章超声波检测z第一临界角纵波斜入射，折射纵波等于90度时的入射纵波的角度。z第二临界角纵波斜入射，折射横波等于90度时的入射纵波的角度。30第三章超声波检测z第三临界角横波斜入射，反射纵波等于90度时的入射横波的角度。31第三章超声波检测第一临界角第二临界角第三临界角入射波型纵波纵波横波异质界面第二介质为固体第二介质为固体第一介质为固体等于90度角纵波折射横波折射纵波反射声速关系CL2CL1CS2CL1CLCS不存在的波型第二介质无射纵波第二介质无折射纵波和横波第一介质无反射纵波存在的波型第二介质中只有折射横波介质表面产生表面波第一介质中只有反射横波32第三章超声波检测z超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射z回波声压与入射波声压之比称为端角反射率用T端表示§3.2.4在直角边与方角内的反射αβαβ33第三章超声波检测纵波入射时z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34第三章超声波检测横波入射时z入射角αS=30°、60°附近时端角反射率昀低zαS=35-55°时，端角反射率可达100%zαS在0或90°附近时，纵波还是横波端角反射率理论上都很高，但实际上由于入射波、反射波在边界互相干涉而抵消，因此实际上这时探测灵敏度不高35第三章超声波检测Z1Z2OPr§3.2.5弯曲界面处的传播36第三章超声波检测2rF=平面波入射到曲面上时，其反射波将发生聚焦或发散。对于凹面聚焦，对于凸面时发散。焦距F与曲面曲率半径r的关系为37第三章超声波检测平面波入射到曲面上时，其折射波也将发生聚焦或发散。这时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声速有关。对于凹面，c1c2时聚焦，c1c2时发散；对于凸面，c1c2时聚焦，c1c2时发散。折射后的焦距F为21/(1)cFrc=−凹面凸面凹面凸面38第三章超声波检测思考题：1）试分析超声纵波在水钢平界面处的传播过程；2）简述第一、二、三临界角的概念及产生条件。