超声波探伤第2讲

§1.2超声场的特征值充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质,称为超声场。

描述超声场的物理量即特征值主要有声压、声强和声阻抗。

一、声压P垂直作用于单位面积上的压力称为压强。

任何静止介质不受外力作用时,介质所具有的压强称为静态压强。

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1P 与没有超声波存在时同一点的静态压强0P 之差称为该点的声压，用P 表示。

10P P P =- 单位：帕斯卡（Pa ）1Pa=1N/2m 1N/2m =10达因/cm对于平面余弦波可以证明：sin ()m x P CA t c P CA ρωωρω=-= （1.13） 式中：ρ——的密度；C——介质中的波速；A——介质质点的振幅：ω——质点振动的圆频率,ω=2πf；Aω——质点振动速度幅值，Ｖ＝ωA；ｔ——时间；m——至波源的距离；Ｐm——声压幅值。

由上式可知：(1)超声场中某一点的声压随时间按正弦函数规律周期性地变化。

(2)超声场中某一点的声压幅值P m与该点处质点振幅和圆频率成正比,而ω=2πf,因此超声场中某一点的声压与超声波的频率成正比。

由于超声波的频率很高,远大于声波的频率,故超声波的声压也远大于声波的声压。

二、声阻抗Z介质中某一点的声压P与该处质点振动速度V之比,称为声阻抗,常用Z表示,Z＝PV。

同一声压下,声阻抗Z愈大,质点的振动速度就愈小。

声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。

由（1.13）式得P Z C Vρ== （1.14） 声阻抗在数值上等于介质的密度P 与介质中声速C 的乘积,单位为克2∙厘米秒或千克/2∙米秒。

不同的介质具有不同的声阻抗。

声阻抗是衡量介质声学性质的重要参数。

超声波在界面上的反射和透射率与界面两侧介质的声阻抗有密切关系。

由于固体、液体和气体三者的波速C 和密度ρ相差很大,因此它们的声阻抗大不相同。

在同一固体介质中,由于纵泼、横泼、表面波的波速不同,因此它们的声阻抗也不一样。

常用固体介质的声阻抗列于表1.2。

常用液体、气体介质的声阻抗列于表1.4。

在超声波探伤中，温度的变化对介质的密度和波速都有影响，所以温度变化对声阻抗抗也有一定影响。

三、声强I单位时间内垂直通过单位面积的声能,称为声强,用I 表示。

常用声强的单位：尔格／2∙厘米秒或者瓦/2厘米。

对于平面余弦波,其平均声强I 为：2222111222P I CA ZV Z ρω=== （1.15）由(1.15)式可知,超声场中,声强与声压平方成正比,与频率平方成正比。

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。

四、分贝和奈培的概念通常规定引起听觉最弱声强16010I -=2瓦/厘米为声强标准。

这在声学上称为"闻阈,即f ＝1000Ｈｚ时引起人耳听觉的声强最小值。

某一声强I 与标准声强0I 之比0I I 取常用对数得到二者相差数量级，称为声强级。

用ＩＬ表示。

声强级的单位为贝尔（ＢｅＬ），即： IL=1g 0I I 贝尔（ＢｅＬ）实际探伤中,感到贝尔这个单位太大,常取10倍对数,这时单位为分贝(dB)0IL=101g I I 分贝（ｄＢ）由于声强与声压的平方成正比,所以有：1212IL=101g 20lg ()I I P P dB =对于放大线性良好的超声波探伤仪,示波屏上波高与声压成正比,即任意两波高之比12H H 等于相应的声压之比12P P ，二者的分贝差为：112220lg 20lg ()P H dB P H ∆== 12H H 或12P P 与ｄＢ值的换算关系见图1.13。

常用声压比(波高比)对应的dB 值列于表1.5。

若对12H H 或12P P 取自然对数,则其单位为奈培：1122ln ln P H P H ∆== 奈培（ＮＰ）令1122H P e H P ==，分别代入（1.16）和（1.17）式得： 1ＮＰ＝8.68ｄＢ1ｄＢ＝0.115ＮＰ由此可见,分贝和奈培是两个同量纲的量之比取对数以后的单位,分贝是取常用对数,奈培是取自然对数。

利用（1.16）式可以计算出超声波探伤仪示波屏上任意两波高的分贝差,下面举例说明之。

§1.3超卢波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波从一种介质传播到另一种介质时,在两种介质的分界面上,一部分能量反射回原介质内,称反射波,另一部分能量透过界面在另一种介质内传播,称透射波。

在界面上声能〈声压、声强〉的分配和传播方向的变化都将遵循一定的规律,本节先讨论超声波垂直入射到平界面上时的反射和透射情况,重点是声能的分配比例。

一、单一的平界面当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时,将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波,在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波,如图1.14所示。

反射波与透射波的声压(或声强)是按一定规律分配的。

这个分配比例由声压反射率(或声强、反射率)和透射率(或声强透射率)表示。

设入射波的声压为P。

(声强为I0)，反射波的声压为r p(声强为r I),透射波的声压为t P，(声强为t I)。

界面上反射波声压r p与入射波声压P0之比成为界面的声压反射率，用ｒ表示。

式中：Z—第一种介质的声阻抗；12Z —第二种介质的声阻抗。

界面上透射波声压t P 与入射波声压Po 之比称为界面的声压透射率，用ｔ表示。

20212r P Z t P Z Z ==+ （1.19） 界面上反射波声强r I 与入射波声强I 0之比称为声强反射率,用Ｒ表示。

2222121220002112==r ()2r r r P I Z P Z Z R P I P Z Z Z -===+ （1.20）界面上透射波声强I t ,与入射波声强I 0之比称为声强透射率,用T 表示。

222121222002021124=()2t t t P I P Z Z Z Z T P I Z P Z Z Z ===+ （1.21）以上说明超声波垂直入射到平界面上时，声压或声强的分配比例仅与界面量测介质的声抗有关。

下面讨论几种常见界面上的声压、声强反射和透射情况。

(1)当2Z Z >时, 210210r P Z Z r P Z Z -==>+,反射波声压r P 与入射波声压0P 同相位。

界面上反射波与入射波叠加类似驻波,合成声压振幅增大为P 0十r P 。

例如超声波平面被垂直入射到水／钢界面。

如图 1.15所示66120.1510=4.510Z Z =⨯∙⨯∙22克/厘米秒，克/厘米秒则：21021 4.50.150.9354.50.15r P Z Z r P Z Z --====++ 202122 4.5 1.9354.50.15t P Z t P Z Z ⨯====++ 212221440.15 4.50.125()(4.50.15)Z Z T Z Z ⨯⨯===++ 以上计算表明,超声波垂直入射到水/钢界面时，其声压反射率r==0.935，声压透射率t =1.935。

粗略地看，t>1，似乎违反能量守恒，其实不然，因为声压是力的概念，而力只会平衡0()r t P P P +=不会守恒的，只有能量才会守恒。

事实上,从声强方面看,这里R+T=0.875+0.125=1，说明符合能量守恒。

（2）21120210r P Z Z Z Z r P Z Z ->==<+当时，, 即反射波声压P 与入射波声压0P 相位相反,反射波与入射波合成声压振幅减小。

例如超声波平面波垂直入射到钢/水 界面,如图1.16所示。

66124.510=0.1510Z Z =⨯∙⨯∙22克/厘米秒，克/厘米秒，则：210210.15 4.50.9350.15 4.5r P Z Z r P Z Z --====-++ 2021220.150.0654.50.15t P Z t P Z Z ⨯====++ 220.9350.875R r ===Ｔ＝1－Ｒ＝1－0.875＝0.125以上计算表明，超声波垂直入射到钢/水界面时,声压透射率很低，声压反射率很高。

声强反射率与透射率与超声波垂直入射到水/钢界面相同。

由此可见,超声波垂直入射到某界面时的声强反射率与透射率与从何种介质入射无关。

(3) 12Z Z >>时，（如钢/空气界面），66124.510=0.1510Z Z =⨯∙⨯∙22克/厘米秒，克/厘米秒则：210210.00004 4.5-10.00004 4.5r P Z Z r P Z Z --===≈++ 2021220.0000400.00004 4.5t P Z t P Z Z ⨯===≈++22-11R r ==≈（）Ｔ＝1－Ｒ＝1－1≈0计算表明,当入射波介质声阻抗远大于透射波介质声阻抗时,声压反射率趋于一1,透射率趋于0，即声压几乎全反射，无透射，只是反射波声压与入射波声压有1800相位变化。

探伤中，探头和工件间如不施加耦合剂，则形成固（晶片）／气界面，超声波将无法进入工件。

(4)当12Z Z ≈时,即界面两侧介质的声阻抗近似相等时, 21210;1Z Z r t Z Z -=≈≈+。

如钢的淬火部分与非淬火部分及普通碳钢焊缝的母材与焊接金属之间的声阻抗相差很小，一般约为１％，左右，设1Z ＝1，2Z ＝0.99，则： 210210.99 1.000.0050.99 1.00r P Z Z r P Z Z --====-++ 2021220.990.9950.99 1.00t P Z t P Z Z ⨯====++2252.510R r -===⨯（-0.005）Ｔ＝1－Ｒ＝0.999975≈1这说明超声波垂直入射到两种声阻抗相差很小的介质组成的界面时，几乎全透射无反射。

因此在焊缝探伤中，若母材与焊接金属结合面没有任何缺陷，是不会产生界面回波的。

常用界面的纵波声压反射列于表 1.6。

以上讨论的超声波纵波垂直到单一平界面上的声压、声强反射率和透射率公式同样适用于横波入射的情况。

但必须注意的是在固体/液体或固体/气体界面上,横波全反射。

因为横波不能在液体和气体中传播。

在超声波单探头探伤中，探头兼作发射和接收超声波。

超声波探头发出的超声波透过界面进入工件,在固体/气体界面产生全反射后再次通过同一界面被探头接收。

如图1.17所示。

这时探头接受到的回波声压P a 与入射波声压P,称为声压往复透射率Ｔ。

0之比12200214()a t a t P P P Z Z T P P P Z Z ==∙=+ （1.22）比较(1.20)(1.22)式可以看出声压往复透射率与声强透射率在数值上相等。

常用物质界面纵波声压往复透射率列于表 1.7。

由(1.22）式可知,声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关,与从何种介质入射到界面无关,界面两侧介质的声阻抗相差愈小,声压往复透射率就愈高,反之就愈低。