超声波的检测原理反射折射

2超声波及超声检测原理 2. 1超声波的基本性质

通常人耳能听到声音的频率范围在20}20KHz之间，把超过20KHz的声波称为超声波。超声波在本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖两个条件，一是有机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。

波的种类是根据介质质点的震动方向和波动传播方向的关系来区分的。超声波在介质中传播的波形有许多种，有纵波、横波、表面波等。

2.1.1超声场的特征量

充满超声波的空间叫做超声场。声压、声强度、声阻抗是描述超声场特征的几个重要物理量。

a.声压

超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时的静态压强之差被称为声压，常用P表示，单位为帕。超声波在介质中传播时，介质中每一点的声压随着时间t、距离x而变化，其公式为:

xp??Awpsinw(t?)?pcvc

式中P为介质的密度、必为介质的角频率C为超声波在介质中的波速，

v为介质质点的振动速度。可见声压的绝对值与波速以及角频率成正比。

b.声强度

在垂直于超声波方向上的单位面积内通过的声能量被称为声强度，也 称声强。

式中A为超声波的振幅。从公式可见声强与质点振动的位移振幅的平方成正比，与质点振动的角频率的平方成正比。

C.声阻抗

从声压的公式可见，在同一声压下辉越大，质点振动速度就越小，反之亦然，它反映了声学特性，故将声的乘积作为介质的声阻抗，以符号Z表示。

2. 1. 2超声波的速度及波长

超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一定的介质其弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质有不同的声速。超声波的频率、波长和声谏之间的关系如下:

其中入超声波的波长、c为超声波的速度、f为超声波的频率。

2. 1. 3超声波的衰减

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量会逐渐减弱，这种现象叫超声的衰减。

从理论上讲，超声波能量衰减的起因有以下几个方面:

a.由声束扩展引起的衰减

在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面波的声束在不断扩展增大，因此单位面积上的声能(或声压)随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减，扩散衰减仅取决与波的几何形状而与传播介质的性质无关。

b.由散射引起的衰减

由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中有外来杂质、金属的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗的不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去， 最终将变成热能，这种衰减称为散射衰减。

C.由介质吸收引起的衰减 超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转换成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及分子弛豫造成的吸收，这就是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。

超声波的衰减特性在探伤中有很实际的用途，如果能掌握经过介质后的超声波的性质，就可以对介质的特性进行某些判断。

2. 1. 4超声波在平面异质界面上的效应 所谓异质界面，是只有两种声阻抗不同的介质所构成的界面，如气体液体界面、气体/固体界面、液体/固体界面以及不同固体界面等。由于两种介质的声阻抗不一样，会产生反射、折射和衍射等现象。例如:在电缆芯线上挤压绝缘材料时，钢模到绝缘材料为一个界面，绝缘材料到铜芯为另一个界面。当超声波入射到一个光滑界面上时，产生反射;若发生在粗糙界面上时，产生波的散射。超声波通过两种介质的界面时，一部分将被界透射波。

当超声波从一种介质传播到另一种介质时，其入射方向相对于异质界面而言，可以是垂直入射，也可以是倾斜入射。当垂直入射时，只有反射和透射;当倾斜入射，除反射外，透射波要发生折射现象，同时伴随着有波型转换。

(1)单界面垂直入射时的情况:当声波垂直入射到两种不同介质的界面上时，将产生一个与入射方向相反的反射波和一个与入射方向相同的透射波，如图所示。

声波由单界面垂直入射示意图

在两种介质界面上，用反射声压(振幅)Pr和入射声压Po的比值表示声压反射率R，即:

在两种介质的界面上，用透射声压(振幅)P},和入射声压Po的比值表示声压透射率D，即:

经过理论推导可知

若Z1=Z2，因R≈0而D≈1，说明当界面两边声阻抗相同时，声波几乎没有反射，而全部从第一介质透射到第二介质。

当Z10，反射声压只和入射声压Po同相位，在界面上入射声压Po与反射声压只叠加类似于驻波。合成声压振幅P=Pr+Po，对于水Z1 =0.5 x106g/cm2 .s,钢

以上计算结果表明，超声波垂直入射到水/钢界面时，其声压反射率R=0.935>0，声压透射率D=1.935>1似乎违反了能量守恒定律。其实不然，界面两边应当平衡。

当Z1> Z2时，例如，声波从钢入水，声压反射系数

说明反射波声压和入射波声压相位相反，其合成振幅减小。应以钢和水为例:

计算结果表明，当声波传播到两种介质声阻抗相差很大的界面上时，声波几乎全部被反射，无透射波。

(2)声波斜入射到平面上的反射和折射:

当超声波与界面成一定角度入射时，在固体介质中将发生波形转换，原来入射的纵波在第一和第二介质中除有纵波外，还将被转换成横波，两种波形传播方向不同，如图2-2所示，并可按反射定律和折射定律计算:

式中Cl1，是第一介质的纵波声速;Cl2 是第二介质的纵波声速;Cs1是第 一介质的横波声速;Cs2是第二介质的横波声速。根据反射定律和折射定律， 可以改变入射角和第一介质的材料来获得横波、表面波、板波等各种不同 的波形。从公式可以得出纵波折射角

可见，当Cl2大于Cl1时βl大于a1，若Cs2大于Cl1时βs大于a1，而在同种介质材料的条件βL大于βS。如果增大入射角，折射角也随之增大，发生β

00

L= 90的现象，折射在界面上产生表面波;若继续增大入射角使βL大于90时，纵波反射第一介质，而第二介质内就只有横波存在了。

2. 2超声换能器

(1)超声换能器的定义、分类及工作原理

顾名思义，换能器就是将一种能量转换为另一种能量，进行能量转换的器件。超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或将外部的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声换能器是超声检测装置中非常重要的一部分，它的性能和特点往往决定了超声检测的方法，对检测的效果有很大的影响。

超声换能器的种类很多，目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器，而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钦酸钡压电陶瓷、错钦酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT), PVDF等。近年来，新型的PVDF压电薄膜材料得到了发展和应用，它除有良好的物理性能外，在厚度、面积上有很大的选择余地，而且有易于加工和频率范围宽的特点，常用来制成40KHz--300KHz的超声换能器，如德国Flowline公司LU3 0系列产品。因此，目前压电材料呈现石英晶体、压电陶瓷多晶体及新型压电材料三方鼎立的局面。

压电型超声换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应 超声波发生器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵向运动。压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为(1一10 um) ,但这种振动的加速度很大，约(10-l0lg)，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动能量，若这种能量沿着一定方向传播出去，就形成超声波。

当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。在一般工业领域，超声波的发送和接收在同一个传感器中完成，这样不仅可以降低成本，而且在一定程度上减小了测量误差。市售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波。兼用型就是接收一体，只一个传感器头，具有发送和接收超声波的双重作用。市售超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23KHz, 40KHz, 75KHz, 200KHz, 400KHz等几种。谐振频率越高，距离分辨率也越高，但由于声衰减，测距范围将降低。

(2)超声换能器的主要性能参数

衡量超声检测系统中的换能器，其性能参数比较多，但主要有两个:一是

换能器的灵敏度，二是换能器的带宽。前者取决于振型、换能器的材料及机械系统结构，后者是换能器的频率带宽特性，包括功率、声压、阻抗及敏度灵等随频率变化的带宽特性。

3常规超声波的检测方法

就超声检测来说，由于使用的波形，发射和接收的方法、信号显示的方式和工件的藕合形式不同，可分为多种类型，但这些分类一般都是相互重叠的交叉的，所以，严格的分类是不大可能的，而也没有必要。本章按其检测的基本原理可分为脉冲反射法(或叫回波法)、穿透法以及共振法三种方法来分析讨论。

3. 1脉冲反射法

脉冲反射法是超声检测法中最基本的一种方法。是由超声波探头在脉冲源的激励下发出间断的超声脉冲进入介质。在介质中遇到不连续处，由于介质的连续处和不连续处的声阻抗不相同，声能在阻抗不连续处发生反射，其中一部分声能被反射回来，由一个探头(或另外一个探头)接收回波，再把它变成电信号显示出来，这种方法叫脉冲反射法。在脉冲反射法中，根据声束传播情况可分为直探法和斜探法;根据探伤所用波形可分为纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法;根据探头个数和作用可分为单探头法、双探头法和多探头法;根据声祸合方式可分为直接接触法和水浸法等等。由于这些方法具有各自的特点，所以广泛用来对金属和非金属材料及其制品进行无损检验。

脉冲反射法的工作原理如图3-1所示。换能器发射的超声波在工件内部传播时，若遇有不同介质时，将发生反射。反射信号的强度与反射率R的大小有关，而反射率R只与入射介质和反射介质的材料有关，由于反射信号通过的声程是一定的，结合其衰减公式分析，换能器获得的反射信号的强度也是一定的。当工件无缺陷时，只有始发射脉冲波和底面反射回波，两者之间没有其它回波，这时可由两波间距确定工件的厚度。如工件中间有缺陷，则会在始波和底波之间出现缺陷回波。缺陷回波在时间轴上的位置可以确定缺陷在工件中的位置。

脉冲反射发的工作原理

3. 2穿透法

穿透法又叫透射法，是超声用于检测较早的一种方法，它是利用声波穿过被

检物体的超声波的穿透率，进行测量或探伤检验的方法称为穿透法。穿透法采用双探头，一个在工件或材料的这面作为发射，一个放在工件或材料的另一面作为接收超声波。例如测纸张的厚度或探伤。穿透法有连续波穿透法、脉冲穿透法和共振穿透法等。此方法的优点是适用于薄工件，由于超声波传播路程仅为反射法的一半，故适用于检查衰减大的材料。探伤图形直观，只要定好检查标准就可以进行作业。容易实现自动探伤、检查速度快。缺点是不能知道缺陷的深度位置，缺陷探测灵敏度一般比反射法要低，难以检查较小缺陷。

3. 3共振法

共振法是把频率连续改变的超声波射入被检材料，根据材料的共振状况测量其厚度或检查有无缺陷等材料性质的方法称为共振法。共振法一般用来测量金属板、管壁、容器壁的厚度或腐蚀程度，测量声速，检查板中的分层和进行材质判定。

当具有一定波长的声音在介质中传播遇到界面时声波的部分或全部要反射回来行进波与反射波同相位叠加的现象叫共振，利用这种原理作为检验工件或材料的方法称之为共振法。用频率连续可调的正弦波去激励压电晶片，经过藕合剂把超声波辐射到工件或材料中，然后调整发射频率，改变其声波的波长，当工件的厚度为超声波半波的整数倍时，由于入射波和反射波，相位相同其振幅相加，从而在工件中形成驻波，若波腹在工件的表面上，用共振测厚的关系式:

式中δ为工件的厚度，λ为声波长，fo为超声波频率，c为工件中声波的传播速度，n为共振次数。测得共振时的频率fo，共振次数n，便可通过上式计算出工件的厚度。

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