超声波在异质界面的传播

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i、r和t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：PiPrPt ②两侧质点速度振幅相等，保持连续性：ViVrVt

式中 Pi1C1ViZ1Vi PtC22VtZ2Vt Pr1C1VrZ1Vr 所以

PrZ2Z1R PiZ2Z1

Pt2Z2T PiZ2Z1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供参考

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压之和。如水/钢界面

例：水浸超声波检测，声束从水透入工件（钢）中，求其声压反射率R和声压透射率T。

已知，水声阻抗Z11.510Kg/MS 钢声阻抗Z24610Kg/MS 解：

6262RTZ2Z1461.50.93793.7%Z2Z1461.52Z22461.937193.7%Z2Z1461.5Z1>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T

RTZ2Z11.5460.93793.7%Z2Z11.5462Z221.50.0636.3%Z2Z1461.5T＝1＋R

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－Z1

R＝————≈－1 T＝1＋R＝1＋(－1)＝0

Z2＋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－Z1 0.0004－46

R＝————＝——————≈－1 Z2＋Z1 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－Z1

R＝————≈0 T＝1＋rp＝1＋0＝1

Z2＋Z1

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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－m 1－0.99

R＝——— ＝—————＝0.005

1＋m 1＋0.99 声压透过率为：

T＝1＋R＝1＋0.005≈1 结果表明，在这种情况下声波全透射。

1P2I2Z声强反射率RI反射声强IrPZZ12＝(r)2(2)入射声强IiPiZ2Z14Z1Z2透射声强ItZ1Pt2＝()入射声强IiZ2Pi(Z1Z2)2声强透射率TIRITI(Z2Z124Z1Z2)1Z2Z1(Z2Z1)23. 超声波垂直入射到薄层界面：

当超声波从介质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

Z1Z3Z2

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2，并以m表示两种介质声阻抗之比：

mZ1 Z2供参考

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112d(m)2sin24m2R

1122d1(m)sin24m2T1

11222d1(m)sin4m2①当dn22(n1,2,3......)时，R0，T1，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d(2n1)24(n1,2,3......)时，透射率最小而反射率最大。因此，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d24时，薄层厚度越小，透射率越大，反射率越小。

④当d2时，或Z1Z2时，R0，T1，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

Z1Z3Z2

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：

T4Z1Z2

ZZ2d2d(Z1Z3)2cos2(Z213)2sin22Z22由上式可知： ①当dn22(n1,2,3......)时，T4Z1Z3，即超声波垂直到两侧介质不同

(Z3Z1)2的薄层时，若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

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关。

②当d(2n1)24时.，(n1,2,3.....)且Z2Z1Z3时，则有

T4Z1Z31，说明超声波完全透射。这一结果，可用于直探头保护膜材料

Z1Z32(Z2)Z2的选择及厚度的设计。

③当d24时，薄层越薄，声压透射率越大。

④当d2时，同样有T4Z1Z3，即透射声强与薄层性质无关，而仅与2(Z3Z1)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，声波传输的几何性质与其他波相同，斯涅耳定律是有效的。不同的是，当声波以一定的倾斜角到达固体介质的表面时，由于界面作用，将改变其传输模式（例如从纵波转变为横波，反之亦然）。传输模式的变换还导致传输速度的变化，此时应以新的声波速度代入斯涅耳公式。

1 斯涅耳定律：

sinLsinLsinSsinLsinS CL1CL1CS1CL2CS2式中，为入射角；为折射角；为反射角；L为纵波；S为横波；C为声速；1、2代表介质1、介质2。

当超声波倾斜入射到异质界面上时，不仅会发生反射和折射，还会出现波型转换的现象。

临界角：（特指入射角）

① 第一临界角1

当CL2CL1时，有SL。令L90，得第一临界角：

0IarcsinCL1 CL2供参考

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当LI时，在第二介质中只存在折射横波。 ② 第二临界角II

若CS2CL1（如有机玻璃和钢组成的界面），则有LL。

0令S90，得：IIarcsinCL1 CS2当LII时，在第二介质中既无折射纵波，也无折射横波，而是在介质表面产生表面波。

③ 第三临界角

当超声横波倾斜入射到界面时，在第一介质中产生反射纵波和反射横波。由于在同一介质中，纵波速度CL1恒大于横波速度CS1，所以L恒大于S。随着S增加，当

L900时，介质中将只存在反射横波。

0令L90，则有：SIIIarcsinCS1 CL1只有第一介质为固体时，才会有第三临界角。 5. 超声波检测方法：

一、按原理分类

分为脉冲反射法、穿透法和共振法 1）脉冲反射法

超声波探头发射脉冲到被检试件内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法。 脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。 △缺陷回波法

根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，成为缺陷回波法。该方法是反射法的基本方法。

特点：当试件完好时，超声波可顺利传播到底面，检测图形中只有表示发射脉冲T及底面回波B的两个信号；如果试件中存在缺陷，在检测图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F。

△底波高度法

当试件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的。如果试件内存在缺陷，底面回波高度会下降甚至消失，这种依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况的检测方法，称为底波高度法。

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特点：同样投影大小的缺陷可以得到同样的指示，而且不出现盲区；但是要求被探试件的探测面与底面平行，耦合条件一致。

在实用中很少作为一种的检测方法，而经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜的和小而密集的缺陷。

△多次底波法

当透入试件的超声波能力较大，而试件厚度较小时，超声波可在探测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波。如果试件存在缺陷，则由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底面回波次数减少，同时也打乱了各次底面回波高度依次衰减的规律，并显示出缺陷回波。这种依据底面回波次数，而判断试件有无缺陷的方法，称为多次底波法。

特点：多次底波法主要用于厚度不大、形状简单、探测面与底面平行的试件检测，缺陷检出的灵敏度低于缺陷回波法。

2）穿透法

根据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法。 穿透法常用两个探头，一个用作发射，一个用作接收，分别放置在试件两侧进行探测。

3）共振法

若声波在被检工件内传播，当试件的厚度为超声波的半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差来计算出试件厚度：

C＝＝22f0式中：

C

2(fmfm1)f0fm—工件的固有频率 、

fm1－相邻两共振频率

C－被检试件的声速 －试件厚度

当试件内存在缺陷或工件厚度发生变化时，将改变试件的共振频率。依据试件的共

供参考

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振特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法，常用于试件测厚。

二、按波型分类

可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等 △纵波法

使用直探头发射纵波进行检测的方法称为纵波法。波束垂直入射至试件探测面，以不变的波型和方向透入试件，所以又称为垂直入射法，简称垂直法。

垂直法分为单晶探头发射法、双晶探头发射法和穿透法。常用的是单晶探头发射法。 垂直法对与探测面平行的缺陷检出效果最佳，由于盲区和分辨力的，其中反射法只能发现试件内部离探测面一定距离以外的缺陷。由于垂直法检测时，波型和传播方向不变，所以缺陷定位比较方便。

主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的检测。 △横波法

将纵波通过楔块、水等介质倾斜入射至试件探测面，利用波型转换得到横波进行检测的方法，称为横波法。由于透入试件的横波波束与探测面成锐角，所以又称为斜射法。

主要用于管材、焊缝的检测，其他试件检测时，则作为一种有效的辅助手段，用以发现垂直检测法不易发现的缺陷。

△表面波法

使用表面波进行检测的方法，称为表面波法。

表面波的波长短，仅沿表面传播，对于表面上的复层、油污、不光洁等，反应敏感，并被大量衰减。因此可通过手沾油在声束传播方向上进行触摸并观察缺陷回波高度的变化，对缺陷定位。

主要用于表面光滑的试件。 △板波法

使用板波进行检测的方法，称为板波法。 主要用于薄板、薄壁管等形状简单的试件检测。 △爬波法

爬波是指表面下纵波，它是当第一个介质中的纵波入射角位于第一临界角附近时在第二介质中产生的表面下纵波。这时第二介质中除了表面下纵波外，还存在折射横波。这种表面下纵波不是纯粹的纵波，还存在有垂直方向的位移分量。

主要用于检测表面比较粗糙的工件的表层缺陷，如铸钢件、有堆焊层的工件等。 三、按探头数目分类 1）单探头法

使用一个探头兼作发射和接收超声波的检测方法。单探头法操作方便，大多数缺陷可以检出，是目前最常用的一种方法。

2）双探头法

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使用两个探头（一个发射，一个接收）进行检测的方法称为双探头法。主要用于发现单探头法难以检出的缺陷。

双探头法又可根据两个探头排列方式和工作方式分为并列式、交叉式、V形串列式、K形串列式、串列式等。

△并列式

两个探头并列放置，检测时两者作同步同向移动。（直探头作并列放置时，通常是一个探头固定，另一个探头移动，以便发现与探测面倾斜的缺陷）。分割式探头的原理，就是将两个并列的探头组合在一起，具有较高的分辨力和信噪比，适用于薄试件、近表面缺陷的检测。

△交叉式

两个探头轴线交叉，交叉点为要探测的部位。

可用来发现与探测面垂直的片状缺陷，在焊缝检测中，常用来发现横向缺陷。 △V形串列式

两探头相对放置在同一表面上，一个探头发射的声波被缺陷反射，反射的回波刚好落在另一个探头的入射点上。

主要用来发现与探测面平行的片状缺陷。 △K形串列式

两探头以相同的方向分别放置于试件的上下表面上。一个探头发射的声波被缺陷反射，反射的回波进入另一个探头。

主要用来发现与探测面垂直的片状缺陷。 △串列式

两探头一前一后，以相同方向放置在同一表面上，一个探头发射的声波被缺陷反射的回波，经底面反射进入另一个探头。

主要用来发现与探测面垂直的片状缺陷。 3）多探头法

使用两个以上的探头成对地组合在一起进行检测的方法，称为多探头法。 多探头法的应用，主要是通过增加声束来提高检测速度或发现各种取向的缺陷，通常与多通道仪器和自动扫描装置配合。

四、按探头接触方式分类

按检测时探头与试件的接触方式，可分为接触法与液浸法。 1）直接接触法

探头与试件探测面之间，涂有很薄的耦合剂层，可认为两者直接接触，这种检测方法称为直接接触法。

特点：操作简单，检测图形简单，判断容易，检出缺陷灵敏度高。但要求试件的检测面粗糙度较低。

供参考

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2）液浸法

将探头和工件浸于液体中以液体作耦合剂进行检测的方法，称为液浸法。耦合剂可为水或油，以水为耦合剂时，称为水浸法。

特点：液浸法检测时探头不直接接触试件，所以此法可用于表面粗糙的试件，探头不易磨损，耦合稳定，探测结果重复性好，便于实现自动化。

液浸法按检测方式不同又分为全浸式和局部浸没式 △全浸没式

被检试件全部浸没于液体之中，适用于体积不大，形状复杂的试件的检测。 △局部浸没式

被检试件的一部分浸没在水中或被检试件与探头之间保持一定的水层而进行检测的方法，适用于大体积试件的检测。

局部浸没法又分为喷液式、通水式和满溢式。

喷液式：超声波通过一定压力喷射至探测表面的液流进入试件。

通水式：借助一个专用的有进水、出水口的液罩，以使罩内经常保持一定容量的液体。

满溢式：满溢罩结构与通水式相似，但只有进水口，多余液体在罩的上部溢出。 根据探头与试件探测面之间液层的厚度，液浸法又可分为高液层法和低液层法。 6. 仪器与探头的选择：

实际检测中应根据工件结构形状、加工工艺和技术要求来选择仪器与探头。正确选择仪器探头对于有效地发现缺陷，并对缺陷定位、定量和定性都至关重要。

一、检测仪的选择

（1）对于定位要求高的情况，应选择水平线性误差小的仪器。

（2）对于定量要求高的情况，应选择垂直线性好，衰减器精度高的仪器。 （3）对于大型零件的检测，应选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的仪器。 （4）为了有效地发现近表面缺陷和区分相邻缺陷，应选择盲区小、分辨力好的仪器。

（5）对于室外现场检测，应选择质量轻、荧光屏亮度好、抗干扰能力强的携带式仪器。

此外要求选择性能稳定、重复性好和可靠性好的仪器。 二、探头的选择

检测前应根据被检对象的形状、衰减和技术要求来选择探头。探头的选择包括探头型式、频率、晶片尺寸和斜探头K值的选择等。

1）探头类型的选择

常用的探头有纵波直探头、横波斜探头、表面波探头、双晶探头、聚焦探头等。一般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的型式，使声束轴线

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尽量与缺陷垂直。

纵波直探头只能发射和接收纵波，波束轴线垂直于探测面，主要用于探测与探测面平行的缺陷，如锻件、钢板中的夹层、折叠等缺陷。

横波斜探头是通过波型转换来实现横波检测的。主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷。如焊缝中的未焊透、夹渣、未溶合等缺陷。

表面波探头用于探测工件表面缺陷，双晶探头用于探测工件近表面缺陷。聚焦探头用于水浸探测管材或板材。

2）探头频率的选择

超声波检测频率在0.5MHz～10MHz之间，选择范围较大。

（1）由于波的绕射，使超声波检测灵敏度约为2，因此提高频率，有利于发现更小的缺陷。

（2）频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。 （3）由0arcsin1.22D可知，频率高，波长短，则半扩散角小，声束指向性好，

能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。

D2（4）由N可知，频率高，波长短，近场区长度大，对检测不利。

434（5）由asC2Fdf可知，频率增加，衰减急剧增加。

频率的高低对检测有较大的影响。频率高，灵敏度和分辨力高，指向性好，对检测有利。但频率高，近场区长度大，衰减大，又对检测不利。一般在保证检测灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。

3）探头晶片尺寸的选择

探头圆晶片尺寸一般为10~30。 （1）由0arcsin1.22D可知，晶片尺寸增加，半扩散角减少，波束指向性变好，

超声波能量集中，对检测有利。

D2（2）由N可知，晶片尺寸增加，近场区长度迅速增加，对检测不利。

4（3）晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，探头未扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。

晶片大小对声束指向性、近场区长度、远距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大的影响。检测面积范围大的工件时，为了提高检测效率宜选用大晶片探头；检测厚度大的工件时，为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头；检测小型工件时，为了

供参考

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提高缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头；检测表面不太平整，曲率较大的工件时，为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。

4）横波斜探头K值的选择

探头的K值对检测灵敏度、声束轴线的方向、一次波的声程（入射点到底面反射点的距离）有较大的影响。

在实际检测中，当工件厚度较小时，应选用较大的K值，以便增加一次波的声程，避免近场区检测；当工件厚度较大时，应选用较小的K值，以减少声程过大引起的衰减，便于发现深度较大处的缺陷；在焊缝检测中，还要保证主声束能扫查整个焊缝截面；对于单面焊根部未焊透，还要考虑端角反射问题，应使k0.7~1.5。

8.小结：

结合板书和PPT，总结本次课的内容体系，重点掌握超声波垂直入射到单一平界面上时的传播特性与检测方法

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