超声波倾斜入射到界面反射和折射.ppt

2.7 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射 2.7.1 波型转换与反射、折射定律 当超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类型的反射和折射波外，还会产生不同类型的反射和折射波，这种现象称为波型转换 2.7.1 波型转换与反射、折射定律 当超声波垂直入射到光滑平界面时，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。 1．纵波斜入射 当纵波L倾斜入射到界面时，除产生反射纵波L′和折射纵波L″外，还会产生反射横波S′和折射横波S″，如图2－40（a）所示。各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律： 2.7.1 波型转换与反射、折射定律 由于在同一介质中纵波波速不变，因此 。又由于在同一介质中纵波波速大于横波波速，因此 （1）第一临界角αⅠ： （2）第二临界角αⅡ： 2.7.1 波型转换与反射、折射定律 由αⅠ 和αⅡ 的定义可知： ① αL αⅠ 时，第二介质中既有折射纵波L″又有折射横波S″。 ② αL αⅠ ～αⅡ 时，第二介质中只有折射横波S″，没有折射纵波L″，这就是常用横波探头制作和横波检测的原理。 αL ≥αⅡ 时，第二介质中既无折射纵波L″，又无折射横波S″。这时在其介质的表面存在表面波R，这就是常用表面波探头的制作原理。 例如，纵波倾斜入射到有机玻璃/钢界面时，有机玻璃中cL1=2730m/s，水中cL1=1480m/s，钢中：cL2=5900m/s，cS2=3230m/s。则第一、二临界角分别为： 2.7.1 波型转换与反射、折射定律 αⅠ αⅡ 由此可见有机玻璃横波探头楔块角度 有机玻璃表面波探头楔块角度≥ 57.7 度 。 2.7.1 波型转换与反射、折射定律 2．横波斜入射 当横波倾斜入射到界面时，同样会产生波型转换 入射角增加到一定程度时， =90°,在第一介质中只有反射横波，没有反射纵波，即横波全反射，这时所对应的横波入射角称为第三临界角，用αⅢ表示 αⅢ 对于钢：cL1=5900m/s，CS1=3230m/s ， αⅢ 当 ≥33.2°时，钢中横波全反射。 2.7.1 波型转换与反射、折射定律 在实际的横波斜探头探伤中，入射到工件中的横波斜射到与探测面平行的底面，对底面的横波入射角都大于第三临界角，故不会出现反射纵波；如射到不平行探测面的反射面上，则横波入射角有可能小于第三临界角，从而出现反射纵波与反射横波同时存在的情况，如图所示示例。 横波入射产生变形纵波 2.7.2 声压反射率 1.纵波倾斜入射到钢/空气界面的反射 教材图2－42表示的是纵波斜入射到钢/空气时纵波声压反射率与横波声压反射率随入射角的变化。随着纵波入射角从0°逐渐增加，纵波声压反射率从1.0逐渐下降；而在60°与70°之间纵波声压反射率达到极小值；纵波入射角继续增大，纵波声压反射率又随之增大直到1.0。当入射角在60度左右时产生一个较强的反射横波。 2.横波倾斜入射到钢/空气界面的反射 教材图2－43表示的是横波斜入射到钢/空气时的情况。随着横波入射角从0°逐渐增加，横波声压反射率从1.0逐渐下降；而在20°与30°之间横波声压反射率达到极小值；横波入射角继续增大，横波声压反射率继续随之增大，当横波反射角α’S≥33.2°时横波声压反射率等于1.0。 2.7.2 声压反射率 随着横波入射角从0°逐渐增加，纵波声压反射率逐渐增加，直到达到第三临界角（注意纵波反射角大于横波入射角。这时与横波反射率的极小值基本上是相对应的，即反射横波声压进入极小值的区域，其能量大部分给予了反射纵波。 2.7.3 声压往复透射率 超声检测中，常常采用反射法，超声波往复透过同一探侧面，因此声压往复透射率更具有实际意义。 超声波倾斜入射，折射波全反射，探头接收到的回波声压Pa 与入射波声压P0之比称为声压往复透射率，常用T表示，T=Pa/P0。如图2－44所示。 2.7.3 声压往复透射率 图4—45为纵波斜入射至水/钢界面时的声压往复透射率与入射角的关系图。图上表明，当纵波入射角小于14.5°(第一临界角)时，折射纵波往复透射率不超过13％，折射横波往复透射率小与6％。当纵波入射角为14.5°～27.27°(第二临界角)之间时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波