2.7 超声波倾斜入射到界面的反射和折射

• 图2—48为钢空气界面上钢中的端角反射率与入射角的关系图。图2— 48(a)是纵波入射端角的情况，端角反射率大都很低，这是因为纵波 在端角的两次反射中分离出较强的横波。
图4—47端角反射示意图
2.7.4 端角反射
图2—48 端角反射率与入射角的关系 • 图2—48(b)是横波入射端角的情况，入射角等于30°或60°附近时，
•
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0°与逐横渐波增声加压，反纵射波率L声随6压0入 反射射角率的从变1化.0逐。渐随下着降纵；波而入在射6角0从° 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 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
图2—40 声波倾斜入射示意图
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：
sinL sinL sinS sin L sin S
cL1
cL1
cS1
cL2
Leabharlann Baidu
cS 2
2.7.1 波型转换与反射、折射定律
端角反射率最低。入射角在35°～55°之间时，端角反射率达100％。 也就是说，横波斜探头的折射角βS为35°～55°（K＝tgβS＝0.7～ 1.43）之间时，探测类似端角的缺陷（例如焊缝中的未焊透）灵敏度 较高，βS＞55°（K＞1.5）灵敏度较低。
2.7.4 端角反射
• 从图2—48还可看出，对端角的入射角在0°或90°附近 时，无论是纵波还是横波，端角反射率理论上都是很高的。 但实际上由于边界效应，检测灵敏度并不一定高。
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。
CL1
5900
当 S ≥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。
由于在同一介质中纵波波速不变，因此 L L 。又由于在同一介质
中纵波波速大于横波波速，因此 L s, L S
（1）第一临界角αⅠ： L 90
1

arcsin
cL1 cL 2
（2）第二临界角αⅡ：
S 90
II
arcsin cL1 cS 2
图2—41 临界角示意图
入射角增加到一定程度时， L =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 arcsin cS1
cL1
对于钢：cL1=5900m/s，CS1=3230m/s ，
αⅢ arcsin CS1 arcsin 3230 33.2
cL 2
5900
arcsin CL1 arcsin 2730 57.7
CS 2
3230
由此可见有机玻璃横波探头楔块角度 L 27.6 ~ 57.7 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
图2—45水/钢界面声压往复透射率
2.7.3 声压往复透射率
• 图2—46为纵波斜入射至有机玻璃/钢界面时的声压往复透射率与入射 角的关系图。图中表明，当纵波入射角小于27.6°(第一临界角)时， 折射纵波往复透射率小于25％，折射横波往复透射率小与10％。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，其折射横波往复透射率最高不超过30％，最高往复透 射率时所对应的纵波入射角约为30°，横波折射角约为37°。从图上 还可看出，折射角在35°～50°之间往复透射率比较高，更大的折射 角往复透射率相对较低。
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
arcsin cL1 arcsin 2730 27.6
2.7.1 波型转换与反射、折射定律
由αⅠ 和αⅡ 的定义可知： ① 波αSL″。< αⅠ 时，第二介质中既有折射纵波L″又有折射横 ② 纵αL波αⅠL″，～这αⅡ就是时常，用第横二波介探质头中制只作有和折横射波横检波测S″的，原没理有。折射
③ α波LS≥″α。Ⅱ这时时在，其第介二质介的质表中面既存无在折表射面纵波波RL，″，这又就无是折常射用横表
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。
图2—44斜入射声压往复透射率示意图
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，其折射横波往复透射率最高不到20％。
图2—46有机玻璃/钢界面声压往复透射率
2.7.4 端角反射
• 超声波在两个平面构成的直角内的反射称为端角反射，如图2—47所 示。
• 在端角反射中超声波经历了两次反射，如不考虑波型转换，第二次反 射反回射波率与，入用T射端波表互示相，平即行T，端回＝波Pa声/ P压0。Pa与入射波声压P0之比称为端角