超声波的反射与折射特性

超声波的反射与折射特性

在弹性介质中传播的超声波遇到异质界面时会发生反射与折射，并有波型转换发生。

在超声波检测中利用超声波在界面上的折射特性主要用于达到波型转换的目的，例如把一般压电晶体产生的纵波转换成横波、瑞利波、兰姆波等，以适应不同工件及不同情况下的检测，其转换条件与界面两侧解职的声速比（折射率）和入射、折射角度（正弦函数）相关：sinα/C1=sinβ/C2（见右图所示：α为入射角，C1为第一介质中入射超声波的速度；β为反射或折射角，C2为在第一介质中反射或者在第二介质中折射超声波的速度。沧州欧谱在相同介质中相同波型有相同的波速，因此对于L反的反射角β与L的入射角α相同，在同一介质中横波的速度小于纵波速度，因此对于反射横波S反的反射角β小于L的入射角α；从折射情况来看，也同样是由于在同一介质中横波的速度小于纵波速度，因此折射横波S折的折射角小于折射纵波L折的折射角，上面所述的数学式也称为斯涅尔定律-折射定律）。

在超声波检测中利用超声波的反射特性主要用于探测材料中的缺陷。下面以最常用的A型显示（波形显示）的超声脉冲反射法探测为例：

超声波反射与折射时的波型转换

超声波探伤仪的高频脉冲电路产生高频脉冲振荡电流施加到超声换能器（探头）中的压电晶体上，激发出超声波并传入被检工件，超声波在被检工件中传播时，若在声路（超声波的传播路径）上遇到缺陷（异质）时，将会在界面上产生反射，反射回波被探头接收转换成高频脉冲电信号输入探伤仪的接收放大电路，经过处理后在探伤仪的显示屏上显示出与回波声压大小成正比的回波波形（图形），根据显示的回波幅度大小可以评估缺陷大小，显示屏上的水平扫描线（时基线）可以调整为与超声波在该介质中传播时间（距离）成正比（俗称“定标”），然后就可以根据回波在显示屏水平扫描线上的位置判定缺陷在工件中的位置。利用工件底面回波在水平扫描线上的位置，还可用于测定工件的厚度（如左图所示）。

超声脉冲反射法检测原理示意图

超声波所占的空间称为超声场，其结构如下右图所示，它包括近场（N为近场长度）和远场两个部分。在近场区中的声压分布是不均匀的，而在远场区中的声压则随着距离的增大呈单调下降变化。近场区的长度与换能器的晶片直径和超声波的波长有关，在近场区的超声波束呈收敛状态，在近场区末端，亦即从近场区进入远场区的过渡点上声束直径最小（故也将此点称作自然焦点），进入远场区后声束将以一定角度发散，声束边缘的斜度以半扩散角θ表示，声束的半扩散角同样与换能器的晶片直径和超声波的波长有关。

因此，在超声检测中为了能根据回波幅度大小评估缺陷大小，当被检工件尺寸较小，落在近场区范围时，通常需要采用参考对比试块进行比较评定，参考试块的材料、状态（声学特性）应与被检物相同或相近，并且含有已知尺寸的特定人工反射体（例如平底孔、横孔、柱孔、刻槽等），将发现的缺陷回波幅度与相同声程（超声波传播路程）的人工反射体回波幅度比较，得到以人工反射体尺寸表示的缺陷当量大小。

超声场结构示意图

在远场检测时，由于工件尺寸较大，要预先制作相应尺寸的试块有困难，而且搬运、使用均很不方便。鉴于远场中的声压随着距离的增大呈单调下降变化，各种人工反射体的回波声压变化是有规律可循的，无损检测资源网因此可以采用计算方法或事先测绘制作的距离-波幅曲线（称作AVG法或DGS法）来确定检测灵敏度以及评定缺陷的当量大小。

必须指出：超声检测中评定的缺陷当量大小，是指缺陷的回波幅度与一定尺寸的人工反射体的回波幅度相同，但是缺陷的实际尺寸与标准人工反射体的尺寸并不相同，这是因为缺陷的回波幅度大小受被检工件的材料以及缺陷本身的性质、大小、形状、取向、表面状态等多种因素的影响，同时还与超声波的自身特性有关，因此引入了“当量”-相当的量这个概念作为定量衡量缺陷大小的标准。例如我们说经过超声检测发现被检工件内的某个位置处存在Φ2mm直径平底孔当量的缺陷，就是指该缺陷的回波幅度与工件内相同位置处Φ2mm直径平底孔（平底孔的孔底面与超声束轴线垂直，并且同轴）的回波幅度相同，然而该缺陷的实际面积尺寸往往大于Φ2mm直径平底孔的底面面积。

此外，根据超声检测的结果判断缺陷的性质（定性）问题尚未很好解决，目前还主要是依靠检测人员的实践经验、技术水平以及对被检工件的材料特性、加工工艺特点、使用状况等的了解来进行综合的主观判断。