横波在端角反射中的理论研究

　　在传统的《超声波探伤》教科书上,对端角反射介绍的篇幅较少,然而在实际探伤中,除平面形缺陷(对应的是平面反射)、体积形缺陷(对应的是气孔反射)外,还有端角形缺陷(如在焊缝探伤中的根部裂纹及未焊透)。本文从理论上推导出端角及端角形缺陷回波声压的计算方法。

　　1　端角反射的概念

　　超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射。根据微分原理,当入射声波无限接近于2个直角平面的端角时,可以认为是从端角反射出来的声波,称之为“端角反射”。

　　1.1　端角反射率

　　目前常用的横波探头,是使纵波斜入射到界面中,通过波形转换来实现横波探伤的。当探头晶片在一定角度范围内时,纵波全反射,第二介质中只有折射横波。

　　横波在位移上有2个分量,一个平行于xz面并与传播方向垂直,称为SV横波;另一个则垂直于xz面,称为SH横波。纵波P与横波SV的位移因在同一平面内,故可叠加;横波SH的位移与传播面垂直,可以单独计算。

　　在端角反射中,其回波声压与入射波声压之比称为端角反射率(T)。

　　1.2　SV横波端角反射率

　　在端角反射中,超声波经历了2次反射。当横波(S)以倾斜角度入射到固/气界面时,除了产生反射横波(S′),还会产生反射纵波(L′),即“波形转换”。各反射波方向从“斯涅耳”定律中给出:

　　对于钢: CS=3 230 m/s, CL=5 900 m/s。

　　αS=33.2°称为第三临界角,当αS≥33.2°时,钢中只有反射横波,没有反射纵波,即为横波全反射。

　　如图1所示,当横波入射(α≥33.2°)到底平面无应力边界时,横波探头的入射角度均大于第三临界角,所以,此处为横波全反射,没有反射纵波。然而在应力分量上仍有2个独立的并不恒为0的边界条件必须满足,在物理学和数学上,除反射横波外必须要求有第二种模式的反射。运动的控制方程式仅允许横波和纵波在线弹性介质中传播。因此,惟一可能的第二反射模式不可能在内部传播而必须限于沿着或靠近界面传播。此波为反射的表面波,在性质上与瑞利波类似,但与瑞利波有明显的不同,而且其反射率极低,可忽略不计。因此,入射横波在底平面反射中,只反射而没有声压改变。

　　当横波反射到垂直平面时,横波的入射角度发生改变,其大小为αS=90°-α。在二次反射中,当αS角度大于第三临界角时,仍为横波全反射,因此在整个端角反射的两次反射中,均为全反射,端角反射率为100%。而对于αS小于第三临界角,会出现波形转换,除了产生反射横波(S′),还会产生反射纵波(L′)。这里只讨论反射横波的声压反射率,反射纵波的声压反射率不再说明。