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能量逐渐减弱的现象。引起衰减的原因[21-25]可归纳为以下三种:
( 1) 吸收衰减: 超声波在介质中传播时, 由于介质的黏滞性会造成质点之间的内摩擦, 使一部分声能转化为热能; 同时, 由于介质的热传导, 介质的稠密部分和稀疏部分进行热交换, 从而导致声能的损耗, 这就是介质的吸收现象, 称为超声波的吸收衰减。
( 2) 散射衰减: 散射是由物质的不均匀性造成的。超声波在介质中传播遇到障碍物时, 当障碍物的尺寸与超声波的波长相当或更小时, 便会产生散射衰减。因为障碍物和材料本身构成了含有声阻抗急剧变化的界面, 在界面上将产生声波的反射、 折射和波形转换等现象, 导致声能的降低。产生散射衰减的因素基本可分为两种。一种是材料本身的不均匀。另一种是晶粒尺寸与超声波波长相当的多晶材料造成散射衰减。
( 3) 扩散衰减: 超声波的扩散衰减是因为声波在介质中传播时, 波的前方逐渐扩展, 从而导致声波能量逐渐减弱。扩散衰减主要取决于波振面的几何形状, 与传播介质无关。 2.4 超声波在界面上的反射与折射
当超声波从一种介质( Z1??1c1) 传播到另一种介质( Z2??2c2) 时, 在两种介质的分界面上, 一部分能量反射回至原介质内的波, 称为反射波; 另一部分能量则穿过分界面, 在另一介质内继续传播的波, 称为折射波, 如图2.3所示。Z1为第一种介质的声阻抗, ?1为其密度, c1为超声波在其中传播的速度。Z2为第二种介质的声阻抗, ?2为其密
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度, c2为超声波在其中传播的速度。
?介质界面
介质2 ? Z1??1c1 Z2??2c2 ?
图2.3 波的反射与折射
反射定律: 入射角?的正弦与反射角?的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型一样, 波速一样时, 入射角等于反射角。
折射定律: 入射角?的正弦与折射角?的正弦之比等于波在入射介质中的速度c1与波在折射介质中的速度c2之比。 2.5 波型转换
当纵波以某一角度入射到第二介质的界面上时, 除有反射、 折射纵波之外, 还发生横波的反射及折射[23,24], 如图2.4所示。各种波型亦符合几何光学中的反射定律和折射定律。
CL1CS1CL2CS2CL????sin?sin?1sin?tsin?1sin?t1 (2.7)
其中CL为入射介质内的纵波速度, CL为反射介质内的纵波速度,
CS1为反射介质内的横波速度, CL2为折射介质内的纵波速度, CS2为折
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射介质内的横波速度。
当第二种介质中的声速比第一种介质中的大时, 折射角大于入射角。此时, 存在一个临界入射角度, 在这个角度下, 折射角等于90度。大于这个角度时, 第二种介质没有折射波, 全部能量反射到第一种介质中, 称为全反射。其中, 折射波中只有横波没有纵波时, 这一入射角称为第一临界角; 折射波完全不存在时, 这一入射角称为第二临界角。
T L 介质介质α βlβtγtγlL T
图2.4 波型的转换
L
T : 横波 L : 纵波 a : 纵波入射角
2.6 超声波在聚合物混合物中的传播
聚合物的共混是指将两种或两种以上聚合物材料、 无机材料以及助及在一定温度下进行机械掺混, 最终形成一种宏观上均匀, 而且各种性能得到改进的新材料的过程, 所得到的新的共混产物称为聚合物的共混物, 简称共混物。共混物的形态可分为均相体系与两相体系, 其中两相体系又可进一步分为”海—岛”结构与”海—海”结构
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[4,5]
。”海—岛”结构一相为连续相, 另一相为分散相, 分散相分散在
连续相中。”海—海”结构两相皆为连续相, 互相贯穿。共混物的形态与共混物的性能有密切关系, 是聚合物改性研究的一个重要内容, 因为共混物的形态与共混物的性能有密切关系。共混组分在混合物中的状态会影响共混物形态, 例如决定哪一相为连续相, 哪一相为分散相。
两相体系中的分散相粒子的直径和分散状态会影响超声波在共混物中的传播情况。例如当粒子的直径与波长相比拟时, 超声波会发生散射。共混物中相与相之间的交界面称为相界面。超声波入射的角度及相界面的形状都会影响超声波波的传播。当超声纵波入射到相界面上时, 可能会发生反射和折射及波型转换, 产生反射纵波、 反射横波、 折射纵波和折射横波[26]。当入射角大于第一临界角时, 只产生反射纵波、 反射横波和折射横波; 大于第二临界角时, 只有反射纵波和反射横波。超声波在界面上的反射、 折射以及波型转换使得超声波在混合物中的传播情况变得非常复杂。
超声波在聚合物的混合物中传播的另一特点是超声波的能量衰减大。因为超声波传到分散相与连续相的界面上时将产生声波的反射、 折射和波形转换等现象, 导致超声波能量的降低。当分散相粒子的尺寸与超声波的波长相当或更小时, 便会产生散射现象, 也可导致超声波能量的降低。另外, 组成混合物的各种聚合物材料也会吸收超声波的能量, 产生吸收衰减, 还有扩散衰减等原因。但引起超声波
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能量衰减的主要原因是散射衰减与吸收衰减。
探头 纵波 横波
分散相
图2.5 超声波在”海—岛”结构混合物中传播示意图 2.7 探头
超声波探头是用来产生与接收超声波的器件, 是组成超声检测系统的重要部分之一。探头的性能直接影响到发射的超声波的特性, 影响到超声波的检测能力。探头中的关键部件是换能器, 最常见的是压电换能器, 又称为压电晶片。压电换能器将电脉冲转换为超声脉冲, 在将超声脉冲转换为电脉冲, 也就是实现了电能和声能的相互转换。压电换能器进行声电能量转换的原理是利用某些晶体在机械变形时会产生电压的压电效应, 以及在交变电压作用下会产生机械伸缩的逆压电效应。
根据探头的结构特点和用途, 可将探头分为多种类型, 其中最常见的是接触式纵波直探头、 接触式斜探头、 双晶探头、 水浸平探头和聚焦探头。 2.7.1 探头的耦合
探头与试件间的声耦合需采用耦合剂, 目的是以液体置于探头
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信息对抗技术专业毕业设计说明书
