1.6.2 多層平面界面垂直入射

在實(shí)際超聲波檢測(cè)中時(shí)常遇到聲波透過(guò)多層介質(zhì)，例如，鋼材中與探測(cè)面平行的異質(zhì)薄層、探頭晶片入射聲波進(jìn)入工件之前所經(jīng)過(guò)的保護(hù)膜、耦合劑等均是具有多層平面界面的實(shí)例。

1.透聲層

圖1-26所示為超聲波入射至均質(zhì)材料中的雙層平面界面的情況，這時(shí)Z₁=Z₃，Z₂為異質(zhì)層的聲阻抗。該異質(zhì)層雙層平面界面上的聲壓反射系數(shù)和透射系數(shù)可用下列公式計(jì)算

式中，m=Z₁/Z₂，d為異質(zhì)層厚度，λ₂為超聲波在異質(zhì)層中的波長(zhǎng)。

由式（1-31）和式（1-32）可以看出：

1）若Z₁=Z₃（異質(zhì)層聲阻抗為Z₂），當(dāng)異質(zhì)層厚度剛好是該層中傳播聲波的半波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)，即，則，于是式（1-31）的γ_P=0，式（1-32）的τ_P=1。

這種情況如果發(fā)生在鋼板中，那么，當(dāng)采用某種探測(cè)頻率探測(cè)鋼板中一種均勻的分層，而分層厚度恰為二分之一波長(zhǎng)時(shí)，γ_P=0，就得不到該分層的反射回波（或反射回波很低），從而導(dǎo)致該分層缺陷的漏檢。τ_P=1，超聲波通過(guò)這一介質(zhì)時(shí)，聲壓沒(méi)有變化，這層異質(zhì)層似乎不存在，這時(shí)稱其為透聲層。為避免這種漏檢，可采用改變探測(cè)頻率的方法，改變后的探測(cè)頻率不應(yīng)是原探測(cè)頻率的整數(shù)倍。

這種情況如果發(fā)生在直探頭的透聲層中，那么，當(dāng)探頭采用鋼質(zhì)保護(hù)膜，并用來(lái)探測(cè)鋼工件時(shí)，保護(hù)膜與工件表面之間的耦合層就是一層異質(zhì)層。要使探頭發(fā)射的超聲波經(jīng)過(guò)耦合層后達(dá)到較高的透射效果（即τ_P→1），就須使耦合層厚度為其半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，這種透聲層又稱為半波透聲層。

2）若Z₁≠Z₃（異質(zhì)層聲阻抗為Z₂），要使超聲波能以較高效率透過(guò)異質(zhì)層，就要求異質(zhì)層變?yōu)槁暡ㄔ谄渲袀鞑ゲㄩL(zhǎng)的四分之一的奇數(shù)倍，即，此時(shí)有最大的聲強(qiáng)透射率，即

當(dāng)時(shí)，異質(zhì)層的聲強(qiáng)透射率最低，即

直探頭選用非鋼質(zhì)保護(hù)膜，并探測(cè)鋼工件時(shí)就屬此種情況，此時(shí)耦合層的厚度應(yīng)該為λ₂/4的奇數(shù)倍時(shí)，才有較好的透聲效果。

3）若將直探頭保護(hù)膜看作處于晶片與耦合層之間的異質(zhì)層，如圖1-27所示因晶片聲阻抗總是不等于耦合層聲阻抗（即Z₁≠Z₃），因此，要使保護(hù)膜有較高的透聲效果，其厚度也應(yīng)是λ₂/4的奇數(shù)倍。探頭保護(hù)膜除了要求有合適的厚度外，還應(yīng)有一個(gè)適當(dāng)?shù)穆曌杩埂．?dāng)保護(hù)膜聲阻抗Z_m滿足下列關(guān)系時(shí)，聲強(qiáng)的透射率就較高。

4）實(shí)際檢測(cè)中探頭上施以一定壓力，探頭與工作接觸緊密，得到的反射回波也較高，其原因是當(dāng)耦合厚度d→0時(shí)，式（1-32）中，τ_P→1，透過(guò)的聲能也較多。在儀器和探頭性能測(cè)試時(shí)，或制作距離-波幅曲線時(shí)，為了使探頭獲得均勻的壓力，可用一定量的重塊壓在探頭上。當(dāng)然，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)時(shí)就沒(méi)有這種必要。

2.異質(zhì)薄層的檢測(cè)靈敏度

在超聲波檢測(cè)中，當(dāng)缺陷反射聲壓僅為入射聲壓的1%時(shí)，檢測(cè)儀示波屏上就可得到可分辨的反射回波。被檢工件中的缺陷（如裂縫縫隙、層狀偏析和夾雜物等）薄層，當(dāng)它們的反射面與聲束垂直或接近垂直時(shí)，都可以看成均質(zhì)材料中的異質(zhì)薄層。從圖1-28中可以看出，鋼中氣隙厚度為（10^-5～10^-4）mm（如兩塊高精度塊規(guī)之間的縫隙）時(shí)，用1MHz直探頭探測(cè)，就能得到幾乎100%的反射。實(shí)際缺陷由于表面不平整和帶有附著物，其間隙厚度還要大得多，因此更容易被檢測(cè)出來(lái)。這就是反射法探測(cè)裂縫有較高靈敏度的原因，但當(dāng)鋼中1μm縫隙中充滿油（或水）時(shí)，仍用1MHz直探頭探測(cè)，只可獲得6%的反射聲壓。圖1-29為鋼和鋁中油層界面的聲壓反射率。

異質(zhì)薄層的聲阻抗與工件材料聲阻抗差異越大，則聲壓反射越高，越容易被檢出；反之，兩者聲阻抗差異越小，則反射越低，檢出越困難。所以，同樣厚度的異質(zhì)薄層位于聲阻抗不同的工件中，工件聲阻抗越大，對(duì)此薄層的檢測(cè)靈敏度越高。顯然，鋁和鋼中同樣性質(zhì)和厚度的缺陷，超聲波對(duì)鋼中該缺陷的檢測(cè)力就高于鋁中同類缺陷的檢測(cè)能力。若要提高鋁中缺陷的檢測(cè)能力，可用提高檢測(cè)頻率的方法。如鋁中微小氣隙的反射率僅為此缺陷位于鋼中時(shí)的三分之一，若檢測(cè)頻率提高四倍，就可獲得原頻率在鋼中的反射率。