?s?L?s?L
图1-10 倾斜入射情况
当入射超声波在界面上发生反射和透射时，由于入射角的变化，使得在界面上两侧的第一介质、第二介质及界面上产生波型转换的情况将会发生变化，在第二种介质中的透射波的波型取决于入射角大小，而这些引起波型变化的入射角临界值分别称为第一临界角?I、第二临界角?II和第三临界角?III。 2）临界角
第一临界角：当cL2?cL1时，必然有?L??S。令横波透射角?L等于90°时的纵波入射角?L为第一临界角。?I?arcsin不再有折射纵波，只有折射横波。
第二临界角：如果cS2?cL1，则有?S??L，令?S?90°C。得到
cL1cL2。当?L??I，第二介质中
?II?arcsincL1cS2。当?L??II，第二介质中既没有折射纵波，也没有折射横
波，这时会在介质表面产生表面波。
第三临界角：当超声波横波倾斜入射到界面时，在第一介质中产生反射纵波和反射横波。由于同一介质中，cL1恒大于cS1，所以?L恒大于?S，随着?S增加，当?L=90°C时，介质中只存在反射横波。令?L?90°C，则有：
?L??III?arcsin
cS1cL1
图1-11 临界角
3）声压反射率和透射率
在斜入射情况下，各种类型的反射波和透射波的声压反射率和透射率，不仅与界面两侧介质声阻抗有关，而且还与入射波的类型以及入射角的大小有关。由于其理论计算公式复杂，通常借助于实验得到的几种常见界面的声压反射率和透射率图来确定检测方案。 1.1.5 超声场的特征
1）超声场的指向性和扩散角
超声波从声源（晶片辐射器）集中成束向前传播，往往集中在与晶片轴线成
?半扩散角的椎体范围内强烈辐射出去，称为超声场的指向性。
图1-12 指向性和扩散角
当晶片直径为D，超声波波长为?时，存在：
??arcsin1.22?D
?越小，指向性越好。
图1-13 声场结构
2）指向性与声源直径D和波长?的关系
有上式可以看出，当?一定时（频率一定），半扩散角与晶片直径成反比，直径大，半扩散角小，则指向性好；当直径D一定时，?越小（频率越高），半扩散角越小，指向性越好。
3）近场区、远场区和声压公式
超声场结构一般由主声束和副声束构成，主声束的截面大，能量集中，很好的指向性好，副声束的截面小，能量弱，方向易变
图1-14圆盘源的超声场轴线上的声压分布
近场：出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场。
近场长度：距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离。对圆直探头纵波，其可以表示为：N?D2 4?远场：近场以外的部分。探伤时，一般利用远场中的声学特性来发现缺陷。 声压公式：
????D2?????2p??2p0sin???x?x???sin??t?kx? （1.19）
????4?????????
1.2 超声波换能器
超声波换能器通常称为探头，主要由压电晶片组成，可发射和接受超声波。探头是超声波探伤仪的重要组成部分，既可以实现电信号与声讯号相互转换，又能够控制超声波的传播方向和能量集中的程度，当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时，可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性，提高分辨率。探头因其结构和使用的波型不同可分为直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、可变角探头、聚焦探头、水浸探头等等。 1）直探头
直探头可发射和接收纵波。直探头由插座、外壳、保护膜、压电晶片、吸声材料等组成。超声波的发射/接收均由压电晶片完成，其多为圆片形，其厚度与超声频率成反比，直径与扩散角成反比；晶片两面敷有银层，作为导电极板。保护膜多采用高硬度刚玉片，耐磨损；吸收快用钨粉、环氧树脂和固化剂等浇注，可吸收声能。 2）斜探头
可反射和接收横波。主要由压电晶片、吸收块和斜楔块组成。。晶片产生纵波，经斜楔倾斜入射到被检工件中转换为横波。
直探头在液体中倾斜入射工件时，在一定的角度下，也能产生横波。在水浸法横波探伤中，常用此方法产生横波。 3）表面波探头
可反射和接收表面波。它是斜探头的一个特例。即当入射角达到横波临界角时，在工件中便产生表面波。直探头在液体中倾斜入射工件时，在特定角度下也能产生表面波。 4）兰姆波探头
可发射和介绍兰姆波（板波）。它是斜探头的一个特例。当纵波从第一介质倾斜入射到第二介质时，入射角满足下面条件，即可产生兰姆波：
sin??cLcP
式中cL为第一介质的纵波声速；cP为兰姆波某种模的相速度；?为入射角。 5）可变角探头
它可以连续改变入射角，以产生纵波、横波、表面波和兰姆波，使用时可根据需要调整角度，以产生不同的波型。
6）双晶探头
又称为组合式或分割式探头。其两块晶片装在一个探头架内，一个晶片发射，另一个晶片接收，可以反射和接收纵波。晶片下面装有延迟块，可以使声波延迟一段时间后射入工件，从而可检测近表面缺陷，减少盲区，并可提高分辨力。两片晶片之间用隔声层分开。两片晶片声场重合部分是检测灵敏度最高的区域，一般成菱形。 7）水浸探头
可浸在水中探伤，不与工件接触，其结构与直探头相似，但不需要保护膜。 8）聚焦探头
可将超声波聚焦成细束（线状和点状），在焦点处声能集中，可推高检测灵敏度和分辨力。聚焦探头反射纵波，在水浸法探伤中，调整入射角可在工件中产生横波、纵波或兰姆波。
超声波聚焦有两种方法：一种是将压电晶片做成凹面，反射的声波直接聚焦，另一种是用声透镜的方法将声束聚焦。实际应用中，后一种方法较多。点聚焦探头灵敏度高，探伤速度慢，线聚焦探头灵敏度低一些，但增大了扫查面积。