超声波的衍射与散射特性

超声波的衍射与散射特性是大家使用超声波仪器时需要了解的知识之一（另一种为超声波内吸衰减），因为其是超声波在材料传递时，能量衰减的原因之一。以下是时代仪器小编为大家提供的超声波的衍射与散射特性，供大家参考。

超声波在介质中传播时，遇到异质界面(例如缺陷)，根据惠更斯原理，在其边缘会有超声波衍射现象发生，产生新激发的衍射波。或者从表观上看，能使原来的超声波绕过缺陷继续前进，但在缺陷后面会形成声影(没有超声波的空间)。利用这种新生的衍射波，可以用来评定工件的表面裂纹深度或内部裂纹的高度，在我国把这种方法称为棱边再生波法，国外称作尖端衍射波法(TOFD法)。

利用声影形成的现象，则被用于超声穿透法检测，即根据超声波在其声路上遇到缺陷时，由于有反射、衍射、散射等现象发生，以及因为被检工件材料显微组织异常，将造成超声波传播能量的衰减，使得在声路的另一端接收到的声能低于正常情况下接收到的声能，利用超声探伤仪显示屏或者直接利用电表指示反映这种变化差异，即可用作检测评定的依据。

超声穿透法检测可用于板材、复合材料或胶接结构等的缺陷检测，如分层、脱粘、未粘合等，也可用于小型电器开关。利用裂纹尖端的超声波衍射(棱边再生波)确定裂纹深度，镀银触点质量检测等等。其优点是容易实现自动化检测，但是缺点是无法确知缺陷的面积大小及缺陷所处的位置，并且发-收两个探头的相对位置有严格要求。

超声波在介质中传播时，其自身的波前扩散会造成随着传播距离的增大而垂直于声束传播方向的单位面积通过的声能减小，即称为扩散衰减，这是超声波自身的特性所决定的，它与声束扩散角2θ(θ为超声束的半扩散角)有关。

此外，超声波在材料中的晶界、相质点，或者媒介物中的悬浮粒子、杂质、气泡等声阻抗(数值上等于声速与密度的乘积)有差异(哪怕是微小的差异)的区域会有散射现象发生。其散射状态与超声波的波长及散射质点(例如平均晶粒直径)的大小有关。

在金属材料中，以波长λ和晶粒平均直径之比可以划分为三种散射状况：
瑞利散射：＜λ时，其散射程度与频率的四次方成正比，这是金属中大多数的情况;

随机散射：≈λ时，其散射程度与频率的平方成正比，例如通常在粗晶铸件中容易出现这种情况;

漫散射：≥λ时，其散射程度与 成反比，这往往表现在被检工件检测面表面粗糙的情况下，导致入射声能在界面上的漫散射损失。这种情况的类似比喻可以像在大雾天气中汽车灯光被散射而无法透过雾气照射到前面一样。

由于超声波散射现象的存在，使得垂直于声路上的单位面积通过的声能减少，亦即造成散射衰减。尽管在超声脉冲反射法检测中这种散射现象的存在不但使得超声波的穿透能力降低，而且还对回波判别带来干扰，但是也可以利用在金属材料中散射超声波的叠加混响返回到超声探头并被接收后，在超声探伤仪显示屏上以杂草状回波形式(杂波)显示，通过对杂波水平的评定，可以判断和评价金属材料的显微组织状态。特别是在航空工业中，杂波水平的评定已经成为例如钛合金锻件超声检测验收标准中的一项重要指标。

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