论超声波纵波垂直入射的波型转换及三角反射波的对错

王佐森  赛鹏  张建磊  邓显余  张杰

哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司，河北 秦皇岛066206

摘要：本文阐述了超声波手工接触法纵波直探头检测时也会在被检测材料中发生波型转换及波型转换的原理。

基于超声波纵波垂直入射也会产生波型转换这一理论，经过大量的试验、理论分析、和数学计算又得出另一结论：

《NDT全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材》中关于“三角反射”的论述是错误的！

关键词： 超声波检测；纵波垂直入射；波型转换；三角反射；论述错误。

Wave-transition occurs in the process of ultrasonic longitudinal wave entering vertically and the opinion 

of triangle-reflect is wrong

WANG Zuo-Sen ，SAI Peng,  Zhang Jian-Lei,  DENG Xian-Yu,  Zhang Jie

Abstract：This paper illuminates the wave-transition theory, and puts forward that wave-transition occurs in the examined material when straight beam probe is used with contact

 method. Base on the wave-transition theory in the process of ultrasonic longitudinal wave entering vertically and a lot of 

experiments, academic analyses and mathematical calculation, this paper puts forward that the opinion of triangle-reflect in the textbook of national especial equipment NDE personnel qualification examination is wrong.

Keywords: ultrasonic examination, longitudinal wave enters vertically, wave-transition, triangle-reflect, wrong opinion 

前言：在超声波检测的日常工作，操作者多少都会遇到一些说不清、道不明的问题。纵波直探头在锻件、钢板和焊缝等

工件的检测中，回波信号会有缺陷波、底波、迟到波、几何轮廓波、几何轮廓波变型波、幻象波等等。有些波可以通过

外型观察、理论计算、或借助其它辅助方法可以鉴别，而有些波却无法解释，笔者就遇到这样情况。以Φ2平底孔为扫查

灵敏度，纵波直射法检查无限大（远大于声场直径）的锻件、焊缝、钢板时，为了避免盲区和始脉冲占宽影响的近表面

区漏检，常利用二次底波检测，会在一次底波后二次底波前有两个反射微弱、固定位置的回波，回波幅度约相当于Φ2平

底孔，见图1－1，这两个波产生原因无法解释，但是可以确定这两个显示回波不是缺陷显示，又因其波幅很弱，所以就

没有做更深入的研究。后来笔者又多次在互联网上看到同样问题的帖子，并且没有行业人士回复解答这个问题。后进入

我公司的新同事也多次问过同样的问题。为了自身超声波无损检测技术的提高，才促使笔者下决心研究这个问题。经过

理论分析、数学计算和试验得出如下两个结论。

 一、接触法纵波垂直入射时在被检测材料中同样会发生波型转换

1.理论分析：超声波具有很多物理特性，正是因为有了某些特性，才有今天的超声波无损检测专业。在此重新提起三个超

声波的特性：

1）超声波的超声场特性：探头晶片在仪器激励电脉冲的激励下，产生一束截面与晶片截面尺寸几乎完全一样的脉冲机械波，

这一束脉冲波不能简单的看成是一束脉冲波，它是由很多列脉冲波的合成，在阻尼系数不同、介质表面轻微的凹凸不平、耦

合层厚度不均等多种因素影响下，多列脉冲波的初始相位、幅度、频率、声程甚至方向等并不相同，同时在波的叠加和干涉

原理作用下，也会使质点的位移发生变化，所以在近场区中不但声压存在着极大值和极小值，部分声束传播方向也会发生变化，

即在多列波束中部分波束和与界面垂直的法线构成一定的角度。如图1－2所示。 

2）超声波波束的指向特性：超声波频率高，波长短，具有良好的方向性，能定向传播，这是超声波的另一主要特性。晶片产

生的是活塞振动，波的传播却是以球面波的形式传播的，球面波本身就具有扩散性，在近场区，由于叠加原理和波的干涉原理

作用下，波的扩散性没有显现，即声束有未扩散区，但扩散的角度已存在近场声束中。在超声远场中，边缘声压为零处与声束

中心轴线的夹角称声束的指向角，又称半扩散角，用θ表示。θ＝arcsin1.22λ/D≈70λ/D（度）。这个角度的大小与波长和晶片

尺寸有绝对关系。

3）超声波的波型转换：当超声波倾斜入射到异质界面时除了产生同类型的反射和折射外，还会产生不同类型的反射和折射，这种

现象称为波型转换。而纵波垂直入射到异质界面时，只有同种类型的反射和折射，无波型转换。但是，在接触法纵波垂直入射

实际检验时，并非完全是垂直的纵波入射，在上述1）和2）中已做说明，部分声束相对于与界面垂直的法线是倾斜入射，在探

头晶片和被检材料之间就是异质界面，晶片和被检材料的声速不同，根据波型转换、 折射、反射定律可知，在探头晶片和被检

材料之间的异质界面上就会产生波型转换，如图1－3所示。（注 ：晶片与被检材料之间有保护膜和耦合层，保护膜是以半透声

层设计的，耦合层厚度相当的薄，又因水平和试验条件的限制这里就不做讨论了）。在被检材料中，不但有透射、折射纵波，也

有转换横波。这些波以某一角度传播到工件底面，在底面与空气的界面上再次发生反射和波型转换。转换后的变型波和反射的未

变型波经底面反射，部分能量被探头接收，图1－4所示，在荧光屏就形成如图1-1的显示。其中B1是工件的一次底波；B2是工件

的二次底波；F1是第二介质中发射时是纵波反射回来时是横波和发射时是横波反射回来时是纵波的叠加显示。F2是第二介质中发

射时是横波反射回来时也是横波的显示。

2.数学计算：

F1＝【（CL＋CS）／2CS】T

    F2＝（CL／CS）T

    式中，CL：钢中纵波声速，5900米／秒；CS：钢中横波声速，3230米／秒；T：工件厚度。

    F1＝【（CL＋CS）／2CS】T＝【（5900＋3230）／2×3230】T＝1.41T

    F2＝（CL／CS）T＝（5900÷3230）T＝1.82T

理论计算结果完全与检测显示结果相吻合。

3.实验：1）选取同一频率，2.5MHZ，不同直径的探头Φ10、Φ14、Φ20三个；选取不同频率，1MHz、2.5MHz、5MHz

相同直径Φ20的探头三个。六个探头检测同一个工件，300×300×120。显示结果和图1-1一样，在第一次底波和第二次底

波之间出现两个波，位置与理论计算一致，只是F1 、F2和幅度略有差异。

   2）选取频率2.5MHz，直径Φ20的探头两个，用一发一收双探头模式检测，发射探头不动，接收探头从两探头相连，然

后慢慢分开，显示结果开始如图1-1一样,接收探头移动过程中F2先行消失，F1后消失。F2和F1消失时两探头间的距离基

本符合指向角大小所指向的距离。

结论一：根据上述分析、计算、实验得出结论：接触法纵波垂直入射时在被检材料中同样会发生波型转换！

二、圆柱型工件的〈三角反射〉理论论述是错误的

1.理论分析：《NDT全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材》第6.4.4-3中关于〈三角反射〉的论述笔者认为是错误的?

其中的疑问有三个方面:  

  1）声束的指向角不可能都那么大? 检验时一般采用的是2.5MHz、Φ20直探头，指向角θ＝arcsin1.22λ/D≈70λ/D≈80。即使是

如教材中所论述“曲面工件接触面积减小所至”，面积减小后晶片圆型变为矩形来计算指向角θ＝arcsinλ/D≈57λ/2a，2a值取较小

值5㎜，θ≈270左右。教材中的纵波和横波转换的半扩散角是300和35.60，两者的偏差值太大！

  2）转换后声能不可能那样大？ 半扩散角是圆盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角。按教材3.1.1.3.（5）与声压幅值有关的

半扩散角γ中的定义，声压幅度约降低20dB时为声场边缘，由此可知边缘声压已是很低了。<三角反射>中的发生反射的入射角

纵波是300；反射横波的是35.60，转换后横波角度是180。在空气界面上，纵波300，横波180角度反射时都会发生波形转换，

两个角度正是反射原波型和反射变型波能量彼此相当的角度，反射后的能量经分解将降低一半，而且〈三角反射〉中还是两次

反射和变型，能被探头接收的声能会是相当的微弱，回波幅度很难在仪器上显示。图，2-1所示。

3）转换后的回波路径有问题？教材中的图6－14 a）和b)描述的是纵波和横波转换后的入射、反射、回波路径，从原理、几何、

数学上都没问题，无可挑剔，但教材中恰恰忽略了一个非常重要问题，它所描述的只是单边声束的入射→反射→反射→回波，而

另一边的声束也会产生和它完全一样的而方向又完全相反的入射→反射→反射→回波，两个频率、幅度、波长、振动方向、相位

完全相同，而传播方向又完全相反的波相遇后会是什么情况呢？根据波的干涉原理，这两列波叠加后，结果只能是完全抵消形成

驻波（幻影波），而不是教材图6－14 c)中的H1和H2波，图，2-2所示。（注：教材中都是H1笔者认为是笔误，应该是H2）。

2.试验：

1）如果H1波是纵波转换的波，用蘸有液体毛刷拍打转换点位置，H1波将会跳动，试验拍打H1一点都不动。

   2）笔者又做了一个更有说服力的试验，图2－3所示，试样材料是低合金钢，直径100㎜的棒材，在棒材上截取了长度40㎜的一段，

分别标定三个检测点A、B、C。试样A点是圆柱无变化点；B点在〈三角反射〉理论的纵波转换成横波的转换点下1㎜的弦上，用线切割

方法在试样的轴向方向切割出两个长度40㎜，宽度12㎜的槽，槽的作用就是破坏掉纵、横声波的反射和转换条件，使反射波H1和转换

波H2不会出现；C点是在试样冠顶用铣床，铣出长40㎜，宽度20㎜的平面。用一个2.5MHz，Φ20㎜的直探头，用相同的检测灵敏度，分

别检测ABC三个部位，试验结果是：A点和B点的B1、B2、H1、H2波高未有丝毫变化，与教材的描述完全相同。在B点没有变化就充分说

明回波H1和H2与〈三角反射〉根本无关；C点的B1、B2、H1、H2位置比A的略有提前，幅度约有20dB的增加，这两种差别都很好解释，

位置提前是因为C点被机加工掉一定高度约3㎜，厚度略有减薄，回波增大因为A和B点是工件与探头曲面接触，C点是平面完全接触。C点是

平面完全接触，不存在晶片接触面积减小，扩散角增大的问题，H1和H2还存在，又进一步证明〈三角反射〉是不存在的。它在钢中的半扩散

角θ≈70λ／D≈70×2.36÷20≈8.260，教材中的纵波和横波转换的半扩散角是300和35.60，两者的偏差值太大，假设〈三角反射〉论述是正确

的，那〈半扩散角〉理论就是没有意义的，两者是相互矛盾的。

结论二：上述理论分析和实验已充分说明教材中关于“三角反射”论述是错误的！它的数学运算结果与检测时的线性显示数据完全相符只是一个巧

合而已，这种巧合可能是最早提出“三角反射”现象者的一个最主要佐证，有了这个巧合才有假设的“三角反射”这个概念。

   既然“三角反射”是不存在的，那回波H1和H2又是哪里来的呢？在上述结论一中笔者已经证明“接触法纵波垂直入射时在第二介质中同样会发生波

型转换”！回波H1和H2就是由垂直入射时波型转换产生的，它虽然与平面底面回波相比幅度稍高、回波位置提前，这两点差异却很好理解，一是

曲底面反射回波是聚焦的；二是发生波型转换的声束都有一定角度，回波H1和H2波型转换点的位置并不在声束中心的工件直径上，如图2－4所示，

声程比直径上的声程稍小，回波提前是必然的。

结束语：上述<接触法纵波垂直入射时在被检测材料中同样会发生波型转换>及<圆柱型工件的〈三角反射〉理论论述是错误的>的结论，是经过我们

多次的理论分析、数学运算、反复实验，得出的结论。两者现象是相互关联的，确认了垂直入射的波型转换，才更有力说明<三角反射>是错误的。

反过来，证明<三角反射>是错误的！更能确认垂直入射的波型转换是必须存在的。

   笔者学习过几本不同出版社出版的超声波教材，从没有见过关于纵波垂直入射时的波型转换的论述，可这种现象又是真实存在的，是不可否认的。

在实际探伤中这种小角度倾斜入射，转换后的回波信号较弱的现象是会经常出现的，在焊缝斜探头检验时，这种现象出现的几率会更高，特别是执行

JBT4730－2005 标准检测时更加明显，原因很简单，就是JBT4730－2005确定的扫查灵敏度较高。

   如果从事超声波理论研究和实际检验工作者不能把这种现象上升到理论高度，结果是很多现象解释不清，甚至是错误的解说和判断。更为严重的是在

某些教材和理论刊物上也存在一些这方面错误的解释和说明，这些错误会导至初学者和实际检验者对错误的认识及在检验现场正确的判断。不利于我国

超声波检验技术的提高和健康发展。

  说明：因笔者的理论水平有限，试验条件更有限，不能拿出更多的数据证明上述两种结论。同时在上述结论的阐述过程中也可能存在缺点和错误！在此

笔者诚挚的欢迎行内专家对以上两种结论提出异议，指出论述中存在的缺点和错误，在此提前说句.........谢谢！

参考文献：

[1]:《NDT全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材》

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