在線亞洲日產一區二區:超聲波在不同介質界面處的反射、折射和透射情況是進行超聲探傷的重要物理基礎。聲波能量經界面時的聲壓聲強變化主要取決于兩側介質的聲阻抗。

1. 超聲波垂(chui)直人(ren)射到兩種介質界面(mian)處的反射透射情(qing)況

 當超聲波垂直入射于兩種不同聲阻抗介質的界面時，其反射波按入射波相反的路徑返回，透射波垂直進入第二種介質。假設超聲波所處介質聲阻抗為Z₁,人射聲強為I₀,入射聲壓為P₀,反射聲強為I_r,反射聲壓為P_r;另一種介質聲阻抗為Z₂,透射聲強為I_t,透射聲壓為P_t.令聲阻抗比m=Z₁/Z₂,可得：

聲壓視為平面上單位面積所受的力，那么平面兩側的力應當平衡，故聲壓變化有P₀+P_r=P_t.結合聲壓反射、透射系數，有

類似地，聲強在界面兩側應滿足能量守恒定律，所以有I_o=I_r+I_t,如果把聲強反射率（R)定義為I_r/I₀,聲強透射率（D)定義為I_t/I₀,則有：

 實際檢測中，常用到自發自收探頭，例如對鋼板進行檢測時，認為聲波垂直入射進人鋼板內部，透射波到達底部后，聲壓在鋼板／空氣界面被完全反射，然后垂直返回，被探頭接收。探頭接收到的返回聲壓P'_t與人射聲壓P₀之比稱為聲壓往復透過率，常用符號T_p表示。

所以

對比聲強透射率D和聲壓往復透過率T_p,可知兩者在數值上相等。

超(chao)聲波垂(chui)直入射(she)于不同聲阻抗介質的(de)界面，有(you)以(yi)下四(si)種反射(she)和(he)透射(she)情況。

a.  Z₁<Z₂

 若聲(sheng)(sheng)波(bo)從水(shui)中(zhong)入射到鋼中(zhong)，水(shui)的聲(sheng)(sheng)阻抗(kang)為(wei)Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼的聲(sheng)(sheng)阻抗(kang)為(wei)Z2=46×106kg/(㎡·s),水(shui)／鋼界(jie)面(mian)上(shang)的

 圖2.9表示(shi)從(cong)水入(ru)射到鋼(gang)時(shi)，聲壓(ya)(ya)在(zai)兩側的(de)分布。當(dang)聲波(bo)從(cong)聲阻抗小(xiao)的(de)介(jie)質人射到聲阻抗大的(de)介(jie)質時(shi)，反(fan)射聲壓(ya)(ya)較(jiao)入(ru)射聲壓(ya)(ya)略低，而透射聲壓(ya)(ya)高于(yu)入(ru)射聲壓(ya)(ya)，且等(deng)于(yu)兩者之和(he)。由聲強透射率D的(de)大小(xiao)可知(zhi)入(ru)射聲強中只(zhi)有12.24%的(de)能量進(jin)入(ru)鋼(gang)中。

b. Z₁>Z₂

若聲(sheng)波從鋼入(ru)射(she)到(dao)水(shui)中，此時界面(mian)的聲(sheng)壓反(fan)射(she)系數

圖2.10表示從鋼入(ru)(ru)射(she)到水時，兩(liang)側的(de)聲(sheng)壓(ya)(ya)分(fen)布。當聲(sheng)波從聲(sheng)阻(zu)抗較(jiao)(jiao)大(da)的(de)介質入(ru)(ru)射(she)到較(jiao)(jiao)小的(de)介質時，反(fan)射(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)較(jiao)(jiao)入(ru)(ru)射(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)略低；而透射(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)因入(ru)(ru)射(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)與(yu)反(fan)射(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)相位相反(fan)，其數(shu)值也較(jiao)(jiao)小。計算(suan)得知入(ru)(ru)射(she)聲(sheng)強(qiang)中同樣有12.24%的(de)能(neng)量進(jin)入(ru)(ru)水中。

c. Z₁ ＞ Z₂

 當聲波從聲阻抗高的固體入射到空氣中，例如從鋼中入射到空氣中，就屬于這種情況，此時Z₁(鋼）＝46×10⁶kg/(㎡·s),Z₂(空氣）＝0.0004×10⁶kg/(㎡·s),可計算聲壓反射系數

 此(ci)(ci)時，聲波在界面(mian)處幾乎全部被(bei)反射(she)，無(wu)(wu)法(fa)(fa)透射(she)到(dao)空氣中(zhong)，因(yin)此(ci)(ci)，當超聲波探(tan)頭與粗糙待測(ce)(ce)件表(biao)面(mian)接觸，如(ru)果不加(jia)耦合劑，就相當于探(tan)頭與待測(ce)(ce)件表(biao)面(mian)間有(you)一(yi)層(ceng)空氣，導(dao)致聲波能量無(wu)(wu)法(fa)(fa)透射(she)到(dao)待測(ce)(ce)件中(zhong)，無(wu)(wu)法(fa)(fa)進(jin)行探(tan)傷。

d. Z₁≈Z₂

 當(dang)聲(sheng)波從兩種聲(sheng)阻抗(kang)相(xiang)(xiang)近的介質(zhi)界(jie)面經過時(shi)，例如普通碳鋼焊縫(feng)金屬與(yu)母材(cai)金屬之間，聲(sheng)阻抗(kang)相(xiang)(xiang)差僅1%,此時(shi)，界(jie)面的聲(sheng)壓(ya)反射系數

此時，在界面(mian)處反(fan)射(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)極小(xiao)，而透(tou)射(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)幾乎與入射(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)相同；聲(sheng)(sheng)波能量幾乎全(quan)部(bu)透(tou)射(she)到第(di)二種(zhong)介質中。

2. 超聲波斜入射(she)到兩(liang)種介質界(jie)面處的反(fan)射(she)折射(she)情(qing)況

當超聲(sheng)波以一定(ding)角(jiao)度(du)斜入射(she)(she)到兩種介質(zhi)界面時，會發生(sheng)反(fan)(fan)射(she)(she)和折(zhe)射(she)(she)現象，且遵循反(fan)(fan)射(she)(she)和折(zhe)射(she)(she)定(ding)律。一定(ding)條件(jian)下，還(huan)會發生(sheng)波型轉換現象。

 a. 超聲(sheng)縱波斜入射

當(dang)超聲縱波斜入射(she)到兩種介(jie)質界面時，反(fan)射(she)波和折射(she)波的傳播方向符合(he)反(fan)射(she)定律、折射(she)定律，如圖(tu)2.11所(suo)示，即(ji)

 由式（2.4)可知，在同一介質中聲波縱波波速不變，因此縱波反射角與縱波入射角相等，即α_L=γ_L,同時，同一介質中縱波聲速大于橫波聲速，因此縱波反射角大于橫波反射角，縱波折射角大于橫波折射角，即γ_L>γ_s,β_L>β_s.

當α_L增加時，β_L也增加，增加到一定程度時，β_L=90°,這時所得縱波入射角稱為第一臨界角，常用a_I表示。當α_L>α_I時，第二介質中既有折射縱波L,又有折射橫波S.

當α_L增加時，β_s也增加，增加到一定程度時，β_s=90°,這時所得縱波入射角稱為第二臨界角，常用a_II表示。當α_I<α_L<a_II時，第二介質中沒有折射縱波L,只有折射橫波S,這種情況也是橫波探頭的制作原理。

b. 超聲橫(heng)波斜(xie)入射

當(dang)橫波(bo)以(yi)一定角度入(ru)射(she)到(dao)兩種(zhong)固體界面時，也會(hui)出現波(bo)形(xing)的轉換(huan)，如圖2.12所示(shi)。

同樣地，橫波斜入射也符(fu)合反射、折(zhe)射定律：

橫波斜入射時，隨著α_s增加，y_L=90°時，所對應的橫波人射角α_s為第三臨界角，常用α_III表示，橫波入射角大于第三臨界角時，產生橫波全反射現象。