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(sheng)波垂直人射(she)到兩種介質界面(mian)處的反射(she)透射(she)情況

 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(yi)

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。

超聲波(bo)垂直入射(she)于(yu)不同聲阻抗介質的界面，有以(yi)下四種反射(she)和透射(she)情(qing)況(kuang)。

a.  Z₁<Z₂

 若聲波(bo)從水中入(ru)射到鋼中，水的(de)聲阻(zu)抗(kang)為(wei)Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼的(de)聲阻(zu)抗(kang)為(wei)Z2=46×106kg/(㎡·s),水／鋼界面上的(de)

 圖(tu)2.9表示(shi)從(cong)水入射(she)(she)(she)到鋼時(shi)，聲壓在兩側的分布(bu)。當聲波從(cong)聲阻抗小(xiao)的介質人射(she)(she)(she)到聲阻抗大的介質時(shi)，反射(she)(she)(she)聲壓較入射(she)(she)(she)聲壓略低，而透(tou)射(she)(she)(she)聲壓高于(yu)入射(she)(she)(she)聲壓，且(qie)等于(yu)兩者之(zhi)和。由(you)聲強(qiang)透(tou)射(she)(she)(she)率D的大小(xiao)可知入射(she)(she)(she)聲強(qiang)中(zhong)只有12.24%的能(neng)量進入鋼中(zhong)。

b. Z₁>Z₂

若聲波從(cong)鋼入射到水中，此時界面(mian)的聲壓反射系數

圖2.10表示從(cong)鋼入射到水時(shi)，兩側的(de)聲壓(ya)(ya)分布。當聲波從(cong)聲阻抗(kang)較(jiao)大的(de)介質入射到較(jiao)小的(de)介質時(shi)，反射聲壓(ya)(ya)較(jiao)入射聲壓(ya)(ya)略低；而透(tou)射聲壓(ya)(ya)因入射聲壓(ya)(ya)與反射聲壓(ya)(ya)相(xiang)位相(xiang)反，其(qi)數值也較(jiao)小。計算得知入射聲強中同樣有12.24%的(de)能量進(jin)入水中。

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

 此時，聲波在(zai)界面處幾乎全(quan)部被(bei)反射，無法(fa)透射到(dao)空(kong)氣中，因(yin)此，當超聲波探頭與粗糙待測件(jian)表(biao)面接(jie)觸，如果不加耦合劑，就相當于(yu)探頭與待測件(jian)表(biao)面間有一層空(kong)氣，導(dao)致聲波能量無法(fa)透射到(dao)待測件(jian)中，無法(fa)進行(xing)探傷。

d. Z₁≈Z₂

 當聲(sheng)(sheng)波從兩種聲(sheng)(sheng)阻抗(kang)相近的介質界面經過時，例如普(pu)通碳鋼焊(han)縫金屬(shu)與母材金屬(shu)之(zhi)間，聲(sheng)(sheng)阻抗(kang)相差僅1%,此時，界面的聲(sheng)(sheng)壓反射系數(shu)

此時，在界面處反射聲(sheng)壓(ya)極小，而透射聲(sheng)壓(ya)幾(ji)乎(hu)與入射聲(sheng)壓(ya)相同；聲(sheng)波能量幾(ji)乎(hu)全(quan)部透射到第二種介(jie)質中。

2. 超聲波斜入射到兩(liang)種介質界面處的反射折射情況

當(dang)超(chao)聲波以一定(ding)(ding)角度斜入射到兩種介(jie)質(zhi)界面時，會發生反(fan)射和折射現(xian)象(xiang)，且遵循反(fan)射和折射定(ding)(ding)律。一定(ding)(ding)條件下，還會發生波型(xing)轉換現(xian)象(xiang)。

 a. 超聲縱波斜入射

當超聲縱波斜入射(she)到(dao)兩種介(jie)質界面(mian)時，反射(she)波和折(zhe)射(she)波的傳(chuan)播方向(xiang)符合反射(she)定(ding)律、折(zhe)射(she)定(ding)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. 超聲橫波斜入(ru)射

當橫波以一(yi)定角(jiao)度入射到(dao)兩種固體界面時，也(ye)會出現波形的轉換，如圖2.12所示。

同樣(yang)地(di)，橫波斜(xie)入射也符合反射、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。