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. 超聲波垂直人射到兩(liang)種介質(zhi)界面(mian)處(chu)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(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。

超聲波垂直(zhi)入射(she)(she)于不同(tong)聲阻抗介質(zhi)的界面，有以(yi)下(xia)四種反(fan)射(she)(she)和透(tou)射(she)(she)情(qing)況(kuang)。

a.  Z₁<Z₂

 若聲(sheng)(sheng)波從(cong)水(shui)中入(ru)射到鋼(gang)(gang)中，水(shui)的(de)(de)聲(sheng)(sheng)阻抗為Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼(gang)(gang)的(de)(de)聲(sheng)(sheng)阻抗為Z2=46×106kg/(㎡·s),水(shui)／鋼(gang)(gang)界面上的(de)(de)

 圖2.9表示從(cong)(cong)水入(ru)射(she)到鋼時，聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)在兩側的(de)分(fen)布。當(dang)聲(sheng)(sheng)(sheng)波從(cong)(cong)聲(sheng)(sheng)(sheng)阻(zu)抗(kang)小的(de)介質人(ren)射(she)到聲(sheng)(sheng)(sheng)阻(zu)抗(kang)大的(de)介質時，反(fan)射(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)較入(ru)射(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)略(lve)低(di)，而透射(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)高于入(ru)射(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)，且等于兩者之(zhi)和。由聲(sheng)(sheng)(sheng)強(qiang)(qiang)透射(she)率D的(de)大小可知(zhi)入(ru)射(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)強(qiang)(qiang)中(zhong)只有12.24%的(de)能量(liang)進入(ru)鋼中(zhong)。

b. Z₁>Z₂

若聲(sheng)波(bo)從鋼入射到水中(zhong)，此時界面的聲(sheng)壓反射系數

圖2.10表示從鋼入射(she)(she)到水時，兩側(ce)的(de)(de)聲(sheng)(sheng)壓分布(bu)。當聲(sheng)(sheng)波從聲(sheng)(sheng)阻抗較(jiao)大的(de)(de)介質入射(she)(she)到較(jiao)小(xiao)(xiao)的(de)(de)介質時，反(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓較(jiao)入射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓略(lve)低；而透射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓因入射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓與反(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓相(xiang)位(wei)相(xiang)反(fan)，其數值也較(jiao)小(xiao)(xiao)。計算得知入射(she)(she)聲(sheng)(sheng)強中同樣(yang)有(you)12.24%的(de)(de)能量進入水中。

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(ji)乎全部(bu)被(bei)反射(she)，無(wu)(wu)法(fa)透射(she)到空氣中，因此，當(dang)超聲波探(tan)(tan)頭(tou)與(yu)(yu)粗糙(cao)待(dai)測件表面接觸，如果不加耦合(he)劑，就(jiu)相當(dang)于探(tan)(tan)頭(tou)與(yu)(yu)待(dai)測件表面間有一(yi)層空氣，導致(zhi)聲波能(neng)量無(wu)(wu)法(fa)透射(she)到待(dai)測件中，無(wu)(wu)法(fa)進行(xing)探(tan)(tan)傷。

d. Z₁≈Z₂

 當聲波從兩(liang)種(zhong)聲阻抗(kang)相近的(de)介質(zhi)界面經過時，例如普通碳鋼(gang)焊縫金屬(shu)與母(mu)材金屬(shu)之間(jian)，聲阻抗(kang)相差僅1%,此時，界面的(de)聲壓反射系數

此時，在界面處反射(she)聲(sheng)壓極小，而透射(she)聲(sheng)壓幾(ji)乎與入射(she)聲(sheng)壓相(xiang)同(tong)；聲(sheng)波能(neng)量幾(ji)乎全部透射(she)到第二種介質中(zhong)。

2. 超(chao)聲波斜入(ru)射(she)到(dao)兩種介質界面處的(de)反射(she)折射(she)情況

當超聲波以一(yi)定(ding)角度斜(xie)入射到兩種介(jie)質界面時，會發生反射和(he)折射現象(xiang)，且遵循(xun)反射和(he)折射定(ding)律。一(yi)定(ding)條(tiao)件下，還會發生波型轉換現象(xiang)。

 a. 超聲縱波斜入射

當超聲縱波(bo)斜入射(she)(she)到兩種介質界面時(shi)，反(fan)射(she)(she)波(bo)和折射(she)(she)波(bo)的(de)傳(chuan)播方向符合反(fan)射(she)(she)定律、折射(she)(she)定律，如圖2.11所示，即

 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. 超聲橫波斜入射

當(dang)橫波(bo)以一(yi)定(ding)角度入射到兩(liang)種固體界面時(shi)，也會出現波(bo)形的(de)轉換，如圖2.12所(suo)示。

同(tong)樣地，橫波斜入射也符合(he)反射、折射定(ding)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。