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)直人射(she)(she)到(dao)兩種介質(zhi)界面(mian)處的反射(she)(she)透射(she)(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

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)聲波垂直入射于不同聲阻抗介質的界面(mian)，有以下四種(zhong)反射和透(tou)射情況。

a.  Z₁<Z₂

 若聲波從水(shui)中(zhong)入射到鋼(gang)中(zhong)，水(shui)的聲阻抗(kang)為Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼(gang)的聲阻抗(kang)為Z2=46×106kg/(㎡·s),水(shui)／鋼(gang)界(jie)面上的

 圖(tu)2.9表示從水入(ru)(ru)(ru)射(she)到鋼時，聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)在兩側的(de)分布。當聲(sheng)(sheng)(sheng)波從聲(sheng)(sheng)(sheng)阻(zu)抗小的(de)介質(zhi)人(ren)射(she)到聲(sheng)(sheng)(sheng)阻(zu)抗大的(de)介質(zhi)時，反射(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)較入(ru)(ru)(ru)射(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)略低，而透射(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)高于入(ru)(ru)(ru)射(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)，且等(deng)于兩者(zhe)之和。由聲(sheng)(sheng)(sheng)強(qiang)(qiang)透射(she)率D的(de)大小可知入(ru)(ru)(ru)射(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)強(qiang)(qiang)中只(zhi)有12.24%的(de)能(neng)量(liang)進入(ru)(ru)(ru)鋼中。

b. Z₁>Z₂

若聲(sheng)波從鋼入(ru)射到(dao)水中，此時界面的聲(sheng)壓反(fan)射系(xi)數(shu)

圖2.10表示從鋼入(ru)(ru)射(she)(she)到(dao)水時(shi)，兩側的(de)(de)聲(sheng)(sheng)壓(ya)分(fen)布(bu)。當聲(sheng)(sheng)波從聲(sheng)(sheng)阻(zu)抗較大的(de)(de)介(jie)質(zhi)入(ru)(ru)射(she)(she)到(dao)較小(xiao)的(de)(de)介(jie)質(zhi)時(shi)，反(fan)(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)較入(ru)(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)略低；而(er)透射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)因入(ru)(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)與(yu)反(fan)(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)相位相反(fan)(fan)，其數值(zhi)也較小(xiao)。計算得知入(ru)(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)強中同樣有12.24%的(de)(de)能量進入(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(zai)界面(mian)(mian)處幾乎全部被(bei)反(fan)射，無法(fa)透射到(dao)空氣中，因此(ci)(ci)，當(dang)超聲波探頭與粗糙待測件(jian)表(biao)面(mian)(mian)接觸，如果(guo)不加耦(ou)合(he)劑，就相當(dang)于(yu)探頭與待測件(jian)表(biao)面(mian)(mian)間有一層空氣，導致聲波能量無法(fa)透射到(dao)待測件(jian)中，無法(fa)進行探傷。

d. Z₁≈Z₂

 當聲(sheng)波(bo)從兩(liang)種聲(sheng)阻(zu)抗相(xiang)近的(de)介質界面(mian)經過時(shi)，例如普通碳鋼焊縫金(jin)屬與母材(cai)金(jin)屬之間，聲(sheng)阻(zu)抗相(xiang)差僅1%,此時(shi)，界面(mian)的(de)聲(sheng)壓(ya)反射系數

此時，在界面處(chu)反射(she)聲(sheng)(sheng)壓極小，而透射(she)聲(sheng)(sheng)壓幾乎與(yu)入射(she)聲(sheng)(sheng)壓相同；聲(sheng)(sheng)波能(neng)量幾乎全部透射(she)到第二種介質(zhi)中。

2. 超聲(sheng)波斜入射到兩種(zhong)介質界面(mian)處的反射折(zhe)射情(qing)況(kuang)

當(dang)超聲波以一(yi)定角度斜入射到兩(liang)種介(jie)質界面時，會發生(sheng)反(fan)射和(he)折射現(xian)象(xiang)，且遵循(xun)反(fan)射和(he)折射定律。一(yi)定條件下(xia)，還會發生(sheng)波型轉換現(xian)象(xiang)。

 a. 超聲縱(zong)波(bo)斜入射

當超聲(sheng)縱(zong)波斜入射(she)(she)(she)(she)到兩種介質界(jie)面時，反射(she)(she)(she)(she)波和(he)折射(she)(she)(she)(she)波的傳播方向(xiang)符合反射(she)(she)(she)(she)定律(lv)、折射(she)(she)(she)(she)定律(lv)，如(ru)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

當橫波(bo)以一定角度入射到兩種固體界面時，也會出現(xian)波(bo)形的轉換(huan)，如圖2.12所(suo)示。

同樣(yang)地，橫波(bo)斜入(ru)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。