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(she)(she)到兩種(zhong)介(jie)質界面處的反射(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。

超聲(sheng)波垂直入射(she)于(yu)不同聲(sheng)阻抗介質的界面，有以下四種反射(she)和透射(she)情況(kuang)。

a.  Z₁<Z₂

 若(ruo)聲波從水中入射到鋼(gang)中，水的聲阻(zu)抗為Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼(gang)的聲阻(zu)抗為Z2=46×106kg/(㎡·s),水／鋼(gang)界(jie)面上(shang)的

 圖2.9表示從水入(ru)(ru)射(she)(she)到鋼時(shi)，聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)在(zai)兩(liang)側(ce)的分布。當聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波從聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)阻(zu)抗小(xiao)的介質(zhi)人(ren)射(she)(she)到聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)阻(zu)抗大的介質(zhi)時(shi)，反射(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)較入(ru)(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)略低，而透射(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)高于入(ru)(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)，且等于兩(liang)者之(zhi)和。由(you)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)強透射(she)(she)率D的大小(xiao)可(ke)知入(ru)(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)強中(zhong)只有(you)12.24%的能量進(jin)入(ru)(ru)鋼中(zhong)。

b. Z₁>Z₂

若(ruo)聲波從鋼(gang)入射到水中，此時(shi)界面的聲壓反射系數(shu)

圖(tu)2.10表示從(cong)鋼(gang)入(ru)(ru)射(she)(she)到水時(shi)，兩側的聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓分布。當聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波從(cong)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)阻抗(kang)較(jiao)大的介質入(ru)(ru)射(she)(she)到較(jiao)小(xiao)(xiao)的介質時(shi)，反(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓較(jiao)入(ru)(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓略(lve)低；而(er)透射(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓因(yin)入(ru)(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓與反(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓相位相反(fan)，其數值(zhi)也較(jiao)小(xiao)(xiao)。計算得知入(ru)(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)強中同樣(yang)有12.24%的能量(liang)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

 此時(shi)，聲波(bo)在界面(mian)(mian)處幾乎全部被反射，無(wu)法(fa)透射到空氣(qi)中(zhong)，因此，當(dang)超(chao)聲波(bo)探頭與粗糙(cao)待測件(jian)表面(mian)(mian)接觸，如果不加耦合(he)劑，就相當(dang)于(yu)探頭與待測件(jian)表面(mian)(mian)間有一(yi)層空氣(qi)，導(dao)致聲波(bo)能量無(wu)法(fa)透射到待測件(jian)中(zhong)，無(wu)法(fa)進(jin)行探傷。

d. Z₁≈Z₂

 當聲波從兩(liang)種聲阻抗相近的(de)介質界面(mian)經過時，例如普通(tong)碳鋼焊縫(feng)金(jin)屬(shu)與(yu)母材金(jin)屬(shu)之(zhi)間，聲阻抗相差僅1%,此時，界面(mian)的(de)聲壓反射系數

此時，在界面處反射(she)聲(sheng)壓(ya)極小，而透射(she)聲(sheng)壓(ya)幾乎(hu)與(yu)入射(she)聲(sheng)壓(ya)相同；聲(sheng)波能量幾乎(hu)全(quan)部(bu)透射(she)到第二種介質中。

2. 超(chao)聲波斜入(ru)射(she)到兩種介(jie)質界面處的反射(she)折(zhe)射(she)情(qing)況

當超聲波(bo)以一定(ding)角(jiao)度斜入射(she)到(dao)兩種(zhong)介質界面時，會(hui)發生(sheng)反(fan)射(she)和折射(she)現象(xiang)，且遵循反(fan)射(she)和折射(she)定(ding)律。一定(ding)條件下，還(huan)會(hui)發生(sheng)波(bo)型轉換現象(xiang)。

 a. 超聲縱波斜入射

當超聲(sheng)縱波(bo)斜入射(she)(she)到兩種介質界(jie)面時，反(fan)射(she)(she)波(bo)和折射(she)(she)波(bo)的傳播方(fang)向(xiang)符合反(fan)射(she)(she)定律、折射(she)(she)定律，如圖2.11所示，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)波斜入(ru)射

當橫波以(yi)一(yi)定(ding)角度入(ru)射到兩(liang)種(zhong)固體界面時，也會(hui)出(chu)現(xian)波形的(de)轉換(huan)，如圖2.12所示。

同(tong)樣(yang)地，橫波斜(xie)入射(she)也符合反射(she)、折(zhe)射(she)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。