91香蕉視頻app: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(chao)聲波垂直人(ren)射到兩種介質界面處的(de)反射透射情況

 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。

超聲波垂直(zhi)入射(she)于不同(tong)聲阻(zu)抗介質的界面，有以下四種反(fan)射(she)和透射(she)情況。

a.  Z₁<Z₂

 若(ruo)聲波從水中入射到(dao)鋼中，水的(de)聲阻(zu)抗(kang)(kang)為(wei)Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼的(de)聲阻(zu)抗(kang)(kang)為(wei)Z2=46×106kg/(㎡·s),水／鋼界面上的(de)

 圖2.9表示從(cong)(cong)水入(ru)射(she)(she)到鋼時，聲壓在(zai)兩側的(de)(de)分布。當聲波從(cong)(cong)聲阻抗(kang)小(xiao)的(de)(de)介質人射(she)(she)到聲阻抗(kang)大(da)的(de)(de)介質時，反射(she)(she)聲壓較入(ru)射(she)(she)聲壓略低，而透射(she)(she)聲壓高于入(ru)射(she)(she)聲壓，且等于兩者之和。由聲強透射(she)(she)率D的(de)(de)大(da)小(xiao)可(ke)知入(ru)射(she)(she)聲強中只有12.24%的(de)(de)能量進入(ru)鋼中。

b. Z₁>Z₂

若聲波(bo)從鋼入(ru)射到水中(zhong)，此時界面的聲壓反射系數

圖2.10表示從(cong)鋼入(ru)射到水(shui)時，兩側的(de)(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)分(fen)布(bu)。當聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波從(cong)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)阻(zu)抗較(jiao)(jiao)大的(de)(de)介(jie)質入(ru)射到較(jiao)(jiao)小的(de)(de)介(jie)質時，反射聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)較(jiao)(jiao)入(ru)射聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)略低；而透射聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)因入(ru)射聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)與反射聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)相(xiang)位相(xiang)反，其數值也較(jiao)(jiao)小。計算得知入(ru)射聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)強中同(tong)樣有12.24%的(de)(de)能(neng)量(liang)進入(ru)水(shui)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)時，聲波(bo)在界面(mian)(mian)處(chu)幾(ji)乎全部被反(fan)射(she)，無(wu)法透射(she)到(dao)空氣中(zhong)，因此(ci)，當(dang)超聲波(bo)探(tan)頭與粗(cu)糙(cao)待(dai)測(ce)件(jian)表面(mian)(mian)接觸，如果不加耦(ou)合劑，就相當(dang)于(yu)探(tan)頭與待(dai)測(ce)件(jian)表面(mian)(mian)間有一層空氣，導致聲波(bo)能量(liang)無(wu)法透射(she)到(dao)待(dai)測(ce)件(jian)中(zhong)，無(wu)法進行探(tan)傷。

d. Z₁≈Z₂

 當(dang)聲波從兩種聲阻抗(kang)相近(jin)的(de)介質(zhi)界(jie)面(mian)經過(guo)時，例(li)如普通碳鋼(gang)焊縫金屬與母材(cai)金屬之間，聲阻抗(kang)相差僅1%,此(ci)時，界(jie)面(mian)的(de)聲壓反射系數

此時，在界面處反射聲(sheng)壓(ya)極小(xiao)，而(er)透(tou)射聲(sheng)壓(ya)幾(ji)乎與入射聲(sheng)壓(ya)相同(tong)；聲(sheng)波能量幾(ji)乎全部透(tou)射到(dao)第(di)二種(zhong)介質中。

2. 超聲波斜入射到兩種介(jie)質(zhi)界面處的(de)反(fan)射折射情(qing)況

當超聲波(bo)以一定角(jiao)度斜入射(she)到兩種介質(zhi)界面時，會(hui)發生反(fan)射(she)和折(zhe)(zhe)射(she)現象(xiang)，且遵(zun)循反(fan)射(she)和折(zhe)(zhe)射(she)定律。一定條件下，還會(hui)發生波(bo)型轉換現象(xiang)。

 a. 超聲縱波斜(xie)入射

當(dang)超聲縱波斜入射到兩種介質界面(mian)時，反射波和折(zhe)射波的傳播方向符合反射定(ding)律、折(zhe)射定(ding)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)定角度入射(she)到(dao)兩種固體界面時(shi)，也會出(chu)現(xian)波(bo)形的(de)轉換，如圖2.12所示。

同(tong)樣地(di)，橫波斜入射(she)也符合反(fan)射(she)、折射(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。