久久99國產精品久久99果凍傳媒: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)聲波垂直人射(she)到(dao)兩種介質界面處(chu)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(suo)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)波垂直入射于(yu)不同聲(sheng)阻抗(kang)介質的界(jie)面(mian)，有以下(xia)四種(zhong)反射和(he)透射情況。

a.  Z₁<Z₂

 若聲(sheng)波從水中入(ru)射到鋼中，水的聲(sheng)阻抗為(wei)Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼的聲(sheng)阻抗為(wei)Z2=46×106kg/(㎡·s),水／鋼界(jie)面上(shang)的

 圖2.9表(biao)示(shi)從水(shui)入(ru)射(she)到鋼(gang)時，聲(sheng)壓在兩側的分布。當聲(sheng)波從聲(sheng)阻(zu)抗(kang)小的介質人射(she)到聲(sheng)阻(zu)抗(kang)大的介質時，反射(she)聲(sheng)壓較入(ru)射(she)聲(sheng)壓略低(di)，而透射(she)聲(sheng)壓高于入(ru)射(she)聲(sheng)壓，且等于兩者之和。由聲(sheng)強透射(she)率D的大小可知(zhi)入(ru)射(she)聲(sheng)強中只有12.24%的能量進入(ru)鋼(gang)中。

b. Z₁>Z₂

若聲(sheng)波從鋼(gang)入射到水中，此時界面(mian)的聲(sheng)壓反射系數

圖2.10表示從(cong)鋼入射(she)(she)(she)到(dao)水時，兩側的聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)分(fen)布。當聲(sheng)(sheng)(sheng)波從(cong)聲(sheng)(sheng)(sheng)阻抗較(jiao)大的介質入射(she)(she)(she)到(dao)較(jiao)小(xiao)的介質時，反(fan)射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)較(jiao)入射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)略低；而透射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)因入射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)與反(fan)射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)相位相反(fan)，其數值也較(jiao)小(xiao)。計算得(de)知入射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)強中同樣有12.24%的能量進(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，聲波在界(jie)面(mian)處(chu)幾乎(hu)全部被反(fan)射(she)，無法透射(she)到空氣中，因此，當超(chao)聲波探頭(tou)與(yu)粗糙待(dai)測(ce)件表面(mian)接觸，如果不加耦合劑，就相(xiang)當于探頭(tou)與(yu)待(dai)測(ce)件表面(mian)間(jian)有一層空氣，導致聲波能量無法透射(she)到待(dai)測(ce)件中，無法進行(xing)探傷。

d. Z₁≈Z₂

 當聲波從兩種(zhong)聲阻(zu)抗相近的介質界面經過時，例如普通碳(tan)鋼焊縫金(jin)(jin)屬與(yu)母材金(jin)(jin)屬之間，聲阻(zu)抗相差僅(jin)1%,此時，界面的聲壓反射系數

此時(shi)，在(zai)界(jie)面處反(fan)射(she)(she)聲壓極(ji)小(xiao)，而透射(she)(she)聲壓幾乎與入射(she)(she)聲壓相同；聲波(bo)能量幾乎全部透射(she)(she)到第二種介(jie)質中。

2. 超(chao)聲波(bo)斜入射(she)(she)到(dao)兩種介質界面處的反(fan)射(she)(she)折射(she)(she)情(qing)況(kuang)

當(dang)超聲波以(yi)一定(ding)角(jiao)度斜入(ru)射(she)(she)(she)到(dao)兩種(zhong)介質(zhi)界面(mian)時，會發生反(fan)射(she)(she)(she)和折(zhe)射(she)(she)(she)現(xian)象(xiang)，且遵(zun)循反(fan)射(she)(she)(she)和折(zhe)射(she)(she)(she)定(ding)律。一定(ding)條件下，還會發生波型轉(zhuan)換(huan)現(xian)象(xiang)。

 a. 超聲縱波斜入射

當超聲縱(zong)波(bo)斜入射(she)到(dao)兩種介質界面時(shi)，反射(she)波(bo)和(he)折射(she)波(bo)的傳(chuan)播方(fang)向符合反射(she)定(ding)律、折射(she)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(she)

當橫波(bo)以一(yi)定(ding)角(jiao)度入射到兩(liang)種固體(ti)界面時，也會出現(xian)波(bo)形的轉換，如圖(tu)2.12所示。

同樣地(di)，橫波(bo)斜入射也(ye)符合反射、折射定律：

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。