香蕉視頻app下載蘋果版: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(chui)直人射(she)到兩種介質界面處的(de)反(fan)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。

超聲波垂直入射(she)(she)于不(bu)同聲阻抗介質的界面(mian)，有(you)以下四種反射(she)(she)和透射(she)(she)情(qing)況。

a.  Z₁<Z₂

 若聲波從水(shui)(shui)中入射(she)到鋼中，水(shui)(shui)的(de)聲阻抗為Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼的(de)聲阻抗為Z2=46×106kg/(㎡·s),水(shui)(shui)／鋼界面上的(de)

 圖2.9表示(shi)從水入(ru)射(she)(she)到(dao)鋼(gang)時，聲(sheng)壓(ya)(ya)(ya)在兩側的分布。當聲(sheng)波從聲(sheng)阻抗小(xiao)的介質(zhi)人射(she)(she)到(dao)聲(sheng)阻抗大的介質(zhi)時，反(fan)射(she)(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)(ya)較(jiao)入(ru)射(she)(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)(ya)略(lve)低(di)，而透(tou)射(she)(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)(ya)高(gao)于入(ru)射(she)(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)(ya)，且等于兩者之和。由聲(sheng)強(qiang)透(tou)射(she)(she)率D的大小(xiao)可知入(ru)射(she)(she)聲(sheng)強(qiang)中只有12.24%的能量進入(ru)鋼(gang)中。

b. Z₁>Z₂

若(ruo)聲(sheng)波從(cong)鋼入射到水中，此時界面(mian)的聲(sheng)壓反(fan)射系(xi)數(shu)

圖2.10表(biao)示從鋼入(ru)射(she)到水(shui)(shui)時(shi)，兩側的(de)聲(sheng)壓分(fen)布。當聲(sheng)波從聲(sheng)阻(zu)抗較(jiao)大的(de)介質(zhi)入(ru)射(she)到較(jiao)小的(de)介質(zhi)時(shi)，反射(she)聲(sheng)壓較(jiao)入(ru)射(she)聲(sheng)壓略低(di)；而(er)透(tou)射(she)聲(sheng)壓因(yin)入(ru)射(she)聲(sheng)壓與反射(she)聲(sheng)壓相位(wei)相反，其數值(zhi)也較(jiao)小。計(ji)算得知入(ru)射(she)聲(sheng)強中(zhong)同(tong)樣有(you)12.24%的(de)能量進入(ru)水(shui)(shui)中(zhong)。

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(zai)界面處幾乎全部被(bei)反射，無法透射到(dao)空(kong)氣中，因此，當超聲波(bo)探(tan)頭(tou)與(yu)粗(cu)糙待測件(jian)表面接觸，如果不加耦(ou)合(he)劑，就(jiu)相當于探(tan)頭(tou)與(yu)待測件(jian)表面間有一(yi)層空(kong)氣，導致聲波(bo)能量無法透射到(dao)待測件(jian)中，無法進行探(tan)傷。

d. Z₁≈Z₂

 當聲(sheng)波從兩(liang)種聲(sheng)阻(zu)抗(kang)相近的介質(zhi)界面(mian)經過時(shi)，例如普通碳鋼焊縫金屬(shu)(shu)與(yu)母材(cai)金屬(shu)(shu)之間，聲(sheng)阻(zu)抗(kang)相差僅(jin)1%,此時(shi)，界面(mian)的聲(sheng)壓反射系數(shu)

此時，在界面處反(fan)射聲(sheng)壓極(ji)小(xiao)，而透(tou)射聲(sheng)壓幾(ji)乎與入射聲(sheng)壓相同；聲(sheng)波(bo)能量幾(ji)乎全部(bu)透(tou)射到第(di)二種介質中。

2. 超聲波斜(xie)入(ru)射到(dao)兩種介(jie)質界面處的反(fan)射折射情況

當超聲波(bo)以一定(ding)角度斜入射到兩種(zhong)介質界(jie)面時，會發(fa)生(sheng)反(fan)射和(he)折(zhe)射現(xian)象，且遵循反(fan)射和(he)折(zhe)射定(ding)律。一定(ding)條件下，還會發(fa)生(sheng)波(bo)型轉換(huan)現(xian)象。

 a. 超聲縱波斜入射(she)

當超聲縱波(bo)斜入射(she)到兩種介質界面時，反(fan)射(she)波(bo)和折(zhe)射(she)波(bo)的傳播方向(xiang)符合反(fan)射(she)定律、折(zhe)射(she)定律，如圖(tu)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(chao)聲橫波斜入(ru)射

當橫(heng)波以一(yi)定角(jiao)度(du)入(ru)射到兩種固(gu)體界面時，也會出現波形(xing)的轉(zhuan)換，如圖2.12所示。

同(tong)樣地，橫(heng)波斜入(ru)射也符合(he)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。