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. 超聲波(bo)垂(chui)直人射到兩種(zhong)介質界面處的反射透(tou)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(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)波垂直入射于不同聲(sheng)阻(zu)抗介質的界(jie)面，有以(yi)下四種反射和(he)透(tou)射情況。

a.  Z₁<Z₂

 若聲波從水中入射到鋼中，水的聲阻(zu)抗(kang)為(wei)Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼的聲阻(zu)抗(kang)為(wei)Z2=46×106kg/(㎡·s),水／鋼界面上(shang)的

 圖2.9表示(shi)從(cong)水入(ru)(ru)(ru)射(she)到鋼時(shi)，聲(sheng)(sheng)壓(ya)在兩側的(de)(de)分(fen)布。當聲(sheng)(sheng)波從(cong)聲(sheng)(sheng)阻(zu)(zu)抗(kang)小的(de)(de)介質(zhi)人射(she)到聲(sheng)(sheng)阻(zu)(zu)抗(kang)大的(de)(de)介質(zhi)時(shi)，反(fan)射(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)較入(ru)(ru)(ru)射(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)略(lve)低，而透射(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)高于(yu)入(ru)(ru)(ru)射(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)，且(qie)等于(yu)兩者之和。由聲(sheng)(sheng)強透射(she)率(lv)D的(de)(de)大小可知入(ru)(ru)(ru)射(she)聲(sheng)(sheng)強中只有12.24%的(de)(de)能量進入(ru)(ru)(ru)鋼中。

b. Z₁>Z₂

若聲(sheng)波(bo)從鋼入射到水(shui)中，此時界(jie)面的聲(sheng)壓反射系數

圖(tu)2.10表(biao)示從鋼(gang)入(ru)射(she)(she)到水時，兩側(ce)的(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)壓分布(bu)。當(dang)聲(sheng)(sheng)波(bo)從聲(sheng)(sheng)阻抗(kang)較(jiao)大的(de)(de)(de)介(jie)質入(ru)射(she)(she)到較(jiao)小的(de)(de)(de)介(jie)質時，反(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓較(jiao)入(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓略低；而透射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓因入(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓與反(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓相(xiang)位相(xiang)反(fan)，其(qi)數值(zhi)也較(jiao)小。計(ji)算(suan)得知入(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)強中(zhong)同樣(yang)有12.24%的(de)(de)(de)能量進入(ru)水中(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(ci)時，聲波在界面處幾(ji)乎(hu)全部被反射，無法透射到空(kong)氣(qi)中(zhong)，因(yin)此(ci)，當超聲波探頭與粗糙待(dai)測(ce)件(jian)(jian)表面接觸(chu)，如果不加耦合(he)劑，就相當于探頭與待(dai)測(ce)件(jian)(jian)表面間有(you)一層(ceng)空(kong)氣(qi)，導致(zhi)聲波能量無法透射到待(dai)測(ce)件(jian)(jian)中(zhong)，無法進行探傷。

d. Z₁≈Z₂

 當聲波從兩種(zhong)聲阻抗(kang)(kang)相(xiang)近(jin)的介(jie)質(zhi)界(jie)面經過時，例如普通碳(tan)鋼焊(han)縫金屬與(yu)母材金屬之間，聲阻抗(kang)(kang)相(xiang)差僅1%,此時，界(jie)面的聲壓(ya)反射系數

此(ci)時(shi)，在界(jie)面處反(fan)射聲(sheng)壓(ya)極小，而透射聲(sheng)壓(ya)幾乎(hu)與入射聲(sheng)壓(ya)相同；聲(sheng)波能量幾乎(hu)全(quan)部(bu)透射到第二種介(jie)質(zhi)中。

2. 超聲波斜(xie)入(ru)射到兩種介質界(jie)面處(chu)的反(fan)射折(zhe)射情況

當超(chao)聲波以(yi)一(yi)定(ding)(ding)角度(du)斜入射(she)到兩(liang)種介質界面時，會發(fa)生反射(she)和(he)折射(she)現(xian)象，且遵循反射(she)和(he)折射(she)定(ding)(ding)律(lv)。一(yi)定(ding)(ding)條件下，還會發(fa)生波型轉換現(xian)象。

 a. 超(chao)聲縱波斜入射

當超(chao)聲縱波(bo)斜入射到兩種介(jie)質(zhi)界面(mian)時，反射波(bo)和折射波(bo)的傳(chuan)播方(fang)向符合反射定律、折射定律，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. 超聲橫波斜入(ru)射(she)

當橫(heng)波以一(yi)定角度入射到兩(liang)種(zhong)固(gu)體界面時(shi)，也會出現(xian)波形的轉(zhuan)換，如(ru)圖2.12所示。

同(tong)樣地，橫波斜(xie)入(ru)射也符合反射、折射定律(lv)：

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。