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)垂直人射到兩種介質界(jie)面處的反(fan)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(sheng)波垂直入(ru)射于(yu)不同聲(sheng)阻抗介(jie)質的界面，有以下四種反射和透射情況(kuang)。

a.  Z₁<Z₂

 若聲波從(cong)水中入射(she)到鋼(gang)中，水的(de)聲阻抗(kang)為(wei)Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼(gang)的(de)聲阻抗(kang)為(wei)Z2=46×106kg/(㎡·s),水／鋼(gang)界面上的(de)

 圖2.9表示從(cong)水(shui)入(ru)射到鋼(gang)時，聲(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)在兩(liang)側的(de)分(fen)布。當聲(sheng)(sheng)波從(cong)聲(sheng)(sheng)阻抗小(xiao)(xiao)的(de)介(jie)質人射到聲(sheng)(sheng)阻抗大的(de)介(jie)質時，反射聲(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)較入(ru)射聲(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)略低，而透射聲(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)高于入(ru)射聲(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)，且等于兩(liang)者之和。由聲(sheng)(sheng)強(qiang)(qiang)透射率D的(de)大小(xiao)(xiao)可知入(ru)射聲(sheng)(sheng)強(qiang)(qiang)中只(zhi)有12.24%的(de)能量(liang)進入(ru)鋼(gang)中。

b. Z₁>Z₂

若聲波從鋼(gang)入射到水中，此時(shi)界面的聲壓反射系數

圖2.10表示從(cong)鋼(gang)入射(she)到水時，兩側的聲壓(ya)分布。當(dang)聲波從(cong)聲阻抗較大(da)的介質入射(she)到較小的介質時，反射(she)聲壓(ya)較入射(she)聲壓(ya)略(lve)低(di)；而(er)透(tou)射(she)聲壓(ya)因入射(she)聲壓(ya)與反射(she)聲壓(ya)相位相反，其數值也較小。計算(suan)得知(zhi)入射(she)聲強中(zhong)同樣有12.24%的能量進入水中(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

 此時，聲(sheng)波(bo)在界面(mian)處幾乎全部被(bei)反(fan)射(she)，無(wu)法(fa)透射(she)到空氣(qi)中，因(yin)此，當超聲(sheng)波(bo)探(tan)頭(tou)與粗糙待測(ce)件表(biao)(biao)面(mian)接(jie)觸，如果不(bu)加耦(ou)合(he)劑(ji)，就相(xiang)當于(yu)探(tan)頭(tou)與待測(ce)件表(biao)(biao)面(mian)間有一層空氣(qi)，導致聲(sheng)波(bo)能(neng)量無(wu)法(fa)透射(she)到待測(ce)件中，無(wu)法(fa)進行探(tan)傷。

d. Z₁≈Z₂

 當聲(sheng)波從兩種(zhong)聲(sheng)阻(zu)抗(kang)相(xiang)近的介質界面經過(guo)時(shi)，例(li)如普通(tong)碳鋼焊縫金屬與母(mu)材金屬之間，聲(sheng)阻(zu)抗(kang)相(xiang)差僅1%,此時(shi)，界面的聲(sheng)壓反(fan)射系數

此(ci)時，在界(jie)面(mian)處(chu)反射聲(sheng)壓(ya)(ya)極(ji)小，而透射聲(sheng)壓(ya)(ya)幾(ji)乎與入射聲(sheng)壓(ya)(ya)相同；聲(sheng)波能量幾(ji)乎全部透射到第(di)二(er)種介(jie)質(zhi)中(zhong)。

2. 超聲波斜入(ru)射(she)到(dao)兩種介質(zhi)界面處的反(fan)射(she)折射(she)情況

當超聲(sheng)波(bo)以(yi)一(yi)定(ding)角度(du)斜入(ru)射到兩種介質界面時，會發(fa)生(sheng)反射和折(zhe)射現(xian)象(xiang)，且(qie)遵循反射和折(zhe)射定(ding)律(lv)。一(yi)定(ding)條件(jian)下，還會發(fa)生(sheng)波(bo)型轉換(huan)現(xian)象(xiang)。

 a. 超聲縱波(bo)斜入射

當超聲(sheng)縱波斜(xie)入(ru)射(she)到兩(liang)種介質界面(mian)時(shi)，反射(she)波和折射(she)波的傳播(bo)方向(xiang)符合反射(she)定律(lv)、折射(she)定律(lv)，如圖2.11所(suo)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(sheng)橫波斜入射

當橫波以(yi)一(yi)定角度入射到兩(liang)種固體界面時，也會出(chu)現波形的轉換，如圖2.12所示。

同樣地(di)，橫波斜入射也符合反射、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。