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. 超聲波垂直(zhi)人射到兩種(zhong)介質界面處(chu)的反射透射情況

 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(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(chao)聲(sheng)波(bo)垂直入射于不(bu)同聲(sheng)阻抗介質的(de)界面，有以下(xia)四(si)種反(fan)射和透射情況。

a.  Z₁<Z₂

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

 圖2.9表示從(cong)水入(ru)射(she)(she)到鋼時(shi)，聲(sheng)(sheng)壓(ya)在兩側的分布。當(dang)聲(sheng)(sheng)波從(cong)聲(sheng)(sheng)阻(zu)抗小(xiao)的介質(zhi)人射(she)(she)到聲(sheng)(sheng)阻(zu)抗大的介質(zhi)時(shi)，反射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)較入(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)略低，而透(tou)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)高于(yu)入(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)，且等于(yu)兩者(zhe)之和。由聲(sheng)(sheng)強透(tou)射(she)(she)率D的大小(xiao)可知入(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)強中(zhong)只有12.24%的能量進入(ru)鋼中(zhong)。

b. Z₁>Z₂

若聲(sheng)波從鋼(gang)入射(she)到(dao)水中，此(ci)時界面(mian)的(de)聲(sheng)壓反射(she)系數

圖2.10表示從鋼(gang)入(ru)射(she)(she)(she)到(dao)水時，兩側的(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)(ya)分布。當聲(sheng)(sheng)(sheng)波從聲(sheng)(sheng)(sheng)阻抗(kang)較(jiao)(jiao)(jiao)大的(de)介(jie)質(zhi)入(ru)射(she)(she)(she)到(dao)較(jiao)(jiao)(jiao)小的(de)介(jie)質(zhi)時，反(fan)射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)(ya)較(jiao)(jiao)(jiao)入(ru)射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)(ya)略低；而透射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)(ya)因入(ru)射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)(ya)與反(fan)射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)(ya)相(xiang)位相(xiang)反(fan)，其數值也較(jiao)(jiao)(jiao)小。計算得知(zhi)入(ru)射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)強(qiang)中(zhong)同樣有(you)12.24%的(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)(ci)時(shi)，聲波(bo)在界面(mian)處(chu)幾乎(hu)全部被(bei)反射(she)，無(wu)(wu)法(fa)透射(she)到(dao)空氣中(zhong)，因此(ci)(ci)，當超聲波(bo)探頭與(yu)粗糙待(dai)測(ce)件(jian)表面(mian)接觸，如果不(bu)加耦合劑，就(jiu)相當于(yu)探頭與(yu)待(dai)測(ce)件(jian)表面(mian)間有一(yi)層空氣，導致聲波(bo)能量無(wu)(wu)法(fa)透射(she)到(dao)待(dai)測(ce)件(jian)中(zhong)，無(wu)(wu)法(fa)進行探傷。

d. Z₁≈Z₂

 當聲(sheng)波從兩種聲(sheng)阻(zu)抗(kang)相近的介質界(jie)面經過時，例如(ru)普通碳鋼焊縫(feng)金屬與母材金屬之間，聲(sheng)阻(zu)抗(kang)相差僅1%,此(ci)時，界(jie)面的聲(sheng)壓(ya)反射系數

此(ci)時(shi)，在界面(mian)處反射聲(sheng)(sheng)(sheng)壓極小，而透射聲(sheng)(sheng)(sheng)壓幾乎與入射聲(sheng)(sheng)(sheng)壓相同；聲(sheng)(sheng)(sheng)波能量幾乎全(quan)部(bu)透射到第(di)二種介質中。

2. 超聲(sheng)波斜入(ru)射(she)到兩種介質界面處的反(fan)射(she)折(zhe)射(she)情況

當超(chao)聲波以一定(ding)角度斜入射(she)到兩(liang)種介質界(jie)面(mian)時(shi)，會(hui)(hui)發生(sheng)反(fan)射(she)和(he)折射(she)現象，且遵(zun)循反(fan)射(she)和(he)折射(she)定(ding)律。一定(ding)條(tiao)件下，還會(hui)(hui)發生(sheng)波型轉(zhuan)換(huan)現象。

 a. 超聲縱波(bo)斜入射

當超聲(sheng)縱波斜入射到兩種介質界面時，反(fan)射波和(he)折射波的傳播方向符合反(fan)射定(ding)律(lv)、折射定(ding)律(lv)，如(ru)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(bo)斜入射(she)

當橫波以(yi)一定角度入射(she)到兩種固體(ti)界面時，也會出現波形(xing)的轉換，如圖2.12所示。

同樣地(di)，橫(heng)波(bo)斜入(ru)射(she)也符合反射(she)、折(zhe)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。