香蕉視頻app蘋果: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(sheng)波垂(chui)直人射(she)到兩種(zhong)介質界面(mian)處的反射(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。

超聲波(bo)垂直入射于(yu)不同聲阻抗(kang)介質的界面，有(you)以下(xia)四種反(fan)射和透射情況。

a.  Z₁<Z₂

 若(ruo)聲(sheng)波從水(shui)中入射到鋼(gang)中，水(shui)的(de)聲(sheng)阻(zu)抗(kang)為Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼(gang)的(de)聲(sheng)阻(zu)抗(kang)為Z2=46×106kg/(㎡·s),水(shui)／鋼(gang)界面上(shang)的(de)

 圖(tu)2.9表示從水(shui)入(ru)射(she)(she)到(dao)(dao)鋼(gang)時，聲(sheng)(sheng)壓(ya)在兩側的(de)(de)分布。當(dang)聲(sheng)(sheng)波從聲(sheng)(sheng)阻抗小的(de)(de)介質人射(she)(she)到(dao)(dao)聲(sheng)(sheng)阻抗大的(de)(de)介質時，反(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)較入(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)略(lve)低，而(er)透射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)高于入(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)，且等于兩者之(zhi)和。由聲(sheng)(sheng)強透射(she)(she)率D的(de)(de)大小可知(zhi)入(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)強中(zhong)只(zhi)有12.24%的(de)(de)能量進入(ru)鋼(gang)中(zhong)。

b. Z₁>Z₂

若聲波從鋼入射到水中(zhong)，此時(shi)界面的(de)聲壓反射系數

圖2.10表示從鋼入(ru)射(she)(she)(she)到水時(shi)，兩側的(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)分布。當聲(sheng)(sheng)(sheng)波從聲(sheng)(sheng)(sheng)阻抗(kang)較(jiao)(jiao)大的(de)介(jie)質(zhi)入(ru)射(she)(she)(she)到較(jiao)(jiao)小的(de)介(jie)質(zhi)時(shi)，反(fan)射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)較(jiao)(jiao)入(ru)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(ru)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(xiang)位(wei)相(xiang)反(fan)，其數值(zhi)也較(jiao)(jiao)小。計算(suan)得(de)知入(ru)射(she)(she)(she)聲(sheng)(sheng)(sheng)強中(zhong)同樣有(you)12.24%的(de)能量進(jin)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(sheng)波(bo)(bo)在(zai)界面(mian)(mian)處幾乎全部被反射，無法透射到空氣中，因此(ci)，當(dang)超聲(sheng)波(bo)(bo)探頭與(yu)粗糙(cao)待測件(jian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)接觸(chu)，如果不加(jia)耦合劑(ji)，就相當(dang)于探頭與(yu)待測件(jian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)間有一層空氣，導致聲(sheng)波(bo)(bo)能量無法透射到待測件(jian)中，無法進行探傷。

d. Z₁≈Z₂

 當聲(sheng)波從兩種(zhong)聲(sheng)阻抗(kang)相近的(de)介質界(jie)面(mian)經(jing)過時，例如普通碳(tan)鋼(gang)焊(han)縫金(jin)屬(shu)與母(mu)材金(jin)屬(shu)之(zhi)間，聲(sheng)阻抗(kang)相差僅1%,此時，界(jie)面(mian)的(de)聲(sheng)壓反射系數

此(ci)時，在界面(mian)處反射(she)聲壓極小，而透(tou)射(she)聲壓幾乎與入射(she)聲壓相同；聲波能量(liang)幾乎全部透(tou)射(she)到第二種介質中。

2. 超聲波斜入射到兩種(zhong)介質界面(mian)處(chu)的反射折射情況

當(dang)超(chao)聲波以(yi)一定角度斜入(ru)射到兩種介質界面時，會發生反(fan)射和折(zhe)射現(xian)象，且遵循反(fan)射和折(zhe)射定律。一定條件下，還會發生波型轉換現(xian)象。

 a. 超聲縱波斜入射

當超聲縱波斜入(ru)射到兩(liang)種介質界(jie)面(mian)時，反射波和折(zhe)射波的(de)傳播方(fang)向符合(he)反射定(ding)律、折(zhe)射定(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(bo)斜入射

當橫波以(yi)一定角度入(ru)射到兩種固體界面時(shi)，也(ye)會(hui)出現波形的轉換(huan)，如圖2.12所示。

同樣地(di)，橫波斜(xie)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。