香蕉視頻app在線觀看: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. 超聲波垂直人(ren)射到(dao)兩種介質界面處的反射透射情況(kuang)

 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(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(zhi)入射(she)于(yu)不同聲阻抗介(jie)質的界面(mian)，有以(yi)下四種反(fan)射(she)和(he)透射(she)情況。

a.  Z₁<Z₂

 若聲(sheng)波從水(shui)中(zhong)入射到(dao)鋼中(zhong)，水(shui)的(de)聲(sheng)阻抗(kang)為(wei)(wei)Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼的(de)聲(sheng)阻抗(kang)為(wei)(wei)Z2=46×106kg/(㎡·s),水(shui)／鋼界(jie)面(mian)上的(de)

 圖2.9表示從(cong)水入射(she)(she)到鋼(gang)時(shi)，聲(sheng)壓(ya)(ya)在兩(liang)側(ce)的分(fen)布。當聲(sheng)波從(cong)聲(sheng)阻抗小的介(jie)質(zhi)人(ren)射(she)(she)到聲(sheng)阻抗大(da)的介(jie)質(zhi)時(shi)，反射(she)(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)較入射(she)(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)略(lve)低，而透射(she)(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)高于(yu)入射(she)(she)聲(sheng)壓(ya)(ya)，且(qie)等(deng)于(yu)兩(liang)者(zhe)之和。由聲(sheng)強(qiang)透射(she)(she)率D的大(da)小可知入射(she)(she)聲(sheng)強(qiang)中只有(you)12.24%的能量進入鋼(gang)中。

b. Z₁>Z₂

若聲波(bo)從鋼入射到(dao)水(shui)中，此時(shi)界面的聲壓反(fan)射系數

圖2.10表(biao)示從(cong)鋼入(ru)(ru)(ru)射(she)到(dao)水(shui)時，兩側的(de)聲(sheng)(sheng)壓(ya)分(fen)布。當聲(sheng)(sheng)波從(cong)聲(sheng)(sheng)阻抗較(jiao)大的(de)介質入(ru)(ru)(ru)射(she)到(dao)較(jiao)小(xiao)的(de)介質時，反(fan)射(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)較(jiao)入(ru)(ru)(ru)射(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)略低；而(er)透射(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)因入(ru)(ru)(ru)射(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)與(yu)反(fan)射(she)聲(sheng)(sheng)壓(ya)相位相反(fan)，其數(shu)值也較(jiao)小(xiao)。計算(suan)得知入(ru)(ru)(ru)射(she)聲(sheng)(sheng)強中同(tong)樣有12.24%的(de)能量(liang)進入(ru)(ru)(ru)水(shui)中。

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(bo)(bo)在界(jie)面處幾乎全部被反(fan)射，無(wu)法(fa)透射到(dao)空氣(qi)中，因此(ci)，當(dang)(dang)超聲波(bo)(bo)探頭(tou)與粗糙待(dai)測(ce)件表面接觸，如果不加(jia)耦合劑，就相當(dang)(dang)于探頭(tou)與待(dai)測(ce)件表面間(jian)有(you)一(yi)層空氣(qi)，導致聲波(bo)(bo)能量無(wu)法(fa)透射到(dao)待(dai)測(ce)件中，無(wu)法(fa)進行探傷。

d. Z₁≈Z₂

 當聲波從(cong)兩種(zhong)聲阻(zu)抗(kang)相近的介質(zhi)界(jie)面(mian)(mian)經(jing)過時，例如普通碳鋼焊縫金屬(shu)(shu)與母材金屬(shu)(shu)之間，聲阻(zu)抗(kang)相差僅1%,此時，界(jie)面(mian)(mian)的聲壓反(fan)射系數

此時(shi)，在界面處反射(she)聲壓極小，而(er)透(tou)射(she)聲壓幾(ji)乎(hu)(hu)與入射(she)聲壓相同；聲波能量幾(ji)乎(hu)(hu)全部透(tou)射(she)到第二種介質中(zhong)。

2. 超聲波斜入射到(dao)兩種介質界面處(chu)的反射折射情況(kuang)

當超聲波以一(yi)定(ding)角度斜入射(she)到兩種介(jie)質(zhi)界面時，會(hui)發生反射(she)和折(zhe)射(she)現(xian)象(xiang)，且遵循反射(she)和折(zhe)射(she)定(ding)律。一(yi)定(ding)條件(jian)下，還會(hui)發生波型轉換現(xian)象(xiang)。

 a. 超聲縱波斜入射(she)

當超聲縱波斜入射(she)(she)到兩種介(jie)質界面時，反射(she)(she)波和折射(she)(she)波的傳播方向符合反射(she)(she)定(ding)律、折射(she)(she)定(ding)律，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. 超聲(sheng)橫波斜入射

當橫(heng)波(bo)以(yi)一定角度(du)入射到(dao)兩種(zhong)固體界面時，也會出(chu)現波(bo)形的(de)轉換(huan)，如圖2.12所示。

同樣地，橫波斜入(ru)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。