聲波檢測(cè)技術(shù)：第一章 聲波檢測(cè)的基本理論（二）

1、聲波在介質(zhì)界面的反射和透射 聲波在無限大介質(zhì)中傳播只是在理論上成立。實(shí)際上任何介質(zhì)總有個(gè)邊界。當(dāng)聲波在傳播中從種介質(zhì)到達(dá)另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界而上， 部分聲波被反射，仍然回到原來介質(zhì)中，稱為反射波；另部分聲波則透過界面進(jìn)人另一種介質(zhì)中繼續(xù)傳播，稱為折射波(透射波)。聲波透過界面時(shí)，其方向、強(qiáng)度、波型均產(chǎn)生變化。這種變化取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗率和入射波的方向?，F(xiàn)分垂直入射和傾斜入射兩種情況來討論。單一的平面界面 單一的平面界面聲壓反射率 聲壓透射率 兩個(gè)邊界條件界面兩側(cè)面的聲波必須符合下列兩個(gè)邊界條件：一側(cè)的總聲壓等于另一側(cè)的總聲壓；兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的幅值應(yīng)相等。 兩個(gè)邊界條件討論（1）

2、若 ，則 。這時(shí)聲波全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)，為全透射。（2）若 ，則 。聲波在界面上幾乎全部反射投射極少，即聲波發(fā)生全反射。（3）若 ，則 。聲波也幾乎全部反射，且反射率為負(fù)，表示反射波與入射波反相（相位差180）。舉例現(xiàn)以混凝土/水界面為例來計(jì)算 和 。當(dāng)縱波從混凝土入射到混凝土/水界面時(shí)， ； ；于是： 用百分比表示，反射波聲壓為入射波聲壓的76%，負(fù)號(hào)表示反射波與入射波反相，即假如在某一時(shí)刻界面上入射波聲壓達(dá)到正的極大值，則反射波在同一時(shí)刻達(dá)到負(fù)的極大值；透射波聲壓為入射波聲壓的24%。 舉例若縱波從水入射到混凝土/水界面，則：即入射波與反射波同相，反射波聲壓為入射波聲壓的75%；

3、透射波聲壓為入射波聲壓的175%。結(jié)果如圖 舉例討論粗看，聲壓透射率超過100%似乎與能量守恒定律有矛盾。其實(shí)不然，根據(jù)聲強(qiáng)公式可知，能量（聲強(qiáng)）不僅與聲壓有關(guān)，而且與介質(zhì)的聲阻抗率有關(guān)。由于混凝土的聲阻抗率遠(yuǎn)大于水的聲阻抗率，所以盡管透射波有較高聲壓，但透射波的聲強(qiáng)仍然比入射波的聲強(qiáng)小的多。 下面我們?cè)購(gòu)哪芰浚晱?qiáng)）的角度，推導(dǎo)聲強(qiáng)的反射系數(shù) 和透射系數(shù) 。 聲強(qiáng)系數(shù) 討論（1）當(dāng) 聲波能量全部透射。（2）當(dāng) 或 ， ，即當(dāng)兩種介質(zhì)聲阻抗相差懸殊時(shí)，聲波能量在界面絕大部分被反射，難于進(jìn)入第二種介質(zhì)。（3） ，能量守恒。 比較我們計(jì)算一下當(dāng)縱波從水入射到混凝土/水界面上時(shí)的聲強(qiáng)反射系數(shù)和透射系

4、數(shù)。所以，雖然聲壓透射為入射聲壓的175%，但透射到固體介質(zhì)中的聲能僅為42.4%。 異質(zhì)薄層的反射與透射 異質(zhì)薄層的反射與透射若以 表示兩種介質(zhì)的聲阻抗率之比，即：異質(zhì)薄層的反射與透射混凝土裂隙透射率 混凝土裂隙反射率 討論從圖中可以看出：（1）裂隙越細(xì)，透射率越大，反射率越?。唬?）裂隙充滿空氣時(shí)的透射率比充滿水時(shí)小得多；（3）聲波頻率越高，反射率越大。為了發(fā)現(xiàn)混凝土中細(xì)微的裂隙需提高反射率，這就希望以較高頻率的超聲波進(jìn)行檢測(cè)。 傾斜入射情況 流體界面上 傾斜入射情況固體界面上 傾斜入射情況第一臨界角 第二臨界角 聲波在傳播過程中的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播過程中其振幅將隨傳播距離的增大而逐漸

5、減小，這種現(xiàn)象稱為衰減。在以上關(guān)于聲波傳播的討論中，為使問題簡(jiǎn)化，假定聲波是在無吸收的均勻介質(zhì)中傳播，也就是說聲波在傳播過程中無衰減。事實(shí)上，聲波在任何介質(zhì)中傳播都有衰減存在。聲波衰減的大小及其變化不僅取決于所使用的聲波頻率及傳播距離，也取決于材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能。因此，研究聲波在介質(zhì)中的衰減情況將有助于探測(cè)介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能。 衰減系數(shù) 實(shí)際檢測(cè)中，衰減系數(shù)通常是以示波屏上接收波的振幅值來度量計(jì)算的。這是因?yàn)槭静ㄆ辽系牟ㄐ握穹c接收換能器處介質(zhì)的聲壓及振動(dòng)位移值是相對(duì)應(yīng)的。在聲波儀上的衰減器已按分貝(dB)數(shù)分擋刻度，可直接使用。 固體材料中聲波衰減產(chǎn)生的原因 1吸收衰減聲波在固體介質(zhì)中傳

6、播時(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。介質(zhì)的這種衰減稱為吸收哀減，以吸收衰減系數(shù) 來表征。吸收衰減系數(shù)的大小與頻率有關(guān)，頻率越高，吸收系數(shù)越大。 2散射衰減 當(dāng)介質(zhì)中存在顆粒狀結(jié)構(gòu)(如液體中的懸浮粒子、氣泡，固體介質(zhì)中的顆粒狀結(jié)構(gòu)、缺陷、摻雜物等)而導(dǎo)致的聲波的衰減稱散射衰減，以散射衰減系數(shù) 來表征。對(duì)于混凝土來說，一方面是因?yàn)槠渲写蟮念w粒(粗骨料)構(gòu)成許多聲學(xué)界面，使聲波在這些界面上產(chǎn)生多次反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，另一方面是微小顆粒對(duì)聲波的散射。同時(shí)，這些微

7、小顆粒在相應(yīng)頻率的超聲波作用下產(chǎn)生共振現(xiàn)象，其本身成為新的振源，向四周發(fā)射聲波，使聲波能量的擴(kuò)散達(dá)到最大。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量和性質(zhì)有關(guān)，其過程是很復(fù)雜的。通常認(rèn)為，當(dāng)顆粒的尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，散射衰減系數(shù)與頻率的四次方成正比；當(dāng)顆粒尺寸與波長(zhǎng)相近時(shí)，散射衰減系數(shù)與頻率平方成正比。 吸收衰減與散射衰減都取決于介質(zhì)本身的性質(zhì)。若令因介質(zhì)本身引起的衰減系數(shù)為 ，它由二部分組成：吸收衰減與散射衰減，即 。一般來說，對(duì)于固體介質(zhì)，總的衰減系數(shù)與頻率的關(guān)系通?？杀硎緸椋?（1-22）式中 是由介質(zhì)性質(zhì)和散射物特性所決定的比例系數(shù)。 3擴(kuò)散衰減通常的聲波幅射器(發(fā)射換能器)發(fā)出的聲波波束都有一定的擴(kuò)散角。因波束的擴(kuò)散，聲波能量逐漸分散，從而使單位面積的能量隨傳播距離的增加而減弱。聲波的聲壓和聲強(qiáng)均隨距聲源距離的增加而減弱。在巖體和混凝土聲波檢測(cè)中所采用的低頻聲波，其擴(kuò)散角很大。當(dāng)聲波傳播一定距離后，在混凝土中的聲波已近于球面波。遠(yuǎn)離聲源的球面波的聲壓與至聲源的距離 成反比，即 愈大，聲壓愈小。這種因聲波的擴(kuò)散而引起的衰減稱擴(kuò)散衰減。 3擴(kuò)散衰減擴(kuò)散衰減的大