超聲波垂直入射到界面的反射和折射專家講座

2.6超聲波垂直入射到界面時反射和透射超聲波從一個介質(zhì)傳輸?shù)搅硪粋€介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)內(nèi)，稱反射波；另一部分能量透過界面在另一個介質(zhì)內(nèi)傳輸，稱透射波。在界面上聲能（聲壓、聲強(qiáng)）分配和傳輸方向改變都將遵照一定規(guī)律。超聲波垂直入射到界面的反射和折射專家講座第1頁2.6.1單一平界面反射率與透射率

當(dāng)超聲波垂直入射到光滑平界面時，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同透射波。設(shè)入射波聲壓為P0（聲強(qiáng)為I0）、反射波電壓為Pr（聲強(qiáng)為Ir）、透射波聲壓為Pt（聲強(qiáng)為It）。界面上反射波聲壓P與入射波聲壓P0之比稱為界面聲壓反射率，用r表示，即r=Pr/P0。界面上透射波聲壓Pt與入射波聲壓P0之比稱為界面聲壓透射率，用t表示，即t=Pt/P0。

超聲波垂直入射到界面的反射和折射專家講座第2頁2.6.1單一平界面反射率與透射率在界面兩側(cè)聲波，必須符合以下兩個條件：（1）界面兩側(cè)總聲壓相等，即p0+pr=pt。（相位關(guān)系，力平衡）（2）界面兩側(cè)質(zhì)點振動速度幅值相等，即（p0-pr）/Z1=pt/Z2（能量平衡）由上述兩邊界條件和聲壓反射率、透射率定義得：解上述聯(lián)立方程得聲壓反射率r和透射率t分別為：超聲波垂直入射到界面的反射和折射專家講座第3頁2.6.1單一平界面反射率與透射率界面上反射波聲強(qiáng)Ir與入射波聲強(qiáng)I0之比稱為聲強(qiáng)反射率，用R表示。

界面上透射波聲強(qiáng)It與入射波聲強(qiáng)I0之比稱為聲強(qiáng)透射率，用T表示。超聲波垂直入射到平界面上時，聲壓或聲強(qiáng)分配百分比僅與界面兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗相關(guān)。由以上幾式能夠?qū)С觯篢+R=1t-r=1超聲波垂直入射到界面的反射和折射專家講座第4頁2.6.1單一平界面反射率與透射率討論：當(dāng)Z2>Z1時，如水/鋼當(dāng)Z1>Z2時，如鋼/水當(dāng)Z1>>Z2時，（如鋼/空氣界面）

當(dāng)Z1≈Z2時，如普通碳鋼焊縫母材與填充金屬之間超聲波垂直入射到界面的反射和折射專家講座第5頁2.6.1單一平界面反射率與透射率以上討論為超聲波縱波垂直到單一平界面上聲壓、聲強(qiáng)反射率和透射率一樣適合用于橫波入射情況，但必須注意是在固體/液體或固體/氣體界面上，橫波全反射。因為橫波不能在液體和氣體中傳輸。超聲波垂直入射到界面的反射和折射專家講座第6頁2.6.2薄層界面反射率與透射率超聲檢測時，經(jīng)常碰到耦合層和缺點薄層等問題，這些都可歸結(jié)為超聲波在薄層界面反射和透射問題。此時，超聲波是由聲阻抗為Z1第一介質(zhì)入射到Z1和Z2界面，然后經(jīng)過聲阻抗為Z2第二介質(zhì)薄層射到Z2和Z3界面，最終進(jìn)入聲阻抗為Z3第三介質(zhì)。超聲波經(jīng)過一定厚度異質(zhì)薄層時，反射和透射情況與單一平界面不一樣。異質(zhì)薄層很薄，進(jìn)入薄層內(nèi)超聲波會在薄層兩側(cè)界面引發(fā)屢次反射和透射，形成一系列反射波和透射波

薄層界面反射透射示意圖超聲波垂直入射到界面的反射和折射專家講座第7頁2.6.2薄層界面反射率與透射率超聲波經(jīng)過異質(zhì)薄層時聲壓反射率和透射率不但與介質(zhì)聲阻抗和薄層聲阻抗相關(guān)，而且與薄層厚度同其波長之比d2/λ2相關(guān)1.均勻介質(zhì)中異質(zhì)薄層（Z1=Z3≠Z2）（1）當(dāng)（n為整數(shù)）時，。這說明當(dāng)薄層兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗相等，薄層厚度為其半波長整數(shù)倍時，超聲波全透射，幾乎無反射，好象不存在異質(zhì)薄層一樣。這種透聲層常稱為半波透聲層。（2）（n為整數(shù)）時，即異質(zhì)薄層厚度等于其四分之一波長奇數(shù)倍時，聲壓透射率最低，聲壓反射率最高。圖2－37與圖2－38

超聲波垂直入射到界面的反射和折射專家講座第8頁2.6.2薄層界面反射率與透射率2．薄層兩側(cè)介質(zhì)不一樣雙界面（1）當(dāng)（n為整數(shù)）時，。這說明超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不一樣薄層時，若薄層厚度等于半波長整數(shù)倍，則經(jīng)過薄層聲強(qiáng)透射率與薄層性質(zhì)無關(guān)，好象不存在薄層一樣（2）（n為整數(shù)）時，且時，此時T＝1，即聲強(qiáng)透射率等于1，超聲波全透射。這對于直探頭保護(hù)膜設(shè)計含有主要指導(dǎo)意義。超聲波垂直入射到界面的反射和折射專家講座第9頁2.6.3聲壓往復(fù)透射率在超聲波單探頭檢測中，探頭兼作