香蕉視頻app連接: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)波垂直人(ren)射到兩種介質界(jie)面處的反射透射情況


 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Ir,反射聲壓為Pr;另一種介質聲阻抗為Z2,透射聲強為It,透射聲壓為Pt.令聲阻抗比m=Z1/Z2,可得:

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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+Pr=Pt.結合聲壓反射、透射系數,有


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類似地,聲強在界面兩側應滿足能量守恒定律,所以有Io=Ir+It,如果把聲強反射率(R)定義為Ir/I0,聲強透射率(D)定義為It/I0,則有:


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 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Tp表示。


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所(suo)以(yi)


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對比聲強透射率D和聲壓往復透過率Tp,可知兩者在數值上相等。


超聲波垂直入射(she)于(yu)不同聲阻抗介質的界面,有以下四種反射(she)和(he)透射(she)情況。


a.  Z1<Z2


 若聲(sheng)波(bo)從水(shui)中入射到鋼(gang)中,水(shui)的聲(sheng)阻(zu)抗為Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼(gang)的聲(sheng)阻(zu)抗為Z2=46×106kg/(㎡·s),水(shui)/鋼(gang)界(jie)面上的


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 圖2.9表(biao)示從水入(ru)(ru)射(she)(she)到鋼(gang)時,聲(sheng)(sheng)壓在兩側的(de)分布。當聲(sheng)(sheng)波從聲(sheng)(sheng)阻(zu)抗(kang)小的(de)介(jie)質人射(she)(she)到聲(sheng)(sheng)阻(zu)抗(kang)大的(de)介(jie)質時,反(fan)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓較入(ru)(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓略低,而透射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓高于(yu)入(ru)(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)壓,且等于(yu)兩者之和。由聲(sheng)(sheng)強(qiang)透射(she)(she)率D的(de)大小可(ke)知(zhi)入(ru)(ru)射(she)(she)聲(sheng)(sheng)強(qiang)中(zhong)只(zhi)有12.24%的(de)能量進入(ru)(ru)鋼(gang)中(zhong)。


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b. Z1>Z2


若聲(sheng)波(bo)從鋼入射(she)到水中,此時界面(mian)的聲(sheng)壓反射(she)系數


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圖2.10表示從(cong)鋼入(ru)射(she)(she)到水(shui)時,兩(liang)側的(de)聲(sheng)壓分布。當聲(sheng)波從(cong)聲(sheng)阻抗較大的(de)介質入(ru)射(she)(she)到較小的(de)介質時,反(fan)射(she)(she)聲(sheng)壓較入(ru)射(she)(she)聲(sheng)壓略低;而透射(she)(she)聲(sheng)壓因入(ru)射(she)(she)聲(sheng)壓與反(fan)射(she)(she)聲(sheng)壓相位(wei)相反(fan),其數值也(ye)較小。計算得知(zhi)入(ru)射(she)(she)聲(sheng)強中(zhong)同(tong)樣有12.24%的(de)能量進(jin)入(ru)水(shui)中(zhong)。


圖 10.jpg


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


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 此時,聲(sheng)波(bo)在界面處幾乎全部(bu)被反射,無法透射到(dao)空氣中(zhong),因此,當(dang)超(chao)聲(sheng)波(bo)探(tan)頭與粗糙(cao)待(dai)測件(jian)表(biao)面接觸,如(ru)果不(bu)加(jia)耦(ou)合(he)劑,就相當(dang)于探(tan)頭與待(dai)測件(jian)表(biao)面間有一層空氣,導致聲(sheng)波(bo)能量無法透射到(dao)待(dai)測件(jian)中(zhong),無法進行探(tan)傷。


d. Z1≈Z2


 當聲(sheng)波從兩(liang)種(zhong)聲(sheng)阻抗相近(jin)的介質(zhi)界面經過時,例如普通碳(tan)鋼焊縫(feng)金屬(shu)與母(mu)材金屬(shu)之間(jian),聲(sheng)阻抗相差僅1%,此時,界面的聲(sheng)壓反(fan)射系數


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此時,在(zai)界面(mian)處反射聲(sheng)壓極小,而透射聲(sheng)壓幾(ji)乎與(yu)入射聲(sheng)壓相同(tong);聲(sheng)波能量幾(ji)乎全部透射到第二種介(jie)質中。



2. 超聲波(bo)斜入射(she)(she)(she)到兩(liang)種介(jie)質界面(mian)處的反(fan)射(she)(she)(she)折射(she)(she)(she)情況


當超聲波以一定(ding)角(jiao)度斜入射(she)(she)到(dao)兩種介質界(jie)面時,會(hui)發生反射(she)(she)和折(zhe)射(she)(she)現象(xiang),且遵循反射(she)(she)和折(zhe)射(she)(she)定(ding)律。一定(ding)條件下,還會(hui)發生波型轉換現象(xiang)。


 a. 超聲縱波斜入射(she)


當超聲(sheng)縱波斜入(ru)射(she)到兩(liang)種(zhong)介質界面(mian)時,反射(she)波和折(zhe)射(she)波的(de)傳(chuan)播方向(xiang)符合反射(she)定律(lv)、折(zhe)射(she)定律(lv),如圖2.11所示(shi),即


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圖 11.jpg


 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αLL,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γLsLs.


當αL增加時,βL也增加,增加到一定程度時,βL=90°,這時所得縱波入射角稱為第一臨界角,常用aI表示。當αLI時,第二介質中既有折射縱波L,又有折射橫波S.


當αL增加時,βs也增加,增加到一定程度時,βs=90°,這時所得縱波入射角稱為第二臨界角,常用aII表示。當αIL<aII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(heng)波斜入射


當橫波(bo)以一定角度(du)入射到兩種固(gu)體界面時,也(ye)會出現波(bo)形(xing)的轉換,如(ru)圖(tu)2.12所(suo)示(shi)。


圖 12.jpg


同樣地,橫波斜(xie)入射也符合反(fan)射、折射定律:


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橫波斜入射時,隨著αs增加,yL=90°時,所對應的橫波人射角αs為第三臨界角,常用αIII表示,橫波入射角大于第三臨界角時,產生橫波全反射現象。