2.6-超声波垂直入射到界面的反射和折射

1、 当超声波垂直入射到光滑平界面时，将在第一介 质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第 二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。 设入射波的声压为P0（声强为I0）、反射波的电 压为Pr（声强为Ir）、透射波的声压为Pt（声强为 It）。 界面上反射波声压P与入射波声压P0之比称为 界面的声压反射率，用r表示，即r=Pr/P0。 界面上透射波声压Pt与入射波声压P0之比称为 界面的声压透射率，用t表示，即t=Pt/P0。 12 1 (1)/ rt rZt Z 在界面两侧的声波，必须符合下列两个条件：在界面两侧的声波，必须符合下列两个条件： （1）界面两侧的总声压相等，即）界面两侧的总声压相

2、等，即p0+pr=pt。（相位关系，。（相位关系， 力平衡）力平衡） （2）界面两侧质点振动速度幅值相等，即（）界面两侧质点振动速度幅值相等，即（p0-pr） /Z1=pt/Z2（能量平衡）（能量平衡） 由上述两边界条件和声压反射率、透射率定义得： 解上述联立方程得声压反射率声压反射率r和透射率和透射率t分别为： 12 1 (1) / rt rZt Z 21 021 2 021 2 r t pZZ r pZZ pZ t pZZ 界面上反射波声强Ir与入射波声强I0之比称为声强反射率， 用R表示。 界面上透射波声强It与入射波声强I0之比称为声强透射率， 用T表示。 超声波垂直入射到平界面上时，

3、声压或声强的分配比例仅 与界面两侧介质的声阻抗有关。由以上几式可以导出： T+R=1 t-r=1 2 2 2 2121 22 00021 1 2 2 r rr P IZPZZ Rr PIPZZ Z 2 2 12112 222 002021 1 24 () 2 t t P PIZZZ Z T PIZPZZ Z 讨论： 当Z2Z1时，如水/钢 当Z1Z2时，如钢/水 当Z1Z2时，（如钢/空气界面） 当Z1Z2时，如普通碳钢焊缝的母材与填充金属之间 21 021 2 021 22 12 22 21 4.50.15 0.935 4.50.15 224.5 1.935 4.50.15 0.9350.8

4、75 440.154.5 0.125 ()(4.50.15) r t PZZ r PZZ PZ t PZZ Rr Z Z T ZZ 21 21 2 21 22 0.154.5 0.935 0.154.5 220.15 0.065 0.154.5 0.9350.875 110.8750.125 ZZ r ZZ Z t ZZ Rr TR 21 021 2 012 22 0.000044.5 1 0.000044.5 220.00004 0 0.000044.5 ( 1)1 11 10 r t PZZ r PZZ PZ t PZZ Rr TR 21 021 2 021 225 0.991.00 0.

5、005 0.991.00 220.99 0.995 0.991.00 ( 0.005)2.5 100 10.9999751 r t PZZ r PZZ PZ t PZZ Rr TR 以上讨论为超声波纵波垂直到单一平界面上的声压、声强 反射率和透射率 同样适用于横波入射的情况，但必须注意的是在固体/液 体或固体/气体界面上，横波全反射。因为横波不能在液 体和气体中传播。 超声检测时，经常遇到耦合层和缺陷薄层等问题，这些都可归 结为超声波在薄层界面的反射和透射问题。此时，超声波是由 声阻抗为Z1的第一介质入射到Z1和Z2界面，然后通过声阻抗为 Z2的第二介质薄层射到Z2和Z3界面，最后进入声阻抗为

6、Z3的第 三介质。 超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与单一的 平界面不同。异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在薄层两 侧界面引起多次反射和透射，形成一系列的反射波和透射波 薄层界面反射透射示意图 超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质 声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波长之比 d2/2有关 1.均匀介质中的异质薄层（Z1=Z3Z2） （1）当 （n为整数）时， 。这说明当薄层 两侧介质声阻抗相等，薄层厚度为其半波长的整数倍时， 超声波全透射，几乎无反射，好象不存在异质薄层一样。 这种透声层常称为半波透声层。 （2） （n为整数）时，即异质薄层厚度等于其 四分

7、之一波长的奇数倍时，声压透射率最低，声压反射率 最高。 图237与图238 0,1rt 2 2 (21) 4 dn 2 2 2 nd 2薄层两侧介质不同的双界面 （1）当 （n为整数）时， 。这说明超 声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时，若薄层 厚度等于半波长的整数倍，则通过薄层的声强透射率与 薄层的性质无关，好象不存在薄层一样 （2） （n为整数）时，且 时，此 时T1，即声强透射率等于1，超声波全透射。 这对于 直探头保护膜的设计 具有重要的指导意义。 2 2 2 dn 123 ZZZ 13 2 13 4 () Z Z T ZZ 2 2 (21) 4 dn 213 ZZ Z 在超声波单探头检测中，探头兼作发射和接收超声波。探 头发出的超声波透过界面进入工件，在固/气底面产生全 反射后再次通过同一界面被探头接收 这时探头接收到的回波声压与入射波声压之比，称为声压 往复透射率T往 12 2 0021 4 () ata t PP PZ Z T PP PZZ 往 声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关，与从何种