1.6.1 超聲波在單一的平面界面的反射和透射

1.反射、透射規(guī)律的聲壓、聲強表示法

當(dāng)超聲平面波垂直入射于兩種聲阻抗不同的介質(zhì)的大平界面上時，反射波以與入射波方向相反的路徑返回，且有部分超聲波透過界面射入第二介質(zhì)，如圖1-22所示。平面界面上入射聲強為I₀，聲壓為P₀；反射聲強為I_r，聲壓為P_r；透射聲強為I_t，聲壓為P_t。若聲束入射一側(cè)介質(zhì)的聲阻抗為Z₁，透射一側(cè)介質(zhì)聲阻抗為Z₂，根據(jù)界面上聲壓連續(xù)和振速連續(xù)的原則，并令m=Z₁/Z₂（稱聲阻抗比），就可得到：

聲壓反射系數(shù)

聲壓透射系數(shù)

若把聲壓看作是單位面積上受的力，那么作用于同一平面的力應(yīng)符合力的平衡原理，因此，聲壓變化就可寫作P₀+P_r=P_t，等式兩邊除以P₀，得

即：

若把I_r/I₀和I_t/I₀分別定義為聲強反射率（R）和聲強透射率（D），就可得到：

聲強反射率

聲強透射率

聲強是一種單位能量，作用于同一界面的聲強，應(yīng)滿足能量守恒定律，所以聲強變化可寫作I₀=I_r+I_t，等式兩邊除以I₀，得到

從式（1-22）和式（1-25）可知

從式（1-27）和式（1-28）可知

2.聲壓往復(fù)透過率

實際檢測中的探頭常兼作發(fā)射和接收聲波用，并認為透射至工件底面的聲壓在鋼/空氣界面上被完全反射后，再次透過界面后被探頭所接收（見圖1-23），因此，探頭接收到的返回聲壓與入射聲壓之比，即為聲壓往復(fù)透過率T_P。

因為

所以

比較式（1-29）和式（1-30）可以看出，聲壓往復(fù)透過率和聲強透射率在數(shù)值上相等。

常用物質(zhì)界面縱波聲壓往復(fù)透射率見表1-3。

3.介質(zhì)對反射、透射的影響

超聲波垂直入射于兩種不同聲阻抗介質(zhì)的平面界面，可以有以下四種常見的反射和透射情況。

（1）Z₂＞Z₁ 若超聲波從水入射到鋼中，此時：Z_1（水）=1.5×10⁶kg/m²·s，Z_2（鋼）=46×10⁶kg/m²·s。水/鋼界面上聲壓反射系數(shù)為

聲壓透射系數(shù)為

圖1-24所示為從水入射到鋼時，界面兩邊的聲壓分布情況。由圖可知，入射聲波自聲阻抗小的介質(zhì)入射至聲阻抗大的介質(zhì)，其反射聲壓略低于入射聲壓；透射聲壓高于入射聲壓，并等于入射聲壓與反射聲壓之和。這是由于聲壓與介質(zhì)聲阻抗成正比的緣故，但透射波的聲強不可能大于入射聲強，即，表示100%的入射聲強中只有12%的聲強變?yōu)榈诙橘|(zhì)（鋼）中的透射波聲強。故鋼材水浸超聲波檢測應(yīng)適當(dāng)提高探測靈敏度以彌補鋼中透射聲強的減小。

（2）Z₂＜Z₁ 若超聲波從鋼入射到水中（即鋼材水浸檢測時工件底面的鋼/水界面），此時若Z_1（鋼）=46×10⁶kg/m²·s，Z_2（水）=1.5×10⁶kg/m²·s。

鋼/水界面上聲壓反射系數(shù)為

式中，負號表示入射聲波與反射聲波的相位差180°。

聲壓透射系數(shù)為：

圖1-25表示從鋼入射到水時界面雙邊的聲壓分布情況。由圖可知，入射波自聲阻抗大的介質(zhì)入射至聲阻抗小的介質(zhì)，其反射聲壓絕對值小于入射聲壓，而兩者相位正好相反（γ_P得負值），且透射聲壓也因兩者相位相反，互相抵消而數(shù)值極小，但透射到第二介質(zhì)（水）中的聲強，與上述情況相同。

（3）Z₁?Z₂ 超聲波從固體入射到空氣中，如鋼工件底面，或如探頭直接置于空氣中均屬具有固體/空氣界面情況。此時若Z_1（鋼）=46×10⁶kg/m²·s，Z_{2（空氣）}=0.0004×10⁶kg/m²·s，鋼/空氣界面上的聲壓反射系數(shù)為

聲壓透射系數(shù)為

這也說明超聲波探頭若與工件硬性接觸而無液體耦合劑，若工件表面毛糙，則相當(dāng)于探頭直接置于空氣，超聲波在晶片/空氣界面上將產(chǎn)生100%的反射，而無法透射進入工件。

（4）Z₁≈Z₂ 超聲波入射至兩種聲阻抗接近的介質(zhì)界面上時就是這種情況，如普通碳鋼焊縫金屬與母材金屬兩者聲阻抗通常僅差1%（即Z₂=（1+0.01）Z₁），此時，界面上的聲壓反射系數(shù)為

聲壓透射系數(shù)為

τ_P=1+γ_P=1+0.5%≈1

這表明在聲阻抗接近的異質(zhì)界面上反射聲壓極小，基本上可以忽略，而透射聲壓與入射聲壓基本相同，透射聲強，聲能也幾乎全部透射到第二介質(zhì)。