1.7.3 斜入射時反射系數、折射系數和往復透射率

超聲波斜入射時，運用反射定律和折射定律可以確定遇到界面后反射和折射超聲波束的傳播方向，但不能確定入射波和反射波、折射波之間的聲壓關系。實際上，斜入射波尤其是在產生波形轉換的情況下，反射波及折射波的聲壓變化不僅隨入射波形的不同而不同，而且還與入射角的大小和界面兩側介質性質有關。由于理論計算十分復雜，因此實際應用中常以相應的曲線進行分析。下面僅以幾種常用情況加以討論。

1.縱波從水斜入射至固體

當縱波從水斜入射至固體（如鋼或鋁）時，隨著縱波入射角的變化，反射聲壓和折射聲壓亦隨之變化，圖1-38所示為入射縱波在水/鋁界面上的反射和折射。從圖中可見，當縱波在水中的入射角小于13.56°時，縱波在鋁中的折射角和聲壓隨水中縱波入射角的增大而很快增大，鋁中折射橫波比較弱，水中反射縱波聲壓為入射聲壓的80%左右。當入射角達到13.56°（水/鋁縱波臨界角）后，鋁中縱波不存在，只有橫波，相應的橫波折射角β_S在30°以上，并且隨入射角的增大，折射橫波聲壓隨之增加。當α_L≥29.2°以后，橫波全反射，鋁中不再存在折射波，水中縱波反射聲壓系數為100%，從圖中還可以看出，在α_L=13.56°時，鋁中橫波聲壓幾乎為零，而反射聲壓（縱波）為100%，透射的縱波聲壓亦為100%，在α_L＞13.56°，特別是＞15°～29.2°之間，鋁中折射橫波聲壓較大，這就是對于水浸橫波檢測鋁時，選用的縱波入射角必須在13.56°～29.2°之間的原因。

2.縱波從有機玻璃斜入射至固體

目前，各種斜探頭大多以有機玻璃作為透聲楔，晶片產生的縱波通過有機玻璃入射到有機玻璃/固體界面（耦合層），并在耦合層與固體之間接合面上波形轉換后，在固體中得到所需要的波形（橫波、表面波及板波）。由于耦合層極薄，運用反射定律、折射定律計算反射角、折射角和分析界面上聲壓反射系數、透射系數、往復透過率時，可忽略耦合層的影響，只以界面兩側的有機玻璃和固體的聲學性質為計算和分析的依據。

縱波斜入射在有機玻璃/鋼界面的情況如圖1-39所示，從圖中可見，有兩個臨界角，即第一臨界角27.6°和第二臨界角57.8°，只有當入射角在27.6°～57.8°之間時，鋼中才能得到純的橫波折射。隨著入射角的增大，橫波折射角隨之增大，折射橫波聲壓平緩地增加，而往復透射率卻隨折射角增大而下降。

超聲檢測中，常常采用反射法，超聲波往復透過同一檢測面，因此聲壓往復透過率更具有實際意義。

圖1-39即為有機玻璃/鋼界面的情況，圖中斜入波的往復透過率T_P可由下式計算，即

式中 P——入射聲壓；

P_t——透射聲壓，即經固體/空氣界面100%反射后變為第二介質向第一介質入射的聲壓；

τ_P2——第一介質波向第二介質內透射的聲壓透射率；

τ_P1——第二介質返回聲波向第一介質內透射的聲壓透射率。

從圖中可看出：

1）有機玻璃與固體工件之間采用耦合劑液態接觸比固體接觸的橫波聲壓往復透過率高得多。

2）聲壓往復透過率隨入射角α_L或折射角β_S的不同而有所變化。有機玻璃/鋼界面聲壓往復透過率一般不超過30%，有機玻璃/鋁界面聲壓透過率高于前者，但最高不超過65%。

3.固體/空氣界面上的聲壓反射系數

實際工件底面往往就是固體/空氣界面，研究固體/空氣界面上的聲壓反射系數對分析工件底面返回聲壓有實用意義。圖1-40和圖1-41為入射波在固體/空氣界面聲壓反射系數γ_P與入射角α_L的關系曲線。

從圖1-40中可以看出：

縱波入射角α_L=20°～70°（對應的橫波反射角α_S=10°～30°）時，反射橫波的聲壓反射系數γ_LS較大，γ_LS＞40%，最高可達60%，此時的橫波反射聲壓很強。

縱波入射角α_L=60°～70°時，反射縱波的聲壓反射系數γ_LL最小，此時γ_LL一般不大于20%，縱波反射聲壓很弱。

從圖1-41中可以看出：

在鋼/空氣界面，當鋼中橫波入射角為30°左右時，反射橫波的聲壓反射系數γ_SS最低，其值小于15%。入射角繼續增大，橫波反射聲壓就激增，直到33.2°時橫波聲壓反射系數γ_SS=100%，此時縱波反射角α_L=90°，鋼中只有橫波而無反射縱波，α_Ⅲ=33.2°為第三臨界角，鋁/空氣界面的。

當橫波斜入射于固體/液體界面（如鋼/水、鋁/水）時，由于一部分聲能在液體中折射為縱波傳播，故其橫波聲壓反射系數比固體/空氣界面小，如圖1-41中虛線所示，這種差異在小于第三臨界角時并不明顯。大于第三臨界角的橫波聲壓反射系數γ_SS，對于鋼/水來說只有10%左右的差值，對于鋁/水來說就有20%左右的差值。