超聲波在不同介質(zhì)界面處的反射、折射和透射情況是進(jìn)行超聲探傷的重要物理基礎(chǔ)。聲波能量經(jīng)界面時的聲壓聲強(qiáng)變化主要取決于兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗。
1. 超聲波垂直人射到兩種介質(zhì)界面處的反射透射情況
當(dāng)超聲波垂直入射于兩種不同聲阻抗介質(zhì)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(jìn)入第二種介質(zhì)。假設(shè)超聲波所處介質(zhì)聲阻抗為Z1,人射聲強(qiáng)為I0,入射聲壓為P0,反射聲強(qiáng)為Ir,反射聲壓為Pr;另一種介質(zhì)聲阻抗為Z2,透射聲強(qiáng)為It,透射聲壓為Pt.令聲阻抗比m=Z1/Z2,可得:
聲壓視為平面上單位面積所受的力,那么平面兩側(cè)的力應(yīng)當(dāng)平衡,故聲壓變化有P0+Pr=Pt.結(jié)合聲壓反射、透射系數(shù),有
類似地,聲強(qiáng)在界面兩側(cè)應(yīng)滿足能量守恒定律,所以有Io=Ir+It,如果把聲強(qiáng)反射率(R)定義為Ir/I0,聲強(qiáng)透射率(D)定義為It/I0,則有:
實(shí)際檢測中,常用到自發(fā)自收探頭,例如對鋼板進(jìn)行檢測時,認(rèn)為聲波垂直入射進(jìn)人鋼板內(nèi)部,透射波到達(dá)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(fù)透過率,常用符號Tp表示。
所以
對比聲強(qiáng)透射率D和聲壓往復(fù)透過率Tp,可知兩者在數(shù)值上相等。
超聲波垂直入射于不同聲阻抗介質(zhì)的界面,有以下四種反射和透射情況。
a. Z1<Z2
若聲波從水中入射到鋼中,水的聲阻抗為Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼的聲阻抗為Z2=46×106kg/(㎡·s),水/鋼界面上的
圖2.9表示從水入射到鋼時,聲壓在兩側(cè)的分布。當(dāng)聲波從聲阻抗小的介質(zhì)人射到聲阻抗大的介質(zhì)時,反射聲壓較入射聲壓略低,而透射聲壓高于入射聲壓,且等于兩者之和。由聲強(qiáng)透射率D的大小可知入射聲強(qiáng)中只有12.24%的能量進(jìn)入鋼中。
b. Z1>Z2
若聲波從鋼入射到水中,此時界面的聲壓反射系數(shù)
圖2.10表示從鋼入射到水時,兩側(cè)的聲壓分布。當(dāng)聲波從聲阻抗較大的介質(zhì)入射到較小的介質(zhì)時,反射聲壓較入射聲壓略低;而透射聲壓因入射聲壓與反射聲壓相位相反,其數(shù)值也較小。計算得知入射聲強(qiáng)中同樣有12.24%的能量進(jìn)入水中。
c. Z1 > Z2
當(dāng)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(shù)
此時,聲波在界面處幾乎全部被反射,無法透射到空氣中,因此,當(dāng)超聲波探頭與粗糙待測件表面接觸,如果不加耦合劑,就相當(dāng)于探頭與待測件表面間有一層空氣,導(dǎo)致聲波能量無法透射到待測件中,無法進(jìn)行探傷。
d. Z1≈Z2
當(dāng)聲波從兩種聲阻抗相近的介質(zhì)界面經(jīng)過時,例如普通碳鋼焊縫金屬與母材金屬之間,聲阻抗相差僅1%,此時,界面的聲壓反射系數(shù)
此時,在界面處反射聲壓極小,而透射聲壓幾乎與入射聲壓相同;聲波能量幾乎全部透射到第二種介質(zhì)中。
2. 超聲波斜入射到兩種介質(zhì)界面處的反射折射情況
當(dāng)超聲波以一定角度斜入射到兩種介質(zhì)界面時,會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象,且遵循反射和折射定律。一定條件下,還會發(fā)生波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。
a. 超聲縱波斜入射
當(dāng)超聲縱波斜入射到兩種介質(zhì)界面時,反射波和折射波的傳播方向符合反射定律、折射定律,如圖2.11所示,即
由式(2.4)可知,在同一介質(zhì)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αL=γL,同時,同一介質(zhì)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γL>γs,βL>βs.
當(dāng)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(dāng)αL>αI時,第二介質(zhì)中既有折射縱波L,又有折射橫波S.
當(dāng)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(dāng)αI<αL<aII時,第二介質(zhì)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. 超聲橫波斜入射
當(dāng)橫波以一定角度入射到兩種固體界面時,也會出現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換,如圖2.12所示。
同樣地,橫波斜入射也符合反射、折射定律:
橫波斜入射時,隨著αs增加,yL=90°時,所對應(yīng)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(chǎn)生橫波全反射現(xiàn)象。