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声波如何对界面产生反应?



声音传播的限制存在于两种具有不同弹性性能的介质的相接之处。 如果带有平面波波前的声波撞击到两个无限介质之间的界面上,一部分会以平面波的形式反射,一部分会穿过界面(图 28)。 反射波声压 pr 与入射波声压 pe 之比就是反射系数 R:

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Equation (23)

通过波 pd 与入射波 pe 之比就是透射传输系数 D

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Equation (24)

对 R 和 D 的幅值起决定作用的是两种介质的声阻抗 Z, = p, c, 和 Z, = p2c2(方程式 (25) 和 (26))。

(调查情况见表 1)。

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Equation (25)
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Equation (26)

方程式 (25) 和 (26) 之间的关系式是 (27)

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Equation (27)

通过界面的声压与反射声压振幅之和绝不会等于 1,即它们的和不等于入射波的声压。 这种关系式只适用于能量。

如果将界面的排列顺序颠倒(采用回波法时必须如此),就会得到 (25'):

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Equation (25)

反射振幅的大小保持不变,只是相位发生了颠倒。

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Equation (26´)

由于兰德系数 D 或 R' 和 D' 表示比率,因此也可以用 dB 值来表示。 这应该通过声波从钢传播入水的例子来表示:

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Equation (28)
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Equation (28)

此例中,反射振幅的幅值仅比入射振幅低 0.6 dB(几乎是理想的反射)。

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Equation (30)

经过钢传入水中的声波的声压比入射波的声压低约 24 dB。 如果声波以一定的角度撞击界面,那么反射波和穿过界面的声波的计算就会更为复杂。 但是还必须考虑倾斜撞击的另一个重要影响:根据斯涅耳折射定律(图 29),通过界面时的折射会改变声波的传播方向

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Equation (31)

在固体中,当声波在界面上发生折射时,也会出现波型转换。 图 29 中的入射纵波会在介质 2 中产生折射纵波和折射横波。 此处适用折射定律 (32):

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Equation (32)

如果 sin ß long = 1,则极限角为(图 30)方程式 (33)

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Equation (33)

当折射角 a> a 时,介质 2 中不会再有纵波,而仅有横波。 如果 sin f trans = 1,则会有第二个极限角 a"(图 31)方程式 (34)。

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Equation (34)

当折射角大于 a" 时,介质 2 中既不存在纵波,也不存在横波,而只有表面波,且只存在于界面处。 利用折射定律只能计算折射波的传播方向,但无法计算其振幅的大小。 除此之外,折射定律并不能解释横波在经过反射或折射后始终保持线性极化的情况。 在检测实践中存在着一个更复杂的问题,即不存在无限制的平面波波前:声束是有限的,声波波前也并非平面。 尽管如此,界面反射仍是材料超声波检测中最重要的现象。 使用斜探头(图 11)时,可采用一个大于 a' 的折射角度,以仅在材料中产生一个线性极化横波。 可以利用反射波在极限角附近的表现来评估材料的弹性性能(临界角反射率)。

 

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Fig. 28
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Fig. 29
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Fig. 30
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Fig. 31