1、超聲波垂直入射到界面時的反射和透射在進行超聲波檢測時，超聲波從一種介質傳播到另一種介質，在兩種介質的分界面上，一部分能量反射回原介質內，稱為反射波；另一部分能量透過界面在另一種介質內傳播，稱為透射波。我們需要掌握不同工況下，反射波和透射波在界面上聲能(聲壓、聲強)的分配和傳播方向的變化所遵循一定的規律。 我們先討論超聲波垂直入射到平界面上時的反射和透射情況，重點是聲能的分配比例。一、單一平界面的反射率與透射率 當超聲波垂直入射到光滑平界面時，將在第一介質中產生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質中產生一個與入射波方向相同的透射波，如圖所示。產生入射波和反射波的原理，本質上就是惠更斯涅菲耳原

2、理。圖1垂直入射到單一平界面反射波與透射波的聲壓(或聲強)是按一定規律分配的。這個分配比例由聲壓反射率(或聲強反射率)和透射率(或聲強透射率)來表示。 設入射波的聲壓為P0 (聲強為I0)，反射波的聲壓為Pr (聲強為Ir)透射波的聲壓為Pt(聲強為It)。 界面上反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0之比，稱為界面的聲壓反射率，用小寫符號r表示，即r=Pr/ P0 界面上透射波聲壓Pt與入射波聲壓P0之比，稱為界面的聲壓透射率，用小寫符號t表示，即t=Pt/ P02.在界面兩側的聲波，必須符合下列兩個條件: (1)界面兩側的總聲壓相等，即P0+ Pr = Pt（第一個條件本質說的是力的平衡，我們觀察

3、到的情況是，超聲波探頭放置在工件表面上，界面并沒有被摧毀損壞，這說明界面兩邊受力是大小相等方向相反的作用力。） (2)界面兩側質點振動速度幅值相等，即(P0- Pr)/Z1= Pt / Z2（第二個條件說的是界面上的質點振動速度恒定，本質上就是界面上質點產生振動并朝著不同介質傳播。）由這2個條件，得聲壓反射率r和透射率t的公式分別為:式中 Z1：第一種介質的聲阻抗; Z2：第二種介質的聲阻抗。界面上反射波聲強Ir與入射波聲強I0之比，稱為聲強反射率，用大寫符號R表示。界面上透射波聲強It與入射波聲強I0之比，稱為聲強透射率，用大寫符號T表示。 以上各式說明超聲波垂直入射到平界面上時，聲壓或聲強

4、的分配比例僅與界面兩側介質的聲阻抗有關。由以上幾個公式可以導出:下面討論幾種常見工況中的界面上聲壓、聲強反射和透射情況。(1)第一種工況，例如鋼板水浸法超聲檢測中，縱波垂直入射到水/鋼界面。此時Z2Z1，r=Pr/P0=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)0，反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0同相位。界面上反射波與入射波疊加類似駐波，合成聲壓振幅增大為P0+Pr 。Z1=0.15106 g/cm2s , Z2=4.5106 g/cm2s ，則:以上計算表明，超聲波垂直入射到水/鋼界面時，其聲壓反射率r=0.935，聲壓透射率t=1.935。粗略地看，t1，似乎違反能量守恒，其實不然，因為聲壓是力的概念，

5、而力只會平衡(P0+ Pr=Pt)，不會守恒，只有能量才會守恒。事實上，從聲強方面看，R+T=0.875+0.125=1，說明符合能量守恒。(2)第二種工況，超聲波垂直入射到工件中后，在工件的底面遇到鋼水界面，此時Z1Z2時，r=Pr/P0=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)0，即反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0相位相反，反射波與入射波合成聲壓振幅減小。Z1=4.5106 g/cm2s , Z2= 0.15106 g/cm2s，則:以上計算表明，超聲波垂直入射到鋼/水界面時，聲壓透射率很低，聲壓反射率很高。聲強反射率與透射率與超聲波垂直入射到水/鋼界面相同。由此可見，超聲波垂直入射到某界面時的聲強反

6、射率與透射率與從何種介質入射無關。(3)第三種工況，超聲波垂直入射到工件中后，在工件的底面遇到鋼空氣界面，此時Z1Z2，(如鋼/空氣界面，Z1=4.5106 g/cm2s ,Z2= 0.00004106 g/cm2s，則： 計算表明，當入射波介質聲阻抗遠大于透射波介質聲阻抗時，聲壓反射率趨于-1，透射率領趨于0，即聲壓幾乎全反射，無透射，只是反射波聲壓與入射波聲壓有180相位變化。檢測中，探頭和工件間如不施加耦合劑，則形成固(晶片)/氣界面，也屬于這種工況，超聲波將無法進入工件。(4)第四種情況，超聲波垂直入射到工件中，在工件中遇到材質有一定差異的界面，比如復合鋼板、堆焊層等此時Z1Z2，即界

7、面兩側介質的聲阻抗近似相等時，r=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)0。設Z1=1, Z2=0.99 ，則:這說明超聲波垂直入射到兩種聲阻抗相差很小的介質組成的界面時，幾乎全透射，無反射。因此在焊縫檢測中，若母材與填充金屬結合面沒有任何缺陷，是不會產生界面回波的。 以上討論的超聲波縱波垂直到單一平界面上的聲壓、聲強反射率和透射率公式同樣適用于橫波入射的情況，但必須注意的是在固體/液體或固體/氣體界面上，橫波全反射。因為橫波不能在液體和氣體中傳播。二、就是薄層界面的反射率與透射率問題 超聲檢測時，經常遇到耦合層和缺陷薄層等問題，這些都是超聲波在薄層界面的反射和透射問題。此時，超聲波是由聲阻抗為Z1的

8、第一介質入射到Z1和Z2界面，然后通過聲阻抗為Z2的第二介質薄層入射到Z2和Z3界面，最后進入聲阻抗為Z3的第三介質。超聲波通過一定厚度的異質薄層時，反射和透射情況與單一的平界面不同，異質薄層很薄，進入薄層內的超聲波會在薄層兩側界面引起多次反射和透射，形成一系列的反射波和透射波（如圖2a所示）。圖2 介質中薄層的反射與透射 當超聲波脈沖寬度相對于薄層較窄時，薄層兩側的各次反射波、透射波互不干涉，如圖2b所示。當脈沖寬度相對于薄層較寬時，薄層兩側的各次反射波、透射波就會互相疊加產生干涉，如圖2c所示。一般說來，超聲波通過異質薄層時的聲壓反射率和透射率不僅與介質聲阻抗和薄層聲阻抗有關，而且與薄層厚

9、度同其波長之比d2 /2有關。1.（第一種工況：工件中薄片狀缺陷）均勻介質中的異質薄層(Zl =Z3Z2)聲壓反射率與透射率規律符合公式（1）當d2=n2/2（n為整數），r0, t1這說明當薄層兩側介質聲阻抗相等，薄層厚度為其半波長的整數倍時，超聲波全透射，幾乎無反射(r0)，好像不存在異質薄層一樣。這種透聲層常稱為半波透聲層。（2）當d2=（2n+1）2/4（n為整數），即異質薄層厚度等于其四分之一波長的奇數倍時，聲壓透射率最低，聲壓反射率最高。圖3 鋼和鋁中氣隙、水隙聲壓反射率1)當了=1 MHz時，鋼中厚度為d=10-5 mm的氣隙幾乎能100%反射。兩塊緊貼在一起的精密的塊規之間隙也

10、有10-5 mm。可見超聲波對檢測含有氣體介質的裂紋等缺陷的靈敏度是很高的。 2)當材料中的氣隙或水隙厚度一定時，頻率增加，聲壓反射率也隨著增加。例如對于鋼中的氣隙d=10-7 mm時，f=1 MHz, r=20%, f=5 MHz, r=60%，可見提高超聲檢測頻率對于提高檢測靈敏度是有利的。2.薄層兩側介質不同的雙界面（第二種工況，即非均勻介質中的薄層），例如晶片-保護膜-工件，(Zl Z2Z3)薄層兩側介質不同的雙界面，其聲強透射率符合公式（1）當d2=n2/2（n為整數），即超聲波垂直入射到兩側介質聲阻抗不同的薄層時，若薄層厚度等于半波長的整數倍，則通過薄層的聲強透射率與薄層的性質無關，好像不存在薄層一樣。（2）當d2=（2n+1）2/4（n為整數），且Z2= Z1 Z3的算術平方根時：T=1，表明超聲波垂直入射到兩側介質聲阻抗不同的薄層，若薄層厚度等于2/4的奇數倍，薄層聲阻擾為其兩側介質聲阻抗算術平方根時，其聲強透射率等于1，超聲波全透射。這對于直探頭保護膜的設計具有重要的指導意義。三、聲壓往復透射率在超聲波單探頭檢測中，探頭兼作發射和接收超聲波。探頭發出的超聲波透過界面進入工件，在固/氣底面產生全反射后再次通過同一界面被探頭接收，（如圖