波的反射、透射及衰減

超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)內(nèi)，稱為反射波;另一部分能量透過(guò)界面在另一種介質(zhì)內(nèi)傳播，稱為透射波。在界面上聲能(聲壓、聲強(qiáng))的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規(guī)律。

一. 單一界面的反射和透射

聲能的變化與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)，設(shè)波從介質(zhì)1(聲阻抗Z1)入射到介質(zhì)2(聲阻抗Z2)，有以下幾種情況：

1. Z2 > Z1

聲壓反射率小于透射率。如水/鋼界面。

2. Z1> Z2

聲壓反射率大于透射率。如鋼/水界面。

聲強(qiáng)反射率及透射率只與Z1 、Z2的數(shù)值有關(guān)，與從哪種介質(zhì)入射無(wú)關(guān)。

3. Z1>> Z2

聲壓(聲強(qiáng))幾乎全反射，透射率趨于0。如鋼/空氣界面。

4. Z1< Z2

此時(shí)幾乎全透射，無(wú)反射。因此在焊縫探傷中，若母材與填充金屬結(jié)合面沒(méi)有任何缺陷，是不會(huì)產(chǎn)生界面回波的。

二. 薄層界面的反射和透射

此情況主要對(duì)探頭保護(hù)膜設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

當(dāng)超聲波依次從三種介質(zhì)Z1、 Z2 、Z3(如晶片—保護(hù)膜—工件)中穿過(guò)，則當(dāng)薄層厚度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，通過(guò)薄層的聲強(qiáng)透射與薄層的性質(zhì)無(wú)關(guān)，即好象不存在薄層一樣;當(dāng)薄層厚度等于四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍且薄層聲阻抗為其兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗幾何平均值 (Z2 = (Z2 Z3)1/2 )時(shí)，超聲波全透射

三. 波型轉(zhuǎn)換和反射、折射定律

當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會(huì)產(chǎn)生不同類型的反射和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。

1. 縱波斜入射

2. 橫波入射

四. 超聲波的衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波衰減。引起超聲波衰減的主要原因是波束擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收

1. 擴(kuò)散衰減

超聲波在傳播過(guò)程中，由于波束的擴(kuò)散，使超聲波的能量隨距離增加面逐漸減弱的現(xiàn)象叫做擴(kuò)散衰減。超聲波的擴(kuò)散衰減僅取決于波陣面的形狀，與介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。

2. 散射衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射引起衰減的現(xiàn)象，稱為散射衰減。散射衰減與材質(zhì)的晶粒密切相關(guān)，當(dāng)材質(zhì)晶粒粗大時(shí)，散射衰減嚴(yán)重，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播到探頭，在屏上引起林狀回波(又叫草波)，使信噪比下降，嚴(yán)重時(shí)噪聲會(huì)湮沒(méi)缺陷波。

3. 吸收衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間內(nèi)磨擦(即粘滯性)和熱傳導(dǎo)引起超聲波的衰減，稱為吸收衰減或粘滯衰減

通常所說(shuō)的介質(zhì)衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包括擴(kuò)散衰減。