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超声波在异质界面的传播特性与检测方法
〔讲稿〕
1. 课程引入：
超声检测一般是指使超声波与试件相互作用，对反射、透射和散射的波进展研究，进展试件的宏观缺陷检测、几何特性测量、组织构造和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进展评价的技术。
超声波是超声振动在介质中的传播，其实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动。我们把充满超声波的空间，或在介质中超声振动涉及的质点所占据的范围称为超声场。声压、声强、声阻抗是描述超声场特征的几个重要物理量，也就是超声场的特征量。
超声波在界面发生折射的能量分别用声强反射率RI和声强透射率TI表示。同时也用声压反射率R和声压透射率T来表示超声波传播特性。
2. 超声波垂直入射到单一平界面上：
超声波垂直入射界面时产生一个与入射方向相反的反射波，和一个与入射波同方向的透射波。而波型没有改变。
用角标、和分别表示入射、反射和折射。在垂直入射时介质两侧声波必须满足两个边界条件：①一侧总声压等于另一侧总声压： ②两侧质点速度振幅相等，保持连续性：
式中
所以
其中R称为声压反射率，T称为声压透射率。Pr为反射声压振幅；Pt为透射声压振幅；Pi为入射声压振幅。
Z1<Z2时，入射声压和反射声压同相而叠加，故透射声压相当于入射声压和反射声压之和。如水
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/钢界面
例：水浸超声波检测，声束从水透入工件〔钢〕中，求其声压反射率R和声压透射率T。
，水声阻抗
钢声阻抗
解：
Z1>Z2时，入射和反射的质点振动速度同相。而入射和反射声压反相，总声压相抵消而减小，故透射声压很小。如钢/水界面。
例：超声波从钢入射至水中求其声压反射率R和声压透射率T
T＝1＋R
Z1>>Z2时，声压〔声强〕几乎全反射，透射率趋于0。如钢/空气界面
Z2－Z1
R＝————≈－1 T＝1＋R＝1＋(－1)＝0
Z2＋Z1
例如钢空气界面，此时Z1(钢)＝46×106kg/m2·s，Z2(空气)＝×106kg/m2·s，那么声压反射率为：
Z2－Z1 －46
R＝————＝——————≈－1
Z2＋Z1 ＋46
声压透射率为：
T＝1＋R＝1＋(－1)＝0
结果说明，在这种情况下声波全反射。
Z1≈Z2时，反射率R＝0，T＝1，声波不发生反射，全部透射。
Z2－Z1
R＝————≈0 T＝1＋rp＝1＋0＝1
Z2＋Z1
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例如普通碳钢焊缝的母材金属和焊缝金属声阻抗仅相差1％，在焊缝探伤时，超声波从母材金属Z1射入焊缝金属Z2＝，其m≈，那么声压反射率为：
1－m 1－
R＝——— ＝—————＝
1＋m 1＋
声压透过率为：
T＝1＋R＝1＋≈1
结果说明，在这种情况下声波全透射。
3. 超声波垂直入射到薄层界面：
当超声波从介质1中垂直入射到介质1和介质2的界面上时，一局部声能被反射，另一局部声能透射到介质2中；当透射的声波到达介质2和介质3的界面时，再一次发生反射与透射，其反射波局部在介质2中传播至介质2与介质1的界面，那么又会发生同样的过程。如此不断继续，那么在两个界面的两侧，产生一系列的反射波与透射波。
1 均匀介质中的异质薄层
与这种情况相对应的是材料中存在的平面状缺陷，如：裂纹、分层、夹杂等。设薄层厚度为d，介质2中的波长为，并以m表示两种介质声阻抗之比：
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①当时，，，即均匀介质中薄层厚度为薄层中半波长的整数倍时，超声波几乎全透射而无反射。
②当时，透射率最小而反射率最大。因此，当材料中存在均匀薄层状缺陷，且缺陷厚度恰为半波长时，那么可能因反射率低而造成漏检。但实际缺陷往往不是完全平行的，且实际超声波不是单一频率的，因此，因缺陷厚度使其对超声波的反射率为0的情况是极少出现的。
③当时，薄层厚度越小，透射率越大，反射率越小。
④当时，或时，，，这说明当薄层厚度非常小时，超声波也是几乎不反射而全部透射；另外