平界面工況分析

垂直入射-單一平界面工況分析主講教師：李光植

蘭州石化職業(yè)技術學院金屬材料檢測技術課程目錄

Z1>Z2鋼水界面2

Z2>Z1水鋼界面1

Z1>>Z2鋼空氣界面3

Z1≈Z2類似介質4當Z2>Z1時，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

。

例如超聲波平面波垂直入射到水/鋼界面。Z1=0.15×106g/cm2?s,Z2=4.5×106g/cm2?s（1）Z2>Z1水/鋼界面駐波示意圖

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。

聲壓是力的概念，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。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。例如超聲波平面波垂直入射到鋼/水界面。Z1=4.5×106g/cm2?s,Z2=0.15×106g/cm2?s，（2）Z2>Z1鋼/水界面鋼水界面入射反射波

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射率與透射率與從何種介質入射無關。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Z1>>Z2時，(如鋼/空氣界面，Z1=4.5×106g/cm2?s,Z2=0.00004×106g/cm2?s：

（3）Z1>>Z2鋼空氣界面工件鋼空氣界面r=-1意味著入射波幾乎全反射t=0意味著幾乎不透射

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°的相位變化。

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。

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Z1≈Z2時，即界面兩側介質的聲阻抗近似相等時，r=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)≈0。

如鋼的淬火部分與非淬火部分及普通碳鋼焊縫的母材與填充金屬之間的聲阻抗相差很小，一般為1%左右。設Z1=1,Z2=0.99:（4）Z1≈Z2類似介質

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(chǎn)生界面回波的。超聲波入射示意圖

超聲波縱波垂直入射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