声波检测技术：第一章 声波检测的基本理论（二）

1、声波在介质界面的反射和透射 声波在无限大介质中传播只是在理论上成立。实际上任何介质总有个边界。当声波在传播中从种介质到达另一种介质时，在两种介质的分界而上， 部分声波被反射，仍然回到原来介质中，称为反射波；另部分声波则透过界面进人另一种介质中继续传播，称为折射波(透射波)。声波透过界面时，其方向、强度、波型均产生变化。这种变化取决于两种介质的声阻抗率和入射波的方向。现分垂直入射和倾斜入射两种情况来讨论。单一的平面界面 单一的平面界面声压反射率 声压透射率 两个边界条件界面两侧面的声波必须符合下列两个边界条件：一侧的总声压等于另一侧的总声压；两侧质点振动速度的幅值应相等。 两个边界条件讨论（1）

2、若 ，则 。这时声波全部从第一介质透射入第二介质，为全透射。（2）若 ，则 。声波在界面上几乎全部反射投射极少，即声波发生全反射。（3）若 ，则 。声波也几乎全部反射，且反射率为负，表示反射波与入射波反相（相位差180）。举例现以混凝土/水界面为例来计算 和 。当纵波从混凝土入射到混凝土/水界面时， ； ；于是： 用百分比表示，反射波声压为入射波声压的76%，负号表示反射波与入射波反相，即假如在某一时刻界面上入射波声压达到正的极大值，则反射波在同一时刻达到负的极大值；透射波声压为入射波声压的24%。 举例若纵波从水入射到混凝土/水界面，则：即入射波与反射波同相，反射波声压为入射波声压的75%；

3、透射波声压为入射波声压的175%。结果如图 举例讨论粗看，声压透射率超过100%似乎与能量守恒定律有矛盾。其实不然，根据声强公式可知，能量（声强）不仅与声压有关，而且与介质的声阻抗率有关。由于混凝土的声阻抗率远大于水的声阻抗率，所以尽管透射波有较高声压，但透射波的声强仍然比入射波的声强小的多。 下面我们再从能量（声强）的角度，推导声强的反射系数 和透射系数 。 声强系数 讨论（1）当 声波能量全部透射。（2）当 或 ， ，即当两种介质声阻抗相差悬殊时，声波能量在界面绝大部分被反射，难于进入第二种介质。（3） ，能量守恒。 比较我们计算一下当纵波从水入射到混凝土/水界面上时的声强反射系数和透射系

4、数。所以，虽然声压透射为入射声压的175%，但透射到固体介质中的声能仅为42.4%。 异质薄层的反射与透射 异质薄层的反射与透射若以 表示两种介质的声阻抗率之比，即：异质薄层的反射与透射混凝土裂隙透射率 混凝土裂隙反射率 讨论从图中可以看出：（1）裂隙越细，透射率越大，反射率越小；（2）裂隙充满空气时的透射率比充满水时小得多；（3）声波频率越高，反射率越大。为了发现混凝土中细微的裂隙需提高反射率，这就希望以较高频率的超声波进行检测。 倾斜入射情况 流体界面上 倾斜入射情况固体界面上 倾斜入射情况第一临界角 第二临界角 声波在传播过程中的衰减 声波在介质中传播过程中其振幅将随传播距离的增大而逐渐

5、减小，这种现象称为衰减。在以上关于声波传播的讨论中，为使问题简化，假定声波是在无吸收的均匀介质中传播，也就是说声波在传播过程中无衰减。事实上，声波在任何介质中传播都有衰减存在。声波衰减的大小及其变化不仅取决于所使用的声波频率及传播距离，也取决于材料的内部结构及性能。因此，研究声波在介质中的衰减情况将有助于探测介质的内部结构及性能。 衰减系数 实际检测中，衰减系数通常是以示波屏上接收波的振幅值来度量计算的。这是因为示波屏上的波形振幅与接收换能器处介质的声压及振动位移值是相对应的。在声波仪上的衰减器已按分贝(dB)数分挡刻度，可直接使用。 固体材料中声波衰减产生的原因 1吸收衰减声波在固体介质中传

6、播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变为热能；同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。介质的这种衰减称为吸收哀减，以吸收衰减系数 来表征。吸收衰减系数的大小与频率有关，频率越高，吸收系数越大。 2散射衰减 当介质中存在颗粒状结构(如液体中的悬浮粒子、气泡，固体介质中的颗粒状结构、缺陷、掺杂物等)而导致的声波的衰减称散射衰减，以散射衰减系数 来表征。对于混凝土来说，一方面是因为其中大的颗粒(粗骨料)构成许多声学界面，使声波在这些界面上产生多次反射、折射和波型转换，另一方面是微小颗粒对声波的散射。同时，这些微

7、小颗粒在相应频率的超声波作用下产生共振现象，其本身成为新的振源，向四周发射声波，使声波能量的扩散达到最大。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量和性质有关，其过程是很复杂的。通常认为，当颗粒的尺寸远小于波长时，散射衰减系数与频率的四次方成正比；当颗粒尺寸与波长相近时，散射衰减系数与频率平方成正比。 吸收衰减与散射衰减都取决于介质本身的性质。若令因介质本身引起的衰减系数为 ，它由二部分组成：吸收衰减与散射衰减，即 。一般来说，对于固体介质，总的衰减系数与频率的关系通常可表示为： （1-22）式中 是由介质性质和散射物特性所决定的比例系数。 3扩散衰减通常的声波幅射器(发射换能器)发出的声波波束都有一定的扩散角。因波束的扩散，声波能量逐渐分散，从而使单位面积的能量随传播距离的增加而减弱。声波的声压和声强均随距声源距离的增加而减弱。在岩体和混凝土声波检测中所采用的低频声波，其扩散角很大。当声波传播一定距离后，在混凝土中的声波已近于球面波。远离声源的球面波的声压与至声源的距离 成反比，即 愈大，声压愈小。这种因声波的扩散而引起的衰减称扩散衰减。 3扩散衰减扩散衰减的大