超聲波在不同介質(zhì)界面處的反射、折射和透射情況是進(jìn)行超聲探傷的重要物理基礎(chǔ)。聲波能量經(jīng)界面時(shí)的聲壓聲強(qiáng)變化主要取決于兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗。

1. 超聲波垂直人射到兩種介質(zhì)界面處的反射透射情況

 當(dāng)超聲波垂直入射于兩種不同聲阻抗介質(zhì)的界面時(shí)，其反射波按入射波相反的路徑返回，透射波垂直進(jìn)入第二種介質(zhì)。假設(shè)超聲波所處介質(zhì)聲阻抗為Z₁,人射聲強(qiáng)為I₀,入射聲壓為P₀,反射聲強(qiáng)為I_r,反射聲壓為P_r;另一種介質(zhì)聲阻抗為Z₂,透射聲強(qiáng)為I_t,透射聲壓為P_t.令聲阻抗比m=Z₁/Z₂,可得：

聲壓視為平面上單位面積所受的力，那么平面兩側(cè)的力應(yīng)當(dāng)平衡，故聲壓變化有P₀+P_r=P_t.結(jié)合聲壓反射、透射系數(shù)，有

類似地，聲強(qiáng)在界面兩側(cè)應(yīng)滿足能量守恒定律，所以有I_o=I_r+I_t,如果把聲強(qiáng)反射率（R)定義為I_r/I₀,聲強(qiáng)透射率（D)定義為I_t/I₀,則有：

 實(shí)際檢測(cè)中，常用到自發(fā)自收探頭，例如對(duì)鋼板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，認(rèn)為聲波垂直入射進(jìn)人鋼板內(nèi)部，透射波到達(dá)底部后，聲壓在鋼板／空氣界面被完全反射，然后垂直返回，被探頭接收。探頭接收到的返回聲壓P'_t與人射聲壓P₀之比稱為聲壓往復(fù)透過(guò)率，常用符號(hào)T_p表示。

所以

對(duì)比聲強(qiáng)透射率D和聲壓往復(fù)透過(guò)率T_p,可知兩者在數(shù)值上相等。

超聲波垂直入射于不同聲阻抗介質(zhì)的界面，有以下四種反射和透射情況。

a.  Z₁<Z₂

 若聲波從水中入射到鋼中，水的聲阻抗為Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼的聲阻抗為Z2=46×106kg/(㎡·s),水／鋼界面上的

 圖2.9表示從水入射到鋼時(shí)，聲壓在兩側(cè)的分布。當(dāng)聲波從聲阻抗小的介質(zhì)人射到聲阻抗大的介質(zhì)時(shí)，反射聲壓較入射聲壓略低，而透射聲壓高于入射聲壓，且等于兩者之和。由聲強(qiáng)透射率D的大小可知入射聲強(qiáng)中只有12.24%的能量進(jìn)入鋼中。

b. Z₁>Z₂

若聲波從鋼入射到水中，此時(shí)界面的聲壓反射系數(shù)

圖2.10表示從鋼入射到水時(shí)，兩側(cè)的聲壓分布。當(dāng)聲波從聲阻抗較大的介質(zhì)入射到較小的介質(zhì)時(shí)，反射聲壓較入射聲壓略低；而透射聲壓因入射聲壓與反射聲壓相位相反，其數(shù)值也較小。計(jì)算得知入射聲強(qiáng)中同樣有12.24%的能量進(jìn)入水中。

c. Z₁ ＞ Z₂

 當(dāng)聲波從聲阻抗高的固體入射到空氣中，例如從鋼中入射到空氣中，就屬于這種情況，此時(shí)Z₁(鋼）＝46×10⁶kg/(㎡·s),Z₂(空氣）＝0.0004×10⁶kg/(㎡·s),可計(jì)算聲壓反射系數(shù)

 此時(shí)，聲波在界面處幾乎全部被反射，無(wú)法透射到空氣中，因此，當(dāng)超聲波探頭與粗糙待測(cè)件表面接觸，如果不加耦合劑，就相當(dāng)于探頭與待測(cè)件表面間有一層空氣，導(dǎo)致聲波能量無(wú)法透射到待測(cè)件中，無(wú)法進(jìn)行探傷。

d. Z₁≈Z₂

 當(dāng)聲波從兩種聲阻抗相近的介質(zhì)界面經(jīng)過(guò)時(shí)，例如普通碳鋼焊縫金屬與母材金屬之間，聲阻抗相差僅1%,此時(shí)，界面的聲壓反射系數(shù)

此時(shí)，在界面處反射聲壓極小，而透射聲壓幾乎與入射聲壓相同；聲波能量幾乎全部透射到第二種介質(zhì)中。

2. 超聲波斜入射到兩種介質(zhì)界面處的反射折射情況

當(dāng)超聲波以一定角度斜入射到兩種介質(zhì)界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，且遵循反射和折射定律。一定條件下，還會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。

 a. 超聲縱波斜入射

當(dāng)超聲縱波斜入射到兩種介質(zhì)界面時(shí)，反射波和折射波的傳播方向符合反射定律、折射定律，如圖2.11所示，即

 由式（2.4)可知，在同一介質(zhì)中聲波縱波波速不變，因此縱波反射角與縱波入射角相等，即α_L=γ_L,同時(shí)，同一介質(zhì)中縱波聲速大于橫波聲速，因此縱波反射角大于橫波反射角，縱波折射角大于橫波折射角，即γ_L>γ_s,β_L>β_s.

當(dāng)α_L增加時(shí)，β_L也增加，增加到一定程度時(shí)，β_L=90°,這時(shí)所得縱波入射角稱為第一臨界角，常用a_I表示。當(dāng)α_L>α_I時(shí)，第二介質(zhì)中既有折射縱波L,又有折射橫波S.

當(dāng)α_L增加時(shí)，β_s也增加，增加到一定程度時(shí)，β_s=90°,這時(shí)所得縱波入射角稱為第二臨界角，常用a_II表示。當(dāng)α_I<α_L<a_II時(shí)，第二介質(zhì)中沒(méi)有折射縱波L,只有折射橫波S,這種情況也是橫波探頭的制作原理。

b. 超聲橫波斜入射

當(dāng)橫波以一定角度入射到兩種固體界面時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換，如圖2.12所示。

同樣地，橫波斜入射也符合反射、折射定律：

橫波斜入射時(shí)，隨著α_s增加，y_L=90°時(shí)，所對(duì)應(yīng)的橫波人射角α_s為第三臨界角，常用α_III表示，橫波入射角大于第三臨界角時(shí)，產(chǎn)生橫波全反射現(xiàn)象。