超声平面波斜入射大平界面的行为分析

1.反射、折射和波型转换

当超声波由一种介质倾斜入射到另一种介质的大平界面上时，如果两介质的声速不同，在界面上可产生波的反射、折射和波型转换现象，反射和折射可同时产生，情况如表3.5-5所示。需要注意的是：对于水平偏振横波（SH波）反射、折射时，反射、折射波中也只有水平偏振横波，不产生另外形式的横波与纵波。

2.斜入射时的反射系数、透射系数和往返透射比

斜入射时，对于不同介质的大平界面，反射系数和透射系数的表达式列于表3.5-6，水/铝界面和水/钢界面声波的往返透射比如图3.5-2所示。

表3.5-5 声波斜入射时的反射和折射波

注：1.L、T代表入射纵波和横波，L′、T′为反射纵波和横波，L″、T″折射纵波和横波。

2.ρ₁，c_l1，c_t1：介质Ⅰ的密度，纵波声速，横波声速；ρ₂，c_l2，c_t2：介质Ⅱ的密度，纵波声速，横波声速。

3.α_l1，α_t2：纵波、横波在介质Ⅰ中的入射角。

4.β_l2，β_t2：纵波、横波在介质Ⅱ中的折射角。

表3.5-6 斜入射时的反射系数和透射系数(www.xing528.com)

（续）

图3.5-2 水/铝、水/钢界面往返透射比

E_ll—纵波入射，纵波透射 E_lt—纵波入射，横波透射

3.全内反射和反射波的位移

由表3.5-5可知，当介质Ⅰ中的声速c₁大于介质Ⅱ中的声速c₂时，相应的折射角β＜α，此时，声波以任何角度入射时皆有正常的折射波，如图3.5-3a所示。当c₁＜c₂时，β＞α；当α等于临界角（α=α_c）时，β=90°，此时折射波沿界面传播，如图3.5-3b所示；当入射角α大于临界角（α＞α_c）时，sinβ＞1，此时折射角不是实角，在介质Ⅱ中没有通常意义的折射波，可以证明，这时反射系数变成一复数，其模｜R｜恒等于1，只是相对于入射波而言产生了一个相位的跃变，此现象被称为全内反射。在全内反射情况下，介质Ⅱ中产生沿x轴正方向以c_H为波速传播的平面波，但它不同于通常的平面波，在其波阵面上振幅随离分界面距离的增大而作指数衰减，为了区别于正常的平面波，称此为非均匀平面波，形象地表示在图3.5-3c中，在z＜0的下半平面用带箭头的线表示它的传播方向，以线的长短表示同一波阵面上振幅大小分布。这部分非均匀波在介质Ⅱ中沿界面传播一段距离后又回到介质Ⅰ汇合到反射波束中去，Δ的大小和正负取决于c₂/c₁和α与α_c的接近程度以及入射波的波长，参阅图3.5-3d、e。如果波在介质Ⅱ中有损失，｜R｜＜1。

图3.5-3 在大平界面上声束斜入射时的行为