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为什么超声波会发生折射?折射定律如何得出?

初中物理知识普及了什么是光的折射,超声检测培训让我们见识到超声波也会发生折射,光和超声波折射均遵循一定的规律——折射定律

 

可是你有仔细想过超声波为什么会发生折射吗?折射定律又是如何被推导出来的呢?培训老师从来没有给出具体答案,教材也仅仅提到超声波折射源于惠更斯原理,但没有进一步的推导。

想知道详细的答案吗?这个过程很复杂吗?

小编将用最最简单的几何关系推导出折射定律,并保证满足你的好奇心,千万不要走马观花哦!

不仅仅折射、反射、衍射、波形转换,纵观所有的超声检测技术,包括A超、TOFD、相控阵等方法均应用了惠更斯原理,小编提醒大家惠更斯-菲涅尔原理是非常重要的理论知识。

在满足你的好奇心前,先简单介绍惠更斯原理:波阵面上每一点,均可看做新的子波源,向四周发出球面波,任一点的波的强度是所有这些子波源在该点的振动的相干叠加。

斜探头晶片产生的超声波,经过一定角度的楔块后再进入工件中。根据惠更斯原理,可以将探头晶片分解成无数个子波源,其中下图A、B、C为其中3个子波源。

斜探头超声波折射

斜探头超声波折射

当电脉冲激励探头晶片时,A、B、C三处子波源同时产生超声波,但由于楔块具有一定角度,超声波在楔块中传播的时间不同,因此,超声波到达工件的时间也不同。当C点刚好达到工件表面时,A点已在工件中传播一段距离,B点也在工件中传输一段距离,但是小于A点。

同晶片且同时间发射的超声波,其相位也相同,因此,A、B、C的波前可以组成具有一定角度的波阵面,波阵面以该角度继续往前推进,将形成具有一定角度的超声波波束,即为折射声束,该角度为折射角β。若工件的声速与楔块的声速不同时,折射角不等于入射角。

折射定律是如何推导出来的呢?

惠更斯原理解释了超声波如何发生折射,小编将基于该原理,再通过简单的几何关系式进行推导,即可得出伟大的折射定律。

假设楔块的角度为α,当楔块最远处C点刚好传输到工件表面时,在楔块中传输的距离OC(绿线),此时A点已在工件中传播一定距离AP(蓝线)。由于A、C两点传输时间相同,但由于工件声速和楔块声速不同,所以传输距离也不同。

可以推导出:

通过几何三角形斜边相等的关系,可以继续导出:

通过上述两个式子,可以得出折射定律:

snell折射定律公式

snell折射定律

我推导折射理论的灵感源于相控阵检测,惠更斯原理是超声相控阵检测技术重要理论之一。利用惠更斯理论模型,可以解释书本中的许多疑惑,比如第一二临界角、衍射等等,后续文章也将对此进行推导,如果你感兴趣,请继续关注「NDT新思想」公众号。


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