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超声波反射中的声阻抗

1920
科学家在实验室进行超声波测试,测量声阻抗。

(图片仅供参考)

声学 阻抗 (Z) 是材料对声流的固有阻力,定义为其密度 (ρ) 乘以其声速 (c),即 Z = ρc。 超声波 两种材料界面处反射的能量取决于它们各自声阻抗的差异或不匹配程度。正是这一原理使得缺陷检测成为可能。

声阻抗的概念类似于电路中的电阻抗,是理解超声波如何与材料相互作用的基础。当波穿过一种材料(材料 1)并遇到与另一种材料(材料 2)的界面时,一部分波会被反射,一部分会被透射。反射量由反射系数 (R) 量化,它取决于两种材料的声阻抗 Z₁ 和 Z₂。

对于垂直入射的波,压力反射系数由公式 [latex]R = (Z_2 – Z_1) / (Z_2 + Z_1)[/latex] 给出。反射波的强度(通常测量的是强度)与该值的平方成正比。阻抗差异很大时,例如钢([latex]Z ≈ 45 × 10^6[/latex] Pa·s/m)和空气([latex]Z ≈ 415[/latex] Pa·s/m)之间的阻抗差异,会导致反射系数非常高(接近 100%)。这就是为什么充满空气或气体的内部裂纹和空隙很容易用超声波检测到的原因;它们就像近乎完美的反射体。

相反,如果两种材料的声阻抗非常接近,则大部分声能将穿过界面,反射极小。超声耦合剂(用于换能器和测试件之间的凝胶或液体)和换能器匹配层的设计正是利用了这一原理。这些耦合剂和匹配层的阻抗介于换能器元件和测试材料之间,以最大限度地提高能量传输并改善信号质量。

UNESCO Nomenclature: 3301
- 声学

类型

物理原理

中断

基础

用法

广泛使用

前体

  • 瑞利勋爵关于波动理论和声学的奠基性著作(《声学理论》)
  • 19 世纪物理学家对固体和流体中声音传播的研究
  • 发展连续介质力学来描述材料特性
  • 早期的声纳研究需要了解物体的声反射

应用程序

  • 用于检测裂纹的无损检测(金属-空气界面)
  • 用于区分不同组织和器官的医学成像
  • 设计换能器的声匹配层以改善能量传输
  • 利用地震反射进行地球物理勘探,绘制地下地质图
  • 超声波清洗系统设计

专利:

NA

潜在创新理念

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相关领域:声阻抗、反射系数、超声波检测、无损检测、材料特性、密度、声速、界面、失配、波动物理学。

历史背景

超声波反射中的声阻抗

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1925-01-01

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

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