声波在平面界面的反射折射和透射
声波的七种效应
声波的七种效应
声波在介质中传播时可能产生以下七种效应：
1. 反射：当声波遇到障碍物或界面时，部分能量会被反射回来，并改变声波的传播方向和强度。
2. 折射：当声波从一个介质传播到另一个介质时，由于介质的密度和声速的变化，声波的传播方向也会发生改变。
3. 吸收：介质中的材料吸收声波的能量，导致声波的逐渐减弱和衰减。
4. 散射：当声波遇到介质中的不均匀性或微观结构时，会发生散射，使声波在不同方向上扩散。
5. 干涉：当两个或多个声波在同一位置相遇时，它们可能会相互叠加或相消干涉，导致声波的增强或减弱。
6. 绕射：当声波遇到一个障碍物边缘时，它可能会沿着障碍物的曲面弯曲传播，这种现象称为绕射。
7. 多次反射：声波在多个表面之间来回反射，产生复杂的声场分布，这种现象被称为多次反射。
这些效应在声学领域中有广泛的应用，例如在声音传播、声学工程、超声成像和音响技术等方面。
超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义
超声反射、折射、衍射、散射与超声场的影像学意义摘要：本文主要讲述了超声的反射、折射、衍射、散射以及超声场在超声的医学诊断中的重要意义。
关键字：超声医学，反射，折射，衍射，散射，超声场Abstract:This paper describes ultrasonic reflection, refraction, diffraction, scattering, and ultrasonic field of medical ultrasonic diagnosis significance. Keyword:UltrasoundMedicine,reflection,refraction,diffraction,scattering,ultrasonic field正文：一、反射与折射发生的先决条件:①介质的声阻抗在界面处发生突变②界面的线度远大于声波波长及声束的直径原理：当声波从一种介质向另一种传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质。
另一部分能量，穿过界面进入第二种介质，继续向前传播。
如遇两声速不同的介质时可引起传播方向的改变，即为折射。
超声波的折射与反射示意图△Z＞0.1%即可产生反射。
声阻抗差越大，反射越强。
如果界面的尽寸大于声束的直径为大界面，这时其反射规律遵循几何学的反射定律，即；反射角（β）等于入射角（α）。
显然，当超声的入射角大于0°时，由于反射角等于入射角，反射的声束就不能被一探头全部接收。
当入射角接近0°时，反射的声束就可全部为同一探头所接收，所以，在超声诊断中，应注意手法，不断地转动或侧动探头，使入射声束方向与被探测脏器的表面垂直，以期得到尽可能多的回声。
二、衍射与散射原理：超声波在介质内传播过程中，如果所遇到的物体界面或障碍物的线度与超声波长相近时，超声可以绕过障碍物的边缘，此时反射回波很少，这种现象叫衍射。
声波的反射、折射、衍射、扩散、吸收和透射
声波的反射、折射、衍射、扩散、吸收和透射声波这个东西，大家肯定都不陌生吧。
它就像是一种无形的能量，可以在空气中传播。
咱们生活中的很多事情都跟声波有关，比如说打电话、听音乐、看电影等等。
今天咱们就来聊聊声波的一些神奇之处——反射、折射、衍射、扩散、吸收和透射。
咱们来说说声波的反射。
你有没有想过，为什么你在敲门的时候，如果里面没人回应，你就得多敲几下呢？这就是因为声音在门上反弹了几次，才传到了你的耳朵里。
所以说，声波遇到障碍物的时候，就会发生反射。
咱们来看看声波的折射。
你知道吗，有时候你站在大街上，突然听到一个人在你身后说话，感觉声音是从天上掉下来的。
这就是因为声音在空气和地面之间发生了折射，导致了方向的改变。
所以说，声波在不同介质之间传播的时候，也会发生折射。
再来说说声波的衍射。
你有没有看过月亮上的环形山？其实那就是声波在月球表面发生的衍射现象。
因为月球表面有很多凹凸不平的地方，所以声波在传播的过程中会发生偏折，形成了环形山的形状。
所以说，声波在传播过程中，也会发生衍射现象。
咱们来说说声波的扩散。
你有没有觉得，当你在家里唱歌的时候，整个房间都会响起来？这就是因为声音在空气中不断扩散，传到了周围的所有地方。
所以说，声波在空气中传播的时候，会发生扩散现象。
咱们来看看声波的吸收。
你有没有发现，有些地方的声音特别小？那是因为那些地方有很多吸收材料，把声音都吸收掉了。
所以说，声波在传播过程中，也会被吸收掉一部分能量。
咱们来说说声波的透射。
你有没有听说过回声定位？那就是因为声波在遇到障碍物之后，会发生透射现象，让科学家们能够探测到物体的位置。
所以说，声波在传播过程中，也会发生透射现象。
声波这个世界可真是神奇啊。
它既能传播信息，又能改变我们的生活环境。
所以说，咱们要好好珍惜这个神奇的世界哦！。
声波的反射、折射、衍射、扩散、吸收和透射
声波的反射、折射、衍射、扩散、吸收和透射波阵面与声线声波从声源出发，在同一介质中按一定方向传播。
声波在同一时刻所到达的各点的包络面称为波阵面。
波阵面为同心球面的波称为球面波。
它是由点声源所发出的。
当声源的尺度比它所辐射的声波波长小得多时，可以看成是点声源。
波阵面为同轴柱面的波，称为柱面波。
它是由线声源发出的。
如果把许多靠的很近的单个点声源沿一直线排列，就形成了线声源。
波阵面为与传播方向垂直的平行平面的波称为平面波。
它是由面声源发出的。
在靠近一个大的振动表面处，声波接近于平面波。
如果把许多距离很近的声源放置在一平面上，也类似于平面波声源。
声波的反射、折射、扩散、衍射、扩散、吸收和透射声波的反射：声波在传播过程中遇到介质密度变化时，会有声音的反射。
房间界面对在室内空气中传播的声波反射情况取决于其表面的性质。
平面的反射下图表示大而平的光滑表面对声音反射的情况，反射的声波都呈球状分布，它们的曲率中心是声源的“像”，即与平方反比定律一致。
因此，反射声强度取决于它们与“像”的距离以及反射表面对声音的吸收程度。
光滑平面对声波的反射反射的定律：1）入射线、反射线法线在同一侧。
2）入射线和反射线分别在法线两侧。
3）入射角等于反射角。
曲面的反射弯曲表面对声音的反射仍然用声线表示声波的传播方向，下图表示由平面反射的声线是来自“像”声源的射线，呈辐射状分布，入射线、反射线和反射面的法线在同一平面内，入射线和反射线分别在法线的两侧，入射角等于反射角。
投射到凸曲面上的声线都分别被反射，反射波的波阵面并不是圆的一部分，而是必须由画总长度相等的各条声线求得。
声波遇到平面和凸曲面反射的比较下图分别表示对由平面、凸曲面及凹曲面形成的反射声线及波阵面的比较。
从声源到反射面的距离都相等，所分析的入射声波立体角相同，所画的波阵面的时间间隔也相同。
可以看出，来自凸曲面的波阵面比来自平面的波阵面大得多，而来自凹曲面的波阵面则小得多，并且缩小了。
应用物理原理解析声波的反射与折射现象
反射系数
定义：声波在两种不同介质中传播时，反射回来的声能占总声能的比例 计算公式：R = (Z2 - Z1) / (Z2 + Z1)，其中Z1和Z2分别为两种介质的声阻抗 影响因素：声阻抗、声速、密度、温度等 应用：声波探测、声波成像、声波通信等领域
反射声波的特性
反射声波的方向与入射声波 的方向相反
声波的传播速度
声波在空气中的传播速度：340m/s 声波在水中的传播速度：1500m/s 声波在固体中的传播速度：5000m/s 声波在不同介质中的传播速度不同，与介质的密度、弹性和温度有关。
声波的振动方向
声波是一种机械波，其振动方向与传播方向垂直。
声波的振动方向可以是纵向的，也可以是横向的。
声波的反射与折射现 象的物理原理
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01
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04
声波的折射现 象
02
声波的基本特 性
05
声波在介质界 面上的行为
03
声波的反射现 象
06
声波的传播规 律与物理模型
01 添加章节标题
02 声波的基本特性
公式：n=c1/c2， 其中n为折射系数， c1和c2分别为两种 介质中的声速
影响因素：折射系 数与两种介质的声 速、密度、温度等 因素有关
应用：折射系数在 声波探测、声波通 信等领域有广泛应 用
折射声波的特性
声波在传播过 程中遇到不同 介质时，会发
生折射现象
折射声波的方 向与入射声波 的方向不同， 折射角与入射 角之间的关系 遵循斯涅尔定
声波在遇到障碍物时，会发 生反射现象
声波的反射、折射与透射
1 20℃时空气和水的特性阻抗分别为m s Pa R ⋅=4151及m s Pa R ⋅⨯=621048.1，计算平面声波由空气垂直入射于水面上时反射声压大小及声强透射系数。
声压反射系数11212≈+-=R R R R r p ， 声强透射系数3221212211122221021.1)(422-⨯≈+====R R R R t R R c p c p I I r p ia ta i t I ρρ2声波由空气以 30=i θ斜入射于水中，试问折射角为多大？分界面上反射波声压于入射波声压之比为多少？平均声能量流透射系数为多少？ 21sin sin c c t i =θθ,查表知s m c /3441=，s m c /14832= 又116.230sin 3441483sin 12>≈= i c c θ，所以发生全反射现象 反射波声压于入射波声压之比为1==i rp P P r 平均声能量流透射系数为0cos cos ==it I w t t θθ 3试求空气中厚为1mm 的铁板对200Hz 及2000Hz 声波的声强透射系数t I (考虑垂直入射). 声强透射系数为Dk R R D k t I 222211222sin )(cos 44++=. (1) f ＝200Hz 时，2889.0435020022=⋅==πωc k ，4210889.2-⨯=D k . 由于12<<D k ，则0sin ,1cos 22≈≈D k D k ，1≈⇒I t .(2) f=2000Hz 时，分析过程同上，1≈I t .4试导出三层媒质的声强透射系数（4－10－43）式。
设一厚度为D ，特性阻抗为222R c ρ=的中间层媒质置于特性阻抗为111R c ρ=与333R c ρ=中，如图所示。
则11j()a j()a e e t k x i i t k x i i p p ωωυυ--⎧=⎨=⎩；11j()11a j()11a e e t k x r r t k x r r p p p ωωυ++⎧=⎨=⎩；22j()22a j()22a e et k x t t t k x t t p p p ωωυ--⎧=⎨=⎩； 22j()22a j()22a e e t k x rr t k x r r p p ωωυυ++⎧=⎨=⎩；33j[()]a j[()]a e et k x D t t t k x D t t p p ωωυυ----⎧=⎪⎨=⎪⎩ 其中a 1a 2a 2a a a 1a 2a 2a a 11223,,,,i r t r t i r t r t p p p p p R R R R R υυυυυ==-==-= 123123,,k k k c c c ωωω===当0x =时，a 1a 2a 2a a 1a 2a 2a i r t r i r t r p p p p υυυυ+=+⎧⎨+=+⎩即a 1a 2a 2a a 1a 2a 2a 1122i r t r i r t r p p p p p p p p R R R R +=+⎧⎪⎨-=-⎪⎩（1） 当x D =时，2222t r t t r t p p p υυυ+=⎧⎨+=⎩即2222-j j 2a 2a a -j j 2a 2a a 223e e e e k D k D t r t k D k D t r t p p p p p p R R R ⎧+=⎪⎨-=⎪⎩（2） 由（1）得2a 122a 122a 2()()i t r R p R R p R R p =+-- (3)由（2）得22j 322a a 3-j 322a a 3e 2e 2k D t t k Dr t R R p p R R R p p R +⎧=⎪⎪⎨-⎪=⎪⎩(4)把（4）代入（3）得22j -j 32322a 12a 12a 332()e ()e 22k D k D i t t R R R R R p R R p R R p R R +-=+-- 则2aa t i p p 22223j -j 123212324()()e ()()e k D k DR R R R R R R R R R =++--- [][]2231232123221232123224()()()()cos ()()()()sin R R R R R R R R R R k D j R R R R R R R R k D =++---++++--22322132213242()cos 2()sin R R R R R k D j R R R k D=+++ 2223222222213221324()cos ()sin R R R R R k D R R R k D =+++ 232222131322224()cos ()sin R R R R R k D R k D R =+++则2a 1312222213a 3132222||4||()cos ()sin t I i p R R R t R R p R R R k D R k D R =⋅=+++。
2.6 超声波垂直入射到界面的反射和折射
r Z2 Z1 0.15 4.5 0.935 Z2 Z1 0.15 4.5
t 2Z2 2 0.15 0.065 Z2 Z1 0.15 4.5
R r2 0.9352 0.875
当Z1>Z2时，如钢/水
直探头保护膜的设计
2.6.3 声压往复透射率
在超声波单探头检测中，探头兼作发射和接收超声波。探头发出的超声波透过 界面进入工件，在固/气底面产生全反射后再次通过同一界面被探头接收
这时探头接收到的回波声压与入射波声压之比，称为声压往复透射率T往
T往
Pa P0
Pt P0
Pa 4Z1Z2 Pt (Z2 Z1)2
超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗 有关，而且与薄层厚度同其波长之比d2/λ2有关
2.6.2薄层界面的反射率与透射率
1.均匀介质中的异质薄层（Z1=Z3≠Z2）
（1）当
d2
n
2 2
（n为整数）时，r
0,t
1。这说明当薄层两侧介质声阻抗相等，
薄层厚度为其半波长的整数倍时，超声波全透射，几乎无反射，好象不存在异
4Z1Z3
(Z1 Z3)2。这说明超声波垂直入射到两侧介质声
阻抗不同的薄层时，若薄层厚度等于半波长的整数倍，则通过薄层的声强透射
率与薄层的性质无关，好象不存在薄层一样
（2）d2 (2n 1) 4（2 n为整数）时，且 Z2 Z1 Z3 时，此时T＝1，即声强透射率等于
1，超声波全透射。
T
4Z1Z2 (Z2 Z1)2
声波的反射原理
声波的反射原理
声波的反射原理是指当声波遇到障碍物或界面时，一部分声能会被障碍物反射回去。
这种现象是由于声波的传播具有几何光学的特性。
当声波传播到一个界面上时，如果两个介质的声速不同，则声波会因为速度的突变而产生折射现象。
而当声波传播到一个可以反射声波的障碍物上时，部分声波会被反射回来。
根据反射原理，当声波入射到一个平面障碍物上时，根据入射角与反射角相等的关系，可以推导出反射声波的角度。
当声波入射到一个曲面障碍物上时，反射角的计算则需要借助表面的几何形状。
除了入射角与反射角之间的关系，反射声波的强度也受到材料的特性影响。
声波在反射过程中会发生一定程度的能量损失，这取决于障碍物的材料及其表面的平整度。
如果障碍物比较粗糙，声波的反射率会降低，一部分能量会转化为散射。
另外，声波的频率也会影响反射强度，因为不同频率的声波与材料之间的相互作用也有所不同。
声波的反射原理在实际中有广泛的应用，比如声纳、超声波检测和声学教育等领域。
通过利用声波的反射特性，可以实现对物体的成像、检测和测量，为科学研究和工程应用提供了有力的工具。
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;
Zs2
2c2 cost
pt vtx
——法向声阻抗率——法向速度！
全透射
tp
22c2 cosi 2c2 cosi 1c1 cost
1
2c2 cosi 1c1
折射波
pr
pr 0
exp[i(t
k1
x
cos
r
k1y sinr )]
vrx
cosr 1c1
pr
12
在媒质I中
p1 pi pr pi0 exp[i(t k1x cosi k1y sini )]
pr 0
exp[i(t
k1
x
cos
r
k1y sinr )]
v1x
vix
vrx
cosi 1c1
第4章 声波在平面界面的反射、折射和透射
4.1 声波垂直入射到平面界面 4.2 声波斜入射到平面界面 4.3 声波垂直入射到多层平面界面 4.4 隔声的基本规律
1
4.1声波垂直入射到平面界面
一垛普通的砖墙既可以隔掉部分声音，但又不能把全部 的声音都隔掉；一垛木板墙将有更多的声音被透射进去。 声波的这种反射、透射现象也是声传播的一个重要特征。
rp 0; rv 0; t p 0; tv 1
——硬边界，声压同位相，速度反相！
3、 2c2 1c1
rp 1; rv 1; t p 2; tv 0
——绝对硬边界，声压全反射！ tp 2 ——边界上压强的静态传递，而不是疏密交替
的声压！
声波从空气入射到空气—水的分界面上！
6
4、 2c2 1c1
p eik2 y sint t0
所有y恒成立条件
k1 y sini k1 y sinr k2 y sint
i r ;
sini k2 c1 ——Snell定律
sint k1 c2
14
折射和透射系数
pi0 pr0 pt0
cosi 1c1
pi0
cosr 1c1
pr 0
cost 2c2
pt 0
tp
pt 0 pi 0
22c2 ; 2c2 1c1
rv
vr 0 vi0
2c2 2c2
1c1 1c1
tv
vt 0 vi0
2 1c1 2c2 1c1
——与媒质的特性阻抗c有关！
5
讨论
1、 2c2 1c1
rp 0; rv 0; t p 1; tv 1 ——没有反射！
2、 2c2 1c1
21c1
2c2 2c2
1c1 1c1
2
tI
| pt0 |2
22c2
/ | pi0 |2
21c1
41c12c2 (2c2 1c1)2
1 rI
7
Reflection from a HARD boundary
8
Reflection from a SOFT boundary
9
Reflection from an impedance discontinuity From high acoustic impedance to low acoustic impedance
声学边界条件 质量元M的运动方程
[P(1) P(2)]S M dv dt
l 0, M 0
P(1) P(2)
2
静压强在分界面处连续
P0 (1) P0 (2)
P(1) P0 (1) p1; P(2) P0 (2) p2
1、分界面处声压连续
p1 p2
2、分界面处法向速度连续
v1n v2n
pi0 exp[i(t k1x cosi
k1y sini )]
cosr 1c1
pr
0
exp[i(t
k1x
cos r
k1y sinr )]
在媒质II中:只有透射波
pt pt0 exp[i(t k2x cost k2 y sint )]
vtx
cost 2c2
pt
13
边界条件
注意：法向 在x-方向
rp 0; rv 0; tp 0; tv 1
——软边界，声压反相，速度同相！
5、 2c2 1c1
rp 1; rv 1; t p 0; tv 2
——绝对软边界，声压全反射！ tv 2 ——边界上速度的波腹，声压的波节。
能量反射和透射系数
rI
| pr0 |2
21c1
/ | pi0 |2
( pi pr ) |x0 pt |x0 ; (vix vrx ) |x0 vtx |x0
p e p e p e ik1ysini i0
ik1y sinr r0
ik2 y sint t0
cosi 1c1
pi 0
eik1y sini
cosr 1c1
p eik1ysinr r0
cost 2c2
2Zs2 Zs2 Zs1
cost cosi
15
Notice that as the wavefronts cross the boundary the wavelength changes, but the frequency remains constant.
16
Z s1
1c1 cosi
pi vix
10
From low acoustic impedance to high acoustic impedance
11
4.2 声波斜入射到平面界面
x-y平面入射
pi pi0 exp[i(t k1x cosi k1y sini )]
vix
cosi 1c1
pi
ki / ci , (i 1, 2)
媒质I和II中的速度场
v1
pi 0
1c1
exp[i(t
k1x)]
pr 0
1c1
exp[i(t
k1x)]
v2
pt 0
2c2
exp[i(t
kx2 )]
4
利用边界条件
pi0 pr0 pt0 ;
pi0 pr0 pt0
1c1 1c1 2c2
反射和透射系数
rp
pr 0 pi 0
2c2 1c1 ; 2c2 1c1
2c2 1c1
rp
pr 0 pi 0
2c2 cosi 1c1 cost 2c2 cosi 1c1 cost
cost 2c2
cosi 1c1
Zs2 Zs1 Zs2 Zs1
cost cosi
2 2c2tpຫໍສະໝຸດ pt 0 pi 022c2 cosi 2c2 cosi 1c1 cost
cost 2c2 1c1
平面声波垂直入射时的反射和透射
pi pi0 exp[i(t k1x)]
3
媒质I中——入射波和反射波
ki / ci , (i 1, 2)
p1 pi pr
p1 pi0 exp[i(t k1x)] pr0 exp[i(t k1x)]
媒质II中——只有透射波
p2 pt0 exp[i(t k2x)]