超聲波折射現(xiàn)象是不少超聲波儀器背后的工作原理，超聲波流量傳感器/超聲波流量計(jì)之所以能夠運(yùn)作，依靠的也正是超聲波折射現(xiàn)象。超聲波折射現(xiàn)象到底是什么呢？本文將為您解密超聲波折射的定義，超聲波折射角的計(jì)算方法，并展示超聲波折射現(xiàn)象的模擬圖及視頻。
 
超聲波折射現(xiàn)象
 
當(dāng)超聲波以傾斜角度穿過(guò)不同聲速的介質(zhì)之間的界面時(shí)會(huì)發(fā)生折射（波束彎曲）。在光線的傳播中也可以觀察到相同的現(xiàn)象。
 
折射波傳播角度的計(jì)算
 
折射波傳播角度可以使用斯涅爾定律計(jì)算。斯涅爾定律描述了超聲波在不同介質(zhì)中的速度（c1，c2）和傳播角（θ1，θ2）之間的關(guān)系，如下圖和方程所示。
 
超聲波折射角的計(jì)算示例
 
例如，當(dāng)超聲波穿過(guò)亞克力塑料板和水之間的界面時(shí)，可以使用斯涅爾定律計(jì)算折射角。亞克力塑料的聲速為2670 m/s，水的聲速為1496 m/s。 當(dāng)入射角θ1為45度時(shí)，折射角θ2計(jì)算為23.3度。
 
折射現(xiàn)象與部分超聲波設(shè)備的工作原理
 
諸多超聲波設(shè)備利用聲束折射進(jìn)行測(cè)量和過(guò)程控制，例如用于非侵入式流量監(jiān)測(cè)的外夾式超聲波流量傳感器/超聲波流量計(jì)，以及用于檢查焊接缺陷或裂縫的角度聲束傳感器。
超聲波折射現(xiàn)象的二維有限元模擬 （圖像和視頻）
 
下面展示一組二維有限元模擬結(jié)果，以呈現(xiàn)超聲波折射的過(guò)程：
 
首先，將超聲波探頭安裝在帶有45度斜面的亞克力楔塊上，此亞克力楔塊被放置于另外一塊亞克力板上方，亞克力板下方為水。
 
當(dāng)超聲波探頭在其諧振頻率下被短電壓脈沖激發(fā)時(shí)，它會(huì)振動(dòng)并產(chǎn)生超聲波。 超聲波首先在亞克力板中傳播，在此過(guò)程中，超聲波聲束保持相同的傳播方向，但在當(dāng)聲波抵達(dá)亞克力與水之間的界面處后，可以清楚地觀察到折射。超聲波波長(zhǎng)在從亞克力進(jìn)入水中后也會(huì)變短，因?yàn)樗�的聲速較低。
 
您也可以觀看下方視頻，了解超聲波折射現(xiàn)象的二維有限元模擬的全部過(guò)程。