界面與層狀的影響

+ − (2-3)

Cs = E

2 (1 υ)

ρ

(1 )

υ Cs

υ

+ (2-5) 式中E 為材料彈性模數(modulus of elasticity)，ρ 為材料容積密度(density)，ν 為 材料卜松比(Poisson ratio)。

2.3.2 超音波之干涉與繞射

當兩個頻率、波長及相位相同或相位差恆定的波原稱為相干波源，它們產生 的波稱為相干波，兩個相干波在某一質相遇時，將引起兩個諧振動的疊加。在一 些點處形成相疊加而生成最大振幅，在另一些點處形成反相疊加則生成最小振 幅。這種空間出現的固定最大振幅和最小振幅的現象，就是波的干涉現象[33]。

根據惠更斯-菲涅耳(Christian Huygens)原理，平面波在均勻介質中傳播時，

在其傳播方向遇到一定尺寸的孔洞或障礙物時，會出現兩種傳播情況。

當孔洞或障礙物的尺寸比波長大許多，這時音波基本延直線傳播，在孔的外側和 障礙物後面沒有音波，如圖2-8 所示。

當孔洞或障礙物尺寸較小(小於或等於波長)時，在原孔或障礙物處變形成許多子 波源，都向圓孔另一側或障礙物表面發出球面子波，這些子波干涉疊加的結果，

使音波局部改變方向通過直徑為d 的小孔或繞過尺寸為 d 的障礙物繼續傳播，這 就是音波的繞射現象，如圖2-9 所示。對於圓板狀聲源，其上各點所產生的音波 相當於圓孔處各點所產生的子波，因此圓板形波源輻射的波與通過圓孔後的波完 全相同，其繞射現象與圓孔類似。

2.4 界面與層狀的影響

物體材料本身的內部狀況對超音波速有很大的影響，例如材料的均質性、完

整性、顆粒大小、材料的種類(氣體、液體、固體)等，都是影響超音波速的主要

根據物理學中的反射和透射定律，則不同的介質會有不同的音阻抗之特性，而有 不同的反射振幅(reflection wave amplitude, Ar)、透射振幅(transmission wave amplitude, At)反射率(reflection, R)，由下式表示[33]：

^{( 2 1 )}

A t =時間域上第二個反射波

RL為介質之衰減係數，衰減係數的單位為距離波的耗損分貝數(dB)。

以平面波來說，會造成衰減的主要原因係傳播介質的吸收(absorption)，以及 介質本身質量變化產生散射(scattering)。當有外在因素影響介質產生振動，都會 引起衰減，各材料衰減係數如表2-1 所示而衰減的原因分別有以下三項[33]:

吸收衰減：

超音波在經由介質的傳播時，由於介質本身的黏滯性在質點內產生摩擦，使 得一部分音波之能量轉換成熱能；在同一時間，由於超聲傳播過程，讓質點(或 分子)通過相互碰撞來傳遞能量的。而一般來說超音波在氣體和非均質的固體中 吸收影響衰減較大，在液體和均勻固體中吸收衰減的影響則較小。

散射衰減：

在結構物中，其內部含有較多的顆粒狀之介質或介質中含有較雜的粒子時 (如氣體中的塵埃、煙霧、液體中的氣泡、懸浮粒子或試固體中的顆粒結構、孔 隙、裂縫等)，對超音波的傳遞會造成影響，當音波傳播到這些粒子後，將產生 新的振源即向四周發射音波，使得音波之間互相干涉與疊加的結果，將產生衰 減，而此種現象稱之為散射衰減。對於由水泥砂漿、各種不同尺寸的石子、孔隙 及微裂縫組成的混凝土，對超音波散射衰減影響很大。

擴散衰減：

當超音波探投產生波動時，音波的傳遞會隨著傳播距離的增大，音束以球狀 前之形式不斷向外擴散，使得音束截面積內超音波的強度減弱，此現象稱之為擴 散衰減。擴散衰減取決於音波換能器的直徑與振動頻率，此衰減與波傳之波形和 距離有關，與傳播之介質無關。

2.4.4 波於三態中之衰減特性

由於氣體僅能承受壓應力，無法承受剪應力，因此氣體只能傳遞縱波。

一般而論，在一大氣壓與20°C 的環境中，頻率為 1 MHz 的波，在空氣介質之 的衰減係數約為12 nepers/m。由於黏滯現象、熱傳現象與熱弛滯現象，導致 氣體本身對波的吸收，氣體介質的波傳，僅限於較短的距離。

2. 液體：

波在液體中傳遞方式與氣體狀況相似，僅能以縱波形式傳遞波能。液中 波速隨溫度變化較氣體為複雜，在多數情況下，波速隨溫度升高而有降低趨 勢。此外，液體中的波速通常隨著壓力增大而增加。再者，在黏性液體(viscous liquid)或膠體(gel)波傳遞時，尚需考慮橫波的存在，對黏滯係數(η)較低的膠 體，橫波波速(Cs)與衰減係數(α)分別表示為：

2

C

= ρ (2-13)