超聲波折射現象是不少超聲波儀器背后的工作原理，超聲波流量傳感器/超聲波流量計之所以能夠運作，依靠的也正是超聲波折射現象。超聲波折射現象到底是什么呢？本文將為您解密超聲波折射的定義，超聲波折射角的計算方法，并展示超聲波折射現象的模擬圖及視頻。
 
超聲波折射現象
 
當超聲波以傾斜角度穿過不同聲速的介質之間的界面時會發生折射（波束彎曲）。在光線的傳播中也可以觀察到相同的現象。
 
折射波傳播角度的計算
 
折射波傳播角度可以使用斯涅爾定律計算。斯涅爾定律描述了超聲波在不同介質中的速度（c1，c2）和傳播角（θ1，θ2）之間的關系，如下圖和方程所示。
 
超聲波折射角的計算示例
 
例如，當超聲波穿過亞克力塑料板和水之間的界面時，可以使用斯涅爾定律計算折射角。亞克力塑料的聲速為2670 m/s，水的聲速為1496 m/s。 當入射角θ1為45度時，折射角θ2計算為23.3度。
 
折射現象與部分超聲波設備的工作原理
 
諸多超聲波設備利用聲束折射進行測量和過程控制，例如用于非侵入式流量監測的外夾式超聲波流量傳感器/超聲波流量計，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果，以呈現超聲波折射的過程：
 
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。
 
當超聲波探頭在其諧振頻率下被短電壓脈沖激發時，它會振動并產生超聲波。 超聲波首先在亞克力板中傳播，在此過程中，超聲波聲束保持相同的傳播方向，但在當聲波抵達亞克力與水之間的界面處后，可以清楚地觀察到折射。超聲波波長在從亞克力進入水中后也會變短，因為水的聲速較低。
 
您也可以觀看下方視頻，了解超聲波折射現象的二維有限元模擬的全部過程。