超聲波在不同介質(zhì)界面處的反射、折射和透射情況是進行超聲探傷的重要物理基礎(chǔ)。聲波能量經(jīng)界面時的聲壓聲強變化主要取決于兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗。
1. 超聲波垂直人射到兩種介質(zhì)界面處的反射透射情況
當超聲波垂直入射于兩種不同聲阻抗介質(zhì)的界面時，其反射波按入射波相反的路徑返回，透射波垂直進入第二種介質(zhì)。假設超聲波所處介質(zhì)聲阻抗為Z1,人射聲強為I0,入射聲壓為P0,反射聲強為Ir,反射聲壓為Pr;另一種介質(zhì)聲阻抗為Z2,透射聲強為It,透射聲壓為Pt.令聲阻抗比m=Z1/Z2,可得：
聲壓視為平面上單位面積所受的力，那么平面兩側(cè)的力應當平衡，故聲壓變化有P0+Pr=Pt.結(jié)合聲壓反射、透射系數(shù)，有
類似地，聲強在界面兩側(cè)應滿足能量守恒定律，所以有Io=Ir+It,如果把聲強反射率（R)定義為Ir/I0,聲強透射率（D)定義為It/I0,則有：
實際檢測中，常用到自發(fā)自收探頭，例如對鋼板進行檢測時，認為聲波垂直入射進人鋼板內(nèi)部，透射波到達底部后，聲壓在鋼板／空氣界面被完全反射，然后垂直返回，被探頭接收。探頭接收到的返回聲壓P't與人射聲壓P0之比稱為聲壓往復透過率，常用符號Tp表示。
所以
對比聲強透射率D和聲壓往復透過率Tp,可知兩者在數(shù)值上相等。
超聲波垂直入射于不同聲阻抗介質(zhì)的界面，有以下四種反射和透射情況。
a. Z1<Z2
若聲波從水中入射到鋼中，水的聲阻抗為Z1=1.5×106kg/(㎡·s),鋼的聲阻抗為Z2=46×106kg/(㎡·s),水／鋼界面上的
圖2.9表示從水入射到鋼時，聲壓在兩側(cè)的分布。當聲波從聲阻抗小的介質(zhì)人射到聲阻抗大的介質(zhì)時，反射聲壓較入射聲壓略低，而透射聲壓高于入射聲壓，且等于兩者之和。由聲強透射率D的大小可知入射聲強中只有12.24%的能量進入鋼中。
b. Z1>Z2
若聲波從鋼入射到水中，此時界面的聲壓反射系數(shù)
圖2.10表示從鋼入射到水時，兩側(cè)的聲壓分布。當聲波從聲阻抗較大的介質(zhì)入射到較小的介質(zhì)時，反射聲壓較入射聲壓略低；而透射聲壓因入射聲壓與反射聲壓相位相反，其數(shù)值也較小。計算得知入射聲強中同樣有12.24%的能量進入水中。
c. Z1 ＞ Z2
當聲波從聲阻抗高的固體入射到空氣中，例如從鋼中入射到空氣中，就屬于這種情況，此時Z1(鋼）＝46×106kg/(㎡·s),Z2(空氣）＝0.0004×106kg/(㎡·s),可計算聲壓反射系數(shù)
此時，聲波在界面處幾乎全部被反射，無法透射到空氣中，因此，當超聲波探頭與粗糙待測件表面接觸，如果不加耦合劑，就相當于探頭與待測件表面間有一層空氣，導致聲波能量無法透射到待測件中，無法進行探傷。
d. Z1≈Z2
當聲波從兩種聲阻抗相近的介質(zhì)界面經(jīng)過時，例如普通碳鋼焊縫金屬與母材金屬之間，聲阻抗相差僅1%,此時，界面的聲壓反射系數(shù)
此時，在界面處反射聲壓極小，而透射聲壓幾乎與入射聲壓相同；聲波能量幾乎全部透射到第二種介質(zhì)中。
2. 超聲波斜入射到兩種介質(zhì)界面處的反射折射情況
當超聲波以一定角度斜入射到兩種介質(zhì)界面時，會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，且遵循反射和折射定律。一定條件下，還會發(fā)生波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。
a. 超聲縱波斜入射
當超聲縱波斜入射到兩種介質(zhì)界面時，反射波和折射波的傳播方向符合反射定律、折射定律，如圖2.11所示，即
由式（2.4)可知，在同一介質(zhì)中聲波縱波波速不變，因此縱波反射角與縱波入射角相等，即αL=γL,同時，同一介質(zhì)中縱波聲速大于橫波聲速，因此縱波反射角大于橫波反射角，縱波折射角大于橫波折射角，即γL>γs,βL>βs.
當αL增加時，βL也增加，增加到一定程度時，βL=90°,這時所得縱波入射角稱為第一臨界角，常用aI表示。當αL>αI時，第二介質(zhì)中既有折射縱波L,又有折射橫波S.
當αL增加時，βs也增加，增加到一定程度時，βs=90°,這時所得縱波入射角稱為第二臨界角，常用aII表示。當αI<αL<aII時，第二介質(zhì)中沒有折射縱波L,只有折射橫波S,這種情況也是橫波探頭的制作原理。
b. 超聲橫波斜入射
當橫波以一定角度入射到兩種固體界面時，也會出現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換，如圖2.12所示。
同樣地，橫波斜入射也符合反射、折射定律：
橫波斜入射時，隨著αs增加，yL=90°時，所對應的橫波人射角αs為第三臨界角，常用αIII表示，橫波入射角大于第三臨界角時，產(chǎn)生橫波全反射現(xiàn)象。
