不銹鋼管超聲波物理基礎(chǔ)之振動及波的相關(guān)物理量和機(jī)械波介紹

  超聲波是由機(jī)械振動引起、在介質(zhì)中沿一定方向傳播的一種機(jī)械波針對超聲波自身特性和在各類常見介質(zhì)中傳播時(shí)的特點(diǎn)進(jìn)行基本把握，有助于我們正確應(yīng)用超聲探傷技術(shù)、解決實(shí)際檢測過程中的各種問題。在超聲探傷中，常常涉及部分幾何聲學(xué)的反射、折射定律及波型轉(zhuǎn)換，以及物理聲學(xué)中波的疊加、干涉和衍射等規(guī)律或概念。至德鋼業(yè)本次主要介紹不銹鋼管缺陷探傷中的常用無損探傷技術(shù)、超聲波物理特性以及探傷規(guī)范相關(guān)基礎(chǔ)內(nèi)容。

一、振動及波的相關(guān)物理量

 物體沿直線或曲線在某一平衡位置附近做周期性往復(fù)運(yùn)動，稱為機(jī)械振動。日常生活中隨處可見振動現(xiàn)象，如鐘擺的往復(fù)運(yùn)動、旗幟的擺動、聲帶的振動等。常見的表征振動的參數(shù)有：波長，任一質(zhì)點(diǎn)經(jīng)歷一次完整振動時(shí)波所傳播的距離，通常用符號λ表示，單位為m（米）；波速，波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離，通常用符號c表示，單位為m/s（米/秒）；頻率，質(zhì)點(diǎn)在1s內(nèi)進(jìn)行全振動的次數(shù)，通常用f表示，單位為Hz（赫茲）；周期，質(zhì)點(diǎn)次全振動所需的時(shí)間，通常用T表示，單位為s（秒）；振幅，質(zhì)點(diǎn)離開平位置的最大距離，通常用A表示。

 上述波長、波速、頻率三者之間關(guān)系為：λ= c/f  由上式可知，頻率一定時(shí)，波速越大，波長就越長；而波速一定時(shí)，率越低，波長就越長。周期和頻率描述的是振動的快慢，兩者大小與周期互為倒數(shù)。振幅描述的是振動的強(qiáng)弱。

二、機(jī)械波

 振動在介質(zhì)或空間中的傳播過程叫作波動，簡稱波，可分為機(jī)械波與電磁波兩種。本書中僅涉及機(jī)械波振動在彈性介質(zhì)中的傳播稱為機(jī)械波，如固體、液體、氣體均可視為彈性介質(zhì)。機(jī)械波的頻率范圍很寬，從10-4Hz到102Hz，跨越16個(gè)數(shù)量級其中人類聽覺所能感知的范圍在20~20000Hz。人們把能牽動聽覺神經(jīng)的機(jī)械波稱為聲波，當(dāng)聲波頻率低于20Hz時(shí)，稱為次聲波；當(dāng)聲波頻率于20000Hz時(shí)，稱為超聲波。

  為簡單闡述機(jī)械波是如何產(chǎn)生和傳播的，建立如圖所彈性介質(zhì)模型。圖中質(zhì)點(diǎn)間以小彈簧連接在一起，這種質(zhì)點(diǎn)間以彈性力連接在起的介質(zhì)稱為彈性介質(zhì)。外力F首先對質(zhì)點(diǎn)A產(chǎn)生作用，A偏離均衡點(diǎn)，此時(shí)附近質(zhì)點(diǎn)將對A產(chǎn)生力的作用，迫使其回到均衡點(diǎn)。而當(dāng)A回到均衡點(diǎn)時(shí)，其他質(zhì)點(diǎn)對其不產(chǎn)生作用，但是由于慣性的存在，A具有一定的速度，不會停留在均衡點(diǎn)，反而繼續(xù)向前方運(yùn)動，并沿相反方向離開均衡點(diǎn)。一旦離開均衡點(diǎn)，A又會受到附近質(zhì)點(diǎn)對它相反的彈性力，使A再次回到均衡點(diǎn)。導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)A在均衡點(diǎn)來回往復(fù)產(chǎn)生振動。與此同時(shí)，A附近的質(zhì)點(diǎn)也會受到同樣力的作用使它們離開均衡點(diǎn)，并在各自的均衡點(diǎn)附近運(yùn)動。這樣彈性介質(zhì)中單一質(zhì)點(diǎn)的振動引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動又會引起更遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動最終由近及遠(yuǎn)地向各個(gè)方向傳播，從而形成機(jī)械波。

  超聲波是一種以波動形式在介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動，提到了機(jī)械波傳播所必需的兩個(gè)條件：做機(jī)械振動的波源和能夠傳播機(jī)械振動的介質(zhì)。振動與波動是相互關(guān)聯(lián)的，振動產(chǎn)生波動，而波動是振動的傳播。波動時(shí)介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)會在各自的平衡位置附近做往復(fù)運(yùn)動，并不隨波前進(jìn)，在波動中由各質(zhì)點(diǎn)的位移連續(xù)變化將振動能量傳播出去。