不銹鋼管超聲波物理基礎之振動及波的相關物理量和機械波介紹

  超聲波是由機械振動引起、在介質(zhì)中沿一定方向傳播的一種機械波針對超聲波自身特性和在各類常見介質(zhì)中傳播時的特點進行基本把握，有助于我們正確應用超聲探傷技術、解決實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的反射、折射定律及波型轉(zhuǎn)換，以及物理聲學中波的疊加、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、超聲波物理特性以及探傷規(guī)范相關基礎內(nèi)容。

一、振動及波的相關物理量

 物體沿直線或曲線在某一平衡位置附近做周期性往復運動，稱為機械振動。日常生活中隨處可見振動現(xiàn)象，如鐘擺的往復運動、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)點經(jīng)歷一次完整振動時波所傳播的距離，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)點在1s內(nèi)進行全振動的次數(shù)，通常用f表示，單位為Hz（赫茲）；周期，質(zhì)點次全振動所需的時間，通常用T表示，單位為s（秒）；振幅，質(zhì)點離開平位置的最大距離，通常用A表示。

 上述波長、波速、頻率三者之間關系為：λ= c/f  由上式可知，頻率一定時，波速越大，波長就越長；而波速一定時，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弱。

二、機械波

 振動在介質(zhì)或空間中的傳播過程叫作波動，簡稱波，可分為機械波與電磁波兩種。本書中僅涉及機械波振動在彈性介質(zhì)中的傳播稱為機械波，如固體、液體、氣體均可視為彈性介質(zhì)。機械波的頻率范圍很寬，從10-4Hz到102Hz，跨越16個數(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)的機械波稱為聲波，當聲波頻率低于20Hz時，稱為次聲波；當聲波頻率于20000Hz時，稱為超聲波。

  為簡單闡述機械波是如何產(chǎn)生和傳播的，建立如圖所彈性介質(zhì)模型。圖中質(zhì)點間以小彈簧連接在一起，這種質(zhì)點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A產(chǎn)生作用，A偏離均衡點，此時附近質(zhì)點將對A產(chǎn)生力的作用，迫使其回到均衡點。而當A回到均衡點時，其他質(zhì)點對其不產(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，反而繼續(xù)向前方運動，并沿相反方向離開均衡點。一旦離開均衡點，A又會受到附近質(zhì)點對它相反的彈性力，使A再次回到均衡點。導致質(zhì)點A在均衡點來回往復產(chǎn)生振動。與此同時，A附近的質(zhì)點也會受到同樣力的作用使它們離開均衡點，并在各自的均衡點附近運動。這樣彈性介質(zhì)中單一質(zhì)點的振動引起鄰近質(zhì)點的振動，鄰近質(zhì)點的振動又會引起更遠質(zhì)點的振動最終由近及遠地向各個方向傳播，從而形成機械波。

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