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材料检测中的超声波

目前这个主题探讨的主要是声音和可听声的基本性质。超声波的物理发生过程和可听声相同，但前者的振荡极快，以至于人耳无法听到。人耳的听觉极限大约在 0.02 MHz，而超声波检测所使用的频率范围大约介于 0.5 MHz 到 20 MHz 之间（1MHz = 每秒 1000 000 次振荡）。超声波的这种特性，即看不见、听不到并且无法通过其他任何手段被人类识别，的确给我们认识它的效果造成了困难，但这也有好处，我们可以在检测时选择极高的声强，以至于在可听到的范围内它可能达到让人无法忍受的程度。接下来让我们进一步了解一下超声波的振荡。无论是固体、液体还是气体，任何介质都可以发生振荡。如果振荡速度过快，以至于超出了人类的听觉范围，那么它们就被称为超声波。而实际发生振荡的是介质的微小粒子（可以将其想象成互相弹性连接在一起）。振荡类型是由介质的弹性性质以及导致介质振荡的脉冲所决定的。声波在介质中以声速 c 传播。我们可以将声音振荡看作材料粒子的运动 — 例如用与位置和时间相关的粒子偏差 = f (z, t)，或是随位置和时间发生的声压变化 p = f (z, t) 来描述。在谈论材料检测中的声压时，我们指的是会随着振荡而变化的声压。声压十分重要，因为由压电板所生成的电势 U = f (z, t) 和发生碰撞的声波的声压直接成正比，反之亦然。图 14 展示了声音在液体、气体和固体介质中的传播。粒子会朝着波传播的方向振荡。这种振荡类型被称为纵波。排列紧密的粒子意味着偏差较小，因此粒子速度和声压较高。如果剪切力可以在介质（大部分情况为固体）中传导，那么粒子还可以在波传播方向上进行横向振动，这就是它们被称为横波（图 15）的原因。但是只有当介质无限时才会发生这种理想的情况。如果在检测期间，反射发生在检测样品（例如板材、棒材）的外边界位置，那么就会产生复杂的混合波：板材波、棒材波（图 16）以及表面波。适用于纯纵波和横波的等式不适用于它们。所有这些类型的波可能会同时出现在检测样品中，它们使得指标解读变得更加困难。材料检测中最重要的超声波物理参数有：