超聲波在材料檢測中的應用

這個主題針對聲音和可聽聲的基本性質(zhì)進行探討。

在物理上，超聲波與可聽聲的發(fā)生過程是相同的，區(qū)別是前者振蕩的頻率極高，超出了人耳的聽覺范圍。人耳的聽覺極限約在0.02 MHz，而超聲波檢測常用的頻率范圍約在0.5 MHz到20 MHz之間。這種特性使超聲波既無法被人類通過聽覺識別，也無法通過其他手段感知。這給認識和利用超聲波帶來了一定的困難，但也有其獨特的優(yōu)勢，例如：我們可以在檢測過程中選擇極高的聲強，盡管在可聽范圍內(nèi)它可能達到讓人無法忍受的程度。

接下來，我們進一步了解超聲波的振蕩。無論固體、液體還是氣體，任何介質(zhì)都可以發(fā)生振蕩。當振蕩速度超過人耳的聽覺范圍時，它們就被稱為超聲波。這些振蕩是由介質(zhì)中的微小粒子（可以想象成它們彈性地連接在一起）產(chǎn)生的。振蕩的類型由介質(zhì)的彈性性質(zhì)以及導致介質(zhì)振蕩的脈沖決定。

聲波在介質(zhì)中以聲速c傳播。我們可以將聲音振蕩看作材料粒子運動，用與位置和時間相關(guān)的粒子偏差=f(z,t)，或隨位置和時間發(fā)生的聲壓變化p=f(z,t)來描述。在材料檢測中，聲壓被認為是會隨著震蕩而改變的聲壓，是一個關(guān)鍵參數(shù)。這是因為它與壓電板產(chǎn)生的電勢U = f (z, t)以及發(fā)生碰撞的聲波的聲壓直接成正比，反之同理。

圖14展示了聲音在液體、氣體和固體介質(zhì)中的傳播。當粒子朝著波傳播的方向振蕩，我們將這種振蕩被稱為縱波。排列緊密的粒子導致偏差較小，因此粒子速度和聲壓較高。如果剪切力可以在固體介質(zhì)（大部分情況下）中傳導，那么粒子還可以在波傳播方向上進行橫向振動，這種振蕩被稱為橫波。然而，只有當介質(zhì)無限時才會發(fā)生這種理想的情況。

在檢測過程中，如果反射發(fā)生在檢測樣品（例如板材、棒材）的外邊界位置，就會產(chǎn)生復雜的混合波：板材波、棒材波（如圖16所示）以及表面波。適用于純縱波和橫波的等式不適用于這些復雜的混合波。所有這些類型的波可能會同時出現(xiàn)在檢測樣品中，這使得對檢測結(jié)果的解讀更加困難。