不銹鋼管超聲波物理基礎(chǔ)之振動(dòng)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(dòng)引起、在介質(zhì)中沿一定方向傳播的一種機(jī)械波針對(duì)超聲波自身特性和在各類(lèi)常見(jiàn)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(cè)過(guò)程中的各種問(wèn)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(wú)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(dòng)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(dòng)，稱為機(jī)械振動(dòng)。日常生活中隨處可見(jiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，如鐘擺的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、旗幟的擺動(dòng)、聲帶的振動(dòng)等。常見(jiàn)的表征振動(dòng)的參數(shù)有：波長(zhǎng)，任一質(zhì)點(diǎn)經(jīng)歷一次完整振動(dòng)時(shí)波所傳播的距離，通常用符號(hào)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(hào)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(dòng)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(dòng)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(kāi)平位置的最大距離，通常用A表示。

 上述波長(zhǎng)、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(zhǎng)就越長(zhǎng)；而波速一定時(shí)，率越低，波長(zhǎng)就越長(zhǎng)。周期和頻率描述的是振動(dòng)的快慢，兩者大小與周期互為倒數(shù)。振幅描述的是振動(dòng)的強(qiáng)弱。

二、機(jī)械波

 振動(dòng)在介質(zhì)或空間中的傳播過(guò)程叫作波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波，可分為機(jī)械波與電磁波兩種。本書(shū)中僅涉及機(jī)械波振動(dòng)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(jí)其中人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)所能感知的范圍在20~20000Hz。人們把能牽動(dòng)聽(tīng)覺(jué)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)停留在均衡點(diǎn)，反而繼續(xù)向前方運(yùn)動(dòng)，并沿相反方向離開(kāi)均衡點(diǎn)。一旦離開(kāi)均衡點(diǎn)，A又會(huì)受到附近質(zhì)點(diǎn)對(duì)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(lái)回往復(fù)產(chǎn)生振動(dòng)。與此同時(shí)，A附近的質(zhì)點(diǎn)也會(huì)受到同樣力的作用使它們離開(kāi)均衡點(diǎn)，并在各自的均衡點(diǎn)附近運(yùn)動(dòng)。這樣彈性介質(zhì)中單一質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起更遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)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(dòng)形式在介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)，提到了機(jī)械波傳播所必需的兩個(gè)條件：做機(jī)械振動(dòng)的波源和能夠傳播機(jī)械振動(dòng)的介質(zhì)。振動(dòng)與波動(dòng)是相互關(guān)聯(lián)的，振動(dòng)產(chǎn)生波動(dòng)，而波動(dòng)是振動(dòng)的傳播。波動(dòng)時(shí)介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)會(huì)在各自的平衡位置附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并不隨波前進(jìn)，在波動(dòng)中由各質(zhì)點(diǎn)的位移連續(xù)變化將振動(dòng)能量傳播出去。