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。
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