超聲檢測(cè)第02講-波的類型

1、波的類型一、超聲波的分類方法我們?cè)谶M(jìn)行超聲波檢測(cè)的時(shí)候，相互之間溝通的時(shí)候，想要準(zhǔn)確的表達(dá)出超聲波的檢測(cè)方法，就需要我們掌握超聲波的分類方法。超聲波的分類方法很多，常見的分類方法有：按波型分類、按波形分類、按振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類，而且這幾種分類方法同樣適用于次聲波和聲波，下面我們逐個(gè)進(jìn)行介紹。二、超聲波的分類方法第一種是按波型分類，注意這里的“型”字是型式的型，不是形狀的形，要和第二種分類方法區(qū)別開。我們可以把不同型式的超聲波，理解成為不同品種的超聲波。根據(jù)波動(dòng)傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向相對(duì)于波的傳播方向的不同關(guān)系。可將波動(dòng)分為多種波型，在超聲檢測(cè)中主要應(yīng)用的波型有縱波、橫波、表面波和板波等。1.

2、縱波（用符號(hào)L表示）當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相平行的波，稱為縱波，用L表示； 縱波中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變拉壓應(yīng)力作用并產(chǎn)生伸縮形變，故縱波亦稱為壓縮波。而且，由于縱波中的質(zhì)點(diǎn)疏密相間，故又稱疏密波。這里有縱波的2個(gè)別名，要熟練掌握，各種理論考試中出現(xiàn)別名的幾率更大。（這里要和我們中學(xué)熟悉的波在細(xì)節(jié)上有所拓展，中學(xué)講了縱波的定義，但是沒有說縱波傳播的介質(zhì)。我們超聲檢測(cè)要應(yīng)用就必須熟悉各種波型適用的介質(zhì)，對(duì)于縱波來說）由于質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向與波的傳遞方向相同，凡是能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。固體介質(zhì)能承受拉伸或壓縮應(yīng)力，因此固體介質(zhì)可以傳播縱波。液體和氣體雖然不能承受拉伸應(yīng)力，但

3、能承受壓應(yīng)力產(chǎn)生的體積變化，因此液體和氣體介質(zhì)也可以傳播縱波。（或者說沿著波的傳遞方向能夠給質(zhì)點(diǎn)提供回到平衡位置運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)作用力）2.橫波 (用S或T表示)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相垂直的波，稱為橫波橫波中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力作用并產(chǎn)生切變形變，故橫波又稱切變波或剪切波。（這里液體和氣體質(zhì)點(diǎn)能沿著垂直于傳遞方向運(yùn)動(dòng)，但是與縱波不同的是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)后回不到平衡位置）只有固體介質(zhì)才能承受剪切應(yīng)力，液體和氣體介質(zhì)不能承受剪切應(yīng)力，故橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。3.表面波（用R表示）當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ǎQ為表面波。（這里說的交變

4、的含義就是由縱波與橫波矢量合成）表面波是瑞利在1887年首先提出來的，因此表面波又稱瑞利波。（由于表面波是縱波與橫波矢量合成，就具備橫波在介質(zhì)中傳播的特點(diǎn)，具體來說就是在固體表面?zhèn)鞑ィ┍砻娌ㄖ荒茉诠腆w表面?zhèn)鞑?。表面波的能量隨傳播深度的增加而迅速減弱。當(dāng)傳播深度超過兩倍波長(zhǎng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振幅就已經(jīng)很小了。（波長(zhǎng)在超聲波中就是毫米級(jí)別，具體來說，5MHz的縱波波長(zhǎng)為1.18mm）因此，一般認(rèn)為，表面波檢測(cè)只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)的缺陷。4.板波在板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟?，稱為板波。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。 (1)SH波是水平偏振的橫波在薄板中傳播的波。薄板中

5、各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當(dāng)于固體介質(zhì)表面中的橫波。(2)蘭姆波又分為對(duì)稱型(S型)和非對(duì)稱型(A型)（也是縱波與橫波矢量合成，也同樣具備橫波在介質(zhì)中傳播的特點(diǎn)）。板波只能在固體薄板中進(jìn)行傳播。具體各種波型傳播介質(zhì)與應(yīng)用的超聲檢測(cè)場(chǎng)合參考教材13頁(yè)表2-1。三、按波的形狀進(jìn)行分類波的形狀(波形)是指波陣面的形狀。那么什么是波陣面呢？波陣面是一個(gè)很多情況下難以肉眼觀察到的形狀，水波，繩波（繩子抖動(dòng)產(chǎn)生的波）是例外，大多數(shù)情況下是我們?nèi)藶橐?guī)定的理論形狀。我們先介紹幾個(gè)概念：波陣面:同一時(shí)刻，介質(zhì)中振動(dòng)相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)所連成的面稱為波陣面。波前:某一時(shí)刻，波動(dòng)所到達(dá)的空間各

6、點(diǎn)所連成的面稱為波前。波線:波的傳播方向稱為波線。（前面講波的傳遞方向，是按照理想情況單一質(zhì)點(diǎn)或單一振動(dòng)源來講，實(shí)際上振動(dòng)源是由無數(shù)質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成，波的傳遞方向不同形狀波源發(fā)散的也不同，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為是一根線）。由以上幾個(gè)概念的定義可知，波前是最前面的波陣面，是波陣面的特例。任意時(shí)刻，波前只有一個(gè)，而波陣面卻有很多。在各向同性的介質(zhì)中，波線恒垂直于波陣面或波前。根據(jù)波陣面形狀不同，可以把不同波源發(fā)出的波分為平面波、柱面波和球面波。1.平面波波陣面為互相平行的平面的波稱為平面波，平面波的波源為一平面；在純理論上，尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的剛性平面波源在各向同性的均勻介質(zhì)中輻射的波可視為平面波。平面波波束不擴(kuò)散，平

7、面波各質(zhì)點(diǎn)振幅是一個(gè)常數(shù)，不隨距離而變化。平面波的波動(dòng)方程為:圖1 平面波2.柱面波波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波的波源為一條線。（或者是柱形）長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的線狀波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為柱面波。柱面波波束向四周擴(kuò)散，柱面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離平方根成反比。柱面波的波函數(shù)為:圖2 柱面波3.球面波波陣面為同心球面的波稱為球面波。球面波的波源為一點(diǎn)。尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的點(diǎn)波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為球面波。球面波波束向四面八方擴(kuò)散，球面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離成反比。球面波的波動(dòng)方程為:圖3 球面波四、按照質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類根據(jù)波源振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，將波動(dòng)分為連續(xù)波和脈

8、沖波。（這里我們要詳細(xì)說一下持續(xù)時(shí)間，我們常見的水波和繩波，我們總覺得是連續(xù)不斷地。這其實(shí)是一種錯(cuò)誤，拉長(zhǎng)時(shí)間軸，短時(shí)間的水波也好繩波也好其實(shí)不是連續(xù)的。是否連續(xù)要看振動(dòng)源持續(xù)振動(dòng)的時(shí)間與實(shí)際考察時(shí)間的相對(duì)長(zhǎng)短。）1.連續(xù)波波源持續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波稱為連續(xù)波。 2.脈沖波波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短 (通常是微秒數(shù)量級(jí)，1s=10-6s)、間歇輻射的波稱為脈沖波。目前超聲檢測(cè)中廣泛采用的就是脈沖波。一個(gè)脈沖波可以分解為多個(gè)不同頻率的諧振波的疊加。五、頻譜分析將復(fù)雜振動(dòng)分解為諧振動(dòng)的方法，稱為頻譜分析。1 MHz脈沖波可由三個(gè)具有不同頻率的正弦連續(xù)波合成。圖4 頻譜分析頻帶寬度為峰值兩側(cè)幅度下降為峰值的一半時(shí)的兩點(diǎn)頻率值fl和fu之間的頻率范圍，簡(jiǎn)稱為帶寬或-6dB帶寬。（這里出現(xiàn)一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，就是波的