超声波在材料检测中的应用

这个主题针对声音和可听声的基本性质进行探讨。

在物理上，超声波与可听声的发生过程是相同的，区别是前者振荡的频率极高，超出了人耳的听觉范围。人耳的听觉极限约在0.02 MHz，而超声波检测常用的频率范围约在0.5 MHz到20 MHz之间。这种特性使超声波既无法被人类通过听觉识别，也无法通过其他手段感知。这给认识和利用超声波带来了一定的困难，但也有其独特的优势，例如：我们可以在检测过程中选择极高的声强，尽管在可听范围内它可能达到让人无法忍受的程度。

接下来，我们进一步了解超声波的振荡。无论固体、液体还是气体，任何介质都可以发生振荡。当振荡速度超过人耳的听觉范围时，它们就被称为超声波。这些振荡是由介质中的微小粒子（可以想象成它们弹性地连接在一起）产生的。振荡的类型由介质的弹性性质以及导致介质振荡的脉冲决定。

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运动，用与位置和时间相关的粒子偏差=f(z,t)，或随位置和时间发生的声压变化p=f(z,t)来描述。在材料检测中，声压被认为是会随着震荡而改变的声压，是一个关键参数。这是因为它与压电板产生的电势U = f (z, t)以及发生碰撞的声波的声压直接成正比，反之同理。

图14展示了声音在液体、气体和固体介质中的传播。当粒子朝着波传播的方向振荡，我们将这种振荡被称为纵波。排列紧密的粒子导致偏差较小，因此粒子速度和声压较高。如果剪切力可以在固体介质（大部分情况下）中传导，那么粒子还可以在波传播方向上进行横向振动，这种振荡被称为横波。然而，只有当介质无限时才会发生这种理想的情况。

在检测过程中，如果反射发生在检测样品（例如板材、棒材）的外边界位置，就会产生复杂的混合波：板材波、棒材波（如图16所示）以及表面波。适用于纯纵波和横波的等式不适用于这些复杂的混合波。所有这些类型的波可能会同时出现在检测样品中，这使得对检测结果的解读更加困难。