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超声波与次超声波的区别!

超声波是一种机械波,机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。超声波探伤中,主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概念。如几何声学中的反射、折射定律及波型转换,物理声学中波的叠加、干涉、绕射及惠更斯原理等。深入理解几何声学和物理声学中的有关概念,掌握其中的基本定律,对于灵活运用超声波理论去解决实际探伤中的各种问题无疑是十分有益的。

一、振动
1.振动的一般概念
物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动,称为机械振动。
日常生活中到处可以见到振动现象,如弹簧振子的运动、钟摆的运动和汽缸中活塞运动等都是可以直接觉察到的振动现象。另外,如固体分子的热运动,一切发声物体的运动以及超声波波源的运动等则是人们难以觉察到的振动现象。

物体(或质点)受到一定力的作用,将离开平衡位置,产生一个位移,该力消失后,它将回到其平衡位置;并且还要越过平衡位置移到相反方向的最大位移位置,然后返回平衡位置。这样一个完整运动过程称为一个“循环”或叫一次“全振动”。

2.谐振动
最简单最基本的直线强动称为谐振动。任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。
谐振动的特点是:物体受到的回复力大小与位移成正比,其方向总是指向平衡位置。如弹簧振子的振动,单摆与音叉的振动等。谐振物体的振幅不变,为自由振动,其频率为固有频率。由于物体做谐振动时,只有弹性力或重力做功,其它力不做功,符合机械能守恒的条件,因此谐振物体的能量遵守机械能守恒。在平衡位置时动能最大势能为零,在位移最大位置时势能最大动能为零,其总能量保持不变。

3.阻尼振动
谐振动是理想条件下的振动,即不考虑摩擦和其它阻力的影响。但任何实际物体的振动,总要受到阻力的作用。由于克服阻力做功,振动物体的能量不断减少。同时,由于在振动传播过程中,伴随着能量的传播,也使振动物体的能量不断地减少。这种振幅或能量随时间不断减少的振动称为阻尼振动。

4.受迫振动
受迫振动是物体受到周期性变化的外力作用时产生的振动。如缝纫机上缝针的振动,汽缸中活塞的振动和扬声器中纸盆的振动等。

二、波动
1.机械波的产生与传播
振动的传播过程,称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。

机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。如水波、声波、超声波等。

由此可见,产生机械波必须具备以下两个条件:

(1)要有作机械振动的波源。
(2)要有能传播机械振动的弹性介质

2.波长、频率和波速
(1)波长λ:同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离,称为波长,用λ表示。波源或介质中任意一质点完成一次全振动,波正好前进一个渡长的距离。波长的常用单位为毫米(mm)。米(m)。

(2)频率f:波动过程中,任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数,称为波动频率。波动频率在数值上同振动频率,用单位表示,单位为赫兹(HZ)。

(3)波速C:波动中,波在单位时间内所传播的距离称为波速,用C表示。常用单位为米/秒

三、次声波、声波和超声波
1.次声、声波和超声波的划分
次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波,在同一介质中的传播速度相同。它们的区别主要在于频率不同。

2.超声波的应用
超声探伤所用的频率一般在0.5~10MHz之间,对钢等金属材料的检验,常用的频率为1~5MHz。超声波波长很短,由此决定了超声波具有一些重要特性,使其能广泛用于无损探伤。

(1)超声波方向性好:超声波是频率很高、波长很短的机械波,在无损探伤中使用的波长为毫米数量级。超声波像光波一样具有良好的方向性,可以定向发射,犹如一束手电筒灯光可以在黑暗中寻找到所需物品一样在被检材料中发现缺陷。

(2)越声波能量高:超声波探伤频率远高于声波,而能量(声强)与频率平方成正比。因此超声波的能量远大于声波的能量。如1MHz的超声波的能量相当于1kHz的声波的100万倍。

(3)能在界面上产生反射、折射和波型转换;在超声波探伤中。特别是在超声波脉冲反射法探伤中,利用了超声波具有几何声学的一些特点,如在介质中直线传播,遇界面产生反射、折射和波型转换等。

(4)超声波穿透能力强:超声波在大多数介质中传播时,传播能量损失小,传播距离大,穿透能力强。在一些金属材料中其穿透能力可达数米。这是其他探伤手段所无法比拟的。

超声波除用于无损探伤外,还可以用于机械加工,如加工红宝石、金刚石、陶瓷石英、玻璃等硬度特别高的材料;可以用于焊接,如焊接钛、钍、锝等难焊金属。此外,在化学工业上可利用超声波作催化剂,在农业上可利用超声波促进种子发芽,在医学上可利用超声波进行诊断、消毒等。

3.次声波的应用
次声波的频率很低,波长很长,绕射能力强,传播衰减小、距离远。在大自然的许多活动中伴随着次声波的发生,例如地震、台风、火山爆发、核爆炸、火箭起飞等。次声波近似平面波,沿着与地球表面平行的方向传播。次声波在气象学、海洋学、地震学和地质勘探等方面得到应用。


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