應用 | 超聲波與次超聲波你知道多少？
超聲波是一種機械波，機械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎。超聲波探傷中，主要涉及到幾何聲學和物理聲學中的一些基本定律和概念。如幾何聲學中的反射、折射定律及波型轉換，物理聲學中波的疊加、干涉、繞射及惠更斯原理等。深入理解幾何聲學和物理聲學中的有關概念，掌握其中的基本定律，對於靈活運用超聲波理論去解決實際探傷中的各種問題無疑是十分有益的。
振動與波
宇宙間的一切物質，大至宏觀天體，小至微觀粒子都處於一定的運動狀態，振動和波動是物質運動的基本形式
一、振動
1．振動的一般概念
物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往複周期性的運動，稱為機械振動。
日常生活中到處可以見到振動現象，如彈簧振子的運動、鐘擺的運動和汽缸中活塞運動等都是可以直接覺察到的振動現象。另外，如固體分子的熱運動，一切發聲物體的運動以及超聲波波源的運動等則是人們難以覺察到的振動現象。
物體(或質點)受到一定力的作用，將離開平衡位置，產生一個位移，該力消失後，它將回到其平衡位置；並且還要越過平衡位置移到相反方向的最大位移位置，然後返回平衡位置。這樣一個完整運動過程稱為一個「循環」或叫一次「全振動」。
振動是，往複、周期性的運動，振動的快慢常用振動周期和振動頻率兩個物理量來描述。
周期T——振動物體完成一次全振動所需要的時間，稱為振動周期，用T表示。常用單位為秒(s)。
頻率f——振動物體在單位時間內完成全振動的次數，稱為振動頻率，用f表示。常用單位為赫茲(Hs)，1赫茲表示1秒鐘內完成全振動，即1Hs=1次/秒。此外還有千赫(KHz),兆赫(MHz)。1kHz=103Hz,1MHz 由周期和頻率的定義可知，二者互為倒數。T=l/f
如某人說話的頻率f=1000Hz，表示其聲帶振動為1000次/秒，聲帶振動周期T=1/f=1/1000=0.001秒。
2.諧振動
最簡單最基本的直線強動稱為諧振動。任何複雜的振動都可視為多個諧振動的合成。
諧振動的特點是：物體受到的回復力大小與位移成正比，其方向總是指向平衡位置。如彈簧振子的振動，單擺與音叉的振動等。諧振物體的振幅不變，為自由振動，其頻率為固有頻率。由於物體做諧振動時，只有彈性力或重力做功，其它力不做功，符合機械能守恆的條件，因此諧振物體的能量遵守機械能守恆。在平衡位置時動能最大勢能為零，在位移最大位置時勢能最大動能為零，其總能量保持不變。
3.阻尼振動
諧振動是理想條件下的振動，即不考慮摩擦和其它阻力的影響。但任何實際物體的振動，總要受到阻力的作用。由於克服阻力做功，振動物體的能量不斷減少。同時，由於在振動傳播過程中，伴隨著能量的傳播，也使振動物體的能量不斷地減少。這種振幅或能量隨時間不斷減少的振動稱為阻尼振動。
諧振動是無阻尼振動，其振幅與周期不變。阻尼振動的振幅不斷減少，而周期卻不斷增大。阻尼振動受到阻力作用，不符合機械能守恆。
4.受迫振動
受迫振動是物體受到周期性變化的外力作用時產生的振動。如縫紉機上縫針的振動，汽缸中活塞的振動和揚聲器中紙盆的振動等。
受迫振動剛開始時情況很複雜，經過一段時間後達到穩定狀態，變為周期性的諧振動。其振動頻率與策動力頻率相同，振幅保持不變。
受迫振動的振幅與策動力的頻率有關，當策動力頻率P與受迫振動物體固有頻率w。相同時，受迫振動的振幅達最大值。這種現象稱為共振。
受迫振動物體受到策動力作用，不符合機械能守恆。
超聲波探頭中的壓電晶片在發射超聲波時，一方面在高頻電脈衝激勵下產生受迫振動，另一方面在起振後受到晶片背面吸收塊的阻尼作用，因此又是阻尼振動。壓電晶片在接收超聲波時同樣產生受迫振動和阻尼振動。在設計探頭中的壓電晶片時，應使高頻電脈衝的頻率等於壓電晶片的固有頻率；從而產生共振，這時壓電晶片的電聲能量轉換效率最高。
二、波動
1.機械波的產生與傳播
振動的傳播過程，稱為波動。波動分為機械波和電磁波兩大類。
機械波是機械振動在彈性介質中的傳播過程。如水波、聲波、超聲波等。
電磁波是交變電磁場在空間的傳播過程。如無線電波、紅外線、可見光、紫外線、又射線、y射線等。
由於這裡研究的超聲波是機械波，因此下面只討論機械波。
當外力F作用於質點A時，A就會離開平衡位置，這時A周圍的質點將對A產生彈性力使A回到平衡位置。當A回到平衡位置時。具有一定的速度，由於慣性A不會停在平衡位置，而會繼續向前運動，並沿相反方向離開平衡位置，這時A又會受到反向彈性力，使A又回到平衡位置，這樣質點A在平衡位置來回往複運動，產生振動。與此同時，A周圍的質點也會受到大小相等方向相反的彈性力的作用，使它們離開平衡位置，並在各自的平衡位置附的振動。這樣彈性介質中一個質點的振動就會引起鄰近質點的振動，鄰近質點的振動又會引起較遠質點的振動，於是振動就以一定的速度由近及遠地向各個方向傳播開來，從而就形成了機械波。
由此可見，產生機械波必須具備以下兩個條件：
(1)要有作機械振動的波源。
(2)要有能傳播機械振動的彈性介質
振動與波動是互相關聯的，振動是產生波動的根源，波動是振動狀態的傳播。波動中介質各質點並不隨波前進，只是以交交的振動速度在各自的平衡位置附近往複運動。
波動是振動狀態的傳播過程，也是振動能量的傳播過程。但這種能量的傳播，不是靠物質的遷移來實現的，也不是靠相鄰質點的彈性碰撞來完成的，而是由各質點的位移連續變化來逐漸傳遞出去的，猶如人們傳遞磚塊一樣。
2.波長、頻率和波速
(1)波長λ：同一波線上相鄰兩振動相位相同的質點間的距離，稱為波長，用λ表示。波源或介質中任意一質點完成一次全振動，波正好前進一個渡長的距離。波長的常用單位為毫米(mm)。米(m)。
(2)頻率f：波動過程中，任一給定點在1秒鐘內所通過的完整波的個數，稱為波動頻率。波動頻率在數值上同振動頻率，用單位表示，單位為赫茲(HZ)。
(3)波速C：波動中，波在單位時間內所傳播的距離稱為波速，用C表示。常用單位為米/秒(m/s)或千米/秒(km/s)。
由波速，波長和頻率的定義可得：
C=λf或λ=C/f
由上式可知，波長與波速成正比，與頻率成反比。當頻率一定時，波速愈大，波長就愈長；當波速一定時，頻率愈低，波長就愈長。
三、次聲波、聲波和超聲波
1.次聲、聲波和超聲波的劃分
次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質中傳播的機械波，在同一介質中的傳播速度相同。它們的區別主要在於頻率不同。
人們日常所聽到的各種聲音，是由於各種聲源的搬動通過空氣等彈性介質傳播到耳膜引起的耳膜振動，牽動昕覺神經，產生聽覺，但並不是任何頻率的機械振動都能引起聽覺，只有當頻率在一定的範圍內的搬動才能引起聽覺。人們把能引起聽覺的機械波稱為聲波，頻塞在20～20000Hz之間。頻率低於20Hz的機械波稱為次聲波。頻率高於20000Hz的機械波稱為超聲波。次聲波、超聲波不可聞。
2.超聲波的應用
超聲探傷所用的頻率一般在0.5～10MHz之間，對鋼等金屬材料的檢驗，常用的頻率為1～5MHz。超聲波波長很短，由此決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛用於無損探傷。
(1)超聲波方向性好：超聲波是頻率很高、波長很短的機械波，在無損探傷中使用的波長為毫米數量級。超聲波像光波一樣具有良好的方向性，可以定向發射，猶如一束手電筒燈光可以在黑暗中尋找到所需物品一樣在被檢材料中發現缺陷。
(2)越聲波能量高：超聲波探傷頻率遠高於聲波，而能量(聲強)與頻率平方成正比。因此超聲波的能量遠大於聲波的能量。如1MHz的超聲波的能量相當於1kHz的聲波的100萬倍。
(3)能在界面上產生反射、折射和波型轉換；在超聲波探傷中。特別是在超聲波脈衝反射法探傷中，利用了超聲波具有幾何聲學的一些特點，如在介質中直線傳播，遇界面產生反射、折射和波型轉換等。
(4)超聲波穿透能力強：超聲波在大多數介質中傳播時，傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強。在一些金屬材料中其穿透能力可達數米。這是其他探傷手段所無法比擬的。
超聲波除用於無損探傷外，還可以用於機械加工，如加工紅寶石、金剛石、陶瓷石英、玻璃等硬度特別高的材料；可以用於焊接，如焊接鈦、釷、鍀等難焊金屬。此外，在化學工業上可利用超聲波作催化劑，在農業上可利用超聲波促進種子發芽，在醫學上可利用超聲波進行診斷、消毒等。
3.次聲波的應用
次聲波的頻率很低，波長很長，繞射能力強，傳播衰減小、距離遠。在大自然的許多活動中伴隨著次聲波的發生，例如地震、颱風、火山爆發、核爆炸、火箭起飛等。次聲波近似平面波，沿著與地球表面平行的方向傳播。次聲波在氣象學、海洋學、地震學和地質勘探等方面得到應用。
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