7.1.1 超声波的物理基础
振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在16～2×104Hz，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波，如图7－1所示。
图7－1 声波的频率界限示意图
当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时，声波的波形也有所不同。
质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波，如图7－2（a）所示。它能在固体、液体和气体中传播。为了测量在各种状态下的物理量，检测技术中多采用纵波。
质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，如图7－2（b）所示。它只能在固体中传播。
质点振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波，它只在固体表面传播。
图7－2 声波的振荡形式
（a）纵波；（b）横波
超声波的传播速度与介质的密度和弹性系数有关。同种介质不同的波形，或同一波形不同的介质，其传播速度都不相同。
超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时，产生反射与折射现象，如图7－3所示，图中具有下列关系
式中 α——入射角；
β——折射角；
c1，c2——超声波在两种介质中的速度。
设α0为临界入射角，当α＝α0时，β＝90°，而当α＞α0时，只产生反射波。超声波由液体进入固体的临界入射角α0≈15°。
超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时，随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而减弱。设超声波进入介质时的强度为I0，通过介质后的强度为I，如图7－4所示。
则有
I＝I0e－Ad（7.2）
式中 A——介质对超声波能量的吸收系数；
d——介质的厚度。
对于固体介质，超声波能量的吸收系数为
式中 Q——介质的质量因数。
图7－3 超声波的反射与折射
图7－4 超声波的强化变化
介质的吸收程度与频率和介质密度有很大关系。气体密度ρ很小，故超声波在其中衰减很快，尤其在f较高时衰减更快，故超声波仪表主要用于固体及液体中。
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