超聲檢測第03講-波的疊加、干涉和衍射

1、波的疊加、干涉和衍射一、波的疊加與干涉在實際超聲波檢測過程中，介質(zhì)中的超聲波傳播時情況比較復(fù)雜，往往都是幾列波在同一介質(zhì)中傳播，這些波若是方向不平行，就會在空間的某一處相遇，那么相遇處質(zhì)點的振動是各列波引起振動的合成（質(zhì)點不會分解，所以只能是各列波引起振動的合成），在任意時刻該質(zhì)點的位移是各列波引起位移的矢量和。這幾列波相遇后仍然保持自己原有的頻率、波長、振動方向等特性并按原來的傳播方向繼續(xù)傳播，好像在各自的途中沒有遇到其他波一樣，這就是波的疊加原理，又稱波的獨立性原理。日常生活中我們也能觀察到這樣的實例，比如說：兩石子落水，可以看到兩個以石子入水處為中心的圓形水波傳播過程，以及隨后相遇疊加和

2、相遇后繼續(xù)傳播的情況。圖1 波的疊加又例如樂隊合奏或幾個人談話，人們可以分辨出各種樂器和每個人的聲音，這些都可以說明波傳播的獨立性。圖2 波傳播的獨立性理解波的疊加原理，對于我們后面掌握規(guī)則反射體的反射規(guī)律是重要的基礎(chǔ)。圖3 光線疊加波的疊加現(xiàn)象，是一種普遍現(xiàn)象，在介質(zhì)中的大多數(shù)區(qū)域波的疊加對我們檢測過程判斷檢測對象信息沒有影響，充分的體現(xiàn)了波的獨立性。但是在某些特殊區(qū)域特殊條件下，卻有很大的影響。兩列頻率相同、振動方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇時，介質(zhì)中某些地方的振動互相加強(qiáng)，而另一些地方的振動互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波叫相干波，其波源稱為相干波源。波

3、的疊加原理是波的干涉現(xiàn)象的基礎(chǔ)，波的干涉是波動的重要特征。在超聲檢測中，由于波的干涉，使超聲波源附近出現(xiàn)聲壓極大、極小值。在這個特殊的區(qū)域，由于波源的質(zhì)點特性近似相同滿足了干涉的條件。由于干涉現(xiàn)象這個區(qū)域的介質(zhì)振幅與檢測對象信息幾乎無關(guān)，只與波源特性有關(guān)。理解波的干涉現(xiàn)象，對于我們后面掌握盲區(qū)是重要的基礎(chǔ)。二、惠更斯菲涅耳原理與波的衍射當(dāng)波在傳播過程中遇到障礙物后會發(fā)生或多或少地偏離幾何聲學(xué)傳播定律的現(xiàn)象，稱為波的衍射或波的繞射。這里要注意衍射總是要發(fā)生的，只是程度的多少。同時，波的衍射現(xiàn)象是衍射時差法超聲檢測(TOFD)的物理基礎(chǔ)。1.惠更斯菲涅耳原理這個原理是說明波傳播過程中波陣面在介質(zhì)中

4、傳播規(guī)律的基本規(guī)律，可作為求解波傳播問題的一種近似方法?；莞狗颇碜铋_始是在研究光的衍射理論而出現(xiàn)，由于聲波和光具有共同的波動性，后來將其引入到聲波的衍射研究中。幾何光學(xué)表明，光在均勻介質(zhì)中按直線定律傳播，光在兩種介質(zhì)的分界面按反射定律和折射定律傳播。光是一種電磁波，當(dāng)一束光通過有孔的屏障以后，只要這個孔的直徑足夠小，就可以發(fā)現(xiàn)光線不但可以照射到按直線傳播定律所劃定的幾何陰影區(qū)內(nèi)，也使得直線幾何照明區(qū)以外的部分區(qū)域出現(xiàn)某些暗斑或暗紋。通俗的講就是，光線通過小孔后發(fā)生擴(kuò)散或者說拐彎了。圖4 衍射現(xiàn)象總之，衍射現(xiàn)象使光線在傳遞過程中遇到障礙物后照射光的強(qiáng)度分布區(qū)別于幾何光學(xué)給出的光強(qiáng)分布，衍

5、射使得光線強(qiáng)度通過小孔后有了一種重新分布。具體表現(xiàn)為，衍射使得一切幾何影像失去了明銳的邊緣。發(fā)生衍射現(xiàn)象的原因是什么呢？這就需要們?nèi)ダ斫獠ㄔ趥鞑ミ^程中的本質(zhì)。我們可以這么理解:波動是振動狀態(tài)的傳播，如果介質(zhì)是連續(xù)的，那么介質(zhì)中任何質(zhì)點的振動都將引起鄰近質(zhì)點的振動，鄰近質(zhì)點的振動又會引起較遠(yuǎn)質(zhì)點的振動，因此波動中任何質(zhì)點都可以看作是新的波源，在其后任意時刻這些子波的包跡就決定了新的波陣面。如果介質(zhì)是不連續(xù)的，在新的介質(zhì)及其在原有的介質(zhì)中波的反射或者折射的波源，同樣是界面上由于入射波與界面交點處的質(zhì)點振動引起的。這就是惠更斯菲涅耳原理。我們利用惠更斯菲涅耳原理可以確定波前的幾何形狀和波的傳播方向，

6、以及解釋波的反射、折射和衍射等現(xiàn)象。2.波的衍射（或者叫做繞射）超聲波在介質(zhì)中傳播時，若遇到缺陷AB，據(jù)惠更斯菲涅耳原理，缺陷邊緣A、B可以看作是發(fā)射子波的波源，使波的傳播方向改變，從而使缺陷背后的聲影（超聲波沒有傳遞到的區(qū)域）縮小，使得反射波降低。波的繞射和障礙物尺寸Df，及波長的相對大小有關(guān)。（我們后面把缺陷尺寸都用Df來表示）當(dāng)Df時，波的繞射強(qiáng)，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢。超聲檢測靈敏度約為/2，這是一個重要原因。當(dāng)Df>>時，反射強(qiáng)，繞射弱，聲波幾乎全反射。圖5 波的繞射這里第一次提出一個概念，就是超聲檢測靈敏度。什么叫做檢測靈敏度，就是指能夠發(fā)現(xiàn)缺陷的大小。能夠發(fā)現(xiàn)越小的缺陷，說明越靈敏。具體來說就是用能夠發(fā)現(xiàn)缺陷的尺寸數(shù)據(jù)來表達(dá)檢測靈敏度。對于超聲波檢測常用的檢測頻率為5MHz來說，波長為1.18mm，而檢測靈敏度就是0.59mm。平面波在介質(zhì)中傳播時，遇到缺陷AB，據(jù)惠更斯菲涅耳原理，缺陷邊緣A、B可以看作是發(fā)射子波的波源，聲波向各個方向衍射，從而使衍射時差法超聲檢測成為可能。圖6 平面波反射的衍射