声波在介质中的传播原理及特点

波源处的声发射波形，一般为宽频带尖脉冲，包含着波源的定量信息。然而，所测得信号波形，由于介质的传播特性和传感器频响特性之影响而变得非常复杂，与原波形有很大不同。从而很大程度上淡化了所测得波形特性参数的物理意义。因此，波的传播对波形的影响，是在试验条件设置、数据分析及评价中均需考虑的基本问题。

1.波的传播模式

声发射波在介质中的传播，根据质点的振动方向和传播方向的不同，可构成纵波、横波、表面波、板波等不同传播模式。

（1）纵波 质点的振动方向与波的传播方向平行。图2-8为纵波传播示意图。t=0时各质点都处于平衡位置，设当振源开始作振动时，质点1受到向右的力，开始向右移动，由于弹性力的作用相邻质点也发生移动，但在时间上要稍迟一些。经过一段时间后t=T/4时，质点1已达到向右的最大位移，由于弹性力的作用正要向左运动；而质点4受到弹性力的作用才开始向右移动。再经过一段时间到t=T/2时，质点1已回到平衡时的位置，但因惯性继续向左运动，而质点7受到弹性力的作用才开始向右移动。当t=3T/4时，质点1达到向左的最大位移，弹性力使质点10将开始向左运动。当t=T时，质点1回到平衡位置，完成一个周期的振动，弹性力使13将要开始向右运动。由此可见，这种波的传播方向是与质点的运动方向相一致的，这样的波称为纵波。纵波在介质中传播时会产生质点的稠密部分和稀疏部分，故又称疏密波。

（2）横波 质点的振动方向与波的传播方向垂直。图2-9为横波传播示意图。

各质点的运动情况与纵波情况相似。但由于质点的振动方向对波的传播方向是横向的，则这种波称为横波。横波在介质中传播时介质会相应地产生交变的剪切形变，故又称剪切波或切变波。因为液体和气体中缺乏恢复横向运动的弹性力，所以液体和气体中不存在横波，即横波只能在固体中传播。

（3）表面波（瑞利波） 在半无限大固体介质与气体介质的交界面上，可产生瑞利波，这是瑞利（Rayleigh）于1887年首先研究并证实其存在的。图2-10为瑞利波传播示意图，图中标示出了瞬时的质点点位移状态；在右侧的椭圆表示质点振动的轨迹，它在固体（钢）表面（xz平面）沿x方向传播。质点只在xy平面内做椭圆振动，椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于传播方向。

图2-8 纵波传播示意图

表面波沿深度约为1～2个波长的固体近表面传播，波的能量随传播深度增加而迅速减弱。椭圆运动可视为纵向振动和横向振动的合成，即纵波和横波的合成。因此，瑞利波和横波一样只能在固体介质中传播，不能在液体或气体介质中传播。

（4）板波 如果固体物质的尺寸进一步受到限制而成为板状，则当板厚小到某一程度时，瑞利波就不会存在而只能产生各种类型的板波。板波中最主要的一种是兰姆波（图2-11），且通常所说的板波即指兰姆波。兰姆波是纵波与横波组合的波，它只能在固体薄板中传播，质点做椭圆轨迹运动。按质点的振动特点可分为对称型（膨胀波）和非对称型（弯曲波）两种。

图2-9 横波传播示意图

图2-10 瑞利波传播示意图

2.波的传播速度

波的传播速度，是与介质的弹性模具和密度有关的材料特性，因而不同的材料，波速也不同；不同的传播模式也具有不同的传播速度。在均匀介质中，纵波与横波的速度分别可用式（2-2）表达。

图2-11 兰姆波传播示意图

式中：v₁为纵波速度；v_t为横波速度；σ为泊松比；E为弹性模量；G为切变模量；ρ为密度。

在同种材料中，不同模式的波速之间有一定比率关系。例如：横波速度约为纵波速度的60%，表面波速度约为横波的90%。纵波、横波、表面波的速度与波的频率无关，而板波的速度则与波的频率有关，即具有频散现象，约分布在纵波速度和横波速度之间。在实际结构中，传播速度受到诸如材料类型、各向异性、结构形状与尺寸、介质等多种因素的影响，因此传播速度实为一种易变量。

波的传播速度等于频率与波长的乘积，即

v=fλ （2-3）

式中：v为波的传播速度；f为波的频率；λ为波的波长。

传播速度主要用于声发射源的时差定位计算，而其不确定性成为影响源定位精度的主要因素。在实际应用中，波速难以用理论计算，需用试验测量。例如：在被检件表面上，用笔芯模拟源和声发射仪时差测量功能，测得两个传感器之间的时差，再用传感器间距除以时差即可得到波速。以实测波速算出的定位精度一般可在传感器间距的1%～10%内变化。

就常见容器类二维结构而言，表面波或板波的传播衰减远小于纵波和横波，而可传播更远的距离，并常成为主要的传播模式。多数金属容器中，典型传播速度约为3000m/s。在无法测得波速的情况下，常可以此作为定位计算的初设值。(www.xing528.com)

在复合材料中，特别是纤维缠绕的复合材料结构中，声波的传播存在各向异性，即不同的方向声波传播速度不同，这对复合材料中进行时差定位造成了困难。

3.波的反射、折射与模式转换

固体介质中局部变形时，不仅产生体积变形，而且产生剪切变形。因此，将激起两种波，即纵波（压缩波）和横波（切变波），且它们以不同的速度在介质中传播；当遇到不同介质的界面时，会产生反射和折射。任何一种波在界面上反射时要发生波形变换，同时出现纵波和横波，各自按照反射与折射定律反射和折射，但在全内反射时也会出现非均匀波。在半无限体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，如图2-12所示。厚度接近波长的薄板中，又会产生板波。

图2-12 波的反射与模式转换

O—源波 L—纵波 S—横波 R—表面波

若在半无限大固体中的某一点产生声发射波，当传播到表面上某一点的时候，纵波、横波和表面波相继到达，互相干涉呈现复杂的模式（图2-12）。与地震的情况一样，首先到达的是纵波，其次到达的是横波，最后到达的是表面波。在实际的声发射应用中，能够把检测对象看作无限大介质的情况不多，经常遇到的是像高压容器那样的厚钢板。声发射波在厚钢板中的传播方式如图2-13所示。波在传播过程中，在两个界面上发生多次反射，每次反射都要发生模式变换，这样传播的波称为循轨波。即从声源发出单一频率的波，经过循轨波的传播后具有复杂的特性。因此，要处理像声发射波这样的过渡现象，是十分困难的。粗略地讲，循轨波的视在传播速度与横波的传播速度相差不多，这也就是声源定位所选用的一级近似速度。

图2-13 声发射波在厚钢板中的传播方式

声发射波经界面反射、折射和模式转换，各自以不同波速、不同波程、不同时序到达传感器。因而，波源所产生的一尖脉冲波到达传感器时，可以纵波、横波、表面波或板波及其多波程迟达波等复杂次序，并分离成数个尖脉冲，或经相互叠加而成为持续时间很长的复杂波形，有时长达数毫秒。在钛合金气瓶上，对铅笔芯模拟源的响应波形的分离与持续时间关系，如图2-14所示。

此外，再加上后述传感器频响特性及传播衰减等的影响，信号波形的上升幅度下降，持续时间变长，到达时间延迟，频率成分向低频偏移。这种变化，不仅对声发射波形的定量分析，而且对波形的常规参数分析也带来复杂的影响，应予以充分注意。

图2-14 铅笔芯模拟源响应波形的分离与持续时间关系

4.波的传播衰减

波的传播衰减是指波的幅度随传播距离的增加而下降的现象。引发声发射波传播衰减的五个主要机制为波的几何扩展、材料吸收和散射，以及其他因素和实际结构中的衰减。

（1）几何扩展衰减 由于声发射波从波源向各个方向扩展，从而随传播距离的增加，波阵面的面积逐渐扩大使单位面积上的能量逐渐减少，造成波的幅度下降。扩展衰减与传播介质的性质无关，主要取决于介质的几何形状（或波阵面），它主要控制着近场区的衰减。

一般而言，一局部源所产生体波（纵波与横波）的幅度下降与传播距离成反比，而表面波和板波则与传播距离平方根成反比。如棒、杆等一维介质中，几何扩展衰减小于二维和三维介质。在小型球类容器中，由于波阵面随传播距离先扩展而后收缩，波的幅度也相随而波动，例如：从南极点所产生的波的幅度，到赤道线处变得最小，而到北极点又会扩大。

（2）材料吸收衰减 波在介质中传播时，由于质点间的内摩擦（黏弹性）和热传导等因素，部分波的机械能转换成热量等其他能量，使波的幅度随传播距离以指数下降。其衰减率取决于材料的黏弹性等性质，并与波的频率有关，近似与频率成正比。这种能量损失机制主要控制着远场区的衰减。

（3）散射衰减 波在传播过程中，遇到不均匀声阻抗界面时，发生波的不规则反射（称为散射），使波源原传播方向上的能量减少。如粗晶、夹杂、异相物、气孔等是引起散射衰减的主要材质因素。

（4）其他因素 即：①频散，在一些构件中，不同频率成分的波以不同的速度传播（频散效应），引起波形的分离或扩展，从而使波的峰幅度下降；②相邻介质“泄漏”，即由于波向相邻介质“泄漏”而也造成波的幅度下降，如容器中的水介质；③障碍物，即容器上的接管、人孔等障碍物也可造成幅度下降。

（5）实际结构中的衰减 实际结构中，波的衰减机制很复杂，难以用理论计算，只能用试验测得。例如：在被检件表面上，利用铅笔芯模拟源和声发射仪，按一定的间距测得幅度（dB）-距离（cm）的曲线。图2-15示出了长12.2cm、内径1.2cm、厚度12.5cm的气压容器封头上，用不同频率测得的幅度-距离衰减曲线。

图2-15 气压容器封头上的幅度-距离衰减曲线

波的传播衰减的大小，关系到每个传感器可监视的距离范围，且在源定位中成为确定传感器间距或工作频率的关键因素。在实际应用中，为减少波的传播衰减的影响常采取的措施，包括降低传感器频率或减小传感器间距。例如：对复合材料的局部监视通常采用150kHz的高频传感器，而大面积监视则采用30kHz的低频传感器；对大型构件的整体检测，可相应增加传感器的数量。

声发射波在小试件中传播时，由于传播距离短，故衰减小。对于一个声发射脉冲，不仅在侧面且在两个端面多次反射，叠加在一起形成持续时间很长的多次反射波，其结果使声发射脉冲激励试件的固有振动模式在共振频率附近的振动增强。