超声检测第03讲-波的叠加、干涉和衍射

1、波的叠加、干涉和衍射一、波的叠加与干涉在实际超声波检测过程中，介质中的超声波传播时情况比较复杂，往往都是几列波在同一介质中传播，这些波若是方向不平行，就会在空间的某一处相遇，那么相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成（质点不会分解，所以只能是各列波引起振动的合成），在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。这几列波相遇后仍然保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续传播，好像在各自的途中没有遇到其他波一样，这就是波的叠加原理，又称波的独立性原理。日常生活中我们也能观察到这样的实例，比如说：两石子落水，可以看到两个以石子入水处为中心的圆形水波传播过程，以及随后相遇叠加和

2、相遇后继续传播的情况。图1 波的叠加又例如乐队合奏或几个人谈话，人们可以分辨出各种乐器和每个人的声音，这些都可以说明波传播的独立性。图2 波传播的独立性理解波的叠加原理，对于我们后面掌握规则反射体的反射规律是重要的基础。图3 光线叠加波的叠加现象，是一种普遍现象，在介质中的大多数区域波的叠加对我们检测过程判断检测对象信息没有影响，充分的体现了波的独立性。但是在某些特殊区域特殊条件下，却有很大的影响。两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象。产生干涉现象的波叫相干波，其波源称为相干波源。波

3、的叠加原理是波的干涉现象的基础，波的干涉是波动的重要特征。在超声检测中，由于波的干涉，使超声波源附近出现声压极大、极小值。在这个特殊的区域，由于波源的质点特性近似相同满足了干涉的条件。由于干涉现象这个区域的介质振幅与检测对象信息几乎无关，只与波源特性有关。理解波的干涉现象，对于我们后面掌握盲区是重要的基础。二、惠更斯菲涅耳原理与波的衍射当波在传播过程中遇到障碍物后会发生或多或少地偏离几何声学传播定律的现象，称为波的衍射或波的绕射。这里要注意衍射总是要发生的，只是程度的多少。同时，波的衍射现象是衍射时差法超声检测(TOFD)的物理基础。1.惠更斯菲涅耳原理这个原理是说明波传播过程中波阵面在介质中

4、传播规律的基本规律，可作为求解波传播问题的一种近似方法。惠更斯菲涅耳原理最开始是在研究光的衍射理论而出现，由于声波和光具有共同的波动性，后来将其引入到声波的衍射研究中。几何光学表明，光在均匀介质中按直线定律传播，光在两种介质的分界面按反射定律和折射定律传播。光是一种电磁波，当一束光通过有孔的屏障以后，只要这个孔的直径足够小，就可以发现光线不但可以照射到按直线传播定律所划定的几何阴影区内，也使得直线几何照明区以外的部分区域出现某些暗斑或暗纹。通俗的讲就是，光线通过小孔后发生扩散或者说拐弯了。图4 衍射现象总之，衍射现象使光线在传递过程中遇到障碍物后照射光的强度分布区别于几何光学给出的光强分布，衍

5、射使得光线强度通过小孔后有了一种重新分布。具体表现为，衍射使得一切几何影像失去了明锐的边缘。发生衍射现象的原因是什么呢？这就需要们去理解波在传播过程中的本质。我们可以这么理解:波动是振动状态的传播，如果介质是连续的，那么介质中任何质点的振动都将引起邻近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动，因此波动中任何质点都可以看作是新的波源，在其后任意时刻这些子波的包迹就决定了新的波阵面。如果介质是不连续的，在新的介质及其在原有的介质中波的反射或者折射的波源，同样是界面上由于入射波与界面交点处的质点振动引起的。这就是惠更斯菲涅耳原理。我们利用惠更斯菲涅耳原理可以确定波前的几何形状和波的传播方向，

6、以及解释波的反射、折射和衍射等现象。2.波的衍射（或者叫做绕射）超声波在介质中传播时，若遇到缺陷AB，据惠更斯菲涅耳原理，缺陷边缘A、B可以看作是发射子波的波源，使波的传播方向改变，从而使缺陷背后的声影（超声波没有传递到的区域）缩小，使得反射波降低。波的绕射和障碍物尺寸Df，及波长的相对大小有关。（我们后面把缺陷尺寸都用Df来表示）当Df时，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检。超声检测灵敏度约为/2，这是一个重要原因。当Df>>时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射。图5 波的绕射这里第一次提出一个概念，就是超声检测灵敏度。什么叫做检测灵敏度，就是指能够发现缺陷的大小。能够发现越小的缺陷，说明越灵敏。具体来说就是用能够发现缺陷的尺寸数据来表达检测灵敏度。对于超声波检测常用的检测频率为5MHz来说，波长为1.18mm，而检测灵敏度就是0.59mm。平面波在介质中传播时，遇到缺陷AB，据惠更斯菲涅耳原理，缺陷边缘A、B可以看作是发射子波的波源，声波向各个方向衍射，从而使衍射时差法超声检测成为可能。图6 平面波反射的衍射