声波传播中的声压、声强和声阻抗

1.声波与超声波

机械振动在弹性介质中的传播称为弹性波（声波），这与交变电磁场以光速在空间的传播（电磁波）是完全不相同的。如果以频率f来表征声波并以人的可感觉频率为分界线，则可将声波划分为次声波（f＜20Hz）、可闻声波（20Hz＜f＜20kHz）和超声波（f＞20kHz）。

2.连续波与脉冲波

连续波是指介质各质点振动持续时间为无穷的波动，其中最重要的特例是各质点都作相同频率的谐振动，这种情况下的连续波称为简谐波。脉冲波是指振动持续时间有限（单个或间发）的波动，数学分析表明，非周期性的振动可分解为无限多个频率连续变化的谐振动之和，这种把复杂振动分解为谐振动的方法称为频谱分析，可用专门的仪器（如频谱分析仪）来进行，如图3.5-1所示。

图3.5-1 脉冲信号的频谱分析上部为脉冲信号，横坐标为500ns/格；下部为相应的频谱，横坐标为5MHz/格；纵坐标均为相对幅度

3.波型

振动源（声源）在介质中施力的方向与波在介质中传播的方向可以相同也可以不同，这就可产生不同类型的波。在超声检测中常用的波型如表3.5-1所示，它们在各向同性介质中传播速度的表达式列于表3.5-2中。此外，在各向异性固体中尚可传播质点振动方向与波的传播方向不严格平行（近似于纵波）的准纵波以及质点振动方向与波的传播方向不严格垂直（近似于横波）的准横波。

表3.5-1 在超声检测中常用的波型

如表3.5-1所示，其中瑞利波和兰姆波的传播需要传播介质有边界，这与超声波检测中常用的体波（纵波、横波）不同，故也可将三类Stoneley波一起归入导波类。

表3.5-2 不同波在介质中传播速度表达式

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注：f—频率；d—板厚；λ、μ—拉密常数；σ—介质的泊松比；E—介质的弹性模数；ρ—介质密度。

4.波形

声波在无限大且各向同性的介质中传播时，其形式（亦称波形）是根据波在传播过程中某一瞬间到达各质点的几何位置所连成的面（波阵面）的形状来区分的，波阵面的形状及该形波的特性如表3.5-3所示。

表3.5-3 波的传播形式及特性

5.声压、声强与声特性阻抗

在有声波传播的介质中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有声波存在时该点静压强之差称为声压，常用符号p表示。在垂直声波传播方向上，单位面积在单位时间内所通过的声能量称为声强，常用符号I表示[I=p²/（2ρc），c为介质中声速，ρ为介质密度]。由于声强的变化范围非常大，数量级可以相差很多，常用二个声波声强之比的常用对数值表示两者的关系，称为贝耳数。在实用上，贝耳这个单位太大，取其十分之一称为分贝，用符号dB表示。

贝耳数=lg（I₁/I₂）；

分贝数（dB）=10lg（I₁/I₂）=20lg（p₁/p₂）

在同一声压p的情况下，ρc愈大，该点振动速度u愈小：反之，ρc愈小，质点振动速度愈大，故将‘ρc’称为介质的声特性阻抗，常用符号Z表示。

6.散射与衍射

超声波在传播过程中如果遇到障碍物（声特性阻抗与周围介质不同的物质）就可能产生若干现象，这些现象与障碍物的大小有关。①如果障碍物的尺寸比超声波的波长小得多，则它们对超声波的传播几乎没有影响；②如果障碍物的尺寸小于超声波的波长，则波到达障碍物后将使其成为新的波源向四周发射波；而如果障碍物的尺寸与波长近似，则超声波将发生不规则的反射和透射；这些现象均是波的散射，其中同原入射方向逆转的部分通常称为反射波。③如果障碍物的尺寸比超声波的波长大得多，则有入射波的反射和透射。④如果障碍物的声特性阻抗与周围介质差别很大，则在界面上将发生超声波的反射而无透射，此时波会绕过障碍物的边缘或孔隙的边缘，呈现路径弯曲，在障碍物或孔隙背后展衍，这种现象称为波的衍射。波长相对障碍物或孔隙越大，衍射效应越强。在有些文献里，衍射和散射这两个概念是不严格区分的。但如上述，衍射的原意是指声通过障碍物或孔隙边缘时稍许偏离直线途径而进入边缘后面的几何阴影区这一现象；散射现象则不仅包括声波在边缘的偏转而进入几何阴影区，还包括回返到原介质的反射，在这个意义上，散射的含义比衍射更广。