2．3　波动的基本理论

波动与振动（见图2－7）是密不可分的。振动表示局部粒子的运动，其粒子在平衡位置做往复运动。而波动则是全体粒子的运动的合成。简单而言，振动是一个质点的来回往复运动，而波动则是有联系作用的大量质点的运动合成，即宏观体现为波动（弹性波见图2－8），而从微观、粒子的层面体现则是振动。

2．3．1　波的基本要素

波动的基本要素（见图2－9）可以表示为：

（1）波速V即波动单位在媒质中传播的速度，也可说成单位时间内波形传播的距离，有V＝L/（t1－t0）。

（2）波长λ在波动中，对平衡位置的位移总是相等的两个相邻质点间的距离，即在一个周期内波动传播的距离：

λ＝VT

式中　T——粒子振动的周期。

（3）波数是指在波的传播方向上单位长度内的波的数目，常用k表示。其倒数称为波长，k＝1/λ，理论物理中定义为：k＝2π/λ，2π为长度上出现的全波数目；从相位的角度出发，可理解为：相位随距离的变化率（rad/m）：k＝ω/V。

（4）相位θ，对于一个波，特定的时刻在他循环中的位置：一种是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。相位描述信号波形变化的度量，通常以度（角度）作为单位，又称为相角。当信号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360°。与振动相似，描述波的起始位置。

2．3．2　波的分类

2．3．2．1　波的种类（按物理性质）

波是一种种类形式各样、非常繁多且普遍存在的物理现象。目前，与工程检测相关的波主要有以下几个方面。

（1）机械波与弹性波。物体是由以弹性力保持平衡的各个质点所构成的，这种弹性体的简化模型见图2－10。当某一质点受到外力的作用后，该质点就在其平衡位置附近振动。由于一切质点都彼此联系，振动质点的能量就能够传递给周围的质点而引起周围质点的振动，机械振动在固体介质中的传播过程称为机械波。

机械振动在上述弹性体中的传播就称为弹性波。

由此可知，机械波产生的条件是：首先要有一个机械振动的质点作波源；其次要有能够传播振动的介质；此外，需要特别注意：当振动传播时，振动的质点并不随波而移走，只是在自己的平衡位置附近振动而已。

（2）声波——超声波。如果扰动产生的机械波的传播介质为空气或流体物质，则该条件下的机械波称为声波。

如果以频率范围来划分，以频率f来表征声波，则频率低于20Hz（f＜20Hz）的声波称为次声波，频率在20Hz～20kHz（20Hz≤f≤20kHz）之间的声波称为可听声波，频率在20kHz～1GHz（20kHz＜f＜1GHz）的声波称为超声波，而频率大于1GHz（f＞1GHz）的声波则称为特超声波或微波超声波。

在此，需要注意以下两点：

1）固体和气体及流体等在力学性质上的不同点在于固体具有剪切刚性，而气体和流体则不具有。因此，在空气、流体中传播的机械波的成分单一，仅有P波（又称为纵波或疏密波）。相反，在固体中传播的弹性波的成分要复杂得多，即也可以同时有纵波及横波等。

2）在工程检测中，绝大部分检测对象为固体。因此，即使采用超声波设备激发信号，在对象中传播的波仍然为弹性波。所以，从严格意义上讲，超声波检测应该属于弹性波检测的范畴，只是大家更习惯于称为超声波检测。但是，就检测设备而言，超声波检测与弹性波检测却有着较大不同。因此，使得两者的检测范围、项目等也有许多不同的差别。

（3）光波、红外线、电磁波。光波、红外线、电磁波也是重要的检测介质。其中，电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。

光波是传统意义上的可见光，即波长在0．3～3μm之间的电磁波。

红外线是波长介于微波与可见光之间的电磁波，波长在760nm～1mm之间，比红光长的非可见光。

2．3．2．2　波的分类

根据波源振动的持续时间长短，可以将波分为连续波和脉冲波。连续波是指波源持续不断地振动，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同频率的谐振动，这种情况下的连续波称为简谐波（又称正弦波、余弦波）。而波源振动持续时间很短（通常是微秒数量级），则称脉冲波。目前弹性波检测中广泛采用的就是脉冲波。连续波与脉冲波的振动情况（见图2－11）。