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梁金昆

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关于声弹性双折射的几个问题

热度 7已有 1745 次阅读2014-12-15 11:02 | 双折射

这是一篇新近想到的短文，目的是想利用“远东” 这个平台，向曾经有过“超声波测应力” 经验的朋友，请教以下几个问题：

1. 什么是“声弹性双折射” ？

2. 发生“双折射” 时，波的传播方向和波型，是否发生了改变？

3. 由于“声弹性双折射” 现象出现，传统UT基础理论---“垂直入射无波型转换，无(偏离入射方向的) 折射” ，是否错了？

4. “折射” 与“透射” 有何不同？将双折射译作“双透射” ，是否更贴切？

5. 横波从介质1垂直入射到介质2，假如介质1和2均是固体，请问: 反射横波和透射横波，质点偏振方向相同么？

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回复 luolang1314 2014-12-15 14:23: 什么是声弹性双折射？以前的论文是这样描述的：当一束超声横波垂直入射到各向异性固体表面时，一般说来，它不象光波那样，仅仅分解成两个波，而是分解成三个波：一个准纵波，两个准横波。这一现象是由Musgrave[91]首次发现的，并称之为三重折射现象。但是，如果超声波是沿一各向异性介质的主对称轴传播时，那它就能分解成与光双折射严格相似的两个纯粹的横波。在应力引起各向异性的情况下，当仅考虑平面应力问题且声波垂直应力面传播时，将不出现三重折射现象。

回复 luolang1314 2014-12-15 14:49: 传统的超声基础理论，一般将固体视作各向同性介质，其理论也基本上以各向同性介质传播为基础的。
声弹性理论是基于弹塑性力学为基础的理论，在弹塑性力学基础理论当中，很多基本的声学公式和现象，都有与普通力学不一样的表述。一般原理及结论其实并没有改变，但形式和内容发生了很大的改变，而且考虑的深度和广度，研究的对象都发生了本质的变化。很多基于常规条件下的公式，可能只是其中的一个特例而已。
译为双折射较为准确一些。折射主要是指超声进入异质介质当中，传播方向等发生改变，而透射一般关注超声能否进入异质介质以及进入了多少。
第5个问题需要看具体的条件。声弹性技术很多理论需要在实验的基础下进行研究。如果不做实验，也基本上需要采用有限元分析软件进行模拟，才容易直观的理解。
另外一点，常规的超声仪器及探头，是无法观察到声双折射现象的。我当年能够利用横波双折射进行应力测试的主要条件是，第一，拥有更为精密的时间测量仪器（一般要到皮秒级）
第二，性能良好的纯横波偏振探头！
声弹性技术还包括纵波在载荷应力下声速发生改变的现象。宏观各向异性声学特性的研究，可以查阅地震波研究相关论文。在地震波的研究当中，有很多理论后来用于金属材料的声弹性研究。目前，这一块研究，其实没有多大的进展。主要的研究成果，还是停留在国外几十年的阶段。
超声的基础理论其实是非常复杂的。可视化超声技术，有助于大家对这一复杂理论的理解。很多基础的超声理论，只是在一定的条件下的理论，远不是声学的全部。到弹塑性力学阶段，基本上是本构方程和非线性方程。而且，还有很多非线性声学理论，更加复杂。有坛友曾经说过，超声像玄学。至少那些公式对我来说，比玄学还要难！

回复梁金昆 2014-12-15 15:31: 谢谢罗琅先生的讲解！
您似乎在江苏科技大学当过研究生，您发在网上的论文，我好像看过了。您的文章，讲横波双折射，讲一个沿1轴(波传播方向)入射到试件之中23平面----应力平面的横波，在应力作用下，这束横波将分解为偏振方向相互垂直，声速V12和V13----不同的横波。从你们设置的双探头看，你们的试验-----双折射，并没改变波的传播方向-----1轴，当然，也无波型转换。这个问题就回笞了我提的第2和第3两个问题。不知您有何难处？为何不正面回答？

回复梁金昆 2014-12-15 15:41: 因为从一些测双折射速度的装置上，从V12和V13符号上，我看不到波的传播方向改变了(仅质点振动方向改变而已)，我才提出第2，3，4个问题。
第5个问题，的确要有试验为基础才可。但希望有人研究。中南大学朱伟等人似乎把一个垂直入射波，分解为一个反射波和一个透射波，称为双折射，故有此问。
对声弹性，我是外行，如发谬论，请见谅！

回复 luolang1314 2014-12-15 16:19: 我们的声双折射实验，只研究了其中的一个很小的部分，那就是偏振方向和声速的变化。那样一个实验只捕捉到：不同的偏振横波在各向异性介质中声速不同。同时，在自然状态下，由于材料的各向异性，大部分金属有一个声主轴，及一个横波较快轴，一个横波较慢轴，两者相互垂直。至于是否发生波型转换，需要对波矢量进行分析，这个单独从回波波形上比较困难。因为我们基本上采集的是群速度，不是相速度。
单独从声弹性理论及弹塑性理论推断，在异质界面不仅会产生传统反射、折射，也会有波型转换。只不过波型转换所占的能量比例及发生的几率均较低而已。
普通超声直探头近似进入金属介质当中，不仅有纵波（大部分）也有一定横波（较少），不然一次底波后面的波型转换波（转换横波）就没有来由。但这些仅是个人观察及推断，尚缺少进一步的实验证明。横波双折射主要是指在各向异性介质的织构效应或应力效应下，一个横波分裂成两个不同偏振方向的横波。反射波不在折射的范围内。但反射波也可能会发生偏振方向的改变吧。一个偏振方向传播经过异质介质，变成两个不同偏振方向的横波，其是折射的结果，与波型转换有没有关系，还不得而知。

回复 luolang1314 2014-12-15 16:24: 超声波很多理论，我觉得需要向可视化方面或有限元模拟方面发展。不然，理论的东西，总觉得说不清楚。当然，我也怕自己说错了！弹塑性力学和声弹性技术，我只是接触过，但限于高等数学--矩阵计算和本构方程的推导能力，没有太深入的理解。但我知道，有限元分析正是弹塑性力学的一个基本应用，能模拟大部分的实际情况。

回复梁金昆 2014-12-15 17:24: 你们的试验，已经很宝贵了。说实在话，在网络上，看到你们的资料，就很欣慰了。因为看你们的资料，特别是试验结果，看得懂。看其它资料，因为不懂矩阵计算，本构方程，拉氏算符等等，类似看天书，看见只能头疼了。但心犹不甘，希望多了解一些试验结论！

可视化，当然好。这是高等学府的事情吧！

回复梁金昆 2014-12-15 18:26: 无损检测应分两部分，一部分是探伤，一部分是测量，包括应力测量。在探伤范围，我认为，现有教材理论观点，就行了，不必混入连物理学家也说不清的东西----声弹性力学。我们大学的试验室尚停在透射波的偏振和波速阶段，何必不肯说:垂直入射无波型转换，无折射呢！我担心这样下去，UT教材无法写了。这是我发起这次讨论的主要目的。

回复 luolang1314 2014-12-15 20:02: 梁金昆: 无损检测应分两部分，一部分是探伤，一部分是测量，包括应力测量。在探伤范围，我认为，现有教材理论观点，就行了，不必混入连物理学家也说不清的东西----声弹性 ...
梁老讲的很对！很多时候，教材和一些理论都是在试错。证明其写错了，便能写得相对正确了：）
所以，我一般对教材的一些错误，不会反应太大。之所以提出来，只希望它能够改正而已。丝毫不减对编者的尊敬的情怀！写正确是非常难得的事情。自己做不到的事情，一般不会要求别人做到。

梁金昆

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