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日志

关于声弹性双折射的几个问题

热度 7已有 733 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12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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发表评论 评论 (9 个评论)

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。

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