超声横波的偏振

  三天前写了一篇日志《关于超声横波偏振的几个问题》，没有热度---没有坛友问津，自知无趣; 然而，作为学习者，自问自答，写了这篇文章，算自学笔记吧。

0 概述

超声纵波是:在介质中传播的质点振动方向与波的传播方向一致的声波波型。这种波型的质点振动方向永远与波的传播方向---声轴方向一致，不存在向另外方向偏振的问题。

超声横波是:在介质中传播的质点振动方向与波的传播方向相互垂直的声波波型。这就存在质点振动方向可能偏向哪一方的问题。

我们用ox、oy、oz代表受检件的长、宽、厚三个方向。举个最简单的例子，设波沿oy方向传播，对纵波而言，质点振动方向会沿oy方向往复运动，不存在偏振问题; 然而，对横波而言，质点振动方向就存在向oz(垂直) 方向振动，或向ox(水平) 方向振动问题。地质学家把纵波称为P波，把质点振方向向oz方向的波，称为SV(垂直偏振)横波，简称垂直横波；把质点振方向向ox方向的波，称为SH(平面偏振)横波，简称平面横波。

实际情况比上面举的例子，要复杂得多，本文只想谈些粗浅的学习体会。希望专家指正。

1 对SV波的认识

1.1 一个问题

一般---常规探伤用的横波是SV波，还是SH波？还是SV波与SH波的合成？为什么？

1.2 我的答案

一般探伤用的横波是SV波，不是SH波，更不是SV波与SH波的合成。理由如下:

1) 一般探伤用的横波，是由斜探头中的纵波，在界面上(如上例的yox平面) 发生波型转换而来。这是SV波的一个重要特点。

2) 实际应用中，我们用ox，oy，oz表示普通斜探头的宽，长，高三个方向。一般探伤用的横波的声轴线---波的传播方向，在与探头的长高立面平行的垂直面内。设为yoz立面内，在ox方向无分量。笔者注: 我们这里仅讨论声轴线，不考虑实际声束有扩散。如横波在oy轴的o’ 点入射，声轴线o’p以β角折射入工件。声轴线o’p与oy轴的夹角α=90⁰ +β。这里有一个关键问题:不论α多大，但可以肯定地说，声轴线o’p总处在垂直面yoz内，在ox方向没有分量。

3) 质点振动方向，垂直于声轴线o’p，但它们在在垂直面yoz内，在ox方向也没有分量。或者说，这种波介质质点的振动方向在检测面的垂直面内(实际为平行于探头长高立面内)。

根据以上三点，可以断定: 一般探伤用的横波是SV波，不是SH波，更不是SV波与SH波的合成。最简单理由是:SV波质点振动方向在ox方向，没有分量。

1.3  美国无损检测手册. 超声卷(上册)容易被曲解之处

该文献第63页有这样一句话:“任何入射的横波模式均可被分解成平行于入射平面的分量和垂直于入射平面的分量。”

这是很容易被误解的叙述。如上所述，一般---常规探伤用的横波入射模式，只能有SV模式，即在垂直于入射平面---检测面的偏振模式，根本就不存在SH模式，即质点振动方向平行于入射平面---检测面的偏振模式。那种上来就把声轴线o’p往oy轴和oz轴上分解的做法，是错误的。

1.4 SV波的定义

    SV波

    垂直偏振横波

横波在介质中传播时，介质质点振动方向既垂直于波的传播方向---声轴线方向，又包含在垂直于检测面的平面内。

1.5 垂直透射SV波的声弹性

透射入受检件之中的SV波，垂直通过受检件单轴应力区后，不发生折射(不改变波的传播方向) ，也不发生波型或偏振模式转换，只是声速与无应力时比，变生了变化，这种偏振模式横波，没有“双射射” 效应。

2  对SH波的认识

2.1 SH波的定义

SH波

平面偏振横波

横波在介质中传播时，介质质点振动方向既垂直于波的传播方向，又与检测面是平行的。

2.2 SH波的特点

   1）SV波的产生一般由纵波波型转换而来; 而SH波是使晶片沿晶片宽度方向做高频振动直接产生的，即有专用探头产生的，通过高粘度耦合直接导入工件的。

2）SH波不但不是由纵波波型转换而来，而且，既使倾斜入射，它也不会在反射面---界面上产生波型转换。

   3) 透射入受检件之中的SH波，垂直通过受检件单轴应力区后，不发生折射(不改变波的传播方向) ，也不发生波型转换，但会发生两个不同偏振模式、不同声速的透射横波，即所谓的“双折射效应” 。

4)当折射角接近90⁰时，SH波可有效沿探伤面传播，可以检测表面、近表面缺陷。

3附:P波--纵波的垂直入射和透射

1) 垂直入射，只能产生垂直反射和透射，无折射。

2) 无波型转换。“反射波和透射波中均无横波成分”( 见贺玲凤、刘军《声弹性技术》(2002) 第90页) 。

3）当Z1›Z2时，反射波与入射波有180⁰相位差，有半波损失……(其余略)。

3) 透射入受检件之中的P波，垂直通过受检件单轴应力区后，不发生折射(不改变波的传播方向) ，也不发生波型转换，只是声速与无应力时比，变生了变化。

4 附：超声波在金属界面的垂直入射和透射小结

4..1 超声波在金属界面的垂直入射

不论是P波，还是SV波或SH波，它们垂直入射到金属受检件界面，都无折射，也无波型和偏振模式转换，只有反射和透射。

4..2 超声波在金属受检件中的垂直透射

从我看到的资料可以这样认为:

1) 垂直透射入金属受检件之中P波，或是SV波，垂直通过受检件单轴应力区后，不发生折射(不改变波的传播方向) ，也不发生波型转换，只是声速与无应力时比，变生了变化。

   2) 透射入金属受检件之中的SH波，垂直通过受检件单轴应力区后，不发生折射(不改变波的传播方向) ，也不发生波型转换，但会发生两个不同偏振模式、不同声速的透射横波，即所谓的“双折射效应” 。

笔者注: 由于笔者参考的文献，都是十几年前的;而且，试验资料，多为声轴通过单轴应力区，很少见声轴通过平面应力区的，可能观念过时了。再次希望指正。

参考文献：　

〔1〕    李衍. 超声表面SH波特性评价---国外超声检测新动态〔J〕. 无损检测，2001(23) ，No2.

〔2〕    美国无损检测手册. 超声卷(上册)〔M〕. 上海: 世界图书出版社，1996.

〔3〕    贺玲凤、刘军.声弹性技术〔M〕. 北京: 科学出版社，2002.