在超聲波焊接機的轟鳴聲中，一塊產品的接合面在數秒內完成分子級融合 ——這一看似神奇的過程，實則是波形與聲速精準調控的結果。

超聲波的本質是機械振動能量的傳遞，其波形（如縱波、橫波、表面波）決定了能量傳遞方向與作用形式，而聲速（由介質密度與彈性模量共同決定）則直接關聯加工效率與質量。

理解波形與聲速的物理規律，不僅是掌握超聲技術的基礎，更是解鎖高效、穩定、低能耗加工的關鍵鑰匙。本文將為您解析這兩大核心參數的底層邏輯，揭示它們如何從實驗室公式轉化為工業生產力。

超聲波的波形和聲速

超聲波是機械波，可以在氣體、液體和固體中傳播，換句話說，超聲波可以在具有彈性特性的任何介質中傳播。隨著聲源、介質和邊界條件等情況的不同，所傳播的超聲波的波型 也不同，例如有縱波、橫波、表面波、板波等，從波前的形狀來區分，又有平面波、球面波、柱面波等。這里僅介紹幾種最常遇到的波型和聲速。

①縱波。超聲波在介質中傳播時，介質質點振動方向與波傳播方向相平行的波稱為縱波。在縱波通過的區域內，介質質點發生周期性的稀疏和稠密，如圖2-3所示?？v波可以在氣體、液體和固體介質中傳播。

圖2-3   縱波

縱波在不同介質中傳播的速度不同，在氣體中速度為

在無限介質中橫波傳播的速度為

③表面波。當聲波在介質中傳播時，能量集中在介質自由表面層或兩種界質分界面附近的聲波稱為表面波。這種波的類型較多，例如在固體表面的瑞利波，在兩種固體分界面附近的斯頓萊波等。表面波傳播時，介質質點振動的軌跡為橢圓形，橢圓的長軸垂直于聲波的傳播方向，短軸平行于聲波的傳播方向，如圖2-5 所示。

當聲波沿固體的自由表面傳播時，質點位移的振幅隨離開表面的深度按指數衰減，大部分能量集中在大約一個波長的深度內。表面波的聲速為

值得注意的是，在固體中聲速并非永遠都是一個常數值，而是隨所施的振動強度而變 的。變化的原因是由于在高應力情況下，材料的彈性特性的數值發生了改變。

在結晶材料中，彈性特性是沿著不同的軸線而變化的，因此聲速在不同的傳播方向上具 有不同的數值。在石英和其他壓電材料中，這種聲速的變化更為重要，因為它們的壓電特性 被用作高頻振動源。

④板波。當聲波在板狀介質中傳播時，其波型稱為板波。板波的類型有多種，其中主 要的一種是蘭姆（Lamb）波。通常所說的板波即是指蘭姆波而言，它是在板的厚度可與其 中聲波波長相比擬的板中傳播的一種彈性波，其聲場遍及整個板的厚度。在板波傳播的過程 中，質點振動情況是：在固體的兩個表面上，質點沿橢圓軌跡振動，與瑞利波相同；在板的 內部，質點振動因波型的不同而異，當波型為對稱型時，質點振動的軌跡與縱波相同；當波 型為反對稱型時，與橫波相似，如圖 2-6所示。

板波傳播的相速度0可由下列超越方程確定。

對稱型

反對稱型

（2）超聲加度

當超聲波在介質中傳播時，介質的質點卻是在它的平衡位置做振動，任一瞬時振動的速度就稱為該時刻的質點速度。假定有一列平面聲波在均勻介質中沿x方向傳播，其波動方程為

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