在超聲波焊接機(jī)的轟鳴聲中，一塊產(chǎn)品的接合面在數(shù)秒內(nèi)完成分子級(jí)融合
——這一看似神奇的過(guò)程，實(shí)則是波形與聲速精準(zhǔn)調(diào)控的結(jié)果。
超聲波的本質(zhì)是機(jī)械振動(dòng)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(zhì)密度與彈性模量共同決定）則直接關(guān)聯(lián)加工效率與質(zhì)量。
理解波形與聲速的物理規(guī)律，不僅是掌握超聲技術(shù)的基礎(chǔ)，更是解鎖高效、穩(wěn)定、低能耗加工的關(guān)鍵鑰匙。本文將為您解析這兩大核心參數(shù)的底層邏輯，揭示它們?nèi)绾螐膶?shí)驗(yàn)室公式轉(zhuǎn)化為工業(yè)生產(chǎn)力。
超聲波是機(jī)械波，可以在氣體、液體和固體中傳播，換句話說(shuō)，超聲波可以在具有彈性特性的任何介質(zhì)中傳播。隨著聲源、介質(zhì)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(lái)區(qū)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(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波傳播方向相平行的波稱(chēng)為縱波。在縱波通過(guò)的區(qū)域內(nèi)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生周期性的稀疏和稠密，如圖2-3所示。縱波可以在氣體、液體和固體介質(zhì)中傳播。
圖2-3 縱波
縱波在不同介質(zhì)中傳播的速度不同，在氣體中速度為
在無(wú)限介質(zhì)中橫波傳播的速度為
③表面波。當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量集中在介質(zhì)自由表面層或兩種界質(zhì)分界面附近的聲波稱(chēng)為表面波。這種波的類(lèi)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(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡為橢圓形，橢圓的長(zhǎng)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(dāng)聲波沿固體的自由表面?zhèn)鞑r(shí)，質(zhì)點(diǎn)位移的振幅隨離開(kāi)表面的深度按指數(shù)衰減，大部分能量集中在大約一個(gè)波長(zhǎng)的深度內(nèi)。表面波的聲速為
值得注意的是，在固體中聲速并非永遠(yuǎn)都是一個(gè)常數(shù)值，而是隨所施的振動(dòng)強(qiáng)度而變 的。變化的原因是由于在高應(yīng)力情況下，材料的彈性特性的數(shù)值發(fā)生了改變。
在結(jié)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(shù)值。在石英和其他壓電材料中，這種聲速的變化更為重要，因?yàn)樗鼈兊膲弘娞匦?/span> 被用作高頻振動(dòng)源。
④板波。當(dāng)聲波在板狀介質(zhì)中傳播時(shí)，其波型稱(chēng)為板波。板波的類(lèi)型有多種，其中主 要的一種是蘭姆（Lamb）波。通常所說(shuō)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(zhǎng)相比擬的板中傳播的一種彈性波，其聲場(chǎng)遍及整個(gè)板的厚度。在板波傳播的過(guò)程 中，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況是：在固體的兩個(gè)表面上，質(zhì)點(diǎn)沿橢圓軌跡振動(dòng)，與瑞利波相同；在板的 內(nèi)部，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)因波型的不同而異，當(dāng)波型為對(duì)稱(chēng)型時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡與縱波相同；當(dāng)波 型為反對(duì)稱(chēng)型時(shí)，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(duì)稱(chēng)型
反對(duì)稱(chēng)型
當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)卻是在它的平衡位置做振動(dòng)，任一瞬時(shí)振動(dòng)的速度就稱(chēng)為該時(shí)刻的質(zhì)點(diǎn)速度。假定有一列平面聲波在均勻介質(zhì)中沿x方向傳播，其波動(dòng)方程為
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