车轮轮箍质量超声波检测的物理基础

     随着科学技术的飞速发展，加上车轮轮箍的使用范围不断扩大，人们对车轮轮箍的质量及其检测技术提出了更高的要求。目前对车轮轮箍检测分析的手段虽然有低倍检验、金相检验、电子扫描检验等，但均存在着一定的随机性以及对试样磨面是否存在缺陷的不确定性等因素，因此，这些分析手段对车轮轮箍缺陷大多存在着漏检的可能性。于是，人们又提出采用超声波对车轮轮箍进行检测分析。我们山西永鑫生重工主要生产的车轮锻件，都是采用超声波检测，不仅可以减少随机检验带来的风险及减轻人们检测的劳动强度，而且检验准确、可靠。

  一个物理量的值在观测时间内不停地在极大值和极小值之间变化，这种变化状态称为振动。如果振动量是一个力学量，如位移、角位移等，所做的振动则称之为机械振动。物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近做往复周期性的运动称为机械振动。往下拉一下安装在弹簧一端的小质点，松开后而产生的运动就是机械振动，简称振动。 物体做简谐振动时，只有弹性力或重力做功，其他力不做功，这符合机械能守恒的条件。因此，简谐振动的能量遵守机械能守恒定律，即在平衡位置时动能最大，势能为零；在位移最大时，势能最大，动能为零，其总能量保持不变。振动的类型很多，除了简谐振动外，还有固有振动、受迫振动、阻尼振动等，这些振动虽然都属于较为复杂的振动，但是它们的基础是简谐振动。阻尼振动是振幅或能量随时间不断减小的振动。由于克服阻力做功，振动物体在传播过程中，伴随着能量的传递，阻尼振动的振幅不断减小。阻尼振动受到阻力的作用，因此不符合机械能守恒。受迫振动是物体受到周期变化的外力作用时产生的振动。如缝纫机上缝纫针的振动，气缸中活塞的振动和扬声器中纸盆的振动等。受迫振动刚开始时情况很复杂，经过一段时间后达到稳定状态，变为周期性谐振动。其振动频率和策动力频率相同，振幅保持不变。受迫振动的振幅和策动力的频率有关，当策动力频率P与受迫振动物体固有频率相同时，受迫振动的振幅达到最大，这种现象称为共振。受迫振动物体受到策动力的作用，不符合机械能守恒。超声波探头中的压电晶片在发射超声波时，一方面受高频电脉冲激励，另一方面在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用，因此又是阻尼振动。压电晶片在接收超声波时同样产生受迫振动和阻尼振动。在设计探头中的压电晶片时，应使高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率，从而产生共振，这时压电晶片的电声能量转换效率最高。

   振动的传播过程称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。机械振动在弹性介质中的传播过程称为机械波，例如水波、声波与超声波等。通常认为物体是由以弹性力保持平衡的各个质点所构成的。当某一质点受到外力的作用后，该质点就在其平衡位置附近振动。由于一切质点都是彼此联系的，振动质点的能量就能够传递给周围的质点而引起周围质点的振动。这样在弹性介质中一个质点的振动就会引起邻近质点的振动，邻近质点的振动.由此可见，产生机械波必须具备以下两个条件：①有机械振动的波源；②有能传播机械振动的弹性介质。由于超声波频率比可闻声波高得多，因此，其波长短，加上它在固体中传播时传递能量较大，这样，使得它传播时具有与光波类似的某些特性。为此，人们也常常借用光学原理来研究和解释超声波的物理现象。超声波具有以下几个特性①束射特性。由于超声波的频率高，其波长较在同样介质中的声波波长短得多，衍射现象不明显，所以超声波的传播方向好。超声波波长短，声束指向性好，可以使超声波能量向一定方向集中辐射。②反射特性。超声波在弹性介质中传播时，遇到异常界面会产生反射、透射或折射， 而反射特性正是脉冲反射法检测的理论基础。③传播特性。超声波在弹性介质中传播时，质点振动位移小，振速高，因此，其声压、声强均比可闻声波大，传播距离远，可检测范围大。④波形转换特性。超声波在两个声速不同的异质界面上容易实现波形转换，从而为各种波形（纵波、横波、板波、表面波）检测提供了方便。

  人们正是利用了超声波的这些特性.才使超声波检测技术不断得以发展。超声波在工业生产中有极其广泛的应用。永鑫生锻造利用超声波来对材料进行检测和探伤，可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。超声波清洗和加工处理技术可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺过程中。其中超声波清洗是一种高效率的清洗方法，已经用于尖端和精密工业。大功率超声波还可用于机械加工，例如拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺。

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