超声波谐振

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所谓超声波，是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到20赫兹（Hz）-20千赫兹（kHz）的声波，低于20赫兹的声波称为次声波或亚声波，超过20千赫兹的声波称为超声波。超声波是一种机械振动波，我们可以利用超声谐振仪把频率可调的超声波(主要利用纵波)入射到被检工件中，当超声波与工件的固有频率发生频率共振时，相向传播的入射波与反射波互相叠加形成驻波，此即纵波垂直入射的厚度共振。

超声波谐振工作方式。针对传统超声电源采用模拟锁相电路进行频率跟踪时，存在锁相范围窄、元器件一致性差、在负载突变时易失锁等缺点。利用超声波谐振可很好地跟踪负载谐振的变化，使开关器件工作在软开关状态， 显著地减小了功率器件的开关损耗， 提高了电源效率。在超声逆变电源的实际应用中，由于换能器发热及负载变化等因素的影响，会使换能器的谐振频率发生漂移， 导致声学系统温度升高， 功率开关器件处于硬开关状态，逆变器功耗增大并可能烧毁功率器件, 因此对换能器进行频率跟踪是超声波电源的一个关键技术 。超声波谐振频率跟踪电路工作原理为：当压电换能器工作于谐振状态时，换能器两端电压与流过换能器的电流相位基本相同。当换能器处于失谐状态时，其两端电压与电流存在相位差。

超声波谐振的特性：

(1)测厚：

试样厚度为d，在其中传播的超声波波长为λ，则在发生谐振时得到：d=λ1/2=2λ2/2=3λ3/2=...=n・λn/2，式中n为任意正整数，亦即此时被检工件的厚度等于谐振超声波半波长的整数倍。

当试件材料的超声波速C为已知时，根据声速、波长和频率的关系式：C=λ・f，可以得到在厚度共振时的超声波频率：fn=C/λn=n・C/2d，当n=1时，f1=C/2d，这f1就是厚度共振的基频，由于任何两个相邻谐波的频率之差等于基频，则有：fn-fn-1=nf1-(n-1)f1=f1，因此可以利用谐振仪确定厚度共振时两个相邻谐波的频率，则工件厚度为：d=C/[2(fn-fn-1)]，或者在两个不相邻谐波的频率分别为fm和fn时，由于：fm-fn=(m-n)f1，因此d=(m-n)・C/[2(fm-fn)]。

(2)检测缺陷：

当被检工件中存在缺陷时，与无缺陷的相同工件相比，其国有频率将会发生改变，因而谐振状态也会发生变化(谐振频率改变)，从而可以据此检测出缺陷的存在。例如用于测定金属的硬度、检查薄板点焊的质量，特别是用于复合材料及胶接结构的胶接缺陷(如未粘合、脱粘、贫胶等)以及胶接强度的检测，成为专门用于检查胶接质量的“声振检测法”。

超声波谐振特性的一个典型应用是超声硬度计，它是借助超声传感器杆谐振频率的变化来测量硬度，主要用于测定金属的洛氏硬度，采用比较法也可用于其他测量。超声硬度测量的优点是对试件表面的破坏极小、测量速度很快、操作程序简单，特别适合于成品工件百分之百检验，并且可以手握测头直接对工件检测，特别适合于不易移动的大型工件、不易拆卸的部件进行测量。

总之，由超声波谐振发展的超声检测技术应用的方法是多种多样的，并且还在不断探索和发展新的应用方法和开拓新的应用领域，如现在已经发展的超声频谱分析法，这是根据超声反射回波的频谱特性分析，用以检查评估材料的显微组织形态，评估缺陷的形状、种类和性质，以及评定胶接结构的胶接质量等等。此外还有超声波计算机层析扫描技术、超声全息技术等等。特别应该指出，随着计算机技术的飞跃发展，超声检测信号的数字化处理、分析与显示，更为超声检测技术的应用与拓展提供了更大的空间，具有很大的发展潜力。