應(yīng)力波應(yīng)用速覽

摘要：本文對應(yīng)力波的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了概括，對應(yīng)力波知識的普及具有一定意義。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力波；應(yīng)用；技術(shù)

中圖分類號：TU文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673-9671-(2012)042-0109-01

當(dāng)外力作用于可變形的固體表面時，受外力直接作用的表面部分的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)偏離了初始位置，由于這部分介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)與相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生相對位移，將受到相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的阻力，同時相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)也受到反作用力，因而它們也離開初始位置而運(yùn)動起來，又由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)具有慣性，相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動將相對滯后，外力在介質(zhì)表面所引起的運(yùn)動就在介質(zhì)中逐漸由近及遠(yuǎn)傳播出去而形成應(yīng)力波。由于應(yīng)力波能在物質(zhì)中傳播，且能對物質(zhì)產(chǎn)生拉伸和壓縮作用，因此在各種工程技術(shù)領(lǐng)域和科學(xué)技術(shù)研究中存在廣泛的應(yīng)用。

1在地震研究和能源勘探方面的應(yīng)用

地震波作為人們所熟知的應(yīng)力波，在地震研究中得到了廣泛的應(yīng)用。通過天文時緯殘差異常、地下深部物質(zhì)視電阻率變化和前兆性地傾斜變化等觀測事實已經(jīng)證明：在地震前由于板塊之間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，會引發(fā)底層介質(zhì)密度緩慢的正負(fù)變化，這種變化會以擠壓或拉伸的方式在地層介質(zhì)中傳播，進(jìn)而形成一種超低頻的密度—應(yīng)力波。因而可以通過對這種超低頻的密度—應(yīng)力波進(jìn)行觀測來實現(xiàn)一定的地震預(yù)測目的。在地震發(fā)生后，由于地震觀測站距離震源的遠(yuǎn)近不同，因此可以根據(jù)地震波傳播到觀測站的時間差，迅速計算出震源和震中的位置，為以最快的速度作好災(zāi)后救援工作，進(jìn)一步減少不必要的損失奠定了基礎(chǔ)。

在石油勘探中，當(dāng)鉆穿油氣層時，就會有大量的可燃?xì)怏w混入鉆井液中，形成混相介質(zhì)。可以通過應(yīng)力波的方法對含氣鉆井液的聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量，實時監(jiān)測鉆井液中的含氣量，進(jìn)而了解地下地質(zhì)情況，及時發(fā)現(xiàn)油氣層，避免油氣資源的浪費(fèi)。天然氣水合物作為一種重要的新型能源，受到了國內(nèi)外的高度關(guān)注。在對其進(jìn)行調(diào)查的技術(shù)手段中，與應(yīng)力波相關(guān)的主要方法和技術(shù)包括：地震勘探技術(shù)、聲波測井技術(shù)和海底地貌聲納探測技術(shù)。這些技術(shù)作為勘探和開發(fā)天然氣水合物的一種有效手段，為維持海底的穩(wěn)定性具有重要的意義。

2在管道檢漏、木材檢測和基樁動測方面的應(yīng)用

管道輸送作為方便、可靠的物質(zhì)運(yùn)輸方式，被廣泛的應(yīng)用在石油、天然氣等能源輸送中。由于管道隨使用年限的增長會老化、磨損，不可避免地會產(chǎn)生泄漏事故。由于在石油、天然氣傳輸過程中管道內(nèi)存在較高的壓力，因此在管道泄漏點(diǎn)會產(chǎn)生應(yīng)力波向管道兩段傳播?；谶@一事實，就可以在管道首末兩端設(shè)置傳感器，根據(jù)傳感器所檢測到的時間差實現(xiàn)泄漏點(diǎn)定位。

木材的力學(xué)性能和物理結(jié)構(gòu)直接影響木材中應(yīng)力波傳播的動態(tài)過程。通過對木材進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒o損撞擊，在其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波的傳播，由于應(yīng)力波的傳播速度與木材的彈性模量、密度及泊松比等物理性質(zhì)有關(guān)，且應(yīng)力波在傳播過程中遇到裂紋、斷層和空洞等不連續(xù)界面時會發(fā)生反射、透射和散射等現(xiàn)象，因此可以通過對應(yīng)力波波速及幅值的測量，最終確定木材的力學(xué)強(qiáng)度及內(nèi)部缺陷情況。

基樁動測技術(shù)是一項復(fù)雜的工程技術(shù)，但由于打樁是應(yīng)力波的傳播過程，因此在以一維應(yīng)力波方程描述的基礎(chǔ)上，涌現(xiàn)出了基樁動測的高應(yīng)變法、低應(yīng)變法和聲波透射法等技術(shù)。應(yīng)用這些方法可以對樁身應(yīng)力、基樁完整性、單樁承載力和可打性進(jìn)行有效的分析，為建設(shè)工程中的質(zhì)量評估問題提供了有力的依據(jù)。

3在醫(yī)學(xué)檢查方面的應(yīng)用

超聲波作為一種特殊的應(yīng)力波在醫(yī)學(xué)上有突出的應(yīng)用。B超作為醫(yī)學(xué)上人體內(nèi)臟器官的檢查儀器被人們所熟知。B超在醫(yī)學(xué)檢查時，由發(fā)射電路發(fā)射超聲波脈沖，經(jīng)B超前端的波束合成器合成后，通過探頭加載到人體上，超聲波在人體內(nèi)傳播、反射后，由探頭接收回波信號，通過B超后端根據(jù)應(yīng)力波傳播理論對信號進(jìn)行掃描變換，最后將所成的二維圖像在顯示器輸出。B超在醫(yī)學(xué)檢查中所具有的無傷害、低成本等特點(diǎn)，使其在醫(yī)學(xué)檢查方面得到了廣泛的應(yīng)用。

4在材料參數(shù)測量方面的應(yīng)用

材料在動態(tài)加載下力學(xué)參數(shù)的測量也充分利用了應(yīng)力波的理論。材料動態(tài)加載下測量力學(xué)參數(shù)的常用方法有Hopkinson桿加載技術(shù)、高壓氣體炮加載技術(shù)和化爆高壓加載技術(shù)等，但其理論依據(jù)都與應(yīng)力波理論緊密相關(guān)。在Hopkinson桿加載技術(shù)中，通過測量入射波、反射波及透射波的相關(guān)信息即可確定材料在動態(tài)加載下的材料參數(shù)；在高壓氣體炮加載技術(shù)和化爆高壓加載技術(shù)中，通過應(yīng)力波理論可以估計出入射飛片的極限速度，在對飛片的擊靶速度和靶板中的沖擊波速度進(jìn)行精確測量后，即可計算出靶板材料的力學(xué)參數(shù)。通過材料的動態(tài)參數(shù)，就可以對材料在極端條件下的力學(xué)響應(yīng)做出合理的預(yù)測。

5在武器裝備方面的應(yīng)用

應(yīng)力波在軍事裝備上也得到了充分的利用。破甲彈作為一種武器，在上世紀(jì)中曾被不少軍隊裝備。破甲彈爆炸所產(chǎn)生的沖擊波在裝甲上由外向內(nèi)傳播，在沖擊波傳播到內(nèi)表面時，在自由面反射一個拉伸波，當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的承拉強(qiáng)度時，裝甲材料發(fā)生層裂并從內(nèi)表面剝離，以較高的速度擊傷或擊斃裝甲目標(biāo)內(nèi)的人員，從而達(dá)到消滅有生力量的目的。激光武器在現(xiàn)代武器裝備中有著極其重要的作用。激光武器在作用到目標(biāo)物時，一方面通過其所具有的高密度能量對目標(biāo)物造成殺傷，另一方面通過其在目標(biāo)物上所形成的燒蝕面上產(chǎn)生的沖擊波加載到目標(biāo)物內(nèi)，從而對目標(biāo)物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成不可逆轉(zhuǎn)的毀傷，達(dá)到使目標(biāo)失去作戰(zhàn)性能的目的。

本文對應(yīng)力波在生產(chǎn)、生活中應(yīng)用的一些主要方面進(jìn)行了論述。隨著理論研究的不斷深入和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，應(yīng)力波的應(yīng)用前景會變得更加廣闊。

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作者簡介

姜偉（1986—），男，漢族，碩士，國防科技大學(xué)理學(xué)院學(xué)員三隊

學(xué)員。