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利用聲學(xué)特性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)___超聲波檢測(cè)技術(shù)

利用聲學(xué)特性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)___超聲波檢測(cè)技術(shù)
無(wú)損檢測(cè)導(dǎo)論（2005年元月電子修訂版）夏紀(jì)真編著 **章無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)是物質(zhì)的各種物理性質(zhì)或它們的組合以及與物質(zhì)相互作用的物理現(xiàn)象。迄今為止，包括在工業(yè)領(lǐng)域已獲得實(shí)際應(yīng)用的和已在實(shí)驗(yàn)室階段獲得成功的無(wú)損檢測(cè)方法已達(dá)五、六十種甚至更多，隨著工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還將會(huì)出現(xiàn)更多的無(wú)損檢測(cè)方法與種類(lèi)。本書(shū)僅能就幾個(gè)主要方面作簡(jiǎn)單扼要的介紹。除了對(duì)于工業(yè)上已經(jīng)廣泛應(yīng)用的五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、滲透檢測(cè)和射線照相檢測(cè)）給予一定的工藝介紹外，對(duì)其他方法僅作概念性介紹。若需對(duì)其中某項(xiàng)方法作深入了解時(shí)，應(yīng)查閱相應(yīng)方法的專(zhuān)業(yè)技術(shù)介紹資料。

§2.1 利用聲學(xué)特性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

§2.1.1 超聲波檢測(cè)技術(shù)

什么是超聲波？超聲波有什么特性？

聲波是指人耳能感受到的一種縱波，其頻率范圍為16Hz~2KHz。當(dāng)聲波的頻率低于16Hz時(shí)就叫做次聲波，高于2KHz則稱(chēng)為超聲波。一般把頻率在2KHz到25MHz范圍的聲波叫做超聲波。它是由機(jī)械振動(dòng)源在彈性介質(zhì)中激發(fā)的一種機(jī)械振動(dòng)波，其實(shí)質(zhì)是以應(yīng)力波的形式傳遞振動(dòng)能量，其必要條件是要有振動(dòng)源和能傳遞機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)（實(shí)際上包括了幾乎所有的氣體、液體和固體），它能透入物體內(nèi)部并可以在物體中傳播。利用超聲波在物體中的多種傳播特性，例如反射與折射、衍射與散射、衰減、諧振以及聲速等的變化，可以測(cè)知許多物體的尺寸、表面與內(nèi)部缺陷、組織變化等等，因此是應(yīng)用廣泛的一種重要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)--超聲檢測(cè)技術(shù)。例如用于醫(yī)療上的超聲診斷（如B超）、海洋學(xué)中的聲納、魚(yú)群探測(cè)、海底形貌探測(cè)、海洋測(cè)深、地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)、工業(yè)材料及制品上的缺陷探測(cè)、硬度測(cè)量、測(cè)厚、顯微組織評(píng)價(jià)、混凝土構(gòu)件檢測(cè)、陶瓷土坯的濕度測(cè)定、氣體介質(zhì)特性分析、密度測(cè)定……等等。

超聲波具有如下特性：

1）超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。

2）超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。

3）超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。

4）超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，達(dá)到一定程度的聲功率就可在液體中的物體界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊（基于“空化現(xiàn)象”）--從而引出了“功率超聲應(yīng)用“技術(shù)--例如“超聲波清洗”、“超聲波鉆孔”、“超聲波去毛刺”（統(tǒng)稱(chēng)“超聲波加工”）等。

5）利用強(qiáng)功率超聲波的振動(dòng)作用，還可用于例如塑料等材料的“超聲波焊接”。

工業(yè)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用的超聲波檢測(cè)（UltrasonicTesting，簡(jiǎn)稱(chēng)UT）是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中發(fā)展快、應(yīng)用廣泛的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，占有非常重要的地位。

在超聲波檢測(cè)技術(shù)中用以產(chǎn)生和接收超聲波的方法主要利用的是某些晶體的壓電效應(yīng)，即壓電晶體（例如石英晶體、鈦酸鋇及鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷）在外力作用下發(fā)生變形時(shí)，將有電極化現(xiàn)象產(chǎn)生，即其電荷分布將發(fā)生變化（正壓電效應(yīng)），反之，當(dāng)向壓電晶體施加電荷時(shí)，壓電晶體將會(huì)發(fā)生應(yīng)變，亦即彈性變形（逆壓電效應(yīng)）。因此，利用壓電晶體制成超聲波換能器（探頭），對(duì)其輸入高頻電脈沖，則探頭將以相同頻率產(chǎn)生超聲波發(fā)射到被檢物體中去，在接收超聲波時(shí)，探頭則產(chǎn)生相同頻率的高頻電信號(hào)用于檢測(cè)顯示。

除了利用壓電效應(yīng)以外，在某些情況下也利用磁致伸縮效應(yīng)（強(qiáng)磁材料在磁化時(shí)會(huì)發(fā)生變形的現(xiàn)象，可用作振源或用于應(yīng)變測(cè)量），也有利用電動(dòng)力學(xué)方法（例如本章后面敘述的電磁-聲或渦流-聲方法）。

（3）耦合方法的確定-超聲探頭與被檢工件之間存在空氣時(shí)，超聲波將被反射而無(wú)法進(jìn)入被檢工件，因此在它們之間需要使用耦合介質(zhì)，視耦合方式的不同，可以分為：

接觸法-超聲探頭與工件檢測(cè)面直接接觸，其間以機(jī)油、變壓器油、潤(rùn)滑脂、甘油、水玻璃（硅酸鈉Na₂SiO₃）或者工業(yè)膠水、化學(xué)漿糊等作為耦合劑，或者是商品化的超聲檢測(cè)專(zhuān)用耦合劑。

水浸法-超聲探頭與工件檢測(cè)面之間有一定厚度的水層，水層厚度視工件厚度、材料聲速以及檢測(cè)要求而異，但是水質(zhì)必須清潔、無(wú)氣泡和雜質(zhì)，對(duì)工件有潤(rùn)濕能力，其溫度應(yīng)與被檢工件相同，否則會(huì)對(duì)超聲檢測(cè)造成較大干擾。

接觸法和水浸法是超聲檢測(cè)中主要應(yīng)用的兩種耦合方式，此外還有水間隙法、噴水柱法、溢水法、地毯法、滾輪法等多種特殊的耦合方式。

（4）檢測(cè)條件的準(zhǔn)備-選擇適當(dāng)?shù)某曁絺麅x、超聲探頭、參考標(biāo)準(zhǔn)試塊（或者采用計(jì)算法時(shí)的計(jì)算程序或距離-波幅曲線、AVG或DGS曲線等），以及在檢測(cè)前對(duì)儀器的校準(zhǔn)（時(shí)基線校正、起始靈敏度設(shè)定等）。

（5）檢測(cè)掃查-在被檢工件的檢測(cè)面上使用超聲探頭進(jìn)行掃查，應(yīng)確保超聲束能覆蓋所有被檢查的區(qū)域。

（6）缺陷評(píng)定-對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行定位（缺陷在工件中的埋藏深度與水平位置）、定量（缺陷大小、面積、長(zhǎng)度）的評(píng)定并作出標(biāo)記，必要時(shí)還需要判定缺陷的性質(zhì)或種類(lèi)，亦即定性評(píng)定。

（7）記錄與判斷-記錄檢測(cè)結(jié)果，對(duì)照技術(shù)條件和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)作出合格與否的判斷，得出檢測(cè)結(jié)論，簽發(fā)檢測(cè)報(bào)告。

（8）處理-將檢測(cè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的工件作出標(biāo)記，隔離待處理，對(duì)合格工件給予合格標(biāo)記轉(zhuǎn)入下道生產(chǎn)工序或周轉(zhuǎn)程序。

以上是超聲脈沖反射法檢測(cè)的基本程序，在實(shí)際產(chǎn)品的檢測(cè)中還應(yīng)該根據(jù)具體的檢測(cè)規(guī)范或檢測(cè)工藝規(guī)程等的要求具體實(shí)施檢測(cè)。

超聲脈沖反射檢測(cè)法是超聲檢測(cè)中應(yīng)用廣泛的方法，不僅是在工業(yè)超聲檢測(cè)中，就是在其他領(lǐng)域，例如測(cè)厚、魚(yú)群探測(cè)、水下聲納、海洋測(cè)深、海底形貌及地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)、醫(yī)用超聲診斷等等，也都廣泛利用著超聲波的反射特性。

§2.1.1.2超聲波的衍射與散射特性

在遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，由于工件尺寸較大，要預(yù)先制作相應(yīng)尺寸的試塊有困難，而且搬運(yùn)、使用均很不方便。鑒于遠(yuǎn)場(chǎng)中的聲壓隨著距離的增大呈單調(diào)下降變化，各種人工反射體的回波聲壓變化是有規(guī)律可循的，因此可以采用計(jì)算方法或事先測(cè)繪制作的距離-波幅曲線（稱(chēng)作AVG法或DGS法）來(lái)確定檢測(cè)靈敏度以及評(píng)定缺陷的當(dāng)量大小。

必須指出：超聲檢測(cè)中評(píng)定的缺陷當(dāng)量大小，是指缺陷的回波幅度與一定尺寸的人工反射體的回波幅度相同，但是缺陷的實(shí)際尺寸與標(biāo)準(zhǔn)人工反射體的尺寸并不相同，這是因?yàn)槿毕莸幕夭ǚ却笮∈鼙粰z工件的材料以及缺陷本身的性質(zhì)、大小、形狀、取向、表面狀態(tài)等多種因素的影響，同時(shí)還與超聲波的自身特性有關(guān)，因此引入了“當(dāng)量”-相當(dāng)?shù)牧窟@個(gè)概念作為定量衡量缺陷大小的標(biāo)準(zhǔn)。例如我們說(shuō)經(jīng)過(guò)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)被檢工件內(nèi)的某個(gè)位置處存在Φ2mm直徑平底孔當(dāng)量的缺陷，就是指該缺陷的回波幅度與工件內(nèi)相同位置處Φ2mm直徑平底孔（平底孔的孔底面與超聲束軸線垂直，并且同軸）的回波幅度相同，然而該缺陷的實(shí)際面積尺寸往往大于Φ2mm直徑平底孔的底面面積。

此外，根據(jù)超聲檢測(cè)的結(jié)果判斷缺陷的性質(zhì)（定性）問(wèn)題尚未很好解決，目前還主要是依靠檢測(cè)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平以及對(duì)被檢工件的材料特性、加工工藝特點(diǎn)、使用狀況等的了解來(lái)進(jìn)行綜合的主觀判斷。

超聲脈沖反射法檢測(cè)攻堅(jiān)的一般步驟是：

（1）超聲檢測(cè)面的選擇-當(dāng)超聲束與工件中缺陷延伸方向垂直，或者說(shuō)與缺陷面垂直時(shí)，能獲得佳反射，此時(shí)缺陷檢出率高。因此，在被檢工件上應(yīng)選擇能使超聲束盡量與可能存在的缺陷其延伸方向垂直的工件表面作為檢測(cè)面，右圖給出了常見(jiàn)工件的超聲檢測(cè)面示意圖。
（2）檢測(cè)面的制備-超聲波是通過(guò)被檢工件表面進(jìn)入工件內(nèi)部的，檢測(cè)面光潔度的優(yōu)劣影響聲能的透射效果并可能產(chǎn)生干擾，因而對(duì)超聲檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性有很大影響。下面給出了不同超聲檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)面光潔度的一般要求：

方法	檢測(cè)面光潔度要求
接觸法縱波檢測(cè)	≤3.2μm
水浸法縱波檢測(cè)	≤6.3μm
接觸法橫波檢測(cè)	≤3.2μm
接觸法瑞利波(表面波)檢測(cè)	≤0.8μm
接觸法蘭姆波(板波)檢測(cè)	≤1.6μm
如被檢件表面光潔度不能滿(mǎn)足檢測(cè)要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的表面加工制備，或采取特殊的補(bǔ)救措施（例如采用特殊的耦合方法或靈敏度補(bǔ)償）

超聲檢測(cè)面示意圖

超聲脈沖反射法檢測(cè)原理
示意圖

超聲波探傷儀的高頻脈沖電路產(chǎn)生高頻脈沖振蕩電流施加到超聲換能器（探頭）中的壓電晶體上，激發(fā)出超聲波并傳入被檢工件，超聲波在被檢工件中傳播時(shí)，若在聲路（超聲波的傳播路徑）上遇到缺陷（異質(zhì)）時(shí)，將會(huì)在界面上產(chǎn)生反射，反射回波被探頭接收轉(zhuǎn)換成高頻脈沖電信號(hào)輸入探傷儀的接收放大電路，經(jīng)過(guò)處理后在探傷儀的顯示屏上顯示出與回波聲壓大小成正比的回波波形（圖形），根據(jù)顯示的回波幅度大小可以評(píng)估缺陷大小，顯示屏上的水平掃描線（時(shí)基線）可以調(diào)整為與超聲波在該介質(zhì)中傳播時(shí)間（距離）成正比（俗稱(chēng)“定標(biāo)”），然后就可以根據(jù)回波在顯示屏水平掃描線上的位置判定缺陷在工件中的位置。利用工件底面回波在水平掃描線上的位置，還可用于測(cè)定工件的厚度（如左圖所示）。

超聲波所占的空間稱(chēng)為超聲場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)如下右圖所示，它包括近場(chǎng)（N為近場(chǎng)長(zhǎng)度）和遠(yuǎn)場(chǎng)兩個(gè)部分。在近場(chǎng)區(qū)中的聲壓分布是不均勻的，而在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)中的聲壓則隨著距離的增大呈單調(diào)下降變化。近場(chǎng)區(qū)的長(zhǎng)度與換能器的晶片直徑和超聲波的波長(zhǎng)有關(guān)，在近場(chǎng)區(qū)的超聲波束呈收斂

狀態(tài)，在近場(chǎng)區(qū)末端，亦即從近場(chǎng)區(qū)進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的過(guò)渡點(diǎn)上聲束直徑小（故也將此點(diǎn)稱(chēng)作自然焦點(diǎn)），進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)后聲束將以一定角度發(fā)散，聲束邊緣的斜度以半擴(kuò)散角θ表示，聲束的半擴(kuò)散角同樣與換能器的晶片直徑和超聲波的波長(zhǎng)有關(guān)。
因此，在超聲檢測(cè)中為了能根據(jù)回波幅度大小評(píng)估缺陷大小，當(dāng)被檢工件尺寸較小，落在近場(chǎng)區(qū)范圍時(shí)，通常需要采用參考對(duì)比試塊進(jìn)行比較評(píng)定，參考試塊的材料、狀態(tài)（聲學(xué)特性）應(yīng)與被檢物相同或相近，并且含有已知尺寸的特定人工反射體（例如平底孔、橫孔、柱孔、刻槽等），將發(fā)現(xiàn)的缺陷回波幅度與相同聲程（超聲波傳播路程）的人工反射體回波幅度比較，得到以人工反射體尺寸表示的缺陷當(dāng)量大小。

超聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

除了上述四種主要的應(yīng)用波型外，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展應(yīng)用的還有頭波（HeadWave）和爬波（CreepingLongitudionalWave，又稱(chēng)作爬行縱波），特別是后者能夠以縱波的速度在介質(zhì)表面下傳遞，適合用于檢測(cè)表面特別粗糙，或者表面存在不銹鋼堆焊層等情況下的近表層缺陷檢測(cè)。

超聲波在介質(zhì)中的傳播速度C（與介質(zhì)、波型等有關(guān)）、振動(dòng)頻率f（單位時(shí)間內(nèi)完成全振動(dòng)的次數(shù)，以每秒一次為1個(gè)赫茲-Hz）和超聲波的波長(zhǎng)λ（超聲波完成一次全振動(dòng)時(shí)所傳遞的距離）三者有如下關(guān)系：C=λ·f

應(yīng)當(dāng)注意在不同介質(zhì)中以及不同的超聲波波型具有不同的傳播速度。

超聲波具有波長(zhǎng)短、沿直線傳播（在許多場(chǎng)合可應(yīng)用幾何聲學(xué)關(guān)系進(jìn)行分析研究）、指向性好，能在固體中傳播，并能進(jìn)行波型轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)，其傳播特性包括反射與折射、衍射與散射、衰減、諧振、聲速等多種變化，因此其適用范圍非常廣泛，包括了金屬、非金屬，鍛件、鑄件、焊接件、型材、膠接結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料、緊固件等等。

超聲波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是穿透力強(qiáng)、設(shè)備輕便、檢測(cè)成本低、檢測(cè)效率高，能即時(shí)知道檢測(cè)結(jié)果（實(shí)時(shí)檢測(cè)），能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)性記錄，在缺陷檢測(cè)中對(duì)危害性較大的裂紋類(lèi)缺陷特別敏感等等。

超聲波檢測(cè)的缺點(diǎn)是通常需要耦合介質(zhì)使聲能透入被檢物，需要有參考評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，特別是顯示的檢測(cè)結(jié)果不直觀，因而對(duì)操作人員的技術(shù)水平有較高要求等等，此外，對(duì)于小而薄或者形狀較復(fù)雜，以及粗晶材料等的工件檢測(cè)還存在一定困難。

下面以超聲波的傳播特性為線索來(lái)分別敘述其應(yīng)用。

§2.1.1.1超聲波的反射與折射特性

在彈性介質(zhì)中傳播的超聲波遇到異質(zhì)界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射與折射，并有波型轉(zhuǎn)換發(fā)生。

在超聲波檢測(cè)中利用超聲波在界面上的折射特性主要用于達(dá)到波型轉(zhuǎn)換的目的，例如把一般壓電晶體產(chǎn)生的縱波轉(zhuǎn)換成橫波、瑞利波、蘭姆波等，以適應(yīng)不同工件及不同情況下的檢測(cè)，其轉(zhuǎn)換條件與界面兩側(cè)解職的聲速比（折射率）和入射、折射角度（正弦函數(shù)）相關(guān)：sinα/C₁=sinβ/C₂（見(jiàn)右圖所示：α為入射角，C₁為介質(zhì)中入射超聲波的速度；β為反射或折射角，C₂為在介質(zhì)中反射或者在**介質(zhì)中折射超聲波的速度。在相同介質(zhì)中相同波型有相同的波速，因此對(duì)于L_反的反射角β與L的入射角α相同，在同一介質(zhì)中橫波的速度小于縱波速度，因此對(duì)于反射橫波S_反的反射角β小于L的入射角α；從折射情況來(lái)看，也同樣是由于在同一介質(zhì)中橫波的速度小于縱波速度，因此折射橫波S_折的折射角小于折射縱波L_折的折射角，上面所述的數(shù)學(xué)式也稱(chēng)為斯涅爾定律-折射定律）。
在超聲波檢測(cè)中利用超聲波的反射特性主要用于探測(cè)材料中的缺陷。下面以常用的A型顯示（波形顯示）的超聲脈沖反射法探測(cè)為例：

超聲波反射與折射時(shí)的
波型轉(zhuǎn)換

橫波

樂(lè)甫波

瑞利波

（3）表面波（SurfaceWave）-在工業(yè)超聲檢測(cè)中應(yīng)用的表面波主要是指超聲波沿介質(zhì)表面?zhèn)鬟f，而傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動(dòng)的瑞利波（RayleighWave，簡(jiǎn)稱(chēng)R波，如左圖所示），瑞利波在介質(zhì)上的有效透入深度只有一個(gè)波長(zhǎng)的范圍，因此只能用于檢查介質(zhì)表面的缺陷，不能像縱波與橫波那樣

深入介質(zhì)內(nèi)部傳播，從而可以檢查介質(zhì)內(nèi)部的缺陷。此外，水平偏振橫波（SH波，也稱(chēng)為L(zhǎng)oveWave-樂(lè)甫波）也是一種沿表面層傳播的表面波，實(shí)際上就是地震波的振動(dòng)模式，不過(guò)目前在工業(yè)超聲檢測(cè)中尚未獲得實(shí)際應(yīng)用。

（4）蘭姆波（LambWave）-這是一種由縱波與橫波疊加合成，以特定頻率被封閉在特定有限空間時(shí)產(chǎn)生的制導(dǎo)波（guideWave）。在工業(yè)超聲檢測(cè)中，主要利用蘭姆波來(lái)檢測(cè)厚度與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋〗饘侔宀?，因此也稱(chēng)為板波（PlateWave，簡(jiǎn)稱(chēng)P波）。蘭姆波在薄板中傳遞時(shí)，薄板上下表面層質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動(dòng)，而薄板中層的質(zhì)點(diǎn)將以縱波分量或橫波分量形式振動(dòng)，從而構(gòu)成全板振動(dòng)，這是蘭姆波檢測(cè)的顯著特征。根據(jù)薄板中層的質(zhì)點(diǎn)是以縱波分量或橫波分量形式振動(dòng)，可以分為S模式（對(duì)稱(chēng)型）和A模式（非對(duì)稱(chēng)型）兩種模式的蘭姆波（如右圖所示）。
在細(xì)棒和薄壁管中也能激發(fā)出蘭姆波，此時(shí)稱(chēng)為扭曲波、膨脹波等。

超聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，視介質(zhì)支點(diǎn)的振動(dòng)型式與超聲波傳播方向的關(guān)系，可以把超聲波分為以下幾種波型：

（1）縱波（LongitudionalWave，簡(jiǎn)稱(chēng)L波，又稱(chēng)作壓縮波、疏密波）-縱波的特點(diǎn)是傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向相同（見(jiàn)右圖所示）
（2）橫波（ShearWave，簡(jiǎn)稱(chēng)S波，又稱(chēng)作Transversewave，簡(jiǎn)稱(chēng)T波，也稱(chēng)為切變波或剪切波）-橫波的特點(diǎn)是傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向垂直，并且視質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)平面與超聲波傳播方向的關(guān)系又分為垂直偏振橫波（SV波，這是工業(yè)超聲檢測(cè)中常應(yīng)用的橫波）和水平偏振橫波（SH波，也稱(chēng)為L(zhǎng)ove Wave-樂(lè)甫波，實(shí)際上就是地震波的震動(dòng)模式）（見(jiàn)下左圖所示）

縱波

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