نگاهی به فیزیک فراصوت

آزمون فراصوتی بر مبنای تغییر شکل‌های متغیر با زمان یا ارتعاشات موجود در مواد که به طور کلی به آن‌ها اکوستیک ( Acoustics) می‌گویند، پایه گذاری شده است. همه‌ی مواد از اتم‌هایی تشکیل شده‌اند که ممکن است وادار به حرکت ارتعاشی حول حالت تعادل خود باشند. الگوهای متفاوت متعددی از حرکت ارتعاشی در مقیاس اتمی وجود دارد. اما بیشتر آن‌ها به اکوستیک و آزمون فراصوتی (UT) مربوط نمی‌شوند. اکوستیک بر روی ذراتی متمرکز است که حاوی تعداد زیادی از اتم‌هایی است که با حرکت یکنواخت یک موج مکانیکی را ایجاد می‌کند. هنگامی که ماده ای تحت تنش کششی یا فشاری فراتر از حد الاستیکش قرار گرفت، ذرات منفرده ی آن نوسان‌های الاستیک انجام می‌دهند. هنگامی که ذرات ماده از مکان تعادلشان جا به جا شوند، نیروهای بازگرداننده‌ی داخلی (الکترواستاتیک) ظاهر می‌شوند. این نیروهای الاستیک بازگرداننده‌ بین ذرات که با اینرسی ذرات ترکیب شده‌اند منجر به حرکات نوسانی ماده می‌گردند.
در جامدات امواج صوتی می‌توانند با چهار شیوه‌ی اصلی که مبتنی بر نحوه‌ی نوسان ذرات هستند، منتشر شوند. صوت می‌تواند به صورت‌های امواج طولی، امواج برشی، امواج سطحی و در مواد نازک به صورت امواج صفحه ای منتشر شوند. امواج طولی و امواج صفحه ای دو شیوه‌ی انتشاری هستند که بیشترین استفاده را در آزمون فراصوتی (UT) دارند. حرکت ذره که مسئول انتشار امواج برشی و طولی می‌باشد در شکل زیر نشان داده شده است.
در امواج طولی نوسان در جهت طولی یا در جهت انتشار موج انجام می‌گیرد. از آن جا که نیروهای انبساطی و فشاری در این امواج فعال هستند، به این دلیل به آن‌ها امواج فشاری نیز گفته می‌شود. گاهی نیز به آن‌ها امواج چگالی می‌گویند چرا که چگالی ذرات آن به آن دلیل که حرکت دارند، نوسان می‌کند. از آن جا که انرژی در سراسر ساختار اتمی بوسیله ی یک سری حرکات انقباضی و انبساطی حرکت می‌کند، امواج فشاری علاوه بر جامدات در مایعات نیز می‌توانند ایجاد شوند.
در امواج عرضی یا امواج برشی ذرات نسبت به جهت انتشار موج با زاویه‌ی قائمه یا به صورت متقاطع نوسان می‌کنند. امواج برشی نیازمند ماده ای جامد (از لحاظ اکوستیکی) برای انتشار موثر هستند و بنابراین به طور موثر در موادی نظیر مایعات و گازها منتشر نمی‌شوند. هنگامی که امواج برشی را با امواج طولی مقایسه می‌کنیم، امواج برشی نسبتاً ضعیف‌تر هستند در حقیقت اموج برشی معمولاً با استفاده از مقداری از انرژی امواج طولی در مواد تولید می‌شوند.