無(wú)損檢測技術(shù)的基礎是物質(zhì)的各種物理性質(zhì)或它們的組合以及與物質(zhì)相互作用的物理現象。迄今為止，包括在工業(yè)領(lǐng)域已獲得實(shí)際應用的和已在實(shí)驗室階段獲得成功的無(wú)損檢測方法已達五、六十種甚至更多，隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還將會(huì )出現更多的無(wú)損檢測方法與種類(lèi)。本書(shū)僅能就幾個(gè)主要方面作簡(jiǎn)單扼要的介紹。除了對于工業(yè)上已經(jīng)廣泛應用的五大常規無(wú)損檢測技術(shù)（超聲波檢測、磁粉檢測、渦流檢測、滲透檢測和射線(xiàn)照相檢測）給予一定的工藝介紹外，對其他方法僅作概念性介紹。若需對其中某項方法作深入了解時(shí)，應查閱相應方法的專(zhuān)業(yè)技術(shù)介紹資料。 
§2.1 利用聲學(xué)特性的無(wú)損檢測技術(shù)     
§2.1.1 超聲波檢測技術(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。它是由機械振動(dòng)源在彈性介質(zhì)中激發(fā)的一種機械振動(dòng)波，其實(shí)質(zhì)是以應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，可以測知許多物體的尺寸、表面與內部缺陷、組織變化等等，因此是應用zui廣泛的一種重要的無(wú)損檢測技術(shù)--超聲檢測技術(shù)。例如用于醫療上的超聲診斷（如B超）、海洋學(xué)中的聲納、魚(yú)群探測、海底形貌探測、海洋測深、地質(zhì)構造探測、工業(yè)材料及制品上的缺陷探測、硬度測量、測厚、顯微組織評價(jià)、混凝土構件檢測、陶瓷土坯的濕度測定、氣體介質(zhì)特性分析、密度測定……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）超聲波可傳遞很強的能量。 
3）超聲波會(huì )產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現象。 
4）超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，達到一定程度的聲功率就可在液體中的物體界面上產(chǎn)生強烈的沖擊（基于“空化現象"）--從而引出了“功率超聲應用“技術(shù)--例如“超聲波清洗"、“超聲波鉆孔"、“超聲波去毛刺"（統稱(chēng)“超聲波加工"）等。 
5）利用強功率超聲波的振動(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)損檢測技術(shù)中應用的超聲波檢測（Ultrasonic Testing，簡(jiǎn)稱(chēng)UT）是無(wú)損檢測技術(shù)中發(fā)展zui快、應用zui廣泛的無(wú)損檢測技術(shù)，占有非常重要的地位。 
在超聲波檢測技術(shù)中用以產(chǎn)生和接收超聲波的方法zui主要利用的是某些晶體的壓電效應，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)，將有電極化現象產(chǎn)生，即其電荷分布將發(fā)生變化（正壓電效應），反之，當向壓電晶體施加電荷時(shí)，壓電晶體將會(huì )發(fā)生應變，亦即彈性變形（逆壓電效應）。因此，利用壓電晶體制成超聲波換能器（探頭），對其輸入高頻電脈沖，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用于檢測顯示。 httP://www.1718show。。ｃｎ 

除了利用壓電效應以外，在某些情況下也利用磁致伸縮效應（強磁材料在磁化時(shí)會(huì )發(fā)生變形的現象，可用作振源或用于應變測量），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）。 
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（Longitudional Wave，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（Shear Wave，簡(jiǎn)稱(chēng)S波，又稱(chēng)作Transverse wave，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)超聲檢測中zui常應用的橫波）和水平偏振橫波（SH波，也稱(chēng)為L(cháng)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 



橫波 

樂(lè )甫波 

瑞利波 
（3）表面波（Surface Wave）-在工業(yè)超聲檢測中應用的表面波主要是指超聲波沿介質(zhì)表面傳遞，而傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動(dòng)的瑞利波（Rayleigh Wave，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(cháng)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)內部傳播，從而可以檢查介質(zhì)內部的缺陷。此外，水平偏振橫波（SH波，也稱(chēng)為L(cháng)ove Wave-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)超聲檢測中尚未獲得實(shí)際應用。 
（4）蘭姆波（Lamb Wave）-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)生的制導波（guide Wave）。在工業(yè)超聲檢測中，主要利用蘭姆波來(lái)檢測厚度與波長(cháng)相當的薄金屬板材，因此也稱(chēng)為板波（Plate Wave，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)，從而構成全板振動(dòng)，這是蘭姆波檢測的顯著(zhù)特征。根據薄板中層的質(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（對稱(chēng)型）和A模式（非對稱(chēng)型）兩種模式的蘭姆波（如右圖所示）。 
在細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。 


除了上述四種主要的應用波型外，現在已經(jīng)發(fā)展應用的還有頭波（Head Wave）和爬波（Creeping Longitudional Wave，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。 

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)間內完成全振動(dòng)的次數，以每秒一次為1個(gè)赫茲-Hz）和超聲波的波長(cháng)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 
應當注意在不同介質(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(cháng)短、沿直線(xiàn)傳播（在許多場(chǎng)合可應用幾何聲學(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、膠接結構與復合材料、緊固件等等。 
超聲波檢測的優(yōu)點(diǎn)是穿透力強、設備輕便、檢測成本低、檢測效率高，能即時(shí)知道檢測結果（實(shí)時(shí)檢測），能實(shí)現自動(dòng)化檢測和實(shí)現*性記錄，在缺陷檢測中對危害性較大的裂紋類(lèi)缺陷特別敏感等等。 
超聲波檢測的缺點(diǎn)是通常需要耦合介質(zhì)使聲能透入被檢物，需要有參考評定標準，特別是顯示的檢測結果不直觀(guān)，因而對操作人員的技術(shù)水平有較高要求等等，此外，對于小而薄或者形狀較復雜，以及粗晶材料等的工件檢測還存在一定困難。 
下面以超聲波的傳播特性為線(xiàn)索來(lái)分別敘述其應用。 
§2.1.1.1 超聲波的反射與折射特性      httP://www.1718show。。ｃｎ
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，并有波型轉換發(fā)生。 
在超聲波檢測中利用超聲波在界面上的折射特性主要用于達到波型轉換的目的，例如把一般壓電晶體產(chǎn)生的縱波轉換成橫波、瑞利波、蘭姆波等，以適應不同工件及不同情況下的檢測，其轉換條件與界面兩側解職的聲速比（折射率）和入射、折射角度（正弦函數）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)中反射或者在第二介質(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，上面所述的數學(xué)式也稱(chēng)為斯涅爾定律-折射定律）。 
在超聲波檢測中利用超聲波的反射特性主要用于探測材料中的缺陷。下面以zui常用的A型顯示（波形顯示）的超聲脈沖反射法探測為例： 
超聲波反射與折射時(shí)的 
波型轉換 



超聲脈沖反射法檢測原理        httP://www.1718show。。ｃｎ
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換成高頻脈沖電信號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），根據顯示的回波幅度大小可以評估缺陷大小，顯示屏上的水平掃描線(xiàn)（時(shí)基線(xiàn)）可以調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"），然后就可以根據回波在顯示屏水平掃描線(xiàn)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(xiàn)上的位置，還可用于測定工件的厚度（如左圖所示）。 
超聲波所占的空間稱(chēng)為超聲場(chǎng)，其結構如下右圖所示，它包括近場(chǎng)（N為近場(chǎng)長(cháng)度）和遠場(chǎng)兩個(gè)部分。在近場(chǎng)區中的聲壓分布是不均勻的，而在遠場(chǎng)區中的聲壓則隨著(zhù)距離的增大呈單調下降變化。近場(chǎng)區的長(cháng)度與換能器的晶片直徑和超聲波的波長(cháng)有關(guān)，在近場(chǎng)區的超聲波束呈收斂 


狀態(tài)，在近場(chǎng)區末端，亦即從近場(chǎng)區進(jìn)入遠場(chǎng)區的過(guò)渡點(diǎn)上聲束直徑zui?。ü室矊⒋它c(diǎn)稱(chēng)作自然焦點(diǎn)），進(jìn)入遠場(chǎng)區后聲束將以一定角度發(fā)散，聲束邊緣的斜度以半擴散角θ表示，聲束的半擴散角同樣與換能器的晶片直徑和超聲波的波長(cháng)有關(guān)。 
因此，在超聲檢測中為了能根據回波幅度大小評估缺陷大小，當被檢工件尺寸較小，落在近場(chǎng)區范圍時(shí)，通常需要采用參考對比試塊進(jìn)行比較評定，參考試塊的材料、狀態(tài)（聲學(xué)特性）應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量大小。 
超聲場(chǎng)結構示意圖 


在遠場(chǎng)檢測時(shí)，由于工件尺寸較大，要預先制作相應尺寸的試塊有困難，而且搬運、使用均很不方便。鑒于遠場(chǎng)中的聲壓隨著(zhù)距離的增大呈單調下降變化，各種人工反射體的回波聲壓變化是有規律可循的，因此可以采用計算方法或事先測繪制作的距離-波幅曲線(xiàn)（稱(chēng)作AVG法或DGS法）來(lái)確定檢測靈敏度以及評定缺陷的當量大小。 
必須指出：超聲檢測中評定的缺陷當量大小，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)際尺寸與標準人工反射體的尺寸并不相同，這是因為缺陷的回波幅度大小受被檢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“當量"-相當的量這個(gè)概念作為定量衡量缺陷大小的標準。例如我們說(shuō)經(jīng)過(guò)超聲檢測發(fā)現被檢工件內的某個(gè)位置處存在Φ2mm直徑平底孔當量的缺陷，就是指該缺陷的回波幅度與工件內相同位置處Φ2mm直徑平底孔（平底孔的孔底面與超聲束軸線(xiàn)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，根據超聲檢測的結果判斷缺陷的性質(zhì)（定性）問(wèn)題尚未很好解決，目前還主要是依靠檢測人員的實(shí)踐經(jīng)驗、技術(shù)水平以及對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(guān)判斷。 
超聲脈沖反射法檢測攻堅的一般步驟是： 
（1）超聲檢測面的選擇-當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*反射，此時(shí)缺陷檢出率zui高。因此，在被檢工件上應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面，右圖給出了常見(jiàn)工件的超聲檢測面示意圖。 
（2）檢測面的制備-超聲波是通過(guò)被檢工件表面進(jìn)入工件內部的，檢測面光潔度的優(yōu)劣影響聲能的透射效果并可能產(chǎn)生干擾，因而對超聲檢測結果的準確性與可靠性有很大影響。下面給出了不同超聲檢測方法對檢測面光潔度的一般要求： 
方法 檢測面光潔度要求 
接觸法縱波檢測 ≤3.2μm 
水浸法縱波檢測 ≤6.3μm 
接觸法橫波檢測 ≤3.2μm 
接觸法瑞利波(表面波)檢測 ≤0.8μm 
接觸法蘭姆波(板波)檢測 ≤1.6μm 
如被檢件表面光潔度不能滿(mǎn)足檢測要求時(shí)，應進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的表面加工制備，或采取特殊的補救措施（例如采用特殊的耦合方法或靈敏度補償） 


超聲檢測面示意圖 


（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面直接接觸，其間以機油、變壓器油、潤滑脂、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耦合劑。 
水浸法-超聲探頭與工件檢測面之間有一定厚度的水層，水層厚度視工件厚度、材料聲速以及檢測要求而異，但是水質(zhì)必須清潔、無(wú)氣泡和雜質(zhì)，對工件有潤濕能力，其溫度應與被檢工件相同，否則會(huì )對超聲檢測造成較大干擾。 
接觸法和水浸法是超聲檢測中zui主要應用的兩種耦合方式，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）檢測條件的準備-選擇適當的超聲探傷儀、超聲探頭、參考標準試塊（或者采用計算法時(shí)的計算程序或距離-波幅曲線(xiàn)、AVG或DGS曲線(xiàn)等），以及在檢測前對儀器的校準（時(shí)基線(xiàn)校正、起始靈敏度設定等）。 
（5）檢測掃查-在被檢工件的檢測面上使用超聲探頭進(jìn)行掃查，應確保超聲束能覆蓋所有被檢查的區域。 
（6）缺陷評定-對發(fā)現的缺陷進(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(cháng)度）的評定并作出標記，必要時(shí)還需要判定缺陷的性質(zhì)或種類(lèi)，亦即定性評定。 
（7）記錄與判斷-記錄檢測結果，對照技術(shù)條件和驗收標準作出合格與否的判斷，得出檢測結論，簽發(fā)檢測報告。 
（8）處理-將檢測發(fā)現問(wèn)題的工件作出標記，隔離待處理，對合格工件給予合格標記轉入下道生產(chǎn)工序或周轉程序。 
以上是超聲脈沖反射法檢測的zui基本程序，在實(shí)際產(chǎn)品的檢測中還應該根據具體的檢測規范或檢測工藝規程等的要求具體實(shí)施檢測。 
超聲脈沖反射檢測法是超聲檢測中應用zui廣泛的方法，不僅是在工業(yè)超聲檢測中，就是在其他領(lǐng)域，例如測厚、魚(yú)群探測、水下聲納、海洋測深、海底形貌及地質(zhì)構造探測、醫用超聲診斷等等，也都廣泛利用著(zhù)超聲波的反射特性。 
§2.1.1.2 超聲波的衍射與散射特性 
超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到異質(zhì)界面（例如缺陷），根據惠更斯原理，在其邊緣會(huì )有衍射現象發(fā)生，產(chǎn)生新激發(fā)的衍射波?；蛘邚谋碛^(guān)上看，能使原來(lái)的超聲波繞過(guò)缺陷繼續前進(jìn)，但在缺陷后面會(huì )形成聲影（沒(méi)有超聲波的空間）。利用這種新生的衍射波，可以用來(lái)評定工件的表面裂紋深度或內部裂紋的高度，在我國把這種方法稱(chēng)為棱邊再生波法，國外稱(chēng)作衍射波法（TOFD法），如右面圖左所示。 
利用聲影形成的現象，則被用于超聲穿透法檢測，即根據超聲波在其聲路上遇到缺陷時(shí)，由于有反射、衍射、散射等現象發(fā)生，以及因為被檢工件材料顯微組織異常，將造成超聲波傳播能量的衰減，使得在聲路的另一端接收到的聲能低于正常情況下接收到的聲能，利用超聲探傷儀顯示屏或者直接利用電表指示反映這種變化差異，即可用作檢測評定的依據，如右面圖右所示。 
超聲穿透法檢測可用于板材、復合材料或膠接結構等的缺陷檢測，如分層、脫粘、未粘合等，也可用于小型電器開(kāi)關(guān)的 


利用裂紋的超聲波衍射(棱邊再生波)確定裂紋深度 
超聲穿透法檢測示意圖 


鍍銀觸點(diǎn)質(zhì)量檢測等等。其優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現自動(dòng)化檢測，但是缺點(diǎn)是無(wú)法確知缺陷的面積大小及缺陷所處的位置，并且發(fā)-收兩個(gè)探頭的相對位置有嚴格要求。 
超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其自身的波前擴散會(huì )造成隨著(zhù)傳播距離的增大而垂直于聲束傳播方向的單位面積通過(guò)的聲能減小，即稱(chēng)為擴散衰減，這是超聲波自身的特性所決定的，它與聲束擴散角2θ（θ為超聲束的半擴散角）有關(guān)。 
此外，超聲波在材料中的晶界、相質(zhì)點(diǎn)，或者媒介物中的懸浮粒子、雜質(zhì)、氣泡等聲阻抗（數值上等于聲速與密度的乘積）有差異（哪怕是微小的差異）的區域會(huì )有散射現象發(fā)生。其散射狀態(tài)與超聲波的波長(cháng)及散射質(zhì)點(diǎn)（例如平均晶粒直徑）的大小有關(guān)。在金屬材料中，以波長(cháng)λ和晶粒平均直徑 之比可以劃分為三種散射狀況： 
瑞利散射：《λ時(shí)，其散射程度與頻率的四次方成正比，這是金屬中大多數的情況； 
隨機散射：≈λ時(shí)，其散射程度與頻率的平方成正比，例如通常在粗晶鑄件中容易出現這種情況； 
漫散射：≥λ時(shí)，其散射程度與 成反比，這往往表現在被檢工件檢測面表面粗糙的情況下，導致入射聲能在界面上的漫散射損失。這種情況的類(lèi)似比喻可以像在大霧天氣中汽車(chē)燈光被散射而無(wú)法透過(guò)霧氣照射到前面一樣。 
由于散射現象的存在，使得垂直于聲路上的單位面積通過(guò)的聲能減少，亦即造成散射衰減。盡管在超聲脈沖反射法檢測中這種散射現象的存在不但使得超聲波的穿透能力降低，而且還對回波判別帶來(lái)干擾，但是也可以利用在金屬材料中散射超聲波的疊加混響返回到超聲探頭并被接收后，在超聲探傷儀顯示屏上以雜草狀回波形式（雜波）顯示，通過(guò)對雜波水平的評定，可以判斷和評價(jià)金屬材料的顯微組織狀態(tài)。特別是在航空工業(yè)中，雜波水平的評定已經(jīng)成為例如鈦合金鍛件超聲檢測驗收標準中的一項重要指標。 
§2.1.1.3 超聲波的衰減特性 
除了上一節中所述的散射衰減外，超聲波在材料中傳遞時(shí)，能量衰減的另一個(gè)重要原因是內吸收造成的衰減，它與材料的粘滯性、熱傳導、邊界摩擦、弛豫現象有關(guān)，使得超聲能量以熱和溶質(zhì)原子遷移等形式被消耗掉，此外，還有位錯運動(dòng)（如位錯密度、長(cháng)度的變化，空穴與雜質(zhì)的存在）以及磁疇壁運動(dòng)、殘余應力造成聲場(chǎng)紊亂...等等，這些都能導致超聲能量的衰減，和上節中的散射衰減相對應，我們把這些原因所導致的超聲能量衰減統稱(chēng)為吸收衰減。 
由此可見(jiàn)，超聲波在材料中的衰減機理很復雜，我們以綜合衰減來(lái)考慮，假定距離振源X=0處的聲壓振幅為P0，經(jīng)過(guò)距離X后的聲壓振幅為PX，則：PX=P0·e-αx，式中的α稱(chēng)為衰減系數，它可以被分為兩部分，即：α=αs+αa，式中的αs為散射衰減系數，αa為吸收衰減系數。因此，以α表示的衰減系數是一個(gè)材料的綜合性參數，它一般會(huì )隨超聲頻率的提高而增大。 
在超聲檢測中，可以測定超聲波通過(guò)材料后聲能的減小程度（例如超聲脈沖反射法中工件底面反射回波波幅降低程度的評定-稱(chēng)為底波損失評定或簡(jiǎn)稱(chēng)底反射損失，或者如超聲波穿透法檢測），可用以評定材料顯微組織的性質(zhì)、形態(tài)及分布，例如檢測金屬材料的粗晶、過(guò)熱與過(guò)燒、魏氏組織（金屬鍛件中的一種過(guò)熱組織）、碳化物不均勻度、球墨鑄鐵的碳化物球化率、碳鋼的室溫拉伸強度以及應Σ舛ǖ鵲取?/font>已有資料介紹利用因為散射造成的雜波顯示及回波波幅的衰減評定來(lái)判斷機車(chē)車(chē)輪（含碳量0.53~0.61%的珠光體鋼）的珠光體組織中滲碳體片層間距，從而輔助判斷車(chē)輪的屈服極限與耐磨性。還有資料報道把超聲衰減特性用于材料的疲勞試驗（在疲勞試驗中，試件內部的自身摩擦和晶格畸變能導致超聲波散射，破斷面的局部塑性變形能導致超聲能量的被吸收）以及用于鋼的斷裂韌性評價(jià)。把超聲衰減特性與聲速特性相結合，已經(jīng)可以用于測定例如鈦合金中的含氫量（降低鈦合金發(fā)生氫脆的危險性）以及評定鋁合金的時(shí)效質(zhì)量等等。 
§2.1.1.4 超聲波的速度特性 
同一波型的超聲波在不同材料中有不同的傳播速度，而在同一材料中，不同波型的超聲波也有不同的傳播速度。當材料的成分、顯微組織、密度、內含物比例、濃度、聚合物轉化率、強度、溫度、濕度、壓強（應力）、流速等等存在差異或發(fā)生變化時(shí)，其聲速也將出現差異。 
利用專(zhuān)門(mén)的聲速測定儀或利用普通的超聲脈沖反射型探傷儀或測厚儀，將未知聲速的材料與已知聲速的標準試樣比較，從而可以測出材料的聲速或者聲速變化，可以應用于： 
（1）材料物理常數的測定，如： 
根據物理學(xué)中的關(guān)系式，一般有：聲速C=(E/ρ)1/2，式中的ρ為材料密度，E為材料的彈性模量。由于聲速受材質(zhì)的各向異性、形狀及界面的影響，并且根據超聲波的振動(dòng)形式不同而要分別采用各自的彈性模量，因此： 
在氣體和液體中的縱波速度（氣體和液體中只能存在縱波）有：CL=(K/ρ0)1/2，式中的K為材料的容變彈性模量（體積彈性模量），ρ0為無(wú)聲波存在時(shí)介質(zhì)的原靜止密度。 
在固體中： 
直徑小于超聲波波長(cháng)的細棒中軸向傳播的超聲縱波速度有：Cl=(E/ρ)1/2，式中的E為材料的楊氏彈性模量，ρ為材料密度 
直徑大于超聲波波長(cháng)的粗棒中軸向傳播的超聲縱波速度有：CL=1/2=1/2 
式中的K為材料的容變彈性模量（體積彈性模量），G為材料的切變彈性模量，σ為材料的泊松比（材料在力的方向上出現縱向應變的同時(shí)，在垂直方向上也會(huì )產(chǎn)生橫向應變，它們之間的比率稱(chēng)為泊松比，這是材料的物理特性之一）。 
橫波聲速有：Cs=(G/ρ)1/2=1/2 
瑞利波聲速有：CR=[(0.87+1.12σ)/(1+σ)]·(G/ρ)1/2 
它們之間的相互關(guān)系有： 
Cl/CL=[(1+σ)(1-2σ)/(1-σ)]1/2；Cs/CL=1/2；CR/Cs=(0.87+1.12σ)/(1+σ)；

E=Cl2·ρ·[(1+σ)(1-2σ)/(1-σ)]；G=Cs2·ρ；E=2G(1+σ)；...等等 
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利用這些關(guān)系式，在測定了聲速并已知另一參數時(shí)，即可計算得到其他的參數。 
（2）測量溫度：介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的溫度相關(guān)，利用這一特性可以用于非接觸測量介質(zhì)溫度，還可進(jìn)一步用于指示介質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)以及相變，測量介質(zhì)的比熱、熔解熱、反應熱和燃燒熱，測量介質(zhì)的純度和分子量等等。 
（3）測量流量：超聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播時(shí)（例如氣體、液體或含有一定比例固體顆粒的流體傳送管道，或者水渠等），相對于固定坐標系統，其傳播速度與靜態(tài)條件下的速度不同而與介質(zhì)的流速有關(guān)，因而可以根據聲速的變化確定流速并進(jìn)一步確定流量（流通著(zhù)的流體橫截面積x流速）。 
（4）測量液體的粘度η：根據切變聲阻抗Z與(η·ρ)1/2（η為液體的粘度，ρ為液體的密度）存在正比關(guān)系，而聲阻抗Z=ρ·C，因此通過(guò)測量聲速并確定了液體的密度后，即可確定液體的密度。 
（5）應力測量：超聲波在材料中的傳播速度隨外加應力有近似線(xiàn)性的變化（稱(chēng)為超聲應力效應），因此可以利用來(lái)測量混凝土預應力構件的強度、金屬的強度和殘余應力、緊固件（例如緊固螺栓）上的拉伸應力等等。 
（6）硬度測量：利用瑞利波在金屬表面淬硬層中的速度變化特性，可以確定金屬表面的硬度或者硬化層的深度。 
（7）測定金屬表面裂紋的深度：利用瑞利波沿金屬表面直接傳遞和存在表面裂紋時(shí)瑞利波繞過(guò)裂紋傳遞的時(shí)間之間存在的差異，根據瑞利波的傳播速度，可以計算得出裂紋的深度。這種方法稱(chēng)作時(shí)間延遲法或渡越時(shí)間法、△t法，見(jiàn)右圖所示。 
（8）測量厚度：根據超聲波傳播距離X與聲速C、傳遞時(shí)間t的關(guān)系：X=C·t，例如在采用超聲脈沖反射法測厚時(shí)，就有：工件厚度d=C·t/2，這里使用分母2的原因是超聲探頭發(fā)射超聲脈沖至工件底面并反射返回探頭被接收，因此其聲路經(jīng)過(guò)了兩倍的工件厚度。 
利用超聲波的速度特性，還可應用于例如球墨鑄鐵的強度及石墨球化度的測量、確定陶瓷土坯的濕度以確定進(jìn)窯焙燒的時(shí)機、氣體介質(zhì)的特性分析（例如工業(yè)用氧氣及氮氣的純度、動(dòng)物呼吸的新陳代謝速率、氣體中某一組分的含量變化等），以及測量石油餾分的密度、氯丁橡膠乳 

超聲時(shí)間延遲法測定 
表面裂紋深度 

液的密度等等?？傊?，超聲速度特性的應用，特別是在工業(yè)測量技術(shù)中的應用是很多的。 
§2.1.1.5 超聲波的諧振特性 
超聲波是一種機械振動(dòng)波，我們可以利用超聲諧振儀把頻率可調的超聲波（主要利用縱波）入射到被檢工件中，當超聲波與工件的固有頻率發(fā)生頻率共振時(shí)，相向傳播的入射波與反射波互相疊加形成駐波，此即縱波垂直入射的厚度共振，如右圖所示。 
利用這種諧振特性，可以應用于： 
（1）測厚： 
試樣厚度為d，在其中傳播的超聲波波長(cháng)為λ，則在發(fā)生諧振時(shí)得到：d=λ1/2=2λ2/2=3λ3/2=...=n·λn/2，式中n為任意正整數，亦即此時(shí)被檢工件的厚度等于諧振超聲波半波長(cháng)的整數倍。 
當試件材料的超聲波速C為已知時(shí)，根據聲速、波長(cháng)和頻率的關(guān)系式：C=λ·f，可以得到在厚度共振時(shí)的超聲波頻率：fn=C/λn=n·C/2d，當n=1時(shí)，f1=C/2d，這f1就是厚度共振的基頻，由于任何兩個(gè)相鄰諧波的頻率之差等于基頻，則有：fn-fn-1=nf1-(n-1)f1=f1，因此可以利用諧振儀確定厚度共振時(shí)兩個(gè)相鄰諧波的頻率，則工件厚度為：d=C/[2(fn-fn-1)]，或者在兩個(gè)不相鄰諧波的頻率分別為fm和fn時(shí)，由于：fm-fn=(m-n)f1，因此d=(m-n)·C/[2(fm-fn)] 
（2）檢測缺陷： 
當被檢工件中存在缺陷時(shí)，與無(wú)缺陷的相同工件相比，其國有頻率將會(huì )發(fā)生改變，因而諧振狀態(tài)也會(huì )發(fā)生變化（諧振頻率改變），從而可以據此檢測出缺陷的存在。例如用于測定金屬的硬度、檢查薄板點(diǎn)焊的質(zhì)量，特別是用于復合材料及膠接結構的膠接缺陷（如未粘合、脫粘、貧膠等）以及膠接強度的檢測，成為專(zhuān)門(mén)用于檢查膠接質(zhì)量的“聲振檢測法"。 

試件的駐波 

超聲波諧振特性的一個(gè)典型應用是超聲硬度計，它是借助超聲傳感器桿諧振頻率的變化來(lái)測量硬度，主要用于測定金屬的洛氏硬度，采用比較法也可用于其他測量。超聲硬度測量的優(yōu)點(diǎn)是對試件表面的破壞極小、測量速度很快、操作程序簡(jiǎn)單，特別適合于成品工件檢驗，并且可以手握測頭直接對工件檢測，特別適合于不易移動(dòng)的大型工件、不易拆卸的部件進(jìn)行測量。下面以營(yíng)口儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的“HC-IB型超聲硬度計"為例做簡(jiǎn)介： 
在均勻的接觸壓力下，傳感器桿*的壓頭與試件表面接觸，則傳感器桿的諧振頻率會(huì )隨試件的硬度而改變，通過(guò)測量傳感器桿的這種諧振頻率變化，即可確定試件的硬度。 


測頭中的傳感器桿一端和一個(gè)大質(zhì)量剛體固定在一起，另一端鑲有金剛石壓頭，當壓頭與試件不接觸時(shí)（左圖a），壓頭處于自由狀態(tài)。在形成縱向振動(dòng)后，傳感器桿的固定端是振動(dòng)的波節點(diǎn)，壓頭端由于振幅zui大而成為振動(dòng)的波腹點(diǎn)，因此桿的長(cháng)度等于振動(dòng)波長(cháng)的1/4，此時(shí)的頻率是傳感器處于自由狀態(tài)下的諧振頻率。 
當傳感器的壓頭端*被試件與大質(zhì)量剛體緊固地夾住時(shí)（左圖c），這是理想情況下，傳感器桿的兩端都將成為振動(dòng)的波節點(diǎn)，則桿的長(cháng)度等于振動(dòng)波長(cháng)的1/2，這時(shí)的諧振頻率等于壓頭端處于自由狀態(tài)時(shí)起始頻率的兩倍。 
當壓頭被壓到試件上，一般是介于上述兩者之間（左圖1），在固定負荷作用下，對于彈性模量相同的試件來(lái)說(shuō)，若試件的硬度越低，則壓頭與其表面的接觸面積愈大，使傳感器桿的壓頭端被夾緊的程度也愈大，于是此端振動(dòng)幅度也愈小，相應的振動(dòng)波腹點(diǎn)愈向桿的固定端方向移動(dòng)，因此振動(dòng)波長(cháng)就愈小，即桿的諧振頻率也就愈高。通過(guò)測量傳感器桿諧振頻率的變化，就可確定試件的硬度。 
試件的彈性模量不同，也會(huì )影響接觸面積的大小，即影響傳感器桿諧振頻率的變化。因此，超聲硬度試驗法是一種比較測量的方法，需要以彈性模量和被測試件相同的試塊作為校準試塊來(lái)消除這種影響。 
在測頭中有一個(gè)具有磁致伸縮效應的傳感器桿，一端焊到一個(gè)鋼圓柱體上，此圓柱體質(zhì)量要比傳感器大得多，另一端鑲有136金剛石角錐壓頭，激勵線(xiàn)圈繞在傳感器桿上，在靠近傳感器桿與圓柱體的連接處固定上壓電晶體片。 
傳感器桿作為一個(gè)機械諧振子，插入到激勵放大器的反饋電路中，在激勵線(xiàn)圈的 



作用下，使傳感器桿產(chǎn)生縱向超聲振動(dòng)，由壓電晶片檢出這個(gè)信號，正反饋到激勵放大器的輸入端，構成一個(gè)自激振蕩器，其振蕩頻率就是傳感器桿的諧振頻率，反映了試件的硬度。 
從激勵放大器輸出一個(gè)信號，饋送到脈沖電路中，形成一個(gè)重復頻率，是上述振蕩頻率1/2的方波脈沖，經(jīng)脈沖功率放大器放大，啟動(dòng)鑒頻器。在鑒頻器中，把反映不同硬度的頻率變化轉換成直流電流的變化，然后用一個(gè)直接用硬度單位標度的直流微安表指示出來(lái)。在硬度刻度事先用標準試塊校準后，就可從指示表上直接讀出試件的硬度值。 
作為該型超聲硬度計還采用充電裝置來(lái)直接由220V交流電對電池組充電，用穩壓器消除工作過(guò)程中電池組電壓下降對示值穩定性的影響。 
按照目前的電子技術(shù)發(fā)展而言，以上的超聲硬度計應該可以實(shí)現數字化，從而進(jìn)一步提高測量的精度、穩定性與可靠性。 

超聲檢測技術(shù)應用的方法是多種多樣的，并且還在不斷探索和發(fā)展新的應用方法和開(kāi)拓新的應用領(lǐng)域，如現在已經(jīng)發(fā)展的超聲頻譜分析法，這是根據超聲反射回波的頻譜特性分析，用以檢查評估材料的顯微組織形態(tài)，評估缺陷的形狀、種類(lèi)和性質(zhì)，以及評定膠接結構的膠接質(zhì)量等等。此外還有超聲波計算機層析掃描技術(shù)、超聲全息技術(shù)等等。特別應該指出，隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展，超聲檢測信號的數字化處理、分析與顯示，更為超聲檢測技術(shù)的應用與拓展提供了更大的空間，具有很大的發(fā)展潛力。