【文章內(nèi)容簡介】 子技術(shù)的迅速發(fā)展，以前制約儀器電子性能的很多指標(biāo)，都取得了突破性進(jìn)展，焊縫問題得到了很好的解決。從此，脈沖反射技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，直至目前，仍是通用性最好，使用最廣泛的檢測方法之一。20世紀(jì)80年代，逐步發(fā)展了自動(dòng)檢測系統(tǒng)，配備了自動(dòng)報(bào)警、記錄等裝置，發(fā)展了B或C型顯示方式。形成了不同用途的多種超聲檢測儀器?，F(xiàn)如今，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使得超聲波設(shè)備體積更小、性能更穩(wěn)定、功能更強(qiáng)大。最近幾年，超聲波測繪技術(shù)得到了極大的發(fā)展。超聲波探測試驗(yàn)中需要采集精確的數(shù)據(jù)，這種需求進(jìn)一步推動(dòng)了定量測量技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，基于超聲波能量形成和非接觸檢測技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了激光器和電磁傳感器的技術(shù)進(jìn)步。如今，便攜式設(shè)備中，已經(jīng)運(yùn)用了相控陣式激光技術(shù)。采用這種技術(shù)，單一發(fā)生器定時(shí)或定相發(fā)射的超聲波元素陣列，能夠精確截取被測對象的超聲波波形。 超聲波及其特性超聲波即是頻率高于20000Hz的機(jī)械波（聲波的頻率范圍在20—20000Hz之間）。超聲波的特性如下： 具有良好的方向性人耳可感受的聲音是無指向性的球面波，即以聲源為中心呈球面向四周擴(kuò)散周圍均能聽到聲音。由于超聲波頻率高、波長短，在介質(zhì)傳播過程中方向性好，能方便、容易地發(fā)現(xiàn)被檢物中是否存在缺陷； 超聲波的透射、反射、折射與聚集由于超聲波的頻率較高，所以超聲波在定向傳播時(shí)，在兩種不同媒質(zhì)的分界面上，會(huì)出現(xiàn)類似于光線一樣的透射、反射和折射現(xiàn)象。利用超聲波聚集裝置可以將超聲波束會(huì)聚到一點(diǎn)，從而將超聲波的聲強(qiáng)提高幾倍甚至幾千倍，利用這樣巨大的聲強(qiáng)可以做許多很有意義的工作。例如:超聲波切割、超聲波鉆孔、超聲波打磨等。 超聲波的吸收與衰減對于超聲波來講，由于它的頻率很高，所發(fā)，它在空氣中傳播時(shí)，被吸特別厲害。據(jù)科學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)，頻率為100億Hz的超聲波，在它離開聲源的一剎那間，馬上會(huì)被空氣全部吸收掉。在超聲波治療的臨床應(yīng)用中，對于超聲波的吸收特性，必須予以足夠的重視。 超聲波的巨大能量超聲波之所以在工業(yè)、國防和醫(yī)療等方面發(fā)揮著獨(dú)特而又巨大的作用，還有一個(gè)原因是由于超聲波比一般可聽聲有著強(qiáng)大的功率。根據(jù)聲學(xué)工作者的實(shí)驗(yàn)測定，一般的講話聲音的能量是很小的。假設(shè)我們想用普通說話的能量來燒開一壺水，那么，必須動(dòng)員700多萬人，連續(xù)大聲喊叫12個(gè)小時(shí)才行。超聲波具有的能量，要比一般可聽聲大的多。根據(jù)有關(guān)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)測定，頻率為100萬赫茲的超聲波的能量，要比同幅度的頻率為1000赫茲的可聽聲能量大100萬倍。所以說，擁有巨大的能量，是超聲波的一個(gè)重要特點(diǎn)。 超聲波具有很強(qiáng)的穿透能力超聲波可以在許多金屬或非金屬物質(zhì)中傳播，且傳播距離遠(yuǎn)、傳輸能量損失少、頻率高、波長短、穿透力強(qiáng)，是目前無損檢測中穿透力最強(qiáng)的檢測方法，如可穿透幾米厚的金屬材料。 超聲波對人體無傷害。高強(qiáng)度的脈沖超聲波在含有微米級小氣泡的液體中傳播時(shí)，可導(dǎo)致氣泡收縮、膨脹以至猛烈爆炸，這種現(xiàn)象稱為“空化現(xiàn)象”。 對生物體來說，瞬態(tài)空化作用時(shí)，靠近爆炸氣泡附近的細(xì)胞會(huì)受到損傷，一般說來，在人體內(nèi)大多數(shù)器官和生物流體中，損傷少量細(xì)胞不會(huì)對人體產(chǎn)生危害。 超聲波的種類及其應(yīng)用超聲波有很多種分類方法，例如可以根據(jù)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向之間的關(guān)系分類（按波的類型分類），還有一些其他的分類方法，如按照波陣面的形狀分類、按振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類等。 按波的類型型分類按照波的類型分類，可將超聲波分為縱波、橫波、板波、和表面波。下面介紹這幾種波的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍?？v波：當(dāng)彈性介質(zhì)受到交替變化的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交替變化的伸長或壓縮形變，質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生疏密相間的縱向振動(dòng)，并在介質(zhì)中傳播，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相同，這種波稱為縱波?？v波常常用來檢驗(yàn)幾何形狀簡單的工件的內(nèi)部缺陷，常應(yīng)用于鋼板、鍛件等探傷。橫波：固體介質(zhì)既具有體積彈性，又具有剪切彈性。當(dāng)固體介質(zhì)受到交變剪切應(yīng)力作用時(shí)，將發(fā)生相變的剪切形變，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生具有波峰和波谷的橫向振動(dòng)，這時(shí)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相垂直，這種波稱為橫波。橫波通常由縱波通過波型轉(zhuǎn)換而來，利用橫波可以探測管件、桿件和其他幾何外形復(fù)雜的零件的缺陷。表面波：當(dāng)固體介質(zhì)表面受到交替變化的表面張力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)表面的平衡位置附近作橢圓軌跡的振動(dòng)，這種振動(dòng)又作用于相鄰的質(zhì)點(diǎn)而在介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ@種波稱為表面波。質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。表面波應(yīng)用于鋼板、鍛件鋼管等探傷。板波：板波是在薄板狀固體（含細(xì)棒材等）中傳播的超聲波，其聲波的波動(dòng)情況較為復(fù)雜，它包含有縱波和橫波的分量。板波中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向平行于板面而垂直于波的傳播方向。在板波的傳播中，按它的傳播方式的不同，可將板波分為對稱型板波（Ｓ波）和非對稱型板波（Ａ型）兩種，應(yīng)用于薄板、薄壁鋼管的探傷（δ6mm）。表21 上述幾種波的傳播特點(diǎn)及應(yīng)用波的類型符號示 意 圖傳播介質(zhì)縱波L固、液、氣體介質(zhì)橫波S固體介質(zhì)表面波(瑞利波)R固體介質(zhì)板波(蘭姆波）SH固體介質(zhì)（厚度與波長相當(dāng)?shù)谋“澹┢渲?，縱波和橫放的應(yīng)用比較廣泛，縱波通常是由直探頭產(chǎn)生的。橫被通常是由斜探頭產(chǎn)生的?？v波傳播時(shí)，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)疏密相間，所以有時(shí)又稱為壓縮波或疏密波；固體介質(zhì)可以承受拉應(yīng)力的作用，可以傳播縱波，液體和氣體雖不能承受拉應(yīng)力，但在壓應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生容積的變化，因此也可以傳播縱波。橫波是由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變切應(yīng)力作用，產(chǎn)生切變形變而形成，因此橫波也稱為切變波。固體介質(zhì)能夠承受切應(yīng)力，而液體和氣體不能承受切應(yīng)力，因此橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能夠在液體和氣體中傳播，故在實(shí)際超聲波檢測中，要根據(jù)具體情況采用合適的波形。 按波陣面的形狀分類波形是指波陣面的形狀。同一時(shí)刻，介質(zhì)中振動(dòng)相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)所連成的面稱為波陣面。平面波：波陣面為相互平行的平面，這種波稱為平面波。平面波的波源為一平面，其波束不擴(kuò)散，平面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅是一個(gè)常數(shù)，不隨距離變化而變化。其波動(dòng)方程為： （21）柱面波：波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波的波源為一條線，其波束向四周擴(kuò)散，各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離的平方根成反比。其波動(dòng)方程為： （22）球面波：波陣面為同心球面的波稱為球面波。球面波的波源為一點(diǎn)，波束向四面八方擴(kuò)散，各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離成反比。其波動(dòng)方程為： （23） 按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分類連續(xù)波：波源連續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波稱為連續(xù)波，如圖21（a）所示。脈沖波：波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間短（以微秒計(jì)），間歇輻射的波稱為脈沖波，如圖21（b）所示。目前超聲檢測中廣泛采用脈沖波。圖21 連續(xù)波（a）與脈沖波（b） 超聲波的反射和折射當(dāng)超聲波從某一介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時(shí)，一部分能量在界面上反射回原介質(zhì)內(nèi)，成為反射波；另一部分能量透過界面在第二介質(zhì)內(nèi)傳播，成為折射波。如圖22所示。圖2—2 波的反射和折射反射率：反射波聲壓與入射波聲壓之比，稱為反射率。即： （24）當(dāng)超聲波垂直入射時(shí)，則 （25）式中 ——第一介質(zhì)的聲阻抗，=；——第二介質(zhì)的聲阻抗，=；——介質(zhì)的密度；c——聲速。透射率：透過聲壓與入射聲壓之比，稱為透過率K。即： （26）當(dāng)超聲波垂直入射時(shí)，則 （27）從反射率公式可以看出，兩介質(zhì)的聲阻抗相差越大，反射率也越大；從透射率公式可以看出，第二介質(zhì)的聲阻抗增大，透過率也相應(yīng)地增大，這對超聲波檢測有著很大的實(shí)際意義。 超聲波的疊加、干涉和衍射 波的疊加當(dāng)幾列波在同一介質(zhì)中傳播并相遇時(shí)，在相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)不是單一的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，而是各列波振動(dòng)的合成，該質(zhì)點(diǎn)的位移在任何時(shí)刻也是各列波在該處的分位移的矢量和。幾列波相遇后仍然保持自己原有的特性不變，如頻率、振幅、波長、振動(dòng)方向等等都不變，按照原來的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)。這就是波的疊加原理。 波的干涉兩列波的頻率相同，振動(dòng)方向相同，相位相同或者相位差恒定，它們在空間相遇時(shí)，介質(zhì)中某些地方的振動(dòng)加強(qiáng)，另外一些地方的振動(dòng)減弱甚至相互抵消，這種現(xiàn)實(shí)就是波的干涉現(xiàn)象。波的干涉是波動(dòng)的重要特征，而波的疊加是波的干涉的基礎(chǔ)，在實(shí)際的超聲檢測工作中，由于波的干涉，在超聲波源附近會(huì)出現(xiàn)聲壓極大值、極小值。當(dāng)波程差為波長的整數(shù)倍時(shí)，兩列相干波振動(dòng)相互加強(qiáng)，合振幅出現(xiàn)最大值；當(dāng)波程差為波長的奇數(shù)倍時(shí)，兩列相干波振動(dòng)相互減弱，合振幅出現(xiàn)最小值；如果兩列相干波的振幅相同，二者完全抵消，則合振幅為零。 波的衍射l 惠更斯—菲涅爾原理該原理是說明波傳播過程中波陣面在介質(zhì)中傳播規(guī)律的基本原理，可作為波傳播問題的一種近似方法，該原理最早作為光的衍射理論出現(xiàn)，因?yàn)槁暫凸饩哂泄餐牟▌?dòng)性，后來逐漸引入到聲波的衍射中來。1690年，荷蘭物理學(xué)家惠更斯在創(chuàng)立的光的波動(dòng)學(xué)中首先提出，行進(jìn)中的波陣面上任意一點(diǎn)都可以看做是新的次波源，這些次波源所發(fā)出的許多次波形成一個(gè)包絡(luò)面，也可以理解為原波陣面在一定時(shí)間內(nèi)所傳播到的新的波陣面。1815年，菲涅爾引入波的相干性，指出各次波到達(dá)某點(diǎn)的作用要考慮次波間的相位關(guān)系，進(jìn)一步補(bǔ)充了惠更斯原理。惠更斯—菲涅爾原理如圖23所示。波源S發(fā)出聲波，通過開孔的瞬間波動(dòng),在面上的不同點(diǎn)發(fā)出圓形次波，通過時(shí)間t后，波傳播的距離為r，次波的包絡(luò)面就表示時(shí)間t后的波動(dòng)。圖23 惠更斯—菲涅爾原理對于惠更斯—菲涅爾原理的另一種理解即是，在一種連續(xù)介質(zhì)中，振動(dòng)狀態(tài)通過波動(dòng)來體現(xiàn)，介質(zhì)中的任何質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都將引起相鄰質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，相鄰質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又將引起下一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，這樣一來，波動(dòng)中任何質(zhì)點(diǎn)都可以看作是新的波源，一段時(shí)間后任意時(shí)刻這些波的包跡都將形成新的波陣面?；莞埂颇鶢栐砜梢杂脕斫忉尣ǖ姆瓷?、折射和衍射現(xiàn)象，還可以用來確定波前的幾何形狀和波的傳播方向。l 波的衍射聲波在傳播過程中，遇到障礙物時(shí)會(huì)偏離原來的直線傳播，繞過障礙物繼續(xù)向前傳播，這種現(xiàn)象稱為波的衍射現(xiàn)象。如圖24 所示。一切波都能發(fā)生衍射現(xiàn)象，只有當(dāng)縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長相差不多，或者比波長更小時(shí)，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。圖24 波的衍射波的衍射對檢測有害有利，波的衍射可以使超聲波產(chǎn)生晶粒繞射，進(jìn)而在介質(zhì)中順利傳播，還可以利用衍射波檢測缺陷；同時(shí)也由于波的衍射，使一些小缺陷回波下降，造成漏檢。 超聲波的一些參量 充滿超聲波的空間，或在介質(zhì)中超聲振動(dòng)波及的質(zhì)點(diǎn)所占據(jù)的范圍稱為超聲場。常用聲壓、聲強(qiáng)、聲阻抗、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度等物理量對超聲波的聲場進(jìn)行描述。 聲壓超聲場中某一點(diǎn)在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)，與沒有超聲場存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)之差，定義為該點(diǎn)的聲壓，常用表示，單位為帕斯卡（帕），1Pa=1N\。 （28） 對于平面余弦波，可以證明： （29）式中，為介質(zhì)的密度；為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；A為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振幅；為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的角頻率（）；為之質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振幅（）；為時(shí)間；為至波源的距離。且有如下關(guān)系成立： （210）式中，為聲壓極大值?？梢娐晧旱慕^對值與波速、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度、振幅（或角頻率）成正比。因超聲波的頻率高，所以超聲波比聲波的聲壓大。在超聲檢測儀器中，信號的本質(zhì)就是聲壓P，示波屏上的波高與聲壓成正比，在超聲波檢測缺陷中，聲壓值反應(yīng)缺陷的大小。 聲強(qiáng)在超聲波傳播的方向上，單位時(shí)間內(nèi)單位截面上的聲能稱為聲強(qiáng)，用表示，單位是W/或者。當(dāng)超聲波傳播到介質(zhì)中某處時(shí)，該處原來靜止的質(zhì)點(diǎn)開始振動(dòng)，具有了動(dòng)能，與此同時(shí)該處介質(zhì)產(chǎn)生彈性變形，因而也具有彈性位能，總能量為動(dòng)能和位能之和。以縱波在均勻的各向同性介質(zhì)中的傳播為例，可以證明平面波傳播的聲強(qiáng)計(jì)算公式為： （211）由上式可見，超聲波的聲強(qiáng)與質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)振幅（A）的平方、質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)角頻率（）的平方、聲壓（）的平方，以及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度振幅（V）的平方成正比。由于超聲波的頻率高，因此其強(qiáng)度（能量）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可聞聲波的強(qiáng)度。例如，1MHz聲波的能量等于100kHz聲波能量的100倍，等于1kHz聲波的能量的100萬倍。 聲阻抗超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，任一點(diǎn)的聲壓與該點(diǎn)速度的振幅V的比值稱為聲阻抗，常常用Z表示。單位是或。 （212）聲阻抗表示介質(zhì)對質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用，在同一聲壓下，聲阻抗越大，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度就越小，當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)傳入另外一種介質(zhì)，或是從介質(zhì)的界面上反射時(shí)，其各種行為（如反射、折射等）主要取決于這兩種介質(zhì)的聲阻抗。不同的介質(zhì)有不同的聲阻抗；對于一種介質(zhì)，波形不同其聲阻抗也不同。聲阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的重要物理量，超聲波在兩種介質(zhì)所組成的界面上的反射和投射與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。材料的聲阻抗與溫度有關(guān)，一般材料的聲阻抗隨溫度的升高而降低，在所有傳聲介質(zhì)中，氣體、液體和固體的Z值也相差很大。實(shí)驗(yàn)證明，氣體、液體與金屬之間的特性聲阻抗之比接近于1:3000:8000。 聲速聲波在介質(zhì)中傳播的速度稱為聲速。常用表示。超聲波能在固體、液體、氣體等多種介質(zhì)中傳播，在不同介質(zhì)中的傳播速度是不一樣的，在同一種介質(zhì)中不同的波傳播的速度也不一樣，例如在固體介質(zhì)中，能傳播橫波、縱波和表面波，但是它們的速度是不一樣的。超聲波的聲速不僅與超聲波的類型有關(guān)，還與傳播介質(zhì)的特性（如介質(zhì)密度、彈性模量等）有關(guān)。聲速的一般表達(dá)式為：聲速= 超聲波在液體、氣體中的聲速由于超聲波在液體和氣體介質(zhì)中只承受壓應(yīng)力，不能承受剪切應(yīng)力，因此只能傳播縱波，不能傳播橫波和表面波。其縱波的聲速表達(dá)式如下： （213）式中，為縱波的聲速；K為介質(zhì)的體積彈性模量；為介質(zhì)的密度。液體介質(zhì)中的聲速還與溫度有關(guān)系，對于大部分液體（水除外），溫度升高時(shí)，體積彈