【正文】 分液體（水除外），溫度升高時(shí)，體積彈性模量降低，聲速降低。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。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。 聲速聲波在介質(zhì)中傳播的速度稱為聲速。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。不同的介質(zhì)有不同的聲阻抗；對(duì)于一種介質(zhì)，波形不同其聲阻抗也不同。單位是或。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。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。 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。因超聲波的頻率高，所以超聲波比聲波的聲壓大。且有如下關(guān)系成立： （210）式中，為聲壓極大值。 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\。 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。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。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。圖23 惠更斯—菲涅爾原理對(duì)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砣鐖D23所示。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。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。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)。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(duì)超聲波檢測有著很大的實(shí)際意義。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。如圖22所示。目前超聲檢測中廣泛采用脈沖波。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。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。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。平面波：波陣面為相互平行的平面，這種波稱為平面波。 按波陣面的形狀分類波形是指波陣面的形狀。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。橫被通常是由斜探頭產(chǎn)生的。在板波的傳播中，按它的傳播方式的不同，可將板波分為對(duì)稱型板波（Ｓ波）和非對(duì)稱型板波（Ａ型）兩種，應(yīng)用于薄板、薄壁鋼管的探傷（δ6mm）。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。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。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。橫波：固體介質(zhì)既具有體積彈性，又具有剪切彈性?？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。 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。 對(duì)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(duì)人體產(chǎn)生危害。 超聲波對(duì)人體無傷害。所以說，擁有巨大的能量，是超聲波的一個(gè)重要特點(diǎn)。超聲波具有的能量，要比一般可聽聲大的多。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。在超聲波治療的臨床應(yīng)用中，對(duì)于超聲波的吸收特性，必須予以足夠的重視。 超聲波的吸收與衰減對(duì)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。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。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。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(duì)象的超聲波波形。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。最近幾年，超聲波測繪技術(shù)得到了極大的發(fā)展。形成了不同用途的多種超聲檢測儀器。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。1946年，英國研制出第一臺(tái)A型脈沖反射式超聲探傷儀，利用該儀器，可以從物體的一面反射和接收，并能夠檢測出小缺陷，并能夠較準(zhǔn)確地確定缺陷的位置和測量缺陷的尺寸。在30年代，超聲波技術(shù)才廣泛應(yīng)用于無損檢測。一些全電腦對(duì)話式超聲探傷儀，可在屏幕上同時(shí)顯示回波曲線和檢測數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)儀器調(diào)整狀態(tài)、缺陷波形和各種操作功能。 目前，微型計(jì)算機(jī)在超聲檢測中能夠完成數(shù)據(jù)采集、信息處理、過程控制和記錄存儲(chǔ)等多種功能。超聲波檢測診斷技術(shù)是無損檢測中應(yīng)用最為廣泛的方法之一，適用于各種尺寸的鍛件、軋制件、焊縫和某些鑄件。對(duì)缺陷進(jìn)行精確的定性、定量表征仍須做深入研究；今年來的研究表面，超聲波的聲速、衰減、阻抗和散射等特性，為超聲波的應(yīng)用提供了豐富的信息，并且成為超聲波廣泛應(yīng)用的條件。耦合介質(zhì)通常需要在轉(zhuǎn)換器和工件之間傳輸超聲波能量；不能檢測恰巧發(fā)生在緊鄰工件表面下的薄層的缺陷；為制定出恰當(dāng)?shù)臋z測步驟需要多方面的技術(shù)知識(shí)；超聲波檢測的局限性主要有：設(shè)備輕便，可作現(xiàn)場檢測；僅需從一側(cè)接近被檢工件，便于復(fù)雜形狀工件的檢測；施加給工件的超聲強(qiáng)度低，最大作用力遠(yuǎn)低于彈性極限，不會(huì)對(duì)工件使用造成任何影響；超聲波檢測主要有以下一些優(yōu)點(diǎn)：超聲波是超聲振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，其實(shí)質(zhì)是以波動(dòng)形式在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)。超聲波探測也常常用于材料厚度、材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量、材料的機(jī)械模量、材料晶粒大小和排列方向的材料特性等檢測。隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)檢測效率和可靠性要求的不斷提高，以及電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，超聲檢測設(shè)備不斷向小型化，智能化方向發(fā)展，形成了適合不同用途的超聲波檢測儀，同時(shí)也使超聲波檢測變得更為快速，缺陷顯示更為直觀，缺陷的描述更加準(zhǔn)確。4）最后對(duì)缺陷進(jìn)行分級(jí)，根據(jù)反射波幅判斷出缺陷是Ⅰ級(jí)缺陷、Ⅱ級(jí)缺陷、Ⅲ級(jí)缺陷還是Ⅳ級(jí)缺陷。然后，再判斷缺陷類型，即缺陷是體積型缺陷還是面積型缺陷。在工程實(shí)踐中，常常利用超聲波探傷儀（A型脈沖反射式超聲波探傷儀）產(chǎn)生超聲波，投射被檢物并接收反射回來的信號(hào)，在顯示屏上得到相應(yīng)的波形圖，分析聲波的波幅和位置等信息。據(jù)估計(jì)，利用超聲波檢測焊縫缺陷要比用X射線檢測快24倍，比射線法快35倍。u 按照檢測的原理分類，可將超聲波檢測分為脈沖反射法、穿透法、和共振法三種；u 根據(jù)檢測所采用的波形，可將超聲波檢測分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等；u 按探頭的數(shù)目分類，可分為單探頭法、雙探頭法、多探頭法；u 根據(jù)檢測時(shí)探頭與工件的接觸方式，可將超聲波檢測分為接觸法、液浸法、電磁耦合法；u 按人工干預(yù)的程度分類，可分為手工檢測和自動(dòng)檢測。超聲波檢測有很多種方法，各種方法的操作不盡相同，但是他們在探測條件、耦合與補(bǔ)償、儀器的調(diào)節(jié)、缺陷的定位、定量、定性等方面卻存在一些通用的技術(shù)問題。故超聲波檢測成為無損檢測中應(yīng)用最為廣泛的方法之一。它通過與工件相互作用，根據(jù)超聲波的反射、折射、散射、衰減、聲速、阻抗等特性，對(duì)工件進(jìn)行缺陷檢測、幾何特征測量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的測量。表16為表面缺陷和內(nèi)部缺陷可采用的無損檢測方法，表17為不同厚度工件可采用的無損檢測方法，表18為不同材質(zhì)可采用的無損檢測方法。對(duì)于不同類型的缺陷，必須采用相應(yīng)的無損檢測方法才能有效檢測出來。各種加工工藝和材料中常見的缺陷見表13。 技術(shù)方面的考慮無損檢測技術(shù)涉及到很多知識(shí)領(lǐng)域，眾多無損檢測的檢測原理雖然千差萬別，但是其檢測目的都是為了檢測材料構(gòu)件中的缺陷或結(jié)構(gòu)異常。在資本投入方面，往往是企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人最關(guān)注的。對(duì)于一個(gè)好的企業(yè)，在檢測方法和可靠性方面的投資，一般情況下會(huì)收到相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效應(yīng)。檢測方法多種多樣，根據(jù)不同的檢測對(duì)象，選擇不同的檢測方法，主要基于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面的考慮。 無損檢測方法的選擇無損檢測的方法有很多種，最常用的是射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測五種常規(guī)檢測方法。 無損檢測技術(shù)的分類根據(jù)檢測原理的不同，無損檢測可分為射線檢測、聲學(xué)方法檢測、電學(xué)方法檢測、磁學(xué)方法檢測、微波與介電測量檢測、光學(xué)方法檢測、熱學(xué)方法檢測、滲透檢測與滲漏檢測等，其中每一種方法又可以分為一種或幾種具體的檢測方法，如表12。例如，我們在射線數(shù)字圖像平板研制方面要落后西方和日本數(shù)年，且目前仍看不出有趕上的趨勢；我們生產(chǎn)的超聲A掃描檢測儀器雖已占據(jù)國際上該類設(shè)備的相當(dāng)高比例，但大多數(shù)超聲C掃裝置和精密聲顯微鏡仍需要進(jìn)口；同樣，我們在高端紅外特別是脈沖紅外成像和激光檢測系統(tǒng)方面也基本上依賴進(jìn)口。我國的無損檢測儀器基本上占據(jù)了低端市場，很多高端無損檢測設(shè)備還依賴于進(jìn)口，另外。盡管如此，我國的無損檢測技術(shù)和發(fā)達(dá)國家仍然有一定的差距，從總體上講仍落后于發(fā)達(dá)國家1015年。我國在無損檢測基本理論研究、無損檢測設(shè)備的研制和生產(chǎn)上都處于世界先進(jìn)水平。前者多用于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工和在役檢測，后者多用于關(guān)鍵零部件的檢測。NDE包含了NDI和NDT，而且還有更加廣泛的內(nèi)容，在無損評(píng)價(jià)技術(shù)中，自動(dòng)無損評(píng)價(jià)（ANDE）和定量無損評(píng)價(jià)（QNDE）是其兩個(gè)主要組成部分。表11 無損檢測技術(shù)的發(fā)展階段及各階段的應(yīng)用范圍名稱英文名稱應(yīng)用范圍第一階段無損探傷（NDI）Nondestructive Inspection主要用于產(chǎn)品的最終檢驗(yàn)，在不破壞產(chǎn)品的前提下，發(fā)現(xiàn)零部件中的缺陷（含人眼觀察、耳聽診斷等），滿足工程設(shè)計(jì)中對(duì)零部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的需要；它僅僅是檢測出缺陷，工藝比較簡單第二階段無損檢測（NDT）Nondestructive TestingNDI以NDT的檢測結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)檢測對(duì)象的使用可能性進(jìn)行判定。 無損檢測技術(shù)的發(fā)展 無損檢測技術(shù)發(fā)展的三個(gè)階段縱觀無損檢測技術(shù)的發(fā)展，主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，即無損檢查（Nondestructive Inspection,NDI）、無損檢測（Nondestructive Testing, NDT）和無損評(píng)價(jià)（Nondestructive Evaluation,NDE），見表11。失效是一種不可接受的故障，在工業(yè)生產(chǎn)中后果非常嚴(yán)重。進(jìn)而降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的有效監(jiān)控。進(jìn)而排除隱患，保障了生產(chǎn)的安全進(jìn)行，也從側(cè)面為企業(yè)省去了不可必要的費(fèi)用，帶來了收益。l 無損檢測能夠有效的查找缺陷 任何零部件、設(shè)備或構(gòu)件在加工和使用過程中，由于其內(nèi)、外部各種因素的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。由此可以看出，無損檢測不但要檢測出設(shè)備（構(gòu)件）有無缺陷，如果有缺陷的話，而且還要做成定性、定量評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)有缺陷的設(shè)備分析其缺陷的危害程度，以便在保障安全運(yùn)行的條件下，作出帶傷設(shè)備可否繼續(xù)服役的選擇，避免由于設(shè)備不必要的檢修和更換所造成的浪費(fèi)。 無損檢測的概念隨著科學(xué)和工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，高溫、高壓、高速度、和高負(fù)荷已成為現(xiàn)代工業(yè)的重要標(biāo)志，但它的實(shí)現(xiàn)是建立在材料（或）構(gòu)件的高質(zhì)量基礎(chǔ)上的，為確保這種優(yōu)異的質(zhì)量，須采用不破壞產(chǎn)品原來的形狀、不改變其使用性能的檢測方法，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行百分之百的檢測，以確保其可靠性和安全性，這種技術(shù)就是無損檢測技術(shù)。無損檢測是建立在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上的一門應(yīng)用型技術(shù)學(xué)科，它以不損壞被檢測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為前提，應(yīng)用物理方法，檢測物體內(nèi)部或表面的物理性能、狀態(tài)特性以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，檢查物質(zhì)內(nèi)部是否存在不連續(xù)性(即缺陷)，從而評(píng)價(jià)其質(zhì)量。理化檢測或多或少地會(huì)對(duì)材料造成損害，因?yàn)楹枚嗷瘜W(xué)試劑對(duì)材料都有一定的腐蝕性。進(jìn)而判