超声波检测技术的基本概念.docx

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超声波检测技术的基本概念

超声波检测的物理基础

超声波检测技术的基本概念

§1-1-1超声波的性质与声场特征量

§1-1-1-1超声波的性质

人耳能感受到的机械振动波称为声波，其频率范围为16Hz~2KHz。

当声波的频率低于20Hz时，人耳不能感受到，这种机械振动波称为次声波。

频率高于2KHz时，人耳也

不能感受到，这种机械振动波则称为超声波。

一般把频率在2KHz到25MHz范围的声波

叫做超声波。

超声波是由机械振动源在弹性介质中激发的一种机械振动波，其实质是以应力波的形式传递振动能量，其必要条件是要有振动源和能传递机械振动的弹性介质（实际上包括了几乎所有的气体、液体和固体），它能透入物体内部并可以在物体中传播。

机械振动与电磁波有实质性的不同，电磁波是以光速在空间传播的交变电磁场，因此电磁波可以在真空中传播，而机械振动波则不能，因为没有弹性介质的存在。

超声波具有如下特性：

1）超声波具有波长短、沿直线传播（在许多场合可应用几何声学关系进行分析研究）、指向性好，可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

2）超声波可传递很强的能量，穿透力强。

3）超声波在介质中的传播特性包括反射与折射、衍射与散射、衰减、声速、干涉、叠加和共振等多种变化，并且其振动模式可以改变（波型转换）。

4）超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击，即“空化现象”。

§1-1-1-2超声波声场的特征量介质中有超声波存在的区域叫做超声场，涉及的特征量有声压、声强与声特性阻抗（简称声阻抗）。

声压：

有声波传播时，介质中质点承受的压强将超过无声波时的静态压强，声压就

是在有声波传播的介质中，某一介质质点在交变振动的某一瞬间所具有的压强与没有声波存在时该点的静压强之差（附加压强），常用字母P代表。

声强：

声强是在声场中某点上一个垂直于声波传播方向上的介质单位面积在单位时间内通过的平均声能量，即声波的能流密度，常用字母I代表。

在自由平面波或球面波的情况时，设有效声压为P,传播速度为C,介质密度为p0，则在传播方向的声波的声强为：

I=P2/p0•Co

声特性阻抗（简称声阻抗）：

在超声波检测中，为了便于表征介质的声学特性，把介质的密度与声速的乘积称为介质的声特性阻抗（简称声阻抗），常用字母Z代表，即Z=P・c,式中P为介质密度，c为介质中的声速。

Z越大，质点振动速度越小，反之则质点振动速度越大。

在超声检测中,常把两个声强之比或两个声压之比用常用对数值来表示,以便于表

示与运算，并以分贝（dB）为单位：

声强Ii与丨2之比：

△dB=10lg（li/12）声压Pi与F2之比：

△dB=20lg（P1/P2）

在超声波检测中,检测到的超声波信号幅度与声压成正比,因此在超声波检测仪器

上显示的回波幅度Hi与H2之比也是：

△dB=20lg（H1/H2）

§i-i-i-3超声波声场的特性

超声波所占的空间称为超声场,对于圆盘声源辐射的情况下,其超声场结构如图i-i-i所示,它包括近场（N为近场长度）和远场两个部分。

圆盘声源向自由场（均匀而各向同性媒质中,边界影响可以忽略不计的声场）辐射时,声源附近声压和质点速度不同相的声场称为近场,在近场区中,中心轴线的声压分布是不均匀的,我们把声轴线上最后一个极大值点至声源的距离称为近场长度,在近场长度范围内,整个声束轴线上存在声压极大值和声压极小值的波动。

大于近场长度范围的称为远场，在远场中，声压和质点速度同相，声压随着距离的增大按指数规律呈单调下降变化。

根据连续波理论，近场长度N=（D2-綁4入入

图1-1-1超声场结构示意图为传声介质中的超声波长，D为晶片直径。

当晶片直径一定时，随着检测频率的提高，波长变短，近场长度加大。

近场区内的声压分布变化是不均匀的，只有在远场时，才能利用声压反射规律评估各种反射体的回波声压变化。

由于超声波检测使用的是脉冲波，在叠加效应影响下，实际的近场长度要比按连续波公式计算的近场长度小一些，有资料介绍在脉冲波的情况下，实际近场长度约为计算值的0.7倍左右。

对于方形或矩形压电晶片，其产生的声场不是如圆盘声源那样的圆形横截面声场，而是成近似方形或椭圆形横截面的合成声场，在评估其近场长度影响时，可以依据上述公式，分别用晶片的边长独立计算，然后以最大的近场长度来考虑对超声波检测的影响。

近场区的长度与压晶片直径和传声介质中超声波的波长有关，在近场区的超声波束呈收敛状态，在近场区末端，亦即从近场区进入远场区的过渡点上声束直径最小（故也将此点称作自然焦点），进入远场区后声束将以一定角度发散，声束边缘的斜度以半扩散角（也称为指向角）B表示，声束的半扩散角同样与压电晶片直径和超声波的波长有关。

扩散角越大，超声波束的指向性越差，对超声波检测中准确评定缺陷位置是不利的。

在一般情况下，波长入圆形晶片（直径D）的OdB半扩散角0o=arcsin（1.22减/D）

近似为00=70（入/D）其负3dB半扩散角0-3dB=29（入/D）负6dB半扩散角e-3dB=arcsin（0.51入;/对于边长a的方形晶片，则有00=57（入/a）负3dB半扩散角

03dB=25（入/D）

在晶片尺寸一定时，选用较高的检测频率可因波长较短而获得较好的指向性（半扩散角小），从而提高检测时对缺陷的定位准确性。

不过，在某些特殊情况下，有时也考虑选用小晶片、低频率的探头，利用其声束扩散特性探测倾斜取向的缺陷。

例：

已知钢中纵波速度=5.85x106mm/s，铝中纵波速度=6.25x106mm/s，圆盘形换能器直径为20mm，频率为2.5MHz，分别求钢、铝中的近场长度和指向角

解：

按照N=D2/4入，0=70（入/D），入=C/f，贝卩：

（1）在钢中有N=202/[4（5.85/2.5）]=42.74mm，0=70[（5.85/2.5）/20]=9.3°

（2）在铝中有N=202/[4（6.25/2.5）]=40mm，0=70[（5.85/2.5）/20]=8.75°

§1-1-2超声波的类型

§1-1-2-1按振动模式分类超声波在弹性介质中传播时，视介质质点的振动型式与超声波传播方向的关系，最常见的有以下几种波型：

（1）纵波（LongitudionalWave，简称L波，又称作压缩波、疏密波）：

纵波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向平行

（2）横波（ShearWave，简称S波，又称作Transversewave，简称T波，也称为切变

波或剪切波）：

横波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向垂直，并且视质点振动平面与超声波传播方向的关系又分为垂直偏振横波（SV波，这是工业超声波检

测中最常应用的横波）和水平偏振横波（SH波，也称为LoveWave-乐甫波，实际上就是地震波的震动模式）。

横波只能在具有切变弹性的媒质中传播。

（3）表面波（SurfaceWave）：

在工业超声波检测中应用的表面波主要是指瑞利波

（RayleighWave，简称R波），它是在半无限大固体介质（厚度远大于波长）与气体介质的交界面上沿固体表面层传播，在介质上的有效透入深度一般在一个波长之内，传声介质的质点运动轨迹呈椭圆形，长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向，只能用于检查介质表面的缺陷，不能像纵波与横波那样深入介质内部传播以检查介质内部的缺陷。

此外，水平偏振横波（SH波，也称为LoveWave-乐甫波）也是一种沿表面层传播的表面波，不过目前在工业超声波检测中尚未获得实际应用。

（4）兰姆波（LambWave）:

这是一种由纵波与横波叠加合成，以特定频率被封闭在特定有限空间时产生的制导波（guideWave）。

在工业超声波检测中，主要利用兰姆波来检测厚度与波长相当的薄金属板材，因此也称为板波（PlateWave，简称P波）。

兰姆波在薄板中传递时，薄板上下表面层质点沿椭圆形轨迹振动，随振动模式的不同，其椭圆长、短轴的方向也不同。

薄板中层的质点将以纵波分量或横波分量形式振动，从而构成全板作复杂的振动，这是兰姆波检测的显著特征。

根据薄板中层的质点是以纵波分量或横波分量形式振动，可以分为S模式（对称型）和A模式（非对称型）两种模式的兰姆波。

在细棒和薄壁管中也能激发出兰姆波，此时称为扭曲波、膨胀波等。

除了上述四种主要的应用波型外，现在已经发展应用的还有头波（HeadWave）和

爬波（CreepingLongitudionalWave，又称作爬行纵波），特别是后者能够以纵波的速度在介质表面下传递，适合用于检测表面特别粗糙，或者表面存在不锈钢堆焊层等情况下的近表层缺陷检测。

图1-1-2示出了各种波型的示意图。

§1-1-2-2按波形分类在超声波传播过程中，同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所联结构成的轨迹曲面叫做波阵面，某一时刻振动所传到距离声源最远的各点所联结构成的轨迹曲面则称为“波前”。

这里所说的相位是指：

质点在其平衡位置的振动是一种周期变化量，在变量达到某一值时，相对于原始值的变化量，就是此时的相位，对于简谐振动量按A=Aosin（3t+0）

规律变化，其中（31+0）称为相位或相位角、相角，它确定了A在时间t时的数值，B是t=0时的相位，称为初始相位，如果该振动从平衡位置（零位）开始，则0=0。

波阵面形状为与传播方向垂直的平行平面的称为平面波，波阵面为同心球面的称为球面波，波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。

波阵面的形成与声源形状、尺寸有关，例如在理想的各向同性的弹性介质中：

点状球体振子发出的超声波形成以声源为中心的球面波波阵面，球面波的声强与距离声源的距离的平方成反比，即声压与距离声源的距离成反比。

无限长（远大于波长）的线状直柱振子发出的超声波形成柱面波波阵面，柱面波的声强与距离声源的距离成反比，即声压与距离声源的距离的平方根成反比。

无限大平面振子发出的超声波形成平面波波阵面，声压将不随距离声源的距离变化而变化。

事实上，由于介质中声能吸收现象的存在，声压是不可能保持为衡量的。

当声源平面的长、宽尺寸远远大于波长时，就可以近似地认为它发出的是平面波。

对于圆盘形辐射体，其发出的超声波波阵面介于球面波与平面波之间，称为活塞波。

图1-1-3示出了各种波阵面的示意图。

§1-1-2-2按振动的持续时间分类

超声波检测中利用了连续波与脉冲波。

连续波传播时介质中各质点作相同频率的连续谐振动，是一种连续地、不停歇振动的超声波，通常具有单一的频率，一般用于穿透法、共振（谐振法，利用频率可调的超声波）以及共振（谐振）法测厚。

脉冲波传播时介质中各质点是有一定持续时间的间歇振动，其振动频率是多个不同频率连续波的叠加，按一定重复频率间歇发射的前后不存在其他声波的很短的一列超声波，一般用于脉冲反射法、脉冲穿透法检测。

图1-1-4示出了连续波与脉冲波的示意图

A

长

一】一

头波和爬波

兰姆波件播方向

图1-1-2各种波型示意图

Iffii屠軀施

图1-1-3各种波阵面的示意图

图1-1-4连续波与脉冲波的示意图

§1-1-3超声波在介质中的传播特性

§1-1-3-1超声波的传播速度、波长与频率的关系

超声波在介质中的传播速度C（与介质、波型等有关，在不同介质中以及不同的超声波波型具有不同的传播速度）、振动频率f（单位时间内完成全振动的次数，以每秒一次为1个赫兹-Hz）和超声波的波长入（超声波完成一次全振动时所传递的距离，或者说相同相位的相邻点之间的距离，或者说一个特定点与相邻的相应点之间的距离）三者有如下关系：

C=X•f，式中：

入为波长（m）,f为频率（Hz）,C为声速（m/s）。

应当注意C二入•f式是一个数学量的关系式，不能认为增高频率或者加大波长就能增

大声速，因为在不同介质中以及不同的超声波波型具有不同的传播速度，例如在同一材

料钢或铝中，横波、纵波、瑞利波的声速差异有：

钢：

Cs~0.55（l;Cr~0.9Zs；铝：

Cs~0.49（l;

Cr~0.93c;式中：

cl为纵波速度，Cs为横波速度，Cr为瑞利波速度。

超声波在介质中传播是通过质点振动实现的，在超声波传播时，介质质点在其平衡

位置上往返振动的速度，即质点自身的振动位移速度，这是质点振速，它远小于超声波在介质中的传播速度即声速，质点振速与声速是两个完全不同的概念，声波传播不是把在平衡位置附近振动的质点传走而是把它的振动能量传走。

§1-1-3-2超声波的叠加与干涉

当两个或两个以上的波源发出的超声波同时在一个介质中传播时，如果在某些点相遇，每个波不因其他波存在而改变其传播规律，相遇处质点的振动是各个波在该点激发振动的合成，合成声场的声压等于各个超声波声压的矢量和，此即超声波的叠加原理。

如果发生叠加的超声波波列具有频率相同、波型相同（相同振动方向）、相位相同或者相位差恒定的波源，则合成声压的频率与各列相同，但是幅度不等于各列声波声压幅度之和，而与声波波列的相位差有关，在叠加区的不同地点出现加强或减弱的现象，某些位置上的振动始终加强，在另一些地方的振动始终减弱或者完全抵消，这种现象就是超声波的干涉现象。

§1-1-3-3超声波的反射、透射与折射

（1）反射

超声波从第一介质入射到具有不同声阻抗的第二介质时，在两种介质之间的界面上，入射超声波改变入射方向返回第一介质的现象，称为超声波的反射，这包括是一部分超声波被反射，而另一部分进入第二介质，或者全部的超声波被反射（全反射）两种情况，这取决于超声波的入射角度和两种介质的性质。

例如超声波从固体中入射到与空气的界面上时，将发生全反射。

如果超声波垂直入射到两种具有不同声阻抗的异质界面（声束轴线与界面垂直）时，超声波的反射状况可由声压反射系数和声强反射系数表征：

反射波声压与入射波声压之比称为声压反射系数：

r=Pr/P0=（Z2-Z1）/（Z2+Z1）反射波声强与入射波声强之比称为声强反射系数：

I=Ir/I0=r2=[（Z2-Z1）/（Z2+Z1）]2

式中：

r为声压反射系数，I为声强反射系数，Pr为反射波声压，Po为入射波声压，Ir为反射波声强，Io为入射波声强，乙为第一介质的声阻抗，Z2为第二介质的声阻抗。

如果超声波倾斜入射到两种具有不同声阻抗的异质界面时，超声波的反射状况要考虑波型以及入射角和反射角的因素：

纵波斜入射：

sinal/CL=sinaL‘/CL=Sinat/Cs,式中：

al为纵波在第一介质中的入射角，

aL为第一介质中的纵波反射角，at为第一介质中的横波反射角（当第一介质为固体的情况下才有可能产生反射横波），Cl为第一介质中的纵波速度，Cs为第一介质中的横波速度。

横波斜入射：

sinat/Cs=Sina17cs=sinal'/Cl,式中：

at为横波在第一介质中的入射角，

at'为第一介质中的横波反射角，al‘为第一介质中的纵波反射角，CL为第一介质中的纵波速度，Cs为第一介质中的横波速度。

注意：

当第一介质为固体的情况下才有可能有横波存在。

由式可见在同一介质中,相同波型情况下的入射角与反射角相等。

在超声波倾斜入射的情况下,声压反射系数和声强反射系数将变成：

声压反射系数：

r=（Z2cos-ZiCosB（Z2COSa+iZos）

声强反射系数：

匸r2二[（Z2COS-ZiCos[3（Z2COSa+Zosj）]2

式中：

a-声束入射角，怜声束反射角，乙-第一介质声阻抗，Z2-第二介质声阻抗。

（2）透射超声波从第一介质入射到第二介质时,如果两个介质具有相同的声阻抗时,超声波

将全部透射到第二介质中,但是如果两个介质具有不同的声阻抗时,则超声波在界面上将同时发生反射与透射,超声波的透射状况可由声压透射系数和声强透射系数表征。

在垂直入射的条件下：

透射波声压与入射波声压之比称为声压透射系数：

tp=Pt/Po=2Z2/（Z2+Zi）=i+rp

透射波声强与入射波声强之比称为声强透射系数：

ti=It/lo=（Pt2/2Z2）/（Po2/2Zi）=4ZiZ2/（Z2+Z1）2

在倾斜入射的条件下：

声压透射系数：

tp=2Z2COSa/（2C0Sa+ZOSj）

声强透射系数：

ti=4Z1Z2COSaCOS（?

2COSa+ZOS）2,

式中：

tp为声压透射系数，Pt为透射波声压，Po为入射波声压，ti为声强透射系数，It为透射波声强，Io为入射波声强，a为声束入射角，（3为声束反射角，乙为第一介质声阻抗，Z2为第二介质声阻抗。

根据能量守恒定律，有lo=lr+lt，即入射声强等于反射声强与透射声强之和。

第一介质与第二介质的声阻抗不同，在有些情况下（例如Z>Z2）计算得到声压反射系数为负数时，负号表示反射波相位与入射波相位相反。

（3）声压往复透过率

超声波从第一介质垂直入射到第二介质并在第二介质底面由空气界面完全反射后返回穿过第一、二介质的界面时的返回声压与入射声压之比称为声压往复透过率，这在超声波检测中是经常遇到的情况，因此是很实用的：

声压往复透过率：

Tp=1-rp2=4ZiZ2/（Z2+Zi），式中：

Tp为声压往复透过率，rp为第一、二介质界面的反射声压，乙为第一介质声阻抗，Z2为第二介质声阻抗。

（4）三层平界面时的反射与透射

超声波在声阻抗为乙第一介质中垂直入射到具有一定厚度的声阻抗为Z2的第二介

质，再进入声阻抗为Z3的第三介质的情况下，从第二、三介质界面反射并穿过第一、二介质界面回到第一介质的反射声压与第一介质中的入射声压之比，即声压反射率绝对值有如下关系：

式中：

m为乙/Z2,3为第二介质（中间介质层）的厚度，入为超声波在第二介质（中间

介质层）的波长

当第二介质（中间介质层）厚度S,并且乙二Z3时，相当于超声波脉冲反射法检测时在被检测材料中遇到有一定厚度的缺陷的情况，则声压反射率有：

5=门入/2时rp有最小值，

5=（2n+1）入/4寸rp有最大值，这里n为正整数。

这意味着缺陷厚度达到5=2n+1）入/4寸能获得最大反射而容易被检测出来。

当第二介质（中间介质层）厚度5,并且当乙时，相当于超声波脉冲反射法检测时对耦合剂层、保护膜厚度要求的情况，则声压反射率有：

5=门入/2时rp有最大值，

5=（2n+1）入时rp有最小值，这里n为正整数。

这意味着耦合剂层或保护膜厚度在5=（2n+1）入时能有最大的穿透。

声压透射率则有如下关系：

1j1+

式中：

m为乙/Z2,5为第二介质（中间介质层）的厚度，入为超声波在第二介质（中间介质层）的波长。

当第二介质（中间介质层）厚度5,并且乙=Z3时，相当于超声波脉冲反射法检测时在被检测材料中遇到有一定厚度的缺陷的情况，则声压透射率有：

5=门入/2寸tp有最大值，

5=2n+1）入/4寸tp有最小值。

这同样意味着缺陷厚度达到5=2n+1）入/4寸能获得最大反

射而容易被检测出来。

当第二介质（中间介质层）厚度5,并且当乙时，相当于超声波脉冲反射法检测时对耦合剂层、保护膜厚度要求的情况，则声压透射率有：

5=门入/2时tp最小；5=2n+1）入/4时tp最大。

这同样意味着耦合剂层或保护膜厚度在5=（2n+1）入时I能有最大的穿透。

上述公式是以连续波为基础推导出来的，超声波检测中应用的主要是脉冲波，涉及的波长是一个复杂的合成量，以实验为基础得到的数据表明，一般在5/<0.001时绝大多数声能透入工件，5/>0.001时穿透声能减少，接触法检测时的耦合层和超声波单晶直探头的保护膜厚度应该越薄越有利于超声波的透射。

5）折射

超声波从第一介质倾斜入射到第二介质，而这两种介质具有不同的声速时，在两种介质之间的界面上，入射声波的一部分进入第二介质但是改变了原来的入射方向，这种现象称为超声波的折射。

当第二介质是固体的情况下，在发生折射的同时，还伴有波型转换发生。

超声波从第一介质倾斜入射到第二介质而发生的折射与界面两侧介质的声速比（折射率）和入射、折射角度（正弦函数）相关，即：

sina/C=sin[32C式中a为入射角,Ci为第一介质中入射超声波的速度；3为反射或折射角，C2为在第一介质中反射或者在第二介质中折射超声波的速度。

该数学式也称为斯涅尔定律或折射定律，它能反映入射角、反射角、折射角与介质中的声速的关系。

如图i-i-5所示，以纵波L倾斜入射为

例，由于在相同介质中相同波型有相同的波

速，因此L反的反射角3与L的入射角a相同，在同一介质中横波的速度小于纵波速度，因此反射横波S反的反射角3小于L的

图i-i-5超声波反射与折射时的波型转换入射角a折射横波S折的折射角小于折射纵波L折的折射角。

在超声波检测中利用超声波在界面上的折射特性主要用于达到波型转换的目的，例如把一般压电晶体产生的纵波转换成横波、瑞利波、兰姆波等，以适应不同工件及不同情况下的检测。

但是在对形状复杂的工件进行超声波检测时，有时也需要注意超声波在被检工件内由于型面反射造成波型转换的现象，避免发生误判。

斯涅尔定律的完整表达式可写为：

sinLi/CLi=sinR/cli二sina/csi=sing/Csi二sinL2/cl2二sinS2/Cs2式中：

aLi-纵波入射角，asi-横波入射角，仕1-纵波反射角，面-横波反射角，0L2-纵波折射角，$2-横波折射角。

在倾斜入射的情况下，随着入射角的增加，相应一定波型（一定波速）的折射角也随之增大，当达到90°的情况下，该波型的折射波将不能在第二介质中存在，我们把这时的入射角称之为临界角，具体可分为：

第一临界角：

a=arcsin（cli/cl2）,这时折射纵波的折射角达到90°,第二介质中只留下

了折射横波。

在超声横波检测中，一般要求采用纯横波检测，因此入射角应该大于第一临界角。

第二临界角：

aii=arcsin（cli/cs2）,这时折射横波的折射角达到90°，第二介质中已没

有折射波存在，但可以在第二介质表层激发出瑞利波，可用于瑞利波检测，即激发瑞利

波的入射角大于等于第二临界角：

or=arcsin（cli/cr）>arcsin（cli/Cs2）

第三临界角：

aiii二arcsin（Csi/cLi）,这是在入射波为横波，倾斜入射到固体/气体界面的情况下发生的，当未达到第三临界角时，有反射横波与反射纵波存在，一旦达到第三临界角,则反射纵波的反射角达到90°,介质中只留下了反射横波。

在对形状复杂的工件进行超声横波检测时,有时也需要注意超声波在被检工件内由于型面反射造成波型转换的现象,避免发生误判。

上面各式中：

CL1为第一介质纵波声速，CL2为第二介质纵波声速，Csi为第一介质横波声速，Cs2为第二介质横波声速，Cr为第二介质瑞利波速度（在有机玻璃-钢界面的情况下，通常取OR为67°-72）。

例：

使用带有有机玻璃斜楔（纵波速度2.73xi06mm/s）的接触法斜探头检测钢质工件（纵波速度5.85xi06mm/