第二节 超声波探伤基础
超声波探伤是依据定向辐射超声波束在缺陷界面上产生反射或使透过声能下降等原理，通过测量回波信息和透过声波强度变化来指示伤损的一种方法。
一、超声波一般知识
人们日常所听到的各种声音，是由于各种声源（如演奏小提琴时，声源即为被擦动的那根弦）的振动通过空气等弹性介质传播到耳膜引起的耳膜振动，牵动听觉神经，产生听觉。声源的振动有快有慢，通常用每秒内的振动次数即“频率”来衡量，单位为“赫兹”（符号为Hz），必须指出，只有当频率在一定范围内的振动才能引起听觉。人们把能引起听觉的机械振动称为声波，频率大致在20Hz～20kHz（即20000Hz，1kHz＝1000Hz）。频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20kHz的机械波称为超声波（用于探伤的超声波频率范围为0.2～25MHz，其中最常用的频段为0.5～10MHz）。生活当中，人耳听不到超声波，但蝙蝠、秋虫和海豚等却能听见并可用超声波传递信息。尤其是蝙蝠，它能发射超声脉冲，并能接受和识别从电线等障碍物或昆虫等反射回来的波，因此它在飞行时不会碰撞障碍物。超声波探伤大多采用的就是像蝙蝠这样的脉冲反射形式，这种反射波又叫回波。
超声波探伤可检查金属材料、部分非金属材料的表面和内部缺陷。如检查锻件中的白点、裂纹、夹渣、分层；非金属材料中的气泡、分层和粘合层中的粘合不良；焊缝中裂纹，未焊透、夹渣、气孔以及管棒和锻件中与表面成一定角度的缺陷。因此，它被广泛地应用于无损探伤。
（一）超声波探伤的优、缺点
1．超声波探伤的优点
（1）指向性好 超声波波长很短，像光波一样，可以定向发射，因而能方便、准确地对缺陷定位。
（2）穿透力强 超声波能量高，在大多数介质中传播时能量损失小，在一些金属材料中传播时，其穿透能力可达数米。
（3）灵敏度高 一个存在于钢中的空气分层厚度为10－6 mm，反射率可超过21%，当分层厚度在10－5 mm以上时，反射率可超过94%。
（4）适用面广 可检测金属、非金属、复合材料等多种材料制件的检测；采用多种波型以及各种探头作不同方向的探测，能探出工件内部和表面各种取向的缺陷。
（5）高效低价 检测速度快，在较短的时间内就可完成对工件的检测，仅耗损少量电能和耦合剂。
2．超声波探伤的缺点
（1）检测结果受人为影响 对试件中缺陷的发现与评价，主要取决于探伤人员对仪器的调节和判断。
（2）探测面状态影响检测 探测表面要求制备，不良的探测面影响伤损检测灵敏度。
（3）工件状态影响检测结果 工件形状过于复杂，材料晶粒和组织不均匀对探伤结果均有一定的影响。
（4）定量精度差 探测出缺陷的当量或延伸度与实际缺陷大小均有一定的误差。
（二）超声波的产生
人们把声源振动在介质（如空气等）中的传播过程，称为波动，简称波。波是物质的一种运动形式，可分为电磁波和机械波两类。电磁波是交变电磁场在空间的传播过程，如无线电波、红外线等，而机械波是指机械振动在弹性介质中的传播过程，如水波、超声波等。产生机械波需要两个必要条件：一是要有作机械振动的振源；二是要有能传递机械振动的弹性介质。探伤作业中，超声探头就是产生超声波的振源，原则上凡是能将其它形式能量转换成超声振动方式能量的方法都可以产生超声波，如机械方法、热效应法、磁伸缩法和电磁声法，在超声波探伤中应用最广的是利用某些压电材料（石英、锆钛酸铅等）的压电效应，来实现超声波的发生和接收。必须注意的是，超声波在传播过程中，实际上只是振动能量的传播，并没有产生物质的迁移，介质质点本身仅限于平衡位置附近振动。
（三）超声波的类型
超声波的分类方法很多，下面介绍几种常见的分类方法：
1．按质点的振动方向分类
根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向不同，可将超声波分为纵波（压缩波）、横波（剪切波）、表面波（瑞利波）、兰姆波等。它们的比较如表1－2所示。
2．按振动持续时间分类
根据波源振动持续时间的长短，超声波可分为连续波和脉冲波两种（图1－5）。其中连续波是指波源持续不断地振动所辐射的波，常用于穿透法探伤和共振法测厚。而脉冲波则指波源振动持续时间很短（微秒级，1μｓ＝10－6ｓ）、间歇辐射的波，超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。
3．按波的形状分类
波形是根据波阵面的形状来区分的，所谓波阵面，是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点联成的面。某一时刻波动所到达的空间各点所联成的面称为波前（波前是最前面的波阵面），任一时刻，波前只有一个。根据波阵面形状的不同，波又可以分为三种：平面波、柱面波和球面波（图1－6），它们的特性见表1－3。
（四）超声波的基本参数
1．振幅（A） 指振动质点偏离平衡位置的最大距离。
2．频率（ｆ） 振动质点单位时间（通常指1秒，以下同）内围绕平衡位置完成全振动的次数称为振动频率，其数值与波动频率相等。波动频率是指波动过程中任一给定质点在单位时间内通过完整波的个数。单位为赫兹（Hz）。
在实际探伤中往往会遇到工作频率和重复频率两个概念。工作频率是指探头发射的超声波频率；重复频率是指探头每秒钟向试件发射超声波的次数。为了提高探伤速度，一般要求重复频率越高越好，但过高的重复频率会导致发射和接收间的干扰，产生幻象回波，因此，重复频率应根据被检工件的大小，一次声程所需要的时间，仪器接收和发射超声波的能力，以及探伤速度等多方面因素决定。
3．周期（T） 指振动质点完成一次全振动所需要的时间。单位为秒（ｓ）。周期与频率的关系式：
4．波长（λ） 同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长。波源或介质中任一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离。单位为毫米（mm）或米（m）。
5．声速（C） 声波在弹性介质中，单位时间内所传播的距离，也可称为波速。单位为米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。波长、声速和频率之间的关系式：
声速（C）与介质的弹性模量和介质的密度有关，对于一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同介质有不同的声速，介质的弹性模量愈大，密度愈小则声速愈大，对液体介质来说，当介质温度变化时，其容变弹性模量和密度会发生变化，因而声速也随着变化。另外，超声波波型不同时，介质弹性变形形式不同，声速也不一样。一般来说，在同一种固体材料中（由于液体和气体介质只能传播纵波，因而不存在各种波型的不同声速问题），纵波声速（CL）大于横波声速（CS），横波声速（CS）又大于表面波声速（CR）。表1－4 为一些常用材料的声速和波长。
表1－4 一些常用材料的声速和波长
材料
声速（km/s）
纵波波长（mm）
横波波长（mm）
纵波
横波
2MHZ
2.5MHZ
2MHZ
2.5MHZ
钢
5.9
3.23
2.95
2.36
1.615
1.292
有机玻璃
2.73
1.43
1.37
1.09
0.715
0.572
尼龙1010
2.4
——
1.2
0.96
——
——
水
1.48
——
0.74
0.59
——
——
油
1.4
——
0.70
0.56
——
——
空气
0.34
——
0.17
0.14
——
——
（五）超声场及其特征值
1．超声场概述
通常把充满超声波的空间部分称为超声场。圆盘声源（指一种圆平面状的振子）辐射的纵波声场轴线上的声压分布规律如图1－7所示。
图1－7（1T7） 圆盘声源声束轴线上的声压分布
由图可知，波源附近的轴线上声压上下起伏变化，存在若干个极大极小值。距波源的距离愈近，声压极大极小值的点就愈密。声学上把由子波的干涉在波源附近的轴线上产生一系列声压极大极小值的区域称为超声场的近场区。波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用N表示。
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