超声检测技术的物理学基础

声波在固体、液体和气体中的传播速度取决于介质自身的力学特性。当声波在介质中传播时，一旦遭遇裂纹、孔隙或夹杂物等不连续性缺陷，就会发生相互作用，导致声波的反射、散射和衰减。这种声波能量的衰减，直接决定了其有效传播距离。在液体中，声波可以传播很远；但在粗晶粒的固体材料中，散射效应会急剧增强，传播距离可能骤缩至几厘米。仅仅通过简单的方法，我们难以精确判断声波的传播方向和声源距离，必须借助更精密的窄声束技术来克服这些难题。

在无损评估（NDE）领域，当超声源的尺寸远大于波长时，可以形成具有短波长的窄声束。无损检测（NDT）正是利用频率高于人耳可听范围（约20 kHz）的高频超声波，其频率可高达数百MHz。

从历史脉络来看，工业化的超声材料检测方法始于二战末期。尽管当时人们早已知晓蝙蝠利用声波进行定位的现象，但真正为超声技术应用奠定基石的，是雅克·居里和皮埃尔·居里兄弟在1880至1881年间发现的压电效应。随后，瑞利勋爵在1885至1910年间发展的固体声传播理论，以及早期电子器件的进步，共同推动了这一技术的成型。

声场的产生与接收依赖于一种特殊器件——超声换能器（或称超声探头）。其核心的声场发生元件，绝大多数情况下是具有压电特性的特种陶瓷。压电材料的奇特之处在于，当受到外部机械压力而变形时，其表面会产生电荷（正压电效应），如图1所示。反之，若将这种材料置于两电极之间并施加电势，它会发生形变（逆压电效应），如图2所示。正压电效应被用于信号的接收与测量，而逆压电效应则用于产生机械压力、形变和振动，即发射超声波。

图1 正压电效应

图2 逆压电效应

超声波的产生机制

目前，超声无损检测中使用的换能器绝大多数基于压电效应。利用逆压电效应产生超声波，再利用正压电效应接收回波信号。尽管石英晶体是解释这一原理的经典案例，但如今已涌现出性能更优越的压电材料。

压电陶瓷是当前的主流选择，典型代表包括钛酸钡（BaTiO₃）、锆钛酸铅（PZT固溶体，PbZrO₃-PbTiO₃）、偏铌酸铅（PbNb₂O₆）、铌酸钡钠（Ba₂NaNb₅O₁₅）以及聚合物聚偏二氟乙烯（PVDF）。通过调整制造工艺和材料配方，可以在一定范围内改变其声学特性，以适应特定的应用需求。这些材料的机电耦合系数远高于石英。

超声信号的中心频率主要由压电陶瓷片的厚度决定。厚度 t 与中心频率 f₀ 之间的关系如下：

$$ f_{0} = /frac{c}{2t} /quad (1) $$

其中 c 是声波在压电陶瓷材料中的传播速度。知道了材料的声速 c，我们便可以通过精确控制陶瓷片的厚度 t 来定制所需的频率 f₀。常见压电陶瓷材料的平均声速见表1。

表1 用于超声换能器的压电陶瓷材料声速

虽然压电陶瓷是制造超声换能器的主要材料，但其他物理效应也能用于产生和接收超声波。例如，通过电磁场传递能量的技术，原则上无需与金属试件进行机械接触，声能的转换直接在工件表面发生。这类方法与需要通过耦合剂（如水）与工件直接接触的压电振子相比，工件表面本身成为了换能器的一部分。尽管这些替代方法产生的信号通常弱于压电效应，但在特定应用场景下，它们提供了独特的优势。

其他产生超声波的可能性还包括机械冲击、摩擦效应、表面瞬时加热产生的热冲击效应、基于洛伦兹力的电动力效应以及磁致伸缩效应。目前，在无损检测领域，除电动力效应外，其他方法扮演的角色相对较小。

超声波在界面上的反射与透射

声束的垂直入射

在无限大的理想材料中研究声波行为只存在于理论中，现实世界里任何材料都有边界。当声波传播至界面时，其路径会受到扰动。如果界面另一侧是真空，声波无法透射，将发生全反射。

我们来考虑一个理想情况：一束平面纵波垂直入射到两种不同材料的界面上，如图3所示。出于对称性，此时只会产生反射纵波 P_r 和透射纵波 P_t。反射声波的能量由反射系数 R 表征，透射声波的能量则由透射系数 T 表征。在这种垂直入射的特殊情况下，R 和 T 仅取决于两种介质的声阻抗 W。声阻抗的定义为 W = ρc_L，其中 ρ 是材料密度，c_L 是纵波声速。计算公式如下：

$$ R = /frac{W_2 - W_1}{W_1 + W_2} /quad /text{且} /quad T = /frac{2W_2}{W_1 + W_2} /quad (2) $$

下标1和2分别代表界面两侧的介质（见图3）。从公式中可以清晰地看出，当两种介质的声阻抗相等（W₁ = W₂）时，反射系数R为0，声波将100%透射。

在实际的超声检测中，一个常见的界面是钢与水。钢的声阻抗 W₁ 约为 45×10⁶ Ns/m³，水的声阻抗 W₂ 约为 1.55×10⁶ Ns/m³。代入公式计算可得，反射系数 R ≈ -0.935，透射系数 T ≈ 0.065。这意味着在钢-水界面处，约93.5%的声能被反射回钢中（如图4）。反射系数的负号表示反射声波的相位与入射波相比反转了180°。

如果界面是钢与空气，由于空气的声阻抗极低，计算出的R值将接近-0.99998，即几乎100%的声能被反射。这恰好模拟了钢构件中存在裂纹（内部可视为空气间隙）的情况。因此，当声波垂直入射到裂纹表面时，能够以极高的概率被检测到。

图3 声波在界面上的垂直入射

图4 钢/水界面的声压反射值

图5 界面上的波形转换

声束的倾斜入射

当声波以大于0°的角度入射时，情况变得复杂起来。如图5所示，必须考虑波形转换的发生。一束入射纵波在界面处不仅会反射一束纵波，还会反射一束横波；同时，在第二种介质中也会透射出一束纵波和一束横波。计算反射和透射系数时必须将这些因素考虑在内。同样，当入射波为横波时，情况类似。对于图5中展示的每一种情况，我们都会得到两个反射系数和两个透射系数。

如果一束平面纵波以角度α入射到液体-固体界面（如图6），会产生一束反射波和两束透射波。反射角等于入射角α，但透射角则不同。这些角度取决于两种材料中不同波形（纵波、横波）的声速，可以通过斯涅尔定律（Snell’s Law）计算：

$$ /frac{/sin/alpha_1}{/sin/alpha_2} = /frac{c_1}{c_2} /quad (3) $$

利用该公式，只要已知声速和一个角度，就能计算出所有其他角度。有机玻璃（Plexiglas）与钢的界面在斜探头的设计中至关重要，我们以此为例。有机玻璃中的纵波声速约为2740 m/s，钢中的纵波声速约为5920 m/s，横波声速约为3255 m/s。

根据斯涅尔定律，在折射过程中存在两个临界角。当钢中的折射纵波角度为90°时，出现第一临界角，此时纵波在钢中沿表面传播，只有横波能有效进入材料内部。当钢中的折射横波角度达到90°时，出现第二临界角。若希望在实际应用中只利用横波进行检测，探头楔块的角度 β 设计应介于27.6°和57.3°之间。这些值是根据上述声速计算得出的。因此，用于产生横波的斜探头，其入射角通常在35°到80°之间。

图6 在液体/固体界面的倾斜入射

超声换能器（探头）

鉴于压电陶瓷材料在实际应用中的核心地位，以下将重点介绍此类换能器的构造。尽管针对不同应用领域进行了优化，其基本构造原理大同小异。图7展示了超声检测基础设备中两种典型的商用探头。

• 直探头（Normal/Straight Beam Probe）：如图7(a)所示，用于产生纵波。压电陶瓷片位于保护膜（耐磨层）之后，其背后的背衬材料（阻尼块）对脉冲波形起着决定性作用。通过电气匹配，可以对超声脉冲进行整形和优化。如前所述，陶瓷片的厚度决定了脉冲的中心频率。这种探头的设计使声波垂直于被测物体表面入射。压电陶瓷的尺寸与中心频率共同决定了探头的重要声场参数，如近场区长度、扩散角和声束直径，这些都是实现可靠检测所必需的。

• 斜探头（Angle Beam Probe）：图7(b)展示了用于产生横波的斜探头原理。入射的纵波在楔块与工件的耦合面上发生折射，从而产生横波。通过将楔块角度设计在第一和第二临界角之间，普通的斜探头可以专门用于产生横波。对于有机玻璃/碳钢组合，市面上有入射角为45°、60°和70°的常规探头。

图7 直探头(a)和斜探头(b)

近年来，随着电子波束成形技术的发展，具有可变入射角的**相控阵探头（Phased Array Probes）**应运而生。其原理如图8所示，晶片被分割成多个独立的阵元（图中示例为8个）。每个阵元都连接到专用的相控阵设备的主控/接收单元。设备可以精确控制每个阵元发射脉冲的时间。当阵元之间的延迟时间 Δt 呈线性递增或递减时，合成声束的入射角就会发生偏转。如果 Δt 遵循预设的曲率（类似透镜），声场就可以在特定距离处聚焦。当然，偏转和聚焦也可以组合使用。借助相控阵探头，可以实现任意角度的纵波或横波，并通过改变延迟时间动态调整焦距。

图8 相控阵探头原理图

声波在固体中的传播与衰减

声波在材料中传播时，不可避免地与材料的微观结构发生相互作用。尤其是在钢等固体材料中，当声波波长与晶粒尺寸处于同一数量级时，与晶粒的相互作用（散射和反射）变得不可忽视。这种作用导致声能损失，即声波沿传播方向发生衰减。固体颗粒的摩擦运动也会引起声能的吸收，同样导致衰减。因此，总的超声强度衰减系数 μ 是散射系数 μs 和吸收系数 μa 的总和：

$$ μ = μ_s + μ_a /quad (4) $$

在检测过程中，必须充分考虑并补偿这种衰减效应。

脉冲回波法与穿透法原理

材料中的缺陷会引起超声波的散射和反射，通过检测这些反射或透射的声波，我们就能定位缺陷。图9展示了脉冲回波法和穿透法的基本原理。

图9 脉冲回波法(a)和穿透法(b)

• 穿透法（Through-Transmission Technique）：通常需要从工件的两侧进行操作。当缺陷太小，无法产生足够强的反射信号，或者背反射法无法提供充分信息时，可采用此法。

• 脉冲回波法（Pulse-Echo Technique）：仅需从工件的一侧接触即可，这是它相较于穿透法的一大优势。另一大优势在于能够进行飞行时间（Time-of-Flight）测量。通过测量脉冲从探头发射，传播到不连续面（缺陷），再返回探头所需的时间，可以精确估算缺陷的深度。在示波器上，如果将水平扫描轴根据被测材料的声速进行校准，那么回波信号在屏幕上的位置就直接对应了缺陷距耦合面的距离。因此，脉冲回波法是实践中应用最为广泛的技术。

要精确地进行缺陷定位和定量分析，对声场特性、衰减补偿以及信号的解读都有着极高的要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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