声-超声（Acousto-Ultrasonic）检测技术：原理、特点与应用概述

在复合材料及类似结构的性能评估中，我们面临一个核心挑战：材料的最终力学性能并非仅由单一、宏观的缺陷决定，而常常是大量分散的微观不连续（如微裂纹、疏松）共同作用的结果。如何有效评定这种“整体效应”，传统无损检测方法往往力不从心。为此，声-超声（Acousto-Ultrasonic, AU）波检测技术应运而生。

声-超声技术，有时也被称为应力波因子法，其应用范围已相当广泛，从纤维增强复合材料、胶接件，到木料、纸制品，乃至电缆、绳索，甚至在生物医学领域用于人体骨骼的评定。实践表明，该方法对复合材料叠层与胶接结构的粘接强度变化极为敏感，并且能够有效测定因周期性疲劳载荷引发的微观疏松与微裂纹。

声-超声：一种融合与超越

声-超声检测的精妙之处在于它综合了传统超声波材料表征与声发射（Acoustic Emission, AE）检测的优点，但又在评定理念上有所超越。

与传统超声检测相比，声-超声的视野更为宏大。它不局限于定位和测量材料中的宏观不连续缺陷，而是更着重于评定那些分散的、微观的、共同影响材料力学性能的缺陷群的整体效应。

而与声发射检测相比，声-超声则显得更加主动和可控。它不依赖于材料在受载下产生缺陷并释放能量，因而不必过多关注声源的精确定位与表征。其核心任务是处理材料中已存在的分散不连续态、热机性能降解以及亚临界缺陷的整体影响。这些因素共同作用，改变了声-超声波的传播特性，从而与材料的力学性能变化建立起直接关联。

为了更清晰地理解三者间的差异，我们可以参考下表：

表1 声-超声波与超声波、声发射检测的比较

技术溯源与核心动机

声-超声方法的诞生，源于对声发射信号表征与源定位的研究工作。在研究中，科研人员采用多种信号激励方式来模拟和分析应力波与声发射信号，这直接催生了声-超声技术。其名称“Acousto-Ultrasonic”也正体现了它与声发射（Acoustics）及固体内部声学（Ultrasonics）的紧密联系。

这项技术的开发，最初有两个核心驱动力：

1. 满足复杂构件的检测需求：对于纤维增强复合材料叠层件、纤维缠绕复合材料压力容器这类结构，其失效模式复杂，传统检测方法难以有效评定。声-超声技术被视为一种能够有效评定结构主要承载方向（例如，复合材料叠层中平行于纤维的“面内”方向）上强度影响因素的有力工具。
2. 从“找缺陷”到“评性能”的转变：当材料中不存在裂纹、分层等明显的宏观缺陷时，检测的目标应该是什么？答案是评估那些降低材料强度、刚度、韧性的亚临界不连续和材料异常的“群集效应”。对大量微小不连续逐一描绘既不现实也无必要，而声-超声技术恰好能从整体上给出评价。

要准确评估材料内部微观结构的整体效应，需要深刻理解应力波在复杂介质中的传播机制，并对接收到的信号进行精密的分析。这不仅考验设备，更对操作人员的经验和数据解读能力提出了高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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技术原理的具象化理解

从广义上讲，声-超声检测属于声与振动检测技术的一类，与声（硬币）敲击、结构动态响应和阻尼测量等方法同源。其中，古老的硬币敲击法可以看作是声-超声的初级形态。只不过在声-超声技术中，"敲击"由精密的压电换能器完成，而"听取"声音则由另一个压电换能器及适配的电子仪器负责，实现了过程的量化和标准化。

从系统构成上看，一个基本的声发射系统构成了声-超声系统的一半——它只有“被动听取”，没有“主动询问”。而声-超声系统的基础，正是将一个用于主动激励的超声换能器和一个用于接收的声发射传感器组合起来（其系统基础构成如图1所示）。有趣的是，声发射传感器的校准方法，如铅笔芯折断、玻璃毛细管断裂或电火花，本身就是一种产生应力波的过程。从概念上讲，这已经构成了声-超声构形的第一步，即主动向材料注入一个模拟的应力波，然后分析其传播后的响应。