深度解析声-超声波检测：原理、挑战与信号表征的演进

声-超声波（Acousto-Ultrasonic, AU）检测技术，作为一种评估材料内部状态的无损检测方法，其核心思想与常规超声技术有着本质区别。它并非简单地寻找宏观缺陷的“回声”，而是通过分析应力波在材料内部的传播效率，来“诊断”材料微观结构的健康状况。这对于复合材料、粘接结构等复杂材料体系的性能评价，意义尤为重大。

核心检测原理与理论基础

声-超声波检测的基本配置如图1所示，在工件同一表面，一个超声换能器作为“发送者”激发应力波，另一个声发射换能器则在固定距离外作为“接收者”。其根本目的，是评定应力波在材料内部传播的效能，也就是动态应变能的传输与分布情况。

图1 声－超声波检测原理

这项技术建立在一个关键的假设之上：材料的强度与稳定性，与其内部能量的有效转换和再分布能力正相关。这个假设源于“应力波相互作用”概念。设想在断裂即将发生时，材料内部会自发产生应力波。如果这些能量无法通过微裂纹偏转、塑性变形等机制被有效耗散，它们就会集中起来，驱动微断裂迅速扩展，最终导致灾难性破坏。反过来说，一个“健康”的材料结构，应该能让应力以较低的衰减迅速传递开，避免能量的局部富集。因此，材料的波衰减特性成为一个至关重要的评价指标。对于复合材料而言，低的衰减通常就意味着高的强度和优异的抗冲击性。

然而，理论和现实之间存在一道鸿沟。尽管大量实验已证实声-超声波技术能够有效测量应力波的能量耗散特性，但一个完备的微力学或微结构模型至今仍未建立。我们期望的理想模型，应当能精确描述弹性性质、纤维-基体界面质量、孔隙率等因素如何影响应力波的传播，以及材料如何响应这些相互作用。

与常规超声的区别与挑战

声-超声波检测与常规超声（如回波法、透射法）最显著的不同，在于接收信号的性质。常规超声的波形意义明确，是清晰的反射或透射信号。而声-超声波接收到的，却是应力波在发送与接收换能器之间一定体积的材料内，与无数微观结构相互作用、经历多重反射后叠加而成的复杂信号。

在这个过程中，体波、导波，特别是兰姆波（Lamb waves）等多种波型交织在一起。在复合材料壁板这类波长与厚度尺寸可比拟的结构中，弯曲兰姆波往往占据主导地位。

这种复杂性给检测带来了诸多挑战：

1. 参数选择的敏感性：发送换能器的中心频率、接收换能器的带宽和灵敏度选择都极为关键。理想的发送器应能产生波长略短于微结构特征尺寸的波，以激发丰富的相互作用，但这同时也会带来高频成分的强衰减。而接收器则必须具备足够宽的频带和高灵敏度，才能捕捉这复杂而衰减的信号。

2. 超越宏观缺陷的追求：声-超声波的目标是表征分散的微观不连续性和细微的材料异常，这远比探测宏观缺陷要困难。对探头灵敏度和信号重复性的要求极高，使得该技术对许多材料而言，配置和标定过程相当棘手。

3. 影响因素的复杂性：除了材料本身的变化，几乎所有实验配置参数——换能器施加的压力、耦合剂的效果、工件表面粗糙度、换能器对准精度、收发距离、接收器带宽与阻尼等——都会显著影响最终的信号，从而干扰对材料真实特征的解读。

要确保检测结果有效且可复现，检测配置和程序的建立必须一丝不苟。这不仅需要深厚的理论知识，更需要丰富的实践经验。

信号解读的进化之路：从经验参数到物理模型

如何从这团复杂的信号中提取出有用的信息？这催生了信号表征方法的不断演进。由于声-超声波激励的应力波与声发射的突发波形相似，许多源于声发射的信号分析方法被借鉴过来，如时间域的事件计数、峰值电压、振铃计数等。但核心目标始终是围绕能量的传递与耗散。

1. 应力波因子 (SWF) - 最初的尝试

应力波因子（Stress Wave Factor, SWF）是最早被提出的一个简单参数。

SWF = R * T * C

其中，R是输入脉冲的重复频率，T是预设的时间门槛，C是在单次激励后，接收信号幅度超过预设电压阈值的振铃计数次数。当R和T固定时，SWF本质上与总振铃计数成正比（如图2）。

图2 应力波因子表征

SWF可以看作是工件中能量耗散率的一个相对度量。在实际应用中，通常需要制作一系列工艺质量有差异的参考样件，通过破坏性试验建立SWF值与材料强度或缺陷状态之间的经验关系曲线。

优点：

• 无需对工件加载，检测方便。
• 单侧接触即可检测，实用性强。
• 信号沿纤维方向传播时，对表征复合材料力学性能有利。
• 对高衰减材料（如复合材料）的检测能力较好。

局限性：

• 无法精确描述损伤的几何形状或材料的极限强度。
• 信号强度随换能器间距变化而改变。
• SWF与材料强度之间难以建立普适的、单值的相关关系，严重依赖比对样件。

2. 声-超声波参量 (AUP) - 向能量表征迈进

为了更贴近信号的能量，Williams和Lampert等人提出了声-超声波参量（Acousto-Ultrasonic Parameter, AUP）。它通过对不同幅度阈值下的振铃计数进行加权求和，来近似计算波形包络下的面积。

其计算过程可表示为：

AUP = Σ Uᵢ(Cᵢ - Cᵢ₊₁)

式中，Uᵢ 是第 i 次的阈值电平，Cᵢ 是超过该阈值的计数。这个过程从噪声水平开始，不断提高阈值，直至达到波形峰值幅度。

AUP同时考虑了振铃计数和幅度，比SWF更能灵敏地反映材料性质的变化，与能量传递的关系也更为直接。然而，它依然没有摆脱传统方法的根本性束缚。其测量仍然基于两个不切实际的假设：① 工件中传播的是简单的衰减正弦波；② 信号以固定速度传播。因此，AUP依然是一个缺乏明确物理意义的经验参数，其应用仍需依赖大量的比对实验和数据积累。

要获得可靠的SWF或AUP数据，对参考样件制备、设备参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测复合材料无损检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

3. 模态波形表征 - 基于物理的革命

真正的突破来自于模态声发射（Modal Acoustic Emission, MAE）新技术的引入。得益于导波理论的成熟，MAE对传统声发射技术进行了一次重大革新，而这一思想也完美地适用于声-超声波检测。

它的新颖之处在于，它彻底抛弃了错误的“衰减正弦波”假设，恢复了物理现象的真实面貌：

1. 信号是多模式的：声-超声波信号是由多种模式的波（模态）组成的，每种模式又包含宽带频率成分。
2. 传播是频散的：在同一模式中，不同频率的波以不同的速度传播（频散现象）。

在板状或壳状结构中，检测中最重要、最有用的两种基频模式是 E（伸缩）模式波 和 F（弯曲）模式波。

• E波（Extensional Wave）: 传播速度快，其声速 c_E 主要由材料的弹性模量E、密度ρ和泊松比ν决定。 c_E = {E / [ρ(1 - ν²)]}<sup>1/2</sup> 在低频时，其频散现象不明显。

• F波（Flexural Wave）: 传播速度较慢，且存在显著的频散现象，其声速 c_F 与频率ω、板厚h等因素有关。 c_F = (D / ρh)<sup>1/4</sup>ω<sup>1/2</sup> (其中 D = Eh³ / [12(1 - ν²)]) 由于频散，F波脉冲在传播过程中波形会发生剧烈变化。

图3 导波结构中的典型声-超声波信号，清晰展示了不同模式波的分离

对于图3这样真实的、包含多种模式的信号，若仍用传统的振铃计数法测量，误差将是巨大的。模态波形表征技术采用宽带接收传感器和高速全波形采样技术，高度保真地捕捉实际信号。再结合小波变换、Kalman滤波等先进信号处理算法，可以有效分离和识别不同的波形模式。

模态表征的最大优势在于：

• 测量的是真实物理量：它分析的是包含工件结构信息的超声模式波，检测的是真实的位移、速度或加速度。
• 建立了物理模型：它基于成熟的导波理论，使我们能够从断裂力学和破坏机制的层面上，建立信号特征与材料不连续性之间的确定关系，不再仅仅依赖经验。
• 解决了老大难问题：它克服了传统方法在缺陷识别与定位不准、信号解释困难等方面的瓶颈，为声-超声波技术从实验室走向复杂的现场应用奠定了坚实的基础。

通过从数学模型和物理概念上关联起实验室样件与大型结构件的检测结果，模态波形表征正在将声-超声波技术推向一个全新的高度。