声振无损检测技术：从振动特性到缺陷表征的原理与方法

一、声振检测：一种独特的视角

在无损检测（NDT）领域，声学方法占据着举足轻重的地位。但提及声学，多数人首先想到的是超声波检测，它将工件视为声波脉冲的传输介质。然而，存在另一套截然不同的思路——声振检测技术。它不再关注声波的穿透与反射，而是将被检工件本身看作一个复杂的“振动结构”。

通过分析该结构在受激振动时的响应，例如其振动阻抗率、振幅、频率及相位等特性，我们可以反推出其内部的力学性能状态与潜在的材料损伤。这种方法在国内常被称为声振或声阻检测，在国际上则对应机械阻抗法（Mechanical Impedance Method）或振动法（Vibration Method）。其最大的魅力在于经济、高效且易于实现，我们日常中用手指轻敲西瓜判断生熟，就是其最质朴的应用雏形。

声振检测的理论根基，在于对声场特征的深刻理解。一个由声波构成的空间即为声场，而描述这个声场的核心物理量，便是声压、声强与声阻抗率。

1. 声压 (p)

声压是衡量声波强弱的基本尺度。它定义为声波传播时，介质中某点瞬时压强相对于静态压强的增量。其国际单位是帕斯卡（Pa），即 N/m²。由于 Pa 的量值在工程应用中偏小，通常会使用千帕（kPa）或兆帕（MPa）。

声压并非一个恒定值，它随着时间与空间位置（与声源的距离）动态变化。以一个理想的简谐纵波为例，其波动方程可以表示为：

y = Acosω(t - x/c)

这里，A 是振幅，ω 是角频率，t 是时间，x 是传播距离，c 是声速。

对时间求导，我们得到质点振动的速度 v 和加速度 a：

v = ∂y/∂t = -Aωsinω(t - x/c)

a = ∂v/∂t = -Aω²cosω(t - x/c)

为了建立声压与这些振动参数的关系，我们可以在介质中取一个微小的体积元。根据牛顿第二定律（F=ma），体积元两侧的压力差驱动其产生加速度。经过积分推导，可以得到声压 p 与空间和时间的关系：

p = Aρωcsinω(t - x/c)

由此，我们得到声压的振幅 p_m：

p_m = Aρωc

这个公式的物理意义非常直观：声压的幅值与质点振动的振幅、介质的密度、声速以及振动频率都成正比。这意味着材料的固有属性和外部激励共同决定了声压的大小。

2. 声强 (I)

如果说声压描述了波动的“强度”，那么声强则描述了能量的“流速”。声强定义为在单位时间内，垂直通过声场中某点单位面积的平均声能。其法定计量单位是瓦特每平方米（W/m²）。

声波在介质中传播，本质上是能量的传递过程。介质质点因振动而获得动能，因形变而储存势能。在一个振动周期内，动能与势能相互转化，总能量守恒。

以均匀各向同性介质中的纵波为例，质点振动速度的最大值 v_m 为 Aω。一个体积元的总能量 ΔE 等于其最大动能：

ΔE = 1/2 * Δm * v_m² = 1/2 * (ρΔV) * (Aω)²

单位体积介质所具有的能量，即能量密度 E，则为 1/2 * ρA²ω²。

声强 I 是能量密度 E 与声速 c 的乘积，因为它代表了单位时间内能量传播过的体积。

I = Ec = 1/2 * ρcA²ω²

结合前面声压振幅的公式，我们可以推导出声强与声压、质点振速之间的重要关系：

I = p_m² / (2ρc)

I = 1/2 * ρc * v_m²

这些关系揭示了声强的核心：它与声压振幅的平方成正比，也与质点振动速度振幅的平方成正比。这意味着，微小的声压或速度变化，会引起声强更显著的改变，为检测提供了灵敏的放大效应。

3. 声阻抗率 (z)

声阻抗率是连接声压与质点振速的关键桥梁，也是声振检测技术中最核心的参数之一。从 p_m = ρcv_m 出发，我们可以得到：

v_m = p_m / (ρc)

这个关系式表明，在声压一定时，ρc 的值越大，质点的振动速度就越小。ρc 这个组合量，反映了介质对声振动的阻碍程度，因此被称为介质的特性声阻抗或声阻抗率，通常用 z 表示，即 z = ρc。

声阻抗率 z 的定义是平面行波中某点有效声压 p 与该点质点有效振速 v 的比值。其法定单位为 Pa·s/m。

更有价值的是，声速 c 本身又与材料的弹性模量 E 和密度 ρ 相关：c = (E/ρ)^1/2。代入声阻抗率的表达式，我们得到：

z = (Eρ)^1/2

这个公式意义重大。它意味着声阻抗率直接关联着材料最基本的两大物理属性：弹性和密度。对于一些非常薄的结构，如胶接层或涂层，直接测量其声速几乎是不可能的。但声阻抗率 z 却为我们提供了一个可测量的、能够反映其物理状态的窗口。正是这一特性，使声阻抗率成为声振检测技术发展的基石。

近年来，随着复合材料、蜂窝结构等新材料和新结构在航空航天、汽车、能源等领域的广泛应用，许多常规无损检测方法难以应对的缺陷，如内部脱粘、分层、疲劳微裂纹和低能量冲击损伤等，声振检测技术却能给出令人满意的结果。要准确评估这些复杂结构的粘接质量和内部损伤，精确测量其局部或整体的声学响应至关重要。这不仅需要先进的仪器，更依赖于专业的测试方法和数据解读能力。

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二、声振检测技术的主要分类

依据测量方法的不同，依赖构件振动特征的声振检测技术大致可以划分为四种类型，各有其适用场景和优缺点，具体见表1。

表1 常用的四类声振检测技术

随着技术的演进，声振检测正朝着仪器化、智能化的方向发展，旨在减少人为因素的干扰，提升检测的可靠性和可重复性。目前市面上主流的复合材料与胶接结构便携式检测仪，其核心大多应用了声振检测的原理。