超声纵波检测技术深度解析：从原理到实践

日期：2025-07-26 浏览：7

超声纵波检测技术深度解析：从原理到实践

在无损检测（NDT）领域，超声检测因其高灵敏度、强穿透性以及对内部缺陷的精准定位能力而占据着核心地位。其中，A型显示脉冲反射法作为最基础、最广泛应用的手段，是每一位无损检测工程师必须掌握的技能。本文将系统性地探讨利用纵波进行宏观缺陷检测的全过程，从设备性能的底层要求，到扫查前的精密准备，再到缺陷的定位、定量，并延伸至水浸法、TOFD等高级技术，旨在为一线工程师和品控经理提供一份详实、可落地的技术参考。

一、基础构建：设备性能与扫查前准备

可靠的检测始于可靠的设备与严谨的准备工作。这不仅关乎最终结果的准确性，也直接影响检测效率。

1.1 设备性能要求

一套性能优良的超声检测设备是获取清晰、稳定信号的前提。尤其在航空航天等高要求领域，设备性能有其最低标准。以一份航空航天规范为例，其对不同频率下超声纵波检测设备的性能要求可见表1。

为了提升检测的灵敏度和分辨力，现代设备在脉冲发射电路上进行了革新。例如，采用功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）对来替代传统的阀流晶体管电路。MOSFET作为一种高电压固态组件，能够在几十纳秒内接通或切断大电流，例如在50Ω阻抗上产生200V幅值、50ns宽度的窄脉冲。其断路时极高的阻抗和仅数微安的泄漏电流，保证了脉冲信号的纯净与锐利，为高信噪比的检测奠定了硬件基础。

表1：航空航天规范中超声纵波检测设备的最低性能要求参考

| 仪器特性 | 超声检测频率/MHz① | | :— | :— | :— | :— | :— | :— | | | 1② | 2.25～2.5 | 5 | 10 | 15② | | 垂直极限 | 满刻度 | 满刻度 | 满刻度 | 满刻度 | 满刻度 | | 垂直线性上限（垂直极限的%） | ≥95 | ≥95 | ≥95 | ≥95 | ≥95 | | 垂直线性下限（垂直极限的%） | ≤10 | ≤10 | ≤10 | ≤10 | ≤10 | | 超声灵敏度（%） | 100③ | 50④ | 100④ | 100④ | 100④ | | 信噪比 | 25③ | 65④ | 100④ | 100④ | 100④ | | 入射面分辨力（铝中）/mm⑤⑥ | 12.7 | 9.6 | 6.4 | 3 | 3 | | 背面分辨力（铝中）/mm⑥⑦ | 12.7 | 7.6 | 5 | 5 | 2.5 | | 水平极限 | 满刻度 | 满刻度 | 满刻度 | 满刻度 | 满刻度 | | 水平线性范围（水平极限%） | ≥85 | ≥85 | ≥85 | ≥85 | ≥85 |

注释： ① 对小于5mm的金属板，为提高入射面分辨力可使用更高频率的脉冲发射接收器。 ② 1MHz和15MHz的要求仅适用于使用该频率的情况，并非对所有仪器的一般要求。 ③ 平表面铝合金试块，平底孔直径0.8mm，平底埋深76mm。 ④ 平表面铝合金试块，平底孔直径0.4mm，平底埋深76mm。 ⑤ 可用平底孔直径为1.2mm，孔底埋深为3、6.4、9.6、12.7mm的平表面铝合金试块进行测量。 ⑥ 达到此分辨力时，波高为满刻度80%的平底孔反射波和相邻表面反射波的相交处与时间基线的相距不应超过荧光屏满刻度的40%。 ⑦ 平底孔直径0.8mm。

1.2 扫查前的准备工作

1. 检测灵敏度的调整

灵敏度调整是整个检测流程的基石，其准确性直接决定了缺陷能否被发现。常用的方法有两种：

试块法：这是最经典、最可靠的方法。通常需要两块平底孔（FBH）对比试块。一块试块的FBH埋深模拟工件的近表面（进入面的加工余量处），另一块则模拟远表面（下表面的加工余量处），且试块厚度应与被检工件厚度相当。在设置时，需考虑到实际加工中可能存在的中心线偏移，因此加工余量的确定要留有余地。平底孔的直径则由验收的质量等级决定。调整的目标是，让来自任一试块中FBH的最大反射波高达到荧光屏满刻度的80%以上，同时关闭仪器的“抑制”和“距离-幅度补偿”（DAC/TCG）功能。如果试块与工件的声学特性（如声衰减）不同，需要进行分贝（dB）修正。但若修正值超过±6dB，则意味着试块与工件差异过大，该试块不宜使用。
大平底回波法：此方法在特定条件下无需制作对比试块，显得尤为便捷。其理论基础是，在远场区（x > 3N），圆形反射体（缺陷）与大平底面（工件底面）的反射声压存在确定的数学关系。直径为 d 的圆形反射体在距离 x 处的反射声压 p_a 为： $$ p_{a} = p_{0}/frac{/pi^{2}D^{2}d^{2}}{16/lambda^{2}x^{2}} $$ 而距离 y 处的大平底面反射声压 p_b 为： $$ p_{b} = p_{0}/frac{/pi D^{2}}{8/lambda y} $$ 两者的比值，换算为分贝差 ΔdB： $$ /Delta /mathrm{dB} = 20/mathrm{lg}/frac{p_{a}}{p_{b}} = 20/mathrm{lg}/left(/frac{y}{x}/cdot /frac{/pi d^2}{2/lambda x}/right) $$ 在已知声波波长λ、探头直径D、预期缺陷直径d、缺陷深度x和工件厚度y后，可以先将工件的底面回波调整到某个基准高度（如满屏的50%），然后通过衰减器提升ΔdB的增益。此时的灵敏度，即为能够将深度x处直径为d的缺陷回波提升至基准高度的检测灵敏度。此法的局限性在于，它仅适用于上下表面光滑且平行的工件，并需满足公式推导的远场条件。

2. 扫查间距的确定

扫查间距过大可能导致漏检。其确定方法与灵敏度校准紧密相关。在使用试块法校准后，保持该灵敏度不变，在每个试块上移动探头，测量使平底孔回波从最大值下降6dB（即幅度减半）时探头的移动距离。取两个试块中测得的较小距离值，其一半通常作为最大允许的扫查间距。

二、核心任务：缺陷的定位、定量与评估

完成准备工作后，便进入了检测的核心环节：找到缺陷，并评估其位置、大小和性质。

2.1 缺陷位置的确定

平面位置：对于接触法检测，如果缺陷位于声束的远场区，其声压分布相对简单，最大回波出现的位置基本对应缺陷的中心。但在近场区，声压分布复杂，存在多个峰值，定位时必须仔细扫查，综合判断。
埋藏深度：确定深度依赖于精确的时间基线校准。通常使用两块与被检工件声学性能相同、但厚度已知的试块，利用其一次底面回波来校准屏幕上的时间轴。校准后，缺陷回波在时间基线上的位置便可直接读出其埋藏深度。
一个重要的提醒：许多工程材料并非理想的各向同性体。由于加工（如轧制、锻造）的影响，材料晶粒会呈现择优取向，导致声学上的各向异性。在这种材料中，声能的传播方向（能流方向）可能与波阵面的法线方向不一致，即使是垂直入射的声束也可能发生折射。在定位缺陷时，必须考虑到这一物理现象，否则会产生定位误差。

2.2 缺陷当量值的确定

确定缺陷的“当量大小”是评估其危害性的关键。这通常是指找到一个具有相同回波高度的标准反射体（如平底孔）的尺寸。

AVG图法 AVG（Abstand-Verstärkung-Größe，即距离-增益-尺寸）图是一种强大的定量工具。它描述了在特定探头和材料组合下，不同尺寸的平底孔在不同深度处的回波高度与底面回波高度之间的关系。其理论基础同样源于远场区的声压公式。将缺陷回波 H_r 和大平底回波 H_B 与初始声压 H₀ 的关系，通过归一化距离 A = x/N (N为近场区长度) 和归一化尺寸 G = d/D 来表示，可以得到： $$ /left/{ /begin{array}{ll}/frac{H_{r}}{H_0} = /pi^2/cdot /frac{G^2}{A^2}, & 20/mathrm{lg}/frac{H_{r}}{H_0} = 40/mathrm{lg}/pi +40/mathrm{lg}G - 40/mathrm{lg}A// /displaystyle /frac{H_{B}}{H_0} = /frac{/pi}{2}/cdot /frac{1}{A}, & 20/mathrm{lg}/frac{H_{B}}{H_0} = 20/mathrm{lg}/left(/frac{/pi}{2}/right) - 20/mathrm{lg}A /end{array} /right. $$ 理论AVG图（图1）是基于理想假设（如声场均匀、无衰减等）计算得出的。而在实际应用中，工程师更多使用的是“实用AVG图”（图2），它是通过在对比试块上直接测量得出的，已经包含了各种实际因素的影响。通过测量缺陷回波高度，对比AVG图，即可快速查出其当量平底孔尺寸。

图1 包括近场和远场的理论AVG图

图2 实用AVG图
对比试件法 对于尺寸较小的缺陷，可以直接将其回波高度与对比试件中平底孔的回波进行比较。操作时需遵循几个原则：
1. 深度匹配：试块中平底孔的埋深应与缺陷埋深尽可能一致。若不一致，可采用两个深度相近的平底孔进行内插法评定，严禁外推。
2. 多角度评估：垂直入射得到的回波未必是最大回波。应尝试从不同角度入射，寻找最大反射信号，以避免低估缺陷。
3. 双面检测：如果条件允许，应从工件的反正两面进行检测，因为缺陷的反射特性可能因入射方向而异。
4. 试块校准：一套合格的对比试块，其距离-幅度曲线（图5）应具有良好的一致性。通常要求通过水浸法测量，各试块数据点与最佳拟合线的偏差不应超过±1dB。图3和图4分别展示了平表面和柱面试件的对比试块构型，表2则提供了柱面试块的尺寸示例。
图3 平表面平底孔铝试块的构形（尺寸以mm为单位）

图4 纵波检测用柱面试块构形（尺寸以mm为单位）

表2：柱面试块尺寸示例 (mm)

R	A	B	C	D	E	F	G	H
100	50	100	150	12	40	40	325	50
90	45	90	135	12	40	40	325	50
75	37.5	75	112.5	12	25	40	310	50
60	30	60	90	12	25	40	310	50
50	25	50	75	12	25	40	310	50
40	20	40	60	12	25	40	310	50
32.5	16.2	32.5	48.8	12	25	40	310	40
25	12.5	25	37.5	10	25	40	310	40
20	10	20	30	8	25	25	280	40
12.5	6.2	12.5	18.8	5	25	25	280	25

![](https://www.cagtic.cn/static/upload/image/20250726/1753529679299854.jpg)
图5 一套可接受的平底孔试块的距离-幅度曲线示例

2.3 缺陷长度的测量

对于长条形缺陷，其长度评估有一套标准化的“10%法”或“6dB法”的变种，以保证结果的可比性：

标定声束宽度：在与缺陷埋深相同的对比试块上，将平底孔（直径需符合规范要求）回波调至满屏。然后移动探头，测出回波高度下降至满屏10%的两点间距离，记为 L₁。这个距离代表了在该灵敏度下声束的有效宽度。
测量缺陷指示长度：保持灵敏度不变，在被检工件上移动探头，找到长条形缺陷两端回波高度为满屏10%的位置，记录这两点间的距离 L₂。
计算缺陷长度：缺陷的指示长度即为 (L₂ - L₁)。

2.4 质量等级划分

检测的最终目的是判断工件是否合格。表3提供了一套通用的超声波检测质量等级划分标准，涵盖了单个缺陷、多个缺陷、长条形缺陷以及底面反射损失等多个维度，可供供需双方在制定验收标准时参考。

表3：受检件超声纵波检测的质量等级划分参考

| 等级 | 单个缺陷指示① | 多个缺陷指示② | 长条形缺陷指示③ | 底反射损失(%)④ | 噪声 | | :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— | | | 当量平底孔直径/mm | 当量平底孔直径/mm | 间距/mm | 当量平底孔直径/mm | 长度/mm | | | | AAA | 0.8 | 0.4 | 25 | 0.4 | 3.2 | 50 | 由供需双方商定 | | AA | 1.2 | 0.8 | 25 | 0.8 | 12.7 | 50 | | | A | 2.0 | 1.2 | 25 | 1.2 | 25 | 50 | | | B | 3.2 | 2.0 | 25 | 2.0 | 25 | 50 | | | C | 3.2 | 不要求 | 50 | |

注释： ① 单个缺陷指示，其幅度超过所要求等级的当量平底孔指示幅度，应属不符合要求。 ② 多个缺陷指示其中任何两个指示中心间距小于25mm，而指示幅度超过所要求等级的当量平底孔幅度应属密集缺陷，不符合要求。 ③ 任何长条形缺陷指示，其幅度和长度超过所要求等级的当量平底孔指示幅度和规定的长度，应属不符合要求。 ④ 对于直射纵波检查，背底反射损失超过正常值50%应属不符合要求。

从灵敏度校准到缺陷的精确定量，每一步都涉及复杂的参数设置和专业的判断。要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对操作人员的经验、对比试块的精度、设备参数的配置都有极高要求。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，专业检测材料缺陷分析，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

三、实践中的挑战：边界效应与信号干扰

理论模型总是在理想条件下建立，但实际检测中，工件的几何形状会引入复杂的声波反射与干涉现象，对信号造成干扰。

3.1 侧壁对检测灵敏度的影响

当探头靠近工件侧壁时，声束的边缘部分可能经侧壁反射后再到达缺陷，与直达波发生干涉，从而影响接收到的回波幅度（图6）。为避免这种干涉，在脉冲反射法中，需要保证侧壁反射波的声程比直达波声程长至少4λ。据此可以估算探头距离侧壁的最小安全距离 d_min (mm)，对于钢材：

探测小缺陷时：d_min > 3.4√(a/f)
避免底波干扰时：d_min > 4.8√(a/f) 其中 a 为缺陷或底角到表面的距离(mm)，f 为频率(MHz)。

图6 纵波检测时侧壁对回波的干扰

3.2 特殊反射现象

61°反射：在检测带有内部孔洞的方形钢试件时，可能会出现一种特殊的强信号。如图7所示，纵波在孔壁上发生模式转换，变为横波，经侧壁反射回孔壁，再次转换为纵波被探头接收，形成一个意想不到的强回波。

图7 探测带圆孔的方形钢试件可形成61°反射
角反射：声束在直角边或方角内经过两次反射后，可以沿原路返回（图8）。但对于纵波，除非入射角极大或极小，大部分能量会在反射中转换为横波而无法返回探头，导致角反射信号通常很弱。

图8 纵波在钢中角反射示意图
迟到回波：在对长棒料进行轴向检测时，扩散的声束会在侧壁发生模式转换，产生一系列沿复杂路径传播的“迟到回波”（图9），在屏幕上表现为底波之后一系列有规律间隔的杂波。

图9 纵波在棒中传播时侧壁的影响
回波干涉：在观测平行表面试件的多次底面回波时，幅度并非单调递减，反而可能出现波动（图10）。这是由于主反射波群与侧面或棱角反射的波群发生干涉所致。

图10 侧面的干涉，T为发射脉冲，d为试件厚度

3.3 背表面反射损失的评定

某些缺陷（如与声束夹角大的平面缺陷、密集微孔）不一定会产生明显的回波，但会显著衰减底面回波的能量。因此，对重要部件进行底反射损失检测是必要的。方法是在工件的正常区域将底波调至满屏80%，然后移动探头到待检区域，观察底波的下降量。操作时必须确保表面状态良好，排除因耦合不良或表面粗糙导致的伪信号。

四、进阶方法与特殊波形应用

除了常规的接触法，一些高级的检测技术和特殊波形的利用，为解决特定检测难题提供了有力的武器。

4.1 双晶片纵波探头的运用

双晶片探头（一个晶片发射，一个接收）通过在探头内部设计一定的倾斜角度，可以有效地缩短近场盲区，从而能够检测到靠近表面的缺陷。但需要注意的是，倾斜角的选择对薄工件的检测至关重要。不当的选择可能导致声能过度集中在工件下部，虽然减小了上盲区，却可能增大了下盲区，对于背面无加工余量的半成品检测，这是一个需要警惕的陷阱。

4.2 水浸法检测

水浸法（图11）是指超声波通过一段液体（通常是水）介质再进入工件的检测方法。它具有一系列显著优点：

耦合稳定：非接触式检测，避免了探头磨损，耦合重复性好，信号稳定。
角度灵活：可以自由改变声束的入射角度，便于对不同朝向的缺陷进行扫查，以获得最大回波。
盲区更小：水的声阻抗远低于金属，界面反射波（图12中的“一次界面波”）的幅度和宽度都小于接触法中的始波，有效减小了近表面盲区。
高频应用：由于探头不与工件直接接触，可以使用更薄、更高频率（可达25MHz甚至50MHz）的压电晶片，极大地提高了对微小缺陷的分辨力。

图11 水浸检测的几种方法

图12 脉冲反射式水浸法检测时荧光屏图形

当然，水浸法也有其需要注意的细节：

信号损失：声波在水/钢界面会发生较大的声压损失（约20dB，见图13），因此通常需要使用灵敏度更高的探头，并将增益比接触法提高至少10dB。
机械精度：探头操纵装置必须稳固、精确，角度调节精度应在±0.5°以内，且无齿隙游移。
水质与水温：水必须洁净，否则会造成衰减。水中的气泡和温差对流都会严重干扰信号稳定性（图14）。

图13 声波从水进入钢时，折射纵波与折射横波的往返透射比

图14 水浸法检测中水温的影响

水浸法中的声束聚焦 为了提高信噪比和分辨力，水浸法常采用聚焦探头（图15）。通过在平晶片前加装声透镜，将声能汇聚。聚焦探头的优势在于：

高信噪比：声能集中，特别适合于检测高衰减材料。
精确尺寸测量：聚焦声束在工件中形成细小的“焦柱”（图16），可以像探针一样精确地描绘出缺陷的轮廓（图17）。
对倾斜缺陷不敏感：相比平探头，聚焦探头对缺陷的倾斜角度不那么敏感（图18），大大提高了对非理想朝向缺陷的检出率。

图15 水浸点聚焦探头焦距(F)、焦柱长(L)与焦柱直径(φ)示意图

图16 水浸聚焦探头在试件中二次聚焦示意图

图17 使用焦柱区测定缺陷尺寸

图18 不同探头对缺陷倾角的回波高度影响

4.3 衍射传播时间（TOFD）技术

TOFD技术代表了超声检测在缺陷定量方面的一次思维转变。传统方法依赖于镜面反射，而TOFD则巧妙地利用了声波在缺陷尖端发生的衍射现象。其核心原理是（图19）：用一发一收两个斜探头，捕捉从缺陷上、下两个尖端衍射出来的信号。由于衍射波的传播路径不同，到达接收探头的时间也不同。通过精确测量这些信号的渡越时间（Time of Flight），就可以精准地计算出缺陷的埋藏深度和自身高度。 TOFD的独特之处在于，它关心的不是回波的幅度，而是传播时间。这带来了巨大优势：