超声波声速测量技术：原理、方法与实践解析

日期：2025-07-28 浏览：10

超声波声速测量技术：原理、方法与实践解析

在材料科学与无损检测领域，声速不仅是一个基础的物理参数，更是揭示材料微观结构、弹性模量、内部缺陷等关键信息的窗口。精确测量材料中的超声波传播速度，是进行材料表征、质量控制和失效分析的核心环节。尽管市面上有专用的高精度声速测量设备，但在许多研发和生产场景中，利用通用的A型显示脉冲反射式超声波检测仪进行测量，无疑是一种更具成本效益和可及性的方案。本文将系统梳理利用此类常规设备进行纵波、横波、瑞利波及各向异性材料声速测量的核心方法与技术要点。

纵波速度的测量方法

纵波是超声检测中最常用的一种波形，其速度测量方法也最为成熟。主要包括水浸法、接触法以及针对特定情况的脉冲反射技术。

1. 水浸法：高精度的首选方案

水浸法因其卓越的耦合稳定性而备受青睐。通过将探头和试样浸入水中，液体耦合剂能够确保声束以可控、可重复的方式传入试样，同时探头的位置和姿态也能得到严密控制，为高精度测量奠定了基础。

图1：利用水浸法测量试样纵波声速的示意图

非检波模式下的操作流程：

进行精确测量的第一步，是确保仪器和探头的状态良好，包括探头的声场特性（如指向性和对称性）以及仪器时间基线的线性度。

随后，利用一块声速已知的对比试块进行校准。调整仪器的扫描范围与延迟，使试块的多次底面反射回波（如图1中的B、C、D波）在屏幕的时间基线上等间距清晰显示。通常，捕获2-3次底面回波足以覆盖整个线性显示区，过多的回波反而可能引入由声束扩散或侧壁反射带来的误差。

接下来，在对比试块上，精确测量两次回波（例如B波和D波）之间的时间间隔。在非检波模式下，这个间隔通常通过测量两个回波波形过零点之间的水平距离来确定（如图2所示），记为 A₁。

图2：非检波模式下测量回波B和D之间的零点距离

保持所有仪器设置不变，将对比试块替换为待测试样，重复上述测量，得到新的时间间隔 A₂。

最终，待测试样的纵波声速 C_l2 可通过以下比较法公式计算得出：

$$ C_{l2} = /frac{A_1 n_2 t_2 C_{l1}}{A_2 n_1 t_1} $$

其中：

C_l1 是对比试块的已知纵波速度。
t₁ 和 t₂ 分别是对比试块和待测试样的厚度。
n₁ 和 n₂ 是测量时间间隔所用的回波次数差。例如，使用回波B（第一次底波）和回波D（第三次底波），则n = 3 - 1 = 2。

检波模式下的考量：

在检波模式下，测量的是回波脉冲的前沿起始点，而非过零点。对于声衰减显著的材料，后次反射波（如D波）的幅度会远小于前次回波（B波），这会影响前沿判断的准确性。此时，可以先将B波前沿对准屏幕某一刻度线，然后增加仪器增益，使D波的幅度与原B波相同，再测量两者的前沿距离。这种方法补偿了因幅度差异导致的测量误差。

2. 接触法：水浸法不可行时的替代方案

当工件尺寸、形状或现场条件限制了水浸法的使用时，可采用带延迟块的接触式探头进行测量。其程序与水浸法类似，但必须考虑延迟块与试样间耦合剂层引入的时间延迟，以及探头耐磨保护膜可能引起的相位畸变和额外延迟。

图3：采用接触法测量纵波声速的示意图

3. 脉冲反射技术：无需预知厚度的巧妙方法

在试样厚度未知的情况下，一种巧妙的脉冲反射技术应运而生。该技术在试样后方平行放置一块反射板，中间隔有液体层。通过测量两个相继的试样背面回波之间的时间延迟（2τ），以及有无试样时反射板回波的时间延迟差（Δt），即可计算出声速v：

$$ v = C/left(/frac{Δt}{2τ} + 1/right) $$

式中C为液体中的声速。此法最大的优势是消除了厚度变量，尤其适合在进行声速C扫描成像时，排除因工件厚度不均造成的伪影，从而真实反映材料微观组织的变化。然而，它对超声脉冲的穿透力要求较高，并且对液体温度的稳定性极为敏感，微小的温漂都可能影响成像精度。

对于复合材料这类高声衰减材料，则可以采用穿透法。声波在试样中多次反射后，由背面的接收换能器接收。通过对比有无试样时的传播时间差，可以计算出与厚度无关的绝对声速。

图4：高衰减材料声速测量的穿透法示意图

横波速度的测量

测量横波速度主要有两种途径：

直射SH波法：使用能直接发射水平偏振横波（SH波）的探头（如Y切石英晶片探头），其测量原理和步骤与纵波接触法基本一致。关键的挑战在于耦合，必须使用高粘度的耦合剂（如蜂蜜、高分子凝胶）来传递横波振动，并保持耦合稳定。
波形转换法：利用纵波在界面发生折射时产生的模式转换，生成横波进行测量。常见的做法是使用一个带特定角度的固体斜楔块。

图5：利用固体斜楔进行波形转换测量横波声速