塑料与橡胶超声无损检测：声速与衰减系数测量方法深度解析

超声波无损检测（Ultrasonic Non-destructive Testing, NDT）技术不仅是探查材料内部缺陷的利器，更是评定其力学性能参数的关键手段。无论是采用纵波还是横波，通过透射、反射或折射等方式，结合A、B、C三种扫描成像技术，我们能够获取关于缺陷深度、位置乃至平面投影的丰富信息。

当这门技术从成熟的金属材料检测领域延伸至工程塑料时，新的挑战也随之而来。工程塑料固有的高声衰减、低声阻抗等特性，使其检测的复杂度远超金属。尽管如此，超声NDT在识别工程塑料内部的分层、气孔、裂纹、夹杂等宏观缺陷方面依然表现出色，同时对于评估材料的疏松度、密度差异、弹性模量及厚度等微观特性与几何尺寸，也展现了其独特的价值。

本文将聚焦于工程塑料与橡胶材料声学特性表征的两个核心参数——声速与衰减系数，并深入剖析两种主流的超声检测方法。

一、 水中脉冲透射插入取代法：高精度测量的基石

该方法是目前应用最广、精度最高的技术路径之一。其核心原理在于，将被测样品置于发射与接收换能器之间的水介质中，通过精确测量因样品的插入而引起的超声脉冲传播时间与幅度的变化，来反推材料的声学特性。此法以其样品用量少、测量便捷、响应迅速而备受青睐。

图1. 水中脉冲透射插入取代法测量仪器框图

在典型的测量流程中（如图1所示），换能器T₁在射频电脉冲的激励下，向水中发射一束猝发声脉冲。该脉冲穿过样品后，由换能器T₂接收，信号经放大和衰减处理后，在具备延迟触发和游标测量功能的示波器上显示。

实验操作要点

为确保测量结果的准确性，实验中必须严格遵循以下原则：

• 抑制衍射效应：样品的直径或横向边长应大于10倍的超声波长，且至少是换能器晶片直径的两倍，以有效避免声波绕射对测量的干扰。
• 避免驻波形成：样品厚度需大于声脉冲在空间上的半宽度，防止在样品内部形成驻波，影响信号的准确判读。
• 特殊样品处理：对于液体、凝胶或离体动物组织等非固态样品，必须使用特制的样品盒盛放。样品盒两端的透声膜应具备优良的声学穿透性、厚度均匀且易于密封粘接。

声速测量

样品中的声速（c_l）计算，本质上是基于超声波在水中和样品中传播的时间差。若已知样品沿声传播方向的厚度为 l，水中的声速为 c<sub>w</sub>，因插入样品而导致的脉冲时移为 Δt（信号提前为负，延迟为正），则样品声速可由下式计算：

$$ c_{l} = /frac{c_{/mathrm{w}}l}{c_{/mathrm{w}}/Delta t + l} $$

对于凝胶或液体样品，Δt 的测量基准应是样品盒与一个装有蒸馏水的空白盒（或开孔与水槽连通的盒子）之间的时移。

衰减系数测量

声衰减系数（α_l）的测量通常有两种策略：单样法和双样法。

1. 单样法 (Single-Sample Method)

当采用单一厚度为 l 的样品时，若其声阻抗率为 Z，水的声阻抗率为 Z<sub>w</sub>，插入样品前后的透射脉冲幅度分别为 A₀ 和 A，则样品的声衰减系数为：

$$ /alpha_{l} = /frac{1}{l}/left[20/mathrm{lg}/frac{A_{0}}{A} -20/mathrm{lg}/frac{(Z + Z_{/mathrm{w}})^{2}}{4ZZ_{/mathrm{w}}}/right] + /alpha_{/mathrm{w}} $$

其中，α<sub>w</sub> 是蒸馏水在相应频率下的声衰减系数，在25°C时约为 1.9 × 10⁻³ f²，其值极小，多数情况下可忽略不计。此公式的前提是样品的声阻抗率 Z 已通过密度和声速预先测得，且满足 (α_l * c_l) / ω ≪ 1 的条件（其中 ω = 2πf）。幸运的是，绝大多数材料都能满足这一条件。

对于声阻抗率与水相近的凝胶类材料（如超声仿组织材料），单样法可以简化。此时，A₀ 和 A 分别对应插入空白盒和样品盒时的透射脉冲幅度，计算公式简化为：

$$ /alpha_{l} = /frac{20/mathrm{lg}(A_{0} / A)}{l} +/alpha_{/mathrm{w}} $$

2. 双样法 (Two-Sample Method)

双样法是测量声衰减系数最为严谨的方法。它通过测量两个不同厚度（l₁ 和 l₂，且 l₂ > l₁）的同种材料样品来消除界面反射带来的误差。若对应的透射脉冲幅度分别为 A₁ 和 A₂（显然 A₁ > A₂），则衰减系数为：

$$ /alpha_{l} = /frac{20/mathrm{lg}(A_{1} / A_{2})}{l_{2} - l_{1}} +/alpha_{/mathrm{w}} $$

理论与实践均证明，在优化实验条件并充分发挥仪器性能的前提下，水中脉冲透射插入取代法对于声阻抗率与水接近的介质，声速测量精度可达1m/s；对于一般材料，误差可控制在0.5%以内，而衰减系数的测量误差可控制在5%以内。其高精度和高可靠性，使其成为国家标准GB/T 15261—2008（TM材料）和相关医用超声耦合剂行业标准中指定的特性测量方法。

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二、 直接接触法：灵活性与适用性的拓展

与水浸法不同，直接接触法无需将样品浸没，而是通过耦合剂将换能器直接与样品表面接触，依据透射或反射脉冲的时间与幅度来计算声学参数。

此法最大的优点在于其广泛的适用性。对于与水声阻抗率差异巨大的材料（如泡沫塑料、金属、无机材料），或需要在极端温度（如0°C以下或100°C以上）下进行测试的场景，直接接触法是更优甚至唯一的选择。

然而，其测量的准确度通常不及水浸法，主要瓶颈在于耦合的重复性难以保证。

关键操作要点

为了最大限度地减小测量误差，操作时需格外注意：

1. 耦合剂选择：应选用稠度适中、铺展性好、不易流失且对样品无化学腐蚀性的耦合剂。
2. 耦合层制备：涂抹耦合剂时需饱满，并轻轻研磨以排出内部气泡，确保形成一层薄而均匀的耦合层。
3. 重复性验证：进行多次重复测量，通过统计分析排除偶然误差。
4. 探头对准：在采用透射法时，必须确保发射和接收换能器严格同轴对准。

测量原理与计算

该法所用仪器及对样品的尺寸要求与水浸法类似。若采用双样法（样品厚度为 l₁ 和 l₂），更换样品引起的时移为 Δt，相应的透射脉冲幅度为 A₁ 和 A₂，则：

声速计算 (透射法): $$ c_{l} = /frac{l_{2} - l_{1}}{/Delta t} $$

衰减系数计算 (透射法): $$ /alpha_{l} = /frac{20/mathrm{lg}(A_{1} / A_{2})}{l_{2} - l_{1}} $$

若采用单换能器的反射法，声程加倍，公式相应调整为：

声速计算 (反射法): $$ c_{l} = /frac{2(l_{2} - l_{1})}{/Delta t} $$

衰减系数计算 (反射法): $$ /alpha_{l} = /frac{10/mathrm{lg}(A_{1} / A_{2})}{l_{2} - l_{1}} $$

三、 典型工程塑料的声学特性数据参考

以下表格分别展示了通过上述方法测得的部分常见塑料的声速与温度、声衰减系数与频率的关系，为相关领域的研发和品控工作者提供数据参考。

表1. 塑料声速与温度的关系 (f = 1.14 ~ 1.90MHz)

表2. 塑料声衰减系数与频率的关系 (T = 22.8°C)

四、 相关技术标准参考

在进行超声波检测时，可参考以下国内及国际相关标准：

• GJB 1038.1A—2004: 《纤维增强塑料无损检测方法 第1部分 超声波检验》
• GJB 593.2—1998: 《无损检测质量控制规范——超声纵波和横波检验》
• GB/T 11344—2008: 《无损检测 接触法超声脉冲回波法测厚方法》
• JB/T 7522—2004: 《无损检测 材料超声速度测量方法》
• JB/T 4008—1999: 《液浸式超声纵波直射探伤方法》
• JB/T 4009—1999: 《接触式超声纵波直射探伤方法》
• ASTM E494 (2000): 《测量材料中超声速度的实施方法》
• ASTM E797 (2001): 《手操作超声脉冲反射接触法测厚实施方法》
• ASTM E114: 《超声直射声束脉冲反射法进行液浸超声检验实施方法》
• ASTM E1001: 《用超声纵波液浸脉冲反射法探测和评价不连续性的实施方法》