第五节 超声波检测
高频声束（频率在 "%&以上）射入被检材料，经过不同介质分界面会发生反射，检测者分析反射声束信号，便可确定缺陷或损伤的存在及其位置。这种检测方法称做超声波检测法。
一、超声波的发射与接收
超声波的发射与接收是利用压电材料的压电效应来实现的。压电材料主要是石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等。这些晶体或多晶陶瓷体在受到拉伸或压缩应力时，表面会产生电荷（见 ’ () ()（*））。这种效应称为正压电效应。反之，这些材料处在交变电场作用下，也会在厚度方向发生拉伸和压缩变形，这样就产生了伸缩振动。这种效应称为逆压电效应。
超声波的产生是逆压电效应过程。将压电晶片的两面都镀上银，作为电极。把高频电压加到这两个电极上，晶片就在厚度方向产生伸。这样就把电能转换成机械振动了。这种振动就是超声波，它可传播到被检物体中去。
当反射声束的声压作用到晶片上时，晶片产生拉压变形（振动）。由于晶片的正压电效应，晶片两端面便产生电荷，形成频率与超声波相等、强度与超声波成正比的高频电压信号。分析这些交变电信号，就可完成接收工作。
通常在超声波探伤中，使用同一个晶片，既做发射又做接收。
二、超声波的特性和种类
（一）超声波的特性
超声波是一种波长比光波长，比普通电波短，频率高于 "%&的机械波。超声波可以在固体、液体及气体等弹性介质中传播。它具有波的特性，如反射、折射、直线传播以及干涉、衍射等特性。但超声波不能在真空中传播，必须有传播介质才能传播。探伤中所使用的超声波频率一般在 +%&到 ,-%&之间。由于波长短，小缺陷引
起的反射比较大，故对小缺陷也较敏感。
描述超声波场特征的主要物理量是声压（.）、声阻抗（ /）、声强（0）等。
声压是超声波场中介质各质点振动时，某一瞬间质点所受的附加压强。声压具
有力的概念。探伤中示波器上的回波高度是以声压来表示的。声阻抗是介质中任何一点处的声压与该质点的振动速度之比，表示为 /二户 12。声阻抗是介质的一个重要声学特征量。它表征在超声波场内，介质质点振动的难易 •4’3•
图 " "压电效应
程度。
声强表示单位时间内通过单位截面的声波能量。
（二）超声波的种类
由于空气和水承受剪切的能力非常低，基本上不能承受剪切作用，所以，在空气
和水中传播的声波只有疏密波，称为纵波，如图 " "%所示。固体介质能承受剪切
作用，所以可传播介质粒子振动方向与波的传播方向相垂直的横波，如图 " "%（&）所示。
此外，还有在固体表面传播的表面波和在薄板中传播的板波。表面波渗透深度
在波长范围内。当固体厚度大于波长时，产生瑞利波；当固体厚度小于波长时，产生
乐甫波。固体厚度与波长相当时，可在板内形成板波。板波可用于测量板材厚度，探
测分层和裂纹，也可探测复合材料的粘接质量。实际应用中，瑞利波应用较普遍。在
发动机叶片探伤及飞机结构原位检测中，表面波得到了广泛应用。
传播到被测工件中的超声波类型取决于探头类型，也就是探头中晶片相对于探
测面的方向。纵波是由垂直探头产生的。超声纵波是沿与探头接触面（探测面）垂直
方向传播的。横波通常是用斜探头产生的，斜探头是将晶片贴在有机玻璃斜楔块上
•’’•
图 " "%纵波和横波
制成的。晶片振动产生的纵波在斜楔块中传播，在探测面上发生折射。通常使用的斜探头发出的超声波，在被检物体中折射后传播的只有横波。
三、超声波在介质界面处的反射与折射
（一）超声波垂直入射时的反射与穿透当超声波从垂直方向入射到两种不同介质的界面时，一部分超声波被反射，另一部分就穿过界面进入第二种介质。这两部分的比率取决于这两种介质的密度和相应的声阻。当金属中的超声波传到与空气的界面时，由于空气与金属的声阻和密度相差太大，超声波在界面上几乎全部被反射，不能传到空气中。因此，如果探头与被检物体之间有空气，超声波就传不到被检物体中去。所以，采用超声波探伤时，要使用耦合剂（例如机油），以便使超声波能射入被检构件。（二）超声波斜射时的反射与折射
当把斜探头接触到构件上时，超声波在界面上会发生反射和折射。因为两者都是固体，所以反射波和折射波都存在纵波和横波，如图 " "&所示。图中，上部是第一种介质，其声速为 ’(，声压为 )(，下部是第二种介质，声速为 ’*，声压为 )*，+为人
射纵波，+(为反射纵波，,(为反射横波，+*为折射纵波，-*为折射横波。当入射角 +增大时，折射角也增大。当 +增大到第一临界值（ +./( —
—第一临界角）时，纵波折射角 " (* 0&12。因此，当入射角大于第一临界角时，在被检测构件 •&1•
第七篇 %飞机故障诊断
图 " "%固体 ./固体间的反射与折射
中，只有横波射入。用斜探头检测时，如果被检测构件中的折射波同时存在纵波和横波，则给判断缺陷和损伤带来困难。所以，检测时要适当调节探头入射角（即斜楔块的角度），使入射角大于第一临界角，让被检测构件中只有折射的横波。
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