第五節(jié) 超聲波檢測
高頻聲束（頻率在 "%&以上）射入被檢材料，經(jīng)過不同介質(zhì)分界面會發(fā)生反射，檢測者分析反射聲束信號，便可確定缺陷或損傷的存在及其位置。這種檢測方法稱做超聲波檢測法。
一、超聲波的發(fā)射與接收
超聲波的發(fā)射與接收是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)的。壓電材料主要是石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。這些晶體或多晶陶瓷體在受到拉伸或壓縮應(yīng)力時，表面會產(chǎn)生電荷（見 ’ () ()（*））。這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。反之，這些材料處在交變電場作用下，也會在厚度方向發(fā)生拉伸和壓縮變形，這樣就產(chǎn)生了伸縮振動。這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。
超聲波的產(chǎn)生是逆壓電效應(yīng)過程。將壓電晶片的兩面都鍍上銀，作為電極。把高頻電壓加到這兩個電極上，晶片就在厚度方向產(chǎn)生伸。這樣就把電能轉(zhuǎn)換成機械振動了。這種振動就是超聲波，它可傳播到被檢物體中去。
當(dāng)反射聲束的聲壓作用到晶片上時，晶片產(chǎn)生拉壓變形（振動）。由于晶片的正壓電效應(yīng)，晶片兩端面便產(chǎn)生電荷，形成頻率與超聲波相等、強度與超聲波成正比的高頻電壓信號。分析這些交變電信號，就可完成接收工作。
通常在超聲波探傷中，使用同一個晶片，既做發(fā)射又做接收。
二、超聲波的特性和種類
（一）超聲波的特性
超聲波是一種波長比光波長，比普通電波短，頻率高于 "%&的機械波。超聲波可以在固體、液體及氣體等彈性介質(zhì)中傳播。它具有波的特性，如反射、折射、直線傳播以及干涉、衍射等特性。但超聲波不能在真空中傳播，必須有傳播介質(zhì)才能傳播。探傷中所使用的超聲波頻率一般在 +%&到 ,-%&之間。由于波長短，小缺陷引
起的反射比較大，故對小缺陷也較敏感。
描述超聲波場特征的主要物理量是聲壓（.）、聲阻抗（ /）、聲強（0）等。
聲壓是超聲波場中介質(zhì)各質(zhì)點振動時，某一瞬間質(zhì)點所受的附加壓強。聲壓具
有力的概念。探傷中示波器上的回波高度是以聲壓來表示的。聲阻抗是介質(zhì)中任何一點處的聲壓與該質(zhì)點的振動速度之比，表示為 /二戶 12。聲阻抗是介質(zhì)的一個重要聲學(xué)特征量。它表征在超聲波場內(nèi)，介質(zhì)質(zhì)點振動的難易 •4’3•
圖 " "壓電效應(yīng)
程度。
聲強表示單位時間內(nèi)通過單位截面的聲波能量。
（二）超聲波的種類
由于空氣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，在空氣
和水中傳播的聲波只有疏密波，稱為縱波，如圖 " "%所示。固體介質(zhì)能承受剪切
作用，所以可傳播介質(zhì)粒子振動方向與波的傳播方向相垂直的橫波，如圖 " "%（&）所示。
此外，還有在固體表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ê驮诒“逯袀鞑サ陌宀ā１砻娌B透深度
在波長范圍內(nèi)。當(dāng)固體厚度大于波長時，產(chǎn)生瑞利波；當(dāng)固體厚度小于波長時，產(chǎn)生
樂甫波。固體厚度與波長相當(dāng)時，可在板內(nèi)形成板波。板波可用于測量板材厚度，探
測分層和裂紋，也可探測復(fù)合材料的粘接質(zhì)量。實際應(yīng)用中，瑞利波應(yīng)用較普遍。在
發(fā)動機葉片探傷及飛機結(jié)構(gòu)原位檢測中，表面波得到了廣泛應(yīng)用。
傳播到被測工件中的超聲波類型取決于探頭類型，也就是探頭中晶片相對于探
測面的方向。縱波是由垂直探頭產(chǎn)生的。超聲縱波是沿與探頭接觸面（探測面）垂直
方向傳播的。橫波通常是用斜探頭產(chǎn)生的，斜探頭是將晶片貼在有機玻璃斜楔塊上
•’’•
圖 " "%縱波和橫波
制成的。晶片振動產(chǎn)生的縱波在斜楔塊中傳播，在探測面上發(fā)生折射。通常使用的斜探頭發(fā)出的超聲波，在被檢物體中折射后傳播的只有橫波。
三、超聲波在介質(zhì)界面處的反射與折射
（一）超聲波垂直入射時的反射與穿透當(dāng)超聲波從垂直方向入射到兩種不同介質(zhì)的界面時，一部分超聲波被反射，另一部分就穿過界面進入第二種介質(zhì)。這兩部分的比率取決于這兩種介質(zhì)的密度和相應(yīng)的聲阻。當(dāng)金屬中的超聲波傳到與空氣的界面時，由于空氣與金屬的聲阻和密度相差太大，超聲波在界面上幾乎全部被反射，不能傳到空氣中。因此，如果探頭與被檢物體之間有空氣，超聲波就傳不到被檢物體中去。所以，采用超聲波探傷時，要使用耦合劑（例如機油），以便使超聲波能射入被檢構(gòu)件。（二）超聲波斜射時的反射與折射
當(dāng)把斜探頭接觸到構(gòu)件上時，超聲波在界面上會發(fā)生反射和折射。因為兩者都是固體，所以反射波和折射波都存在縱波和橫波，如圖 " "&所示。圖中，上部是第一種介質(zhì)，其聲速為 ’(，聲壓為 )(，下部是第二種介質(zhì)，聲速為 ’*，聲壓為 )*，+為人
射縱波，+(為反射縱波，,(為反射橫波，+*為折射縱波，-*為折射橫波。當(dāng)入射角 +增大時，折射角也增大。當(dāng) +增大到第一臨界值（ +./( —
—第一臨界角）時，縱波折射角 " (* 0&12。因此，當(dāng)入射角大于第一臨界角時，在被檢測構(gòu)件 •&1•
第七篇 %飛機故障診斷
圖 " "%固體 ./固體間的反射與折射
中，只有橫波射入。用斜探頭檢測時，如果被檢測構(gòu)件中的折射波同時存在縱波和橫波，則給判斷缺陷和損傷帶來困難。所以，檢測時要適當(dāng)調(diào)節(jié)探頭入射角（即斜楔塊的角度），使入射角大于第一臨界角，讓被檢測構(gòu)件中只有折射的橫波。
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