第五節 超聲波檢測
高頻聲束（頻率在 "%&以上）射入被檢材料，經過不同介質分界面會發生反射，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、超聲波的發射與接收
超聲波的發射與接收是利用壓電材料的壓電效應來實現的。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力時，表面會產生電荷（見 ’ () ()（*））。這種效應稱為正壓電效應。反之，這些材料處在交變電場作用下，也會在厚度方向發生拉伸和壓縮變形，這樣就產生了伸縮振動。這種效應稱為逆壓電效應。
超聲波的產生是逆壓電效應過程。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生伸。這樣就把電能轉換成機械振動了。這種振動就是超聲波，它可傳播到被檢物體中去。
當反射聲束的聲壓作用到晶片上時，晶片產生拉壓變形（振動）。由于晶片的正壓電效應，晶片兩端面便產生電荷，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各質點振動時，某一瞬間質點所受的附加壓強。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。聲阻抗是介質中任何一點處的聲壓與該質點的振動速度之比，表示為 /二戶 12。聲阻抗是介質的一個重要聲學特征量。它表征在超聲波場內，介質質點振動的難易 •4’3•
圖 " "壓電效應
程度。
聲強表示單位時間內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。固體介質能承受剪切
作用，所以可傳播介質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，還有在固體表面傳播的表面波和在薄板中傳播的板波。表面波滲透深度
在波長范圍內。當固體厚度大于波長時，產生瑞利波；當固體厚度小于波長時，產生
樂甫波。固體厚度與波長相當時，可在板內形成板波。板波可用于測量板材厚度，探
測分層和裂紋，也可探測復合材料的粘接質量。實際應用中，瑞利波應用較普遍。在
發動機葉片探傷及飛機結構原位檢測中，表面波得到了廣泛應用。
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。晶片振動產生的縱波在斜楔塊中傳播，在探測面上發生折射。通常使用的斜探頭發出的超聲波，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超聲波從垂直方向入射到兩種不同介質的界面時，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。這兩部分的比率取決于這兩種介質的密度和相應的聲阻。當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件。（二）超聲波斜射時的反射與折射
當把斜探頭接觸到構件上時，超聲波在界面上會發生反射和折射。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，其聲速為 ’(，聲壓為 )(，下部是第二種介質，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。當入射角 +增大時，折射角也增大。當 +增大到第一臨界值（ +./( —
—第一臨界角）時，縱波折射角 " (* 0&12。因此，當入射角大于第一臨界角時，在被檢測構件 •&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，檢測時要適當調節探頭入射角（即斜楔塊的角度），使入射角大于第一臨界角，讓被檢測構件中只有折射的橫波。
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