超声波检测的物理基础 超声波检测技术的基本概念 §1-1-1超声波的性质与声场特征量 §1-1-1-1超声波的性质
人耳能感受到的机械振动波称为声波，其频率范围为16Hz~2KHz。当声波的频率低于20Hz时，人耳不能感受到，这种机械振动波称为次声波。频率高于2KHz时，人耳也不能感受到，这种机械振动波则称为超声波。一般把频率在2KHz到25MHz范围的声波叫做超声波。
超声波是由机械振动源在弹性介质中激发的一种机械振动波，其实质是以应力波的形式传递振动能量，其必要条件是要有振动源和能传递机械振动的弹性介质（实际上包括了几乎所有的气体、液体和固体），它能透入物体内部并可以在物体中传播。机械振动与电磁波有实质性的不同，电磁波是以光速在空间传播的交变电磁场，因此电磁波可以在真空中传播，而机械振动波则不能，因为没有弹性介质的存在。
超声波具有如下特性：
1）超声波具有波长短、沿直线传播（在许多场合可应用几何声学关系进行分析研究）、指向性好，可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2）超声波可传递很强的能量，穿透力强。
3）超声波在介质中的传播特性包括反射与折射、衍射与散射、衰减、声速、干涉、叠加和共振等多种变化，并且其振动模式可以改变（波型转换）。
4）超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击，即“空化现象”。 §1-1-1-2超声波声场的特征量
介质中有超声波存在的区域叫做超声场，涉及的特征量有声压、声强与声特性阻抗（简称声阻抗）。
声压：有声波传播时，介质中质点承受的压强将超过无声波时的静态压强，声压就
是在有声波传播的介质中，某一介质质点在交变振动的某一瞬间所具有的压强与没有声波存在时该点的静压强之差（附加压强），常用字母P代表。
声强：声强是在声场中某点上一个垂直于声波传播方向上的介质单位面积在单位时间内通过的平均声能量，即声波的能流密度，常用字母I代表。在自由平面波或球面波的情况时，设有效声压为P，传播速度为c，介质密度为ρ0，则在传播方向的声波的声强为：I=P2/ρ0·c。
声特性阻抗（简称声阻抗）：在超声波检测中，为了便于表征介质的声学特性，把介质的密度与声速的乘积称为介质的声特性阻抗（简称声阻抗），常用字母Z代表，即Z=ρ·c，式中ρ为介质密度，c为介质中的声速。Z越大，质点振动速度越小，反之则质点振动速度越大。
在超声检测中，常把两个声强之比或两个声压之比用常用对数值来表示，以便于表示与运算，并以分贝（dB）为单位： 声强I1与I2之比：△dB=10lg(I1/I2) 声压P1与P2之比：△dB=20lg(P1/P2)
在超声波检测中，检测到的超声波信号幅度与声压成正比，因此在超声波检测仪器上显示的回波幅度H1与H2之比也是：△dB=20lg(H1/H2) §1-1-1-3超声波声场的特性
超声波所占的空间称为超声场，对于圆盘声源辐射的情况下，其超声场结构如图1-1-1所示，它包括近场（N为近场长度）和远场两个部分。
圆盘声源向自由场（均匀而各向同性媒质中，边界影响可以忽略不计的声场）辐射时，声源附近声压和质点速度不同相的声场称为近场，在近场区中，中心轴线的声压分布是不均匀的，我们把声轴线上最后一个极大值点至声源的距离称为近场长度，在近场长度范围内，整个声束轴线上存在声压极大值和声压极小值的波动。
大于近场长度范围的称为远场，在远场中，声压和质点速度同相，声压随着距离的增大按指数规律呈单调下降变化。
根据连续波理论，近场长度N=(D2-λ2)/4λ，λ
图1-1-1超声场结构示意图
为传声介质中的超声波长，D为晶片直径。当晶片直径一定时，随着检测频率的提高，波长变短，近场长度加大。
近场区内的声压分布变化是不均匀的，只有在远场时，才能利用声压反射规律评估各种反射体的回波声压变化。
由于超声波检测使用的是脉冲波，在叠加效应影响下，实际的近场长度要比按连续波公式计算的近场长度小一些，有资料介绍在脉冲波的情况下，实际近场长度约为计算值的0.7倍左右。
对于方形或矩形压电晶片，其产生的声场不是如圆盘声源那样的圆形横截面声场，而是成近似方形或椭圆形横截面的合成声场，在评估其近场长度影响时，可以依据上述公式，分别用晶片的边长独立计算，然后以最大的近场长度来考虑对超声波检测的影响。
近场区的长度与压晶片直径和传声介质中超声波的波长有关，在近场区的超声波束呈收敛状态，在近场区末端，亦即从近场区进入远场区的过渡点上声束直径最小（故也将此点称作自然焦点），进入远场区后声束将以一定角度发散，声束边缘的斜度以半扩散角（也称为指向角）θ表示，声束的半扩散角同样与压电晶片直径和超声波的波长有关。扩散角越大，超声波束的指向性越差，对超声波检测中准确评定缺陷位置是不利的。
在一般情况下，波长λ，圆形晶片（直径D）的0dB半扩散角θ0=arcsin(1.22λ/D)或近似为θ0=70(λ/D)，其负3dB半扩散角θ-3dB=29(λ/D)，负6dB半扩散角θ-3dB=arcsin(0.51λ/D)；对于边长a的方形晶片，则有θ0=57(λ/a)，负3dB半扩散角θ-3dB=25(λ/D)
在晶片尺寸一定时，选用较高的检测频率可因波长较短而获得较好的指向性（半扩散角小），从而提高检测时对缺陷的定位准确性。不过，在某些特殊情况下，有时也考虑
选用小晶片、低频率的探头，利用其声束扩散特性探测倾斜取向的缺陷。
例：已知钢中纵波速度=5.85x106mm/s，铝中纵波速度=6.25x106mm/s，圆盘形换能器直径为20mm，频率为2.5MHz，分别求钢、铝中的近场长度和指向角 解：按照N=D2/4λ，θ=70(λ/D)，λ=C/f，则：
（1）在钢中有N=202/[4(5.85/2.5)]=42.74mm，θ=70[(5.85/2.5)/20]= 9.3° （2）在铝中有N=202/[4(6.25/2.5)]=40mm，θ=70[(5.85/2.5)/20]= 8.75° §1-1-2超声波的类型 §1-1-2-1按振动模式分类
超声波在弹性介质中传播时，视介质质点的振动型式与超声波传播方向的关系，最常见的有以下几种波型：
（1）纵波（Longitudional Wave，简称L波，又称作压缩波、疏密波）：纵波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向平行
（2）横波（Shear Wave，简称S波，又称作Transverse wave，简称T波，也称为切变波或剪切波）：横波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向垂直，并且视质点振动平面与超声波传播方向的关系又分为垂直偏振横波（SV波，这是工业超声波检测中最常应用的横波）和水平偏振横波（SH波，也称为Love Wave-乐甫波，实际上就是地震波的震动模式）。横波只能在具有切变弹性的媒质中传播。
（3）表面波（Surface Wave）：在工业超声波检测中应用的表面波主要是指瑞利波（Rayleigh Wave，简称R波），它是在半无限大固体介质（厚度远大于波长）与气体介质的交界面上沿固体表面层传播，在介质上的有效透入深度一般在一个波长之内，传声介质的质点运动轨迹呈椭圆形，长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向，只能用于检查介质表面的缺陷，不能像纵波与横波那样深入介质内部传播以检查介质内部的缺陷。此外，水平偏振横波（SH波，也称为Love Wave-乐甫波）也是一种沿表面层传播的表面波，不过目前在工业超声波检测中尚未获得实际应用。
（4）兰姆波（Lamb Wave）：这是一种由纵波与横波叠加合成，以特定频率被封闭在特
定有限空间时产生的制导波（guide Wave）。在工业超声波检测中，主要利用兰姆波来检测厚度与波长相当的薄金属板材，因此也称为板波（Plate Wave，简称P波）。兰姆波在薄板中传递时，薄板上下表面层质点沿椭圆形轨迹振动，随振动模式的不同，其椭圆长、短轴的方向也不同。薄板中层的质点将以纵波分量或横波分量形式振动，从而构成全板作复杂的振动，这是兰姆波检测的显著特征。根据薄板中层的质点是以纵波分量或横波分量形式振动，可以分为S模式（对称型）和A模式（非对称型）两种模式的兰姆波。在细棒和薄壁管中也能激发出兰姆波，此时称为扭曲波、膨胀波等。
除了上述四种主要的应用波型外，现在已经发展应用的还有头波（Head Wave）和爬波（Creeping Longitudional Wave，又称作爬行纵波），特别是后者能够以纵波的速度在介质表面下传递，适合用于检测表面特别粗糙，或者表面存在不锈钢堆焊层等情况下的近表层缺陷检测。
图1-1-2示出了各种波型的示意图。 §1-1-2-2按波形分类
在超声波传播过程中，同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所联结构成的轨迹曲面叫做波阵面，某一时刻振动所传到距离声源最远的各点所联结构成的轨迹曲面则称为“波前”。
这里所说的相位是指：质点在其平衡位置的振动是一种周期变化量，在变量达到某一值时，相对于原始值的变化量，就是此时的相位，对于简谐振动量按A=A0sin(ωt+θ)规律变化，其中(ωt+θ)称为相位或相位角、相角，它确定了A在时间t时的数值，θ是t=0时的相位，称为初始相位，如果该振动从平衡位置（零位）开始，则θ=0。
波阵面形状为与传播方向垂直的平行平面的称为平面波，波阵面为同心球面的称为球面波，波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波。
波阵面的形成与声源形状、尺寸有关，例如在理想的各向同性的弹性介质中： 点状球体振子发出的超声波形成以声源为中心的球面波波阵面，球面波的声强与距离声源的距离的平方成反比，即声压与距离声源的距离成反比。