一、超声波简介

       超声波是声波的一部分，是人耳听不见、频率高于20KHZ的声波，它和声波有共同之处，即都是由物质振动而产生的，并且只能在介质中传播；同时，它也广泛地存在于自然界，许多动物都能发射和接收超声波，其中以蝙蝠最为突出，它能利用微弱的超声回波在黑暗中飞行并捕捉食物。但超声波还有它的特殊性质，如具有较高的频率与较短的波长。

       二、超声波的特性

       1、声束特性

       从声源发出的声波向某一方向(其他方向甚弱)定向地传播，称之为束射。超声波由于它的波长较短，当它通过小孔(大于波长的孔)时，会呈现出集中的一束射线向一定方向前进。又由于超声方向性强，所以可定向采集信息。同样当超声波传播的方向上有一障碍 物的直径大于波长时，便会在障碍物后产生“声影”。这些犹如光线通过小孔和障碍物一样，所以超声波具有和光波相似的束射特性。

       2、吸收特性

       超声波在各种介质传播时，随着传播距离的增加，超声强度会渐渐减弱，能量逐渐消耗，这种能量被介质吸收掉的特性，称之为声吸收。

       不同介质对声吸收的原因很多，但主要原因是介质的粘滞性、热传导、介质的实际结构及介质的微观动力学过程中引起的弛豫效应等，这些介质中的声吸收都随着声的频率而变化。超声波是高频率的声波，在同一介质中传播时，随着频率的增大，被介质吸收的能量就愈大。

       超声波在均匀介质中传播时，由于介质的吸收，而影响声强度随距离的增加而减弱，这就是声波衰减。

       3、能量大

       当声波到达某一物质时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率一样，所以分子振动频率决定了分子振动的速度，频率越高速度越大。从而物质的分子由振动而获得了能量，其能量除了与分子的质量有关外，还与分子的振动速度的平方成正比，而振动速度又与分子振动的频率有关，所以声波的频率越高，也就是物质分子得到的能量越高。

       三、超声波的应用
       随着对超声波的不断研究和探索，除了无损探伤外人们还利用超声波在材料中的声速、衰减或共振频率测定金属材料的弹性模量、硬度、内应力、厚度、钢的淬硬层深度等，还可以通过超声波进行泄漏检测。
       3.1 利用超声波测定金属材料的弹性模量和泊松比

       3.1.1 原理

       固体材料中的超声波传播速度由弹性模量和密度决定。在已知材料密度的基础上，通过测量超声波在固体材料中的传播速度，计算获得材料的弹性模量和泊松比，检测方法包括适用于块状试样的体波法和适用于圆形截面杆状式样的导波法。

       体波法通过测量块状固体中纵波和横波的传播时间和传播距离，获得材料的纵波声速和横波声速，由材料的纵波声速、横波声速和密度计算获得材料的杨氏模量，由材料的横波声速和密度计算获得材料的剪切模量，由材料的纵波声速、横波声速计算获得材料的泊松比。

       导波法通过测量圆形细杆中的纵波和扭转波的传播时间和传播距离，获得材料的纵波声速和扭转波声速，由材料的的纵波声速和密度计算获得材料的杨氏薄凉，由材料的扭转波声速和密度计算获得材料的剪切模量，由材料的从波声速和扭转波声速计算获得材料的泊松比。

       3.1.2 体波法

       体波法通过测量块状固体中纵波和横波的传播速度获得其弹性模量和泊松比，其检测系统如图1所示。

图1 体波法弹性模量和泊松比检测系统示意图

       3.1.3 导波法

       导波法通过测量圆形细杆中纵波和扭转波的传播速度获得其弹性模量和泊松比。检测系统如图2所示。

图2 导波法弹性模量和泊松比检测系统示意图

       3.2.1 原理

       超声接触阻抗法是一种非直接测量压痕的动态压入法，端部镶有特定鸭头(如正四棱锥体金刚石压头)的振动杆受到激励做纵向超声振动，用一定的试验力将压头压入试验表面，振动杆的纵向振动将受到阻抗，谐振频率发生变化。其变化量与压痕表面积和系统的有效弹性模量成函数关系，硬度值由频率变化量得到。

       3.2.2 硬度检测示意图

       UCI探头工作示意图如图3所示。

图3 UCI探头工作示意图

       3.3.1 原理

       材料受到应力影响后会导致超声波在材料内部传播速度的变化，速度的快慢受到超声波入射的波长、传播方向和材料内部应力等情况的影响，超声波入射的波长，波形是可控的，澳门官方游戏网站控制入射波长、波形和传播方向后只需要再测定超声波在材料内传播速度的变化就能得到残余应力的变化。

       当发射换能器激发超声纵波以第一临界角斜入射到被检工件表面时，依据Snell定律，可在被检件材料内部产生超声临界折射纵波，并可被接收换能器接收到如图4所示。

图 4 超声临界折射纵波收发原理及残余应力检测区域

       3.3.2 应力计算方法

       依据声弹射原理，材料中的残余应力会影响超声纵波传播速度，当残余应力方向与纵波方向一致时，拉伸应力使超声波纵波传播速度变慢或传播时间t延长，压缩应力使超声波传播速度加快或传播时间t缩短。因此，在激励和接收两换能器之间的距离(探头间距)保持不变的条件下，若测得零应力σo对应的超声传播时间t0和被检件应力σ对应的超声传播时间t，根据时间差按公式(1)或者公式(2)可求出被检件中的残余应力绝对值σ，即：

或

       式中：

       Δσ——残余应力的变化量(应力差);

       Δt ——传播时间的变化量(声时差);

       K ——应力系数，与被检工件的材料和探头间距有关，可通过拉伸试验标定获得。

       通过此方法检测的残余应力，是被检件表层下材料内部三维空间区域内沿声波传播方向的残余应力平均值。

       3.4.1 原理

       超声波测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。按此原理设计的测厚仪可对各种板材和各种加工零件作精确测量，也可以对生产设备中各种管道和压力容器进行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。

       3.4.2 检测方法

       通过测量探头发出的超声波信号一次、两此或多次穿过被测材料后的时间才确定被测材料的厚度。厚度通过已知声速和脉冲回波时间的乘积除以穿过次数来计算，见公式(3)

       式中：

       d-厚度;v-声速;t-测量时间;n-超声波穿过次数。

       超声测厚可通过图5所示的以下四种方法来实现：

       a) 方法一(单次回波法)：测量初始脉冲和第一次底面回波之间的时间，同时对零点进行校正;

       b) 方法二(单次回波延时法)：测量延迟块界面波与第一次底面回波之间的时间;

       c) 方法三(多次回波法)：测量多次底面回波之间的时间;

       d) 方法四(穿透法)：测量超声脉冲从发射探头通过被测材料到底面接收探头的时间。

图 5 测量方法

       3.5.1 原理

       由声波产生的高频振动会沿着均匀固体介质以相同的方式传播，就像直线光束一样。当遇到其他物体、空气、液体或者其他不同材质的固体的分界面时，声纳系统中的回波探测仪就会根据这些反射回来的超声波脉冲检测到分界面的存在，通过计算可以确定具体方位。

       基于超声波背散射现象，当超声频率在500KHz到25MHz时，各种频率的声束都能够穿透致密晶粒的材料。然而当高频声束作用于粗糙晶粒材料时，这时声波在分界面上产生散射，散射回波与入射波发生干涉，又称背散射干涉。材料表面经过高频感应淬火后在表面会产生一种具有致密晶粒的硬化层，这种结构和没有经过硬化处理的材料结构不同，特别是在晶粒大小方面具有明显的不同。高频的超声波可以穿过致密晶粒，并且再致密晶粒和粗糙晶粒交界处发生散射，形成超声背散射效应，该现象用来测量硬化层的深度。

       3.5.2 检测方法

       如图6所示，超声波由发射器经过探头，耦合剂入射到待测材料中，由于硬化层对超声波几乎没有任何阻力，而没有经过硬化处理的材料则会大量散射超声波，在硬化层与基体材料的分界面上出现大量散射波。探测系统通过记录背散射信号，通过检测超声波脉冲从进入材料表面到硬化层-基体分界面所用的时间来计算硬化层厚度。

图 6 背散射法测量淬硬层深度

       3.6.1 原理

       如果一个容器内或管道内充满气体,当其内部压强大于外部压强时,由于内外压差较大,一旦容器有漏孔,气体就会从漏孔冲出。当漏孔尺寸较小且雷诺数较高时,冲出气体就会形成湍流,湍流在漏孔附近会产生一定频率的声波,声波振动的频率与漏孔尺寸有关,漏孔较大时人耳可听到漏气声,漏孔很小且声波频率大于20kHz时,人耳就听不到了,但它们能在空气中传播,被称作空载超声波。超声波是高频短波信号,其强度随着传播距离的增加而迅速衰减。超声波具有指向性。利用这个这个特征，即可判断出正确的泄漏位置。超声波泄漏检测仪器的主机(暨接收端)可工作于被动态与主动态;当对输气管道进行实时检查时，可单独使用它，利用它捕捉气体泄漏时所产生的微小的超声波信号，即可判断出正确的泄漏位置。这种工作方式被称为被动态。

       将超声波泄漏检测仪器的主机(暨接收端)与超声波信号发生器配合使用时，可对被检查物进行非实时检查，即由超声波信号发生器 发射一定频率的超声波信号，一旦发生泄漏，超声波将由漏孔漏出，用超声波泄漏检测仪器的主机捕捉漏出的超声波信号，即可判断出正确的泄漏位置。这种工作方式被称为主动态。

       超声波检测仪泄漏检测系统不同于特定气体感应器受限于它所设计来感应的特定气体，而是以声音来检测。任何气体通过泄漏孔都会产生涡流，会有超声波的波段的部份，使得超声波检测仪泄漏检测系统能够感应任何种类的气体泄漏。

       中国工业超声检测近几十年来发展迅速，几乎涵盖了所有的工业领域，如钢铁工业、机械制造业、锅炉压力容器、石油化工、铁路运输、造船、航空航天、电力核电等。目前超声检测大量应用于金属材料和构件，近年来对于新兴的复合材料的应用也越来越广泛。

       截至目前超声检测已经不局限于工业生产中，也在不断的深入到澳门官方游戏网站的生活中。比如农业生产中用超声波处理的种子，能加速发育生长，增产率明显提高，有利于增加作物产量；对野生草药和发育困难的种子具有特别明显的作用；还能诱变遗传，创造农作物新品种；食品加工中如超声结晶可以修饰食品的质钩和提高食品的品质，超声萃取可大大提高水果蔬菜等汁液产量、质量和过滤速度；超声干燥对热敏性食品应用有很大潜力，可以提高湿气的去除率和干燥速度且被干燥的材料不会被破坏或吹走；医疗卫生中超声检查已逐渐成为诊断领域里非侵入性检查的主要方法之一，利用超声技术制成彩超、B超在医疗诊断领域得到广泛应用、可对人体进行超声碎石、超声“开刀”等治疗，如高强度聚焦超声无创外科(HIFU)已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术；日常生活中运用超声技术制成的超声波加湿器、超声波洗碗机、超声波果蔬解毒仪、超声波足疗机、超声波洗澡机、超声波驱蚊器等等已成为人们现代健康生活的新宠。

       相信在未来超声波检测将会更加深入到澳门官方游戏网站的生活生产当中。