2. 超声检测物理基础

超声检测的可靠性，最终取决于声波在材料中“怎么走、走到哪、还剩多少能量、遇到界面怎么变”。理解这些物理量之间的关系，才能正确选择探头、频率、晶片尺寸和检测工艺，也才能解释回波为什么有时清晰、有时模糊，甚至完全消失。

一、声波的产生与传播

超声检测中最常用的声源是压电换能器。压电晶片（如锆钛酸铅PZT）在交变电压作用下发生厚度方向的机械振动，把电能转换为声能；接收时，回波声压使晶片变形并产生电压，完成声电转换。因此探头既是发射器也是接收器，其核心参数是晶片厚度、直径和中心频率。

声波在介质中传播的本质是质点振动与能量传递。按振动方向与传播方向的关系，可分为纵波、横波、表面波和板波。纵波（压缩波）质点振动方向与传播方向一致，可在固体、液体、气体中传播，是超声检测中最常用的波型；横波质点振动方向垂直于传播方向，只能在固体中传播，常用于焊缝检测；表面波沿工件表面传播，能量集中在表面附近，适合检测表面及近表面缺陷。

声波从一种介质进入另一种介质时，会遵循反射、折射和波型转换规律。当声束倾斜入射到界面时，可能同时产生反射纵波、反射横波、折射纵波和折射横波，具体取决于入射角和两种介质的声速。这是斜探头设计的基础，也是理解焊缝检测中声束路径的关键。

二、波长、频率与声速的关系

三者满足基本关系：

λ = c / f

λ：波长（mm）
c：声速（m/s 或 mm/μs）
f：频率（Hz 或 MHz）

声速由材料本身决定，与频率无关。例如钢中纵波声速约5900 m/s，横波约3230 m/s；水中纵波约1480 m/s；铝中纵波约6300 m/s。频率越高，波长越短。以钢中纵波为例，2.5 MHz探头对应波长约2.36 mm，5 MHz对应约1.18 mm。

波长直接决定检测能力。缺陷尺寸接近或大于波长时，反射明显、容易检出；缺陷远小于波长时，声波绕射，回波很弱。因此高频探头分辨力高、可检出小缺陷，但衰减大、穿透力弱；低频探头穿透力强，但分辨力下降。实际检测中，频率选择是在“检出能力”和“穿透能力”之间的折中。

三、声阻抗与界面反射透射

声阻抗定义为介质密度与声速的乘积：

Z = ρ · c

Z：声阻抗（kg/(m²·s) 或 MRayl）
ρ：密度（kg/m³）
c：声速（m/s）

声阻抗是描述界面反射强弱的核心参数。当声波垂直入射到两种介质的平界面时，声压反射率 r 和透射率 t 为：

r = (Z₂ − Z₁) / (Z₂ + Z₁)
t = 2Z₂ / (Z₂ + Z₁)

两种介质声阻抗差异越大，反射越强。钢的声阻抗约45 MRayl，空气约0.0004 MRayl，二者差异极大，因此钢与空气界面几乎全反射，回波很强。这就是为什么探头与工件之间必须使用耦合剂：水、机油、甘油等耦合剂填充间隙，排除空气，使声波有效进入工件。反之，钢与水的界面反射率约0.94，仍有较强反射，因此水浸检测中界面回波需要识别和处理。

当两种介质声阻抗接近时，透射强、反射弱。例如钢与铝的声阻抗差异较小，界面反射较弱，检测时需注意区分界面波与缺陷波。对于薄层或耦合不良的情况，反射和透射会随频率和层厚变化，形成干涉效应，这也是耦合层厚度影响回波幅度的原因。

四、近场区与远场区

圆形晶片探头辐射的声场并非均匀。在靠近探头的区域，声束尚未完全收敛，声压分布复杂，存在极大极小值交替，这一区域称为近场区（菲涅尔区）。近场区长度 N 近似为：

N = D² / (4λ)

D：晶片直径（mm）
λ：波长（mm）

例如直径20 mm、频率2.5 MHz的探头在钢中，λ≈2.36 mm，N≈20²/(4×2.36)≈42.4 mm。也就是说，探头前方约42 mm范围内声压起伏较大，不适合定量评价。近场区之外是远场区（夫琅禾费区），声束开始扩散，声压随距离单调下降，声束轴线上的声压与距离成反比。

远场区中，声束扩散角 θ 近似为：

sin θ ≈ 1.22 λ / D

频率越高、晶片越大，扩散角越小，声束越集中，指向性越好。但晶片过大或频率过高，近场区变长，近表面分辨力下降。因此实际检测中，常根据工件厚度和缺陷位置选择探头，使目标区域尽量落在远场区或近场区边缘之外。

五、衰减与扩散

声波在材料中传播时能量逐渐减弱，原因包括扩散衰减、吸收衰减和散射衰减。扩散衰减由声束扩散引起，与传播距离和声束形状有关；吸收衰减是声能转化为热能；散射衰减是声波被晶界、夹杂物等不均匀结构散射。三者共同构成总衰减。

衰减通常用衰减系数 α 表示，单位 dB/mm 或 dB/m。声压随距离按指数规律下降：

P = P₀ · e^(−αx)

在检测中，衰减直接影响回波幅度和信噪比。粗晶材料（如铸铁、奥氏体不锈钢）散射衰减严重，常需选用低频探头和较大晶片；细晶材料衰减小，可用高频提高分辨力。此外，耦合损耗、表面粗糙度、工件形状也会造成额外能量损失，需在灵敏度校准中一并考虑。

六、参数对检测能力的综合影响

上述参数并非孤立，而是相互制约。频率升高，波长变短，分辨力提高，但衰减增大、穿透力下降；晶片增大，声束指向性变好、扩散角减小，但近场区变长；声阻抗差异决定界面回波强度，影响耦合和缺陷识别；衰减系数决定可检测厚度和信噪比。实际检测中，需要根据工件材料、厚度、缺陷类型和验收标准，综合选择探头频率、晶片尺寸、波型和耦合方式。