摘 要：随着工业发展与人们生活水平的提高，产品质量检测的越来越重要。超声检测作为一种重要的无损检测技术，有着广泛的应用与重要的前景。本文介绍了超声检测技术的原理及其在建筑土木、机车和焊接方面的应用，还介绍一些新型超声检测技术，展望了其发展趋势，最后对这一技术领域进行总结。
关键词：超声检测；无损检测；工业应用；先进超声检测技术
中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）20-0060-03
1 引言
超声检测技术已有近百年的研究与应用历史，具备其他检测技术所无法相比的优势：超声波穿透能力强、检测深度大，灵敏度高、对缺陷定位准确，检测成本低，使用也更为简捷；而且超声检测的输出信号是波形的模式，可以方便地使用计算机信号处理技术对检测结果进行分析；此外，超声不会对人体产生不利影响。因而该技术适用的领域非常广泛。然而，随着工艺的复杂化与对产品无损检测要求的上升，传统超声检测已经难以满足各种复杂的需求，因此不断有新型超声检测技术被提出。下文将依次介绍超声无损检测的基本原理、工业应用及其进展。
2 超声检测基本原理
超声检测按原理不同可分为脉冲反射法、穿透法、衍射时差法和共振法下文介绍最常用的反射法和穿透法。
2.1 反射法原理
探头内的发射器将超声波射入检测的工件中，当其遇到反射体时会发生反射，反射信号被同一探头接收，通过信号处理可显示出各个回波的波形及声时。通过分析辨别来自缺陷的回波，从而确定缺陷的类型、位置和大小。
2.2 穿透法原理
穿透法需要一个发射探头和一个接收探头，二者相对且垂直于待检测物件放置，发射探头发射超声波进入物件，超声波在传播过程中遇到缺陷会产生波形变化，通过接收探头收到的信号分析波形变化、得到缺陷信息。
3 超声检测技术在无损检测中的应用
3.1 建筑和土木方面
建筑的质量关系到国计民生，因此能够在不破坏建筑本身的前提下对建筑进行检测成为重要需求。超声检测可以探测建筑材料缺陷，还可以检测材料的弹性、强度等特性，非常适合在建筑和土木领域中的应用。
3.1.1 测定混凝土结构强度
混凝土强度的测定是根据混凝土的强度系数与超声波在混凝土中声速的关系来实现的。通过测量超声波横波和纵波在混凝土中的声速，便可以计算混凝土有关弹性系数（杨氏模量），进而得到其强度情况。声速与杨氏模量的关系如下（其中，cs为横波声速，cL为纵波声速，ρ为密度，E为杨氏模量，σ为泊松比）：
设T=cL/cs，则：
3.1.2 测定混凝土厚度
混凝土厚度的测定利用的是超声波的直线传播与反射现象。超声波从一种固体介质入射到另一种固体介质时，在分界面上会产生反射和折射。如图1所示（只表示出反射）：
从接收波中识别出来自底面的反射波，测出其声时，可由毕达哥拉斯定理计算得到混凝土厚度即图中H。公式为（C为混凝土中声速，T为所测定的声时）：
3.2 铁路机车方面
目前超声检测在铁路机车方面的应用主要为对车轮、轮辋和轨道的检测。下文主要介绍对车轮和轮辋的检测。
3.2.1 车轮缺陷检测
轮对承载车厢、接触钢轨，控制机车的前进、转向，是十分重要的部件，但也是最易损坏的部位之一，因此必须定期对轮对进行无损检测。本文给出一种检测轮对损伤情况的方法。
当车轮运行到探头所在位置，就会触发超声换能器在轮内激发超声，并以表面波的形式沿车轮表面双向高速传播，如图2所示。在其传播过程中，若车轮存在裂纹、剥离等缺陷，超声波就会被部分反射，沿表面回到探头；其余超声波继续沿车轮表面传播，依次形成第一、二……周期回波，直到超声能量衰減到探头接受范围外。这样就会产生缺陷回波和正常周期回波，将二者加以辨别、分析，便可以得到车轮表面、近表面的缺陷情况。
3.2.2 轮辋缺陷检测
轮辋是转向架的关键部分，与轮辐共同组成车轮，因而也是轨道交通中重点检测的部件。根据裂纹方向，可将轮辋缺陷分为三类：
周向缺陷：裂纹方向沿车轮踏面圆周，并与踏面圆周方向平行；
径向缺陷：裂纹方向垂直于车轮踏面且与直径平行；
轴向缺陷：裂纹位于轮辋内部且平行于车轴。
由于轮辋结构较为复杂，曲面较多，因此常采用相控阵超声探头以扩大检测范围，这样只需从车轮踏面和轮缘内侧两处进行探查，提高了检测效率。同时相控阵超声探头带有的聚焦功能，有利于获取更详细的缺陷信息。
3.3 焊接方面
焊接可连接金属、合金和其他热塑性材料，是工业中的基本工艺。但由于技术水平限制和作业环境的多变，产品中常常有各种缺陷，它们在超声检测中的回波各有特点，生产检测中可以据此加以区分，下面便一一介绍。
气孔：气孔是指在焊接过程中，焊接处吸收的过量气体在冷却凝固时来不及逸出而残留在焊缝附近形成的空穴。在示波器上，单个气孔的波形较为稳定，但稍移动探头就会消失；密集气孔的波形为一簇反射波，各个回波因气孔大小不同而变化。
裂纹：裂纹是指焊缝或近焊接处出现的局部破裂。来自裂纹的回波波幅大而宽，波峰较多。
夹渣：焊接后残留在焊缝内的熔渣或多余夹杂物称为夹渣。点状夹渣的回波与单个气孔相似；条状夹渣的回波多呈锯齿状，由于形状不规则，从各个方向探测，波形和波幅一般不同。
未熔合：未熔合是指填充物与母材或填充层之间没有很好地熔合。其反射波的特征是：探头平移时，波形较稳定；分别从两边探测时得到的波形一般不同。
4 超声检测技术的进展
为了适应新型工艺场景在线检测需求与检测精度要求，需要不同的超声产生方式与超声传导方式等。近年来不断有新的超声检测技术被提出，下文将主要介绍三种新型超声检测技术。
4.1 激光超声检测技术
4.1.1 激光超声检测的原理
激光激励超声波的机理一般分为热弹效应和溶蚀机制两种。
热弹效应：基本原理为用较低功率的激光照射待检测物件，物件内电子吸收能量从基态跃迁到较高能级，再通过辐射跃迁，此过程中会产生超声波。
溶蚀机制：基本原理为用高功率激光照射物件，使其表面温度快速到达熔点，物件表面就会有小部分材料高速喷出，这会给物件一个反作用力，相当于向其内部发射压缩脉冲，从而产生超声波。
激光超声技术无需与待检测物件接触，因而能实现大面积快速检测；激光的频率极高，因而其波长只有几微米，加之激光超声脉冲宽度可达纳秒级，所以有很高的精度；还可以在一次激发中产生多种模式的超声波，并方便聚焦，适用于大型复杂结构。
4.1.2 激光超声检测的应用
目前，激光超声检测被广泛应用于复杂工件和材料特性的实时检测，还用于超声扫描成像，如生物医学中得到生物组织影像等。空客、达索等公司已使用激光超声对在役飞机进行快速检测。
4.2 相控阵超声检测技术
4.2.1 相控阵超声检测的原理
相控阵超声技术原理较为复杂。相控阵探头由多个压电陶瓷晶片组成，它们根据固定的相对位置排列。工作时，控制系统按特定的顺序和时间间隔激励各个晶片，晶片产生的超声波相互干渉、叠加，形成一个“合波”。接收时，根据回波到达各个接收点的时差对各回波信号实行延时补偿，再相互叠加，在示波器上得到准确的回波。
相控阵超声技术可以实现声波的偏转和聚焦。
偏转：各压电陶瓷晶片沿某一方向逐一被激励，各个晶片产生的超声就会有一定时差，从而改变合波方向，实现超声波的偏转。
聚焦：各压电陶瓷晶片按从两侧到中间的顺序被依次激励，从而使各超声波同时到达设定的焦点，以实现超声波的聚焦。
相控阵超声可以通过偏转定点调节探伤角度，在复杂结构的检测中独具优势，对形状规则的物件也可以提高检测效率；确定缺陷大致位置后，可通过聚焦提高探测的精准度，以获取缺陷详细信息。
4.2.2 相控阵超声检测的应用
目前国内相控阵超声技术主要应用于航空航天领域中复杂工件的检测。国外的应用较广，GE，Ultran，QMI等公司研制的相控阵超声检测仪已被用于工业各个领域的无损检测。
4.3 空气耦合超声检测技术
4.3.1 超声检测空气耦合超声检测的原理
空气耦合超声检测技术产生超声波的原理与传统超声检测相同，二者区别在于前者通过空气耦合超声换能器和前置放大器等装置一定程度上克服了空气与探头间的声阻抗差，从而实现了直接透过空气发射超声脉冲，因而有明显的优势：无需专用耦合剂，减少对工件的污染；原理简单、实施方便，适合大型器件的在线检测；适用于高温等复杂环境。缺点是回波信号弱，信噪比低。
4.3.2 空气耦合超声的难点与解决
该技术的主要难点在于如何处理压电陶瓷与空气、空气与待测物件之间巨大的声阻抗差。由公式（Z代表声阻抗）反射率：透射率：可得，兩种介质的声阻抗差越大，反射率越接近100%，透射率越接近0。因而超声波在传播中衰减严重（如表1），导致回波信号弱、信噪比低。
目前解决此问题主要有三类方法，分别是采用空气耦合超声换能器，采用前置放大器，提高发射功率。其中，采用空气耦合超声换能器能在不提高功率的情况下，克服巨大声阻抗差带来的影响，下文将具体介绍。
为了减小探头与空气间声阻抗差，空气耦合超声换能器相比传统换能器增加了匹配层，压电陶瓷也由压电复合材料代替。匹配层常用的材料有环氧树脂、硅橡胶、聚二氟乙烯等，可以使超声波的衰减降低30dB以上。压电复合材料由压电陶瓷与高分子填充材料（如环氧树脂、尼龙等）混合而成，一般有如下几种混合方式（PZT为压电陶瓷），如图3，图4和图5所示。
4.3.3 空气耦合超声的应用
此技术主要应用于对航空航天复合材料、陶瓷材料、锂电池内部缺陷、刹车垫和刹车盘使用情况等的检测。空客公司已使用空气耦合超声技术检测其蜂窝夹芯等部件。
5 超声检测技术的发展趋势
为适应新型工业越来越复杂的要求，总结近几年的发展，发现超声检测技术呈现出以下几个发展趋势：
超声检测仪数字化。计算机控制系统可以方便准确地发射、接受信号；通过算法自动滤噪和校正；运用信号处理法分析回波信号、计算波形等。
超声检测自动化。人工智能的发展使自动探伤成为可能。全自动化探伤装置不仅可以长期无疲劳地工作，更能提高检测精度，已成为工业生产重点发展方向。
由简单地检测向综合评价发展。即：（1）对缺陷进行全面评价，包括形成原因、危害和如何修复等；（2）从对缺陷的检测扩展到对材料特性（弹性、导电性等）的综合评定。
检测装置微型、便携化。微机电系统、大规模集成电路及新型材料的出现缩小了超声检测装置体积，使其更加便携、智能。
6 结语
超声检测作为重要的无损检测方式，随着其技术水平提升，必将在更多工业领域发挥作用。未来超声检测技术将更多与新兴技术（如人工智能、虚拟现实等）融合，向高速、高精度、检测与评价结合、智能化检测的方向发展。
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