超声波检测的基本方法 a

超声波检测的基本方法

利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以应用于无损地测知物体的几何尺寸、表面与内部缺陷、显微组织的变化等多种应用。

在工业超声波检测中，主要利用纵波、横波、瑞利波、兰姆波、爬波以及新型的导波等各种不同波型的超声波，例如利用纵波检测锻铸件及型材、复合板材的内部缺陷，利用横波检测焊缝、管材以及在工件内倾斜取向的缺陷，利用瑞利波检测工件的表面缺陷，利用兰姆波检测薄金属板材、细棒和薄壁管，利用爬波检测工件表面下的近表层缺陷，利用导波进行长距离管线检测等等。因此，超声波检测的适用范围非常广泛，包括了金属、非金属，锻件、铸件、焊接件、型材、胶接结构与复合材料、紧固件等等。

超声波检测的优点是穿透力强、设备轻便、检测成本低、检测效率高，能即时知道检测结果（实时检测），能实现自动化检测和实现永久性记录，在缺陷检测中对危害性较大的裂纹类缺陷特别敏感等等。

超声波检测的缺点是通常需要耦合介质使声能透入被检物，需要有参考评定标准，特别是显示的检测结果不够直观，因而对操作人员的技术水平有较高要求等等，此外，对于小而薄或者形状较复杂，以及粗晶材料等的工件检测还存在一定困难。

此外，根据超声检测的结果判断缺陷的性质（定性）问题尚未很好解决，目前还主要是依靠检测人员的实践经验、技术水平以及对被检工件的材料特性、加工工艺特点、使用状况等的了解来进行综合的主观判断。

工业超声波检测方法的一般原理与分类

一.根据采用超声波的种类分类

（一）脉冲波法：超声波探头激发的是脉冲超声波，这是具有一定持续时间、按一定重复频率间歇发射的超声波，通常具有较大的频带宽度。

（1）脉冲波反射法：在超声波检测时，向被检对象发射脉冲超声波，利用超声波的反射特性，根据有无缺陷回波或工件底面反射回波、回波幅度的大小、回波信号数量、回波在示波屏时基线上的位置以及回波包络形状变化等对被检对象的质量情况进行评价。

超声波脉冲反射法是目前应用最广泛的超声波检测方法，包括一次脉冲反射法和多次脉冲反射法，前者利用一次回波脉冲，后者则利用超声波脉冲波在工件中多次反射形成的多次回波脉冲来进行评价。

（2）脉冲波穿透法：在超声波检测时，由一个探头向被检对象发射脉冲超声波，用另一个探头在适当位置接收穿越材料的超声波，根据接收的超声信号强弱来评价被检对象有无缺陷及缺陷严重程度等情况。

在利用脉冲波穿透法时，甚至可以将仪器简化成电表指示（或者更简单的是声音-声调变化指示）而省掉示波管显示系统。

（二）连续波法：超声波探头激发的是连续地、不停歇振动的超声波，通常具有单

一的频率。

（1）谐振法：利用超声波的谐振特性以及在工件中形成驻波的条件，可以用来测定

被检工件的厚度，检查胶接结构与复合材料以及薄板电阻点焊或滚焊等的接合质量

情况。在超声波检测时，可以通过连续改变超声波的振荡频率来寻找共振点，以示

波器、电流计或甚至是蜂鸣器的最大响应来显示。

必须注意：对于不均匀腐蚀、表面严重凹凸不平，以及形状复杂的工件是不适

宜采用谐振法检测的。

（2）穿透法：连续波穿透法与脉冲波穿透法相似，通过观察穿越工件材料后的超声

波能量（波幅）的变化来进行检测评价。

二.根据所利用的超声波波型分类

目前工业超声波检测常用的超声波波型有：纵波、横波、瑞利波（表面波）、兰姆波（板波）以及爬波（表面下纵波），还有最新发展的导波以及相控阵所激发出来

的复合波型。应用不同超声波波型进行检测时，各自有不同的适用范围与检测工艺。

三.根据超声波进入被检工件的方式分类

（一）接触法：超声波探头通过薄层的液体或流体耦合介质直接与被检工件的探测

面接触。

（二）液浸法：主要是指采用水作为耦合介质，俗称为水浸法，超声波探头发出的

超声波经过一定厚度的水层再进入被检工件，超声波探头不与被检工件接触。在水

浸法中，按照作为耦合介质的水的施加方式，还分为全浸没法（被检工件与超声波

探头都完全浸没在水中）、局部水浸法（仅是被检工件上需要检测的部位局部浸没在

水中，通常超声波探头是全浸没或半浸入水中）、溢水法（被检工件上的检测面与超

声探头之间通过溢水耦合）、喷水柱法（被检工件上的检测面与超声波探头之间通过

喷流水柱耦合）、水层或水间隙法（超声波探头与被检工件的检测面之间通过薄层水

耦合）等等。

接触法和水浸法是超声波检测中最主要应用的两种耦合方式，此外还有地毯法、滚轮法等多种特殊的耦合方式。

（三）空气耦合法：目前主要应用于飞机复合材料的低频超声检测。

四.根据所用超声探头的形式种类分类

主要分为：单直平探头法（含接触法与液浸法）、单斜探头法（接触法用，包括

横波、瑞利波、兰姆波、爬波探头）、单直聚焦探头法（含接触法与液浸法，点聚焦

与线聚焦）、单斜聚焦探头法（接触法用）、组合双晶探头法（含组合双晶直探头与

组合双晶斜探头）、双斜探头法、小角度单斜探头法以及众多的专用探头检测方法（例如铁轨专用探头、小径管焊缝探伤专用探头，以及导波探头、相控阵探头）等等。

五.根据超声波进入被检工件时声束轴线与入射面的角度关系分类：垂直入射（声束

轴线与探测面垂直）和倾斜入射（声束轴线与探测面法线有一定交角，可以对被检

工件进行倾斜入射纵波检测、横波检测、瑞利波检测、兰姆波检测、爬波检测…等等）。

六.根据超声波检测系统发射与接收信号的通道数量分类

最常见的是单通道法，还有用于自动化与半自动化检测的多通道法（可达到2通道、4通道、8通道、10通道甚至上百通道）。

纵波检测的基本问题

纵波（Longgitudinal Wave）是超声波检测技术中应用最广泛的波型，其特

点是利用压电换能器的厚度振动模式直接激发，根据纵波传播方向与工件入射界面

法线夹角的关系，可以分为垂直入射纵波法（简称垂直法）和小角度入射纵波法以

及特殊检测中应用的纵波斜入射法（例如用于奥氏体不锈钢焊缝的检测）。纵波法检

测中涉及的许多具体工艺操作方面的问题也是其他超声波波型检测方法的基础。

垂直入射纵波法：纵波的传播方向与工件入射界面垂直（与工件入射界面法线夹角

为零）时，超声波穿越界面后将仍与界面垂直地向前传播，没有折射现象发生，这

是最简单也是最广泛应用的方法。

当超声波在被检工件内遇到异质界面时，由于声阻抗不同，将有超声波的反射，

亦即有反射回波产生，超声波的反射状态与垂直入射条件下的声压反射率、声压透

过率或往复透过率等相关。

垂直入射纵波法检测条件的确定因素主要有以下几个方面：

（一）工作频率的选择

在选择检测工作频率时，主要考虑以下几个方面：

1.缺陷检出能力（检测灵敏度）的要求

按照连续波理论，一般认为能对超声波产生有效反射的缺陷面线度（垂直于声

束方向的延伸长度）应大于等于超声波长的二分之一（此时衍射现象对反射能量的

干扰尚不致对检测产生明显影响），而沿声束方向的缺陷厚度应大于等于缺陷（内含物）中超声波长的四分之一（根据多层介质透射特性规律）。在实际应用中采用的是脉冲波，具有一定的频带宽度，因此实际上能检出更小更薄的缺陷。不过，在一定

的频带宽度范围内，各频率分量的能量不同，因此在确定工作频率时，通常以能量

最大的中心频率来考虑，但要注意由于制造工艺上的因素，超声探头的名义中心频

率往往存在一定的误差，应以实际中心频率来考虑（如通过对超声波探头的回波频

率测定来确定，探头制造厂的探头出厂指标中也应该给出其中心频率误差）。此外，超声波仪器与探头的组合性能（如分辨率、电噪声等）、缺陷与基体（工件）材料的声阻抗差异、缺陷自身的形状与取向，以及缺陷本身的表面粗糙度等等多种因素也

会对实际反射回波的频率（频谱）存在影响，应当予以综合考虑。就一般而言，频

率高时检测灵敏度高，容易检出较小的缺陷。

例1：已知某钢制工件中的纵波声速为4000m/s，采用纵波垂直入射法检测，

要求检出直径2mm平底孔面积（孔底面与声束轴线垂直）大小的缺陷（不考虑缺

陷厚度），此时应考虑采用何种工作频率为宜？

解：根据已知条件有：缺陷面线度d=2mm，d≥λ/2；C L=4000m/s，根据选择原则可求出λ≤4mm的频率应能满足要求，亦即f=C L/λ=(4000x103mm/s)/4mm=1MHz，这只是意味着最低频率要求。目前商品化超声探头的名义中心频率常见系列为0.5、1、1.25*、2、2.5*、4、5*、6、10*、15和25MHz（带*号的是国产超声波探头名义中心频率系列），因此可以选择1.25或2.5MHz，为了考虑留有一定的灵敏度余地，确定选用 2.5MHz。

例2：铝合金锻件中有一种重要的常见缺陷是氧化膜夹杂，其成分为三氧化二

铝，特点是面积较大而厚度很薄，现若要求发现厚度在0.2mm左右的氧化膜夹杂，并已知三氧化二铝中的纵波声速约为10000m/s，应考虑采用何种工作频率为宜？

解：根据缺陷沿声束轴线方向的厚度t=0.2mm和t≥λ/4,C L=10000m/s，根据选择原则可求出λ≤0.8mm时的频率应能满足要求，亦即：

f≥C L/λ=(10000x103mm/s)/0.8mm=12.5MHz，则应选用15MHz的中心频率为宜。

在实际的工业超声波检测中，一般使用5~15MHz的中心频率，这是考虑到了

脉冲超声波的频带宽度与超声波探头的可应用性。

在实际应用中，如果不知道缺陷中的声速时，也可以近似地按工件中的声速来

考虑。

2.衰减因素的考虑

在检测大型工件时，要考虑到超声波的传播距离长，以及材料晶粒粗大、工件

表面粗糙等因素都会对超声波能量有较大的衰减并降低信噪比。频率越高，衰减越

大（后面将要述及关于材质衰减问题），信噪比越低。在这种情况下，宜考虑选用较

低的检测频率。相反，如果工件厚度不大、材料晶粒较细、工件表面光洁度较好，

对超声波能量衰减不大，则可以选择较高的检测频率，以保证有较高的缺陷检出能

力，亦即有较高的检测灵敏度。

3.指向性方面的考虑

超声波探头激发的超声场，其指向性（集束性）角度与材料中的超声波长成正

比，与压电晶片直径成反比，指向角（扩散角）越大，指向性越差，对缺陷的准确

定位是不利的。

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。

4.分辨率方面的考虑

低频脉冲波的频带范围较小，而且受阻尼衰减影响小，故其脉冲宽度（脉冲持

续时间）较宽，会影响检测分辨率。相反，高频脉冲波的频带范围大，受阻尼衰减

影响大，其脉冲宽度较窄，因而有较高的检测分辨率。

5.近场长度的考虑

根据连续波理论，近场长度N=(D2-λ2)/4λ，λ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。

由于近场区内的声压分布变化是不均匀的，因此在需要准确评定缺陷大小，特别是

利用声压反射规律计算评估缺陷大小时，必须尽可能避开近场。在选择检测频率时

也要考虑近场长度的大小，这需要视具体工件尺寸及检测方法而定。

例：对某钢制工件进行超声纵波垂直入射法检测，已知钢中纵波速度为5850m/s，工件厚度40mm，由于没有适当的对比参考试块，现欲利用声压反射规律计算评估

缺陷大小，并要求能够发现直径2mm平底孔面积大小的缺陷，应选用何种探头为

宜？

解：根据缺陷检出能力要求，可选择2MHz以上的检测频率，但考虑到利用声压反

射规律进行计算时，应处在大于三倍近场长度的远场区范围，故探头的近场长度应

在13mm以下。根据近场长度公式可计算出晶片直径：N≤13mm，λ=c/f，C L=5850m/s，f选用 2.5MHz，则λ=2.34mm，可计算出D≤11mm。

根据我国国产商品化探头的系列，可选 2.5P10直探头，或者在f=5MHz时选用5P8直探头（我国国产商品化探头系列的晶片直径常见为5、6、8、10、12、14、20、25、30mm）。

此例结合了检测频率与晶片尺寸进行综合考虑，当然，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。

总之，检测频率的选择必须综合考虑以上五个方面的因素，尽可能选取较高的

检测频率以保证获得较高的检测灵敏度、指向性和分辨率，从而保证检测质量与可

靠性。

除了选择检测频率外，也要注意超声波仪器脉冲重复频率（注意：超声波检测

频率与超声波脉冲重复频率不是一个概念）的选择，避免脉冲重复频率过高时出现

幻影波、假信号等干扰（目前有些商品化便携式超声波探伤仪将脉冲重复频率值固

定而无法选择，故应仔细了解其说明书中给出的脉冲重复频率值作为超声波探伤仪

选型时的一个重要参考指标）。

（二）探头型式的选择

在确定探头型式时，主要考虑以下因素：

1.探头种类-与采用的检测方法有关

根据检测对象确定了检测方法和检测频率后，也就基本确定了探头的种类，当

然我们还必须事先了解各种探头的特点。例如，普通直探头的底面分辨率优于近表

面分辨率（一般来说，下盲区约为上盲区的一半，而且与超声波探伤仪的灵敏度和

发射功率有关，如5P14直探头的底面分辨率一般为4-5mm，近表面分辨率一般为6-10mm，又如2.5P20直探头的近表面分辨率一般为10-15mm，底面分辨率一般为5-6mm），而组合双晶直探头的近表面分辨率优于底面分辨率（一般来说，

下盲区约为上盲区的一倍，如曾试验过5MHz10x10x2 7°的组合双晶直探头在厚度25mm的45#钢平面试块上按Φ1mm平底孔灵敏度测得近表面分辨率为

2.5mm，而底面分辨率却是4mm）。此外，瑞利波探头、兰姆波探头和横波探头也

有各自不同的盲区大小。因此，当检测对象的加工余量较小，或者对近表面分辨率

有较高要求等情况下，需要根据探头特点修订检测方法（例如探测面的确定），或者选择合适的探头型式。不同的探头有不同的距离振幅特性（声场特性），在评定缺陷大小时也必须考虑这方面的影响。

2.探头尺寸

探头尺寸的确定主要根据检测对象的具体情况和检测效率的要求。压电晶片的

尺寸大，则辐射功率大、检测距离（深度）大，适合检测大尺寸工件，其指向性好，

允许的扫查间距较大（声束一次覆盖范围大），可以获得较高的检测效率。不过，晶

片尺寸大，其声场的近场长度也大，还因为辐射功率大而使得始波占宽较大，降低

了近表面分辨率。另外，声束直径大，声束覆盖范围大，当材料组织粗大引起较大

的散射时，大晶片接收到的杂波也较多（散射叠加混响效应较明显）而容易导致信

噪比降低，其远场分辨率也不如小尺寸晶片。相反，当晶片尺寸较小时，近场长度

短、始波占宽小、近表面分辨率较高，在杂波较大的情况下受散射叠加混响效应影

响较小，接收到的杂波较少，信噪比较高，远场分辨率也较好。但是，由于其辐射

功率较小，适合检测的距离小，只适合检测尺寸较小的工件，其指向性也变得较差，

扫查间距小，检测效率较低。

（三）超声波探伤仪的选择

超声波探伤仪可分为大型和中型（主要指多功能、大辐射功率等类型）以及小

型、便携式（相对而言其辐射功率较小、功能较少或较简单，但是目前随着数字式

超声波探伤仪的发展，功能已经大有增长）。在选用超声波探伤仪时，首先应考虑仪器的性能指标和功能是否满足检测要求，但是还需要考虑检测现场条件与环境的具

体情况。例如，现场无电源时，需要选用以电池供电的仪器，还要考虑电池可连续

工作的时间等；在高空作业情况下，要考虑选用重量轻的便携式仪器；在环境温度

较高或较低的情况下，需要考虑仪器的允许工作环境温度范围，在海拔较高的地区

还要考虑仪器电子元器件的适用性等等。

在需要使用超声波检测的辅助装备时，还要考虑相关的因素，例如水浸探伤装

置的水槽容积、机械操纵装置的机构稳定性与运动机构精度，运动方式是否合适，

调整操纵的难易性，水质要求等，又如自动化超声波探伤设备的性能适应性、检测

效率，机械控制装置、记录或报警装置的适应性等等。

（四）耦合条件的选择

超声波探头与被检工件之间存在空气时，超声波将被反射而无法进入被检工件，为了使超声波能顺利透射进入被检工件，在超声波探头与被检工件检测面之间需要

施加能透声的耦合介质，并且要排除此间的空气。视耦合方式的不同，可以分为：

1.接触法：超声波探头与工件检测面直接接触，其间施以耦合剂。耦合剂一般为液

体或流质，它的作用是填平表面上的凹凸不平，便于探头在工件检测面上移动扫查，

并且排除（取代）探头与检测面之间的空气。

耦合剂的选用原则主要有以下六个方面：

1）耦合剂的声阻抗应尽量与工件的声阻抗接近以提高透声性；

2）润湿性好，在工件表面易于铺展并与工件表面结合，以利排除空气与异物的干扰；3）粘度适当，便于探头在检测面上的移动扫查，也要易于清洗或清除；

4）对工件无腐蚀，对操作人员无毒、无损害；

5）价格便宜；

6）来源方便；

工业超声波检测中常用的耦合剂有：

1）机油：多使用20~40号机油，呈液体状，易流动，应当注意不同编号的机油有

不同的粘度（编号越大，粘度越高），当环境温度不同时其粘度也有一定变化。

用机油作耦合剂，多用于一般的毛糙表面和机械加工零部件的超声检测。由于

机油的价格相对比较便宜，来源方便，对工件无腐蚀，对操作人员无害，因此是最

广泛应用的耦合剂。但是，利用机油作耦合剂的缺点是对声接触压力比较敏感，即

施加在探头上的压力不同时，接收到的超声回波幅度变化比较显著，因此对操作人

员的操作技能（保持接触耦合力度的稳定性）要求高一些。

2）润滑油：这里特指如压缩机润滑油、蒸汽机润滑油、锭子油、工业凡士林、黄油、润滑脂等粘度较高的、流动性较差的润滑油，适用于表面较粗糙的工件以及用于仰

探或立探（侧探）等场合。

3）甘油（丙三醇，C3H5(OH)3）：这是一种透声效果很好，并且对声接触压力不敏

感的耦合介质，以化学分析纯的等级为最好，适用于表面光洁度较高的工件。缺点

是价格较高，而且它所具有的吸水性强的特点容易导致在敞开的容器中放置一段时

间后就会因为吸收空气中的水分而使本身浓度发生变化-粘度变化，影响作为耦合剂的性能一致性。

应当注意正是它所具有的这种吸湿性，使得被检验过的工件需要用水及时清洗，

防止残留的甘油吸湿引起工件的锈蚀，浓度高的甘油也会对操作人员的皮肤吸湿导

致皮肤干裂，因此应戴塑胶手套或者工作后及时用清水洗净。此外，甘油对工件表

面的润湿性不够好也是其缺点。

4）水玻璃（硅酸钠，Na2SiO3）：水玻璃的透声效果也是较好的，而且价格较便宜，

但是和甘油具有相同的吸水性强的特点，在敞开的容器中放置一段时间后就会因为

吸收空气中的水分而使浓度容易发生变化。在实际应用中为了保持声耦合效果的稳

定，要求在每个工作班使用前用波美比重计测试其比重，在必要时进行浓度调整以

保持最佳耦合效果时的比重。水玻璃有弱碱性，对操作人员的皮肤及被检工件（特

别是铝、镁合金）有一定的腐蚀性，使用后必须及时用清水冲洗干净。

水玻璃主要用于表面粗糙的工件，特别是可以采用所谓“地毯法”耦合，即在

被检工件粗糙的检测表面上先均匀涂布一层浓度较高的水玻璃，待其干涸后即已将

粗糙表面填平为平整表面，再在上面涂布较稀的水玻璃或机油耦合进行检测，可以

获得较好的耦合效果。

5）专用的超声波检测耦合剂：这是综合考虑了耦合剂所需要的透声性（声阻抗）、润湿性、粘度等要求而专门配制的超声波检测耦合剂，目前已有商品化产品出售，

耦合效果较好，但价格较高。

6）化学浆糊（羧甲基纤维素，又称强力CMC、糊精或化学浆糊）：这是一种由淀粉（如玉米等）提炼而成的食品添加剂，其应用范围极广，如食品增稠剂，药物辅料

等。它是优良的水溶性胶料，一般可以1:10左右的比例与自来水调配成“工业胶水”用作超声波检测的耦合剂，适用于一般粗糙度表面的工件，价格很便宜（工业纯的

等级即可），对工件无腐蚀，对人体无害，但是由于其干涸后黏附在工件表面会影响

工件外观以及后续表面处理，因此检测后也要求及时用清水冲洗干净。

7）高温耦合剂：这也是专门配制的商品化超声波检测耦合剂，具有较好的隔热性能，适用于处在较高温度（例如100℃甚至更高）的工件的在役超声波检测。

在采用接触法检测表面粗糙的工件时，还可以在检测表面铺放细棉布或的确良

布，甚至纱布等，用干净的水浸润，探头则在布上移动扫查，也能得到较好的耦合

效果（相当于水间隙耦合）。对毛糙表面的接触法检测中的耦合方法还有采用润滑油

作底层，上面铺设胶片（如废的X光胶片）或金属箔，再涂布机油，或者用机油作

底层，上面铺设塑料薄膜等等，不过这些耦合方法的检测灵敏度通常较低。

在以接触法检测时，要特别注意考虑工件的表面光洁度，表面光洁度越高，界

面上因漫散射造成的声能损失越少，透入工件的声能就越多，检测灵敏度也就越高，

越有利于发现较小的缺陷，这时的耦合剂粘度可不必太大。当工件表面粗糙时，毛

糙界面对入射超声波的漫散射干扰使得透入工件的声能减小，而且始波占宽加大，

降低了近表面分辨率和检测灵敏度，为此而需要提高仪器的增益和发射强度，牺牲

信噪比，而且也需要采用粘度较大的耦合剂为宜。此外，被检工件的表面应该是清

洁的，没有妨碍检测的污物、浮锈（松动的氧化皮）等，至于锻件上常见的致密细

薄的氧化层，以及像精密铸件、冷轧钢板表面所呈现的黑皮状态等，由于它们与基

体结合很紧密而且比较平整，在接触法超声波检测时基本上不会影响耦合效果，有

时甚至比经过机械粗加工状态还好，因此不必除去。

还有一个要考虑的因素是耦合层的厚度，因为耦合层的存在构成了中间透声层，

为了提高透声效果，不仅要考虑声能在耦合层中的衰减和多次反射干扰造成的始波

占宽加大、近表面分辨率降低，还要考虑超声波在多薄层介质中透过时的匹配，这

与耦合剂、被检介质、探头的压电晶片、保护膜，或者斜探头的斜楔材料的声阻抗，

以及耦合层中的超声波长等诸多因素有关。在连续波理论中推导的匹配层厚度（λ

/2）是指单一波长（单一频率）的情况，工业超声波检测中使用的是有一定频带宽

度的脉冲波，因此应主要考虑声能衰减及多次反射干扰的影响，通过实验证明，在

满足检测灵敏度要求的条件下应使耦合层越薄越好。这也是接触法探伤时要求探头

对检测面的接触压力达到 1.5~2.5kg的原因。

在用平面探头探测曲表面工件时，应当注意到耦合剂在边缘形成

厚度不均匀的情况，相当于形成斜楔，有可能会产生变型波（特别是

变型表面波）的干扰。

2.水浸法：超声波探头与工件检测面之间有一定厚度的水层，水层厚

度视工件厚度、材料声速以及检测要求而异，对水的要求是对工件有

润湿能力，其温度应与被检工件相同，否则会对超声波检测造成较大干扰，水质必

须清洁无杂质、无气泡，以防止这些微小的悬浮体成为超声波的散射体造成干扰，

或者附着在探头辐射面上阻碍超声波的发射与接收，附着在被检工件的表面上阻碍

超声波的透射。为此，对于用作耦合介质的水（通常是自来水）可以采取静置24小时以上，必要时还可加入例如明矾等净水剂，使水中杂质自然沉淀以及排气，或

者对水加热以加速排气。

为了提高水对超声波探头和工件表面的润湿性，可在水中适当加入润湿剂（如

洗涤剂、洗衣粉、洗洁精等），还可适当加入防锈剂（如油酸、三乙醇胺混合液，四

硼酸钠-俗称硼砂等），以防止水对被检工件产生的锈蚀作用。例如可按每吨水加入1公斤硫代硫酸钠和1公斤亚硝酸钠，可以消除水中气泡和提高防腐蚀能力。

在水浸法检测时，应注意下面几个主要问题：

1）在水中垂直入射或倾斜入射（用于在工件中激发折射横波或小角度折射纵波等）

时，应特别注意入射角度的准确性。因为水的纵波声速约为钢中纵波声速的四分之

一左右，当水中入射角有1°的变化时，在钢制工件中将有约4°的变化，这是必须注意的。此外，水的声速会随温度变化，以及有温差存在时，水会发生对流，也将

会影响检测灵敏度并导致声路弯曲。

2）用水浸法检测曲面工件时，由于水和工件的声速差异较大，因此将会有明显的声

束收敛或扩散现象出现，因此，水浸法检测时，被检工件声场的距离振幅特性需要

采用对比试块法校验。

3）水距的选择：一般的水浸法检测是指探头发出的超声波经过一定厚度的水层再进

入被检工件。理想的情况是将近场区置于水中，使灵敏度最高且声压分布有规律的

区域落入被检工件内，并应保证被检工件的第二次界面回波落在工件第一次底面回

波之后，以免造成干扰。

水浸法检测的最佳水距确定原则是：

①最佳水距应为水中距离-振幅曲线上近场末端N点左边下降6分贝处到探头辐射面的距离，即图中的OA段，此时声压最高的区域将落在被检工件内，从而可以保

证较高的检测灵敏度；

②为了保证工件上第二次界面回波落在第一次底面回波之后，水距的大小h应至少满足：h≥(C水/C工件)?t，式中t为工件厚度，C水为水中纵波速度，C工件为工件中纵波声速。

在使用水浸聚焦探头检测时，由于水中声速低于工件中的声速，在水中聚焦的

声束进入工件后将会再次聚焦（二次聚焦），故其水距的选择应按下式计算：

H=F-δ(C工件/C水)，式中F为探头在水中的焦距，δ为工件中二次聚焦焦点到工件探测面（界面）的距离。兹证明如下：

C

∵水/sinα=C工件/sinβ，即sinβ/sinα=C工件/C水

∴按正弦定理有b/sinα=S2/sin[180°－

α-(β-α)]=S2/sinβ

∵-H)/S2=cosα，δ/b=cosβ

(F

∴2=(F-H)/cosα，b=δ/cosβ

S

∴2/sinβ

b/sinα=S

变成δ/sinα·cosβ=(F-H)/sinβ·cosα，

即H=F-δ(sinβ·cosα/sinα·cosβ)=F-(C工件/C水)δ(cosα/cosβ)

∴

∵角很小，故cosα≈1，cosβ≈1，cosα/cosβ≈1

α

原式变成H=F-δ(C工件/C水)（近似式）

其他水浸检测方法还有局部水浸法，如喷水柱法、溢水法、水间隙法等。

综上所述，声耦合的方式方法是多种多样的，具体选用何种耦合方式，要视具

体条件、要求和情况决定，概括起来有以下选择原则：

①应能保证满足检测灵敏度的要求；

②便于操作；

③应考虑满足检测效率的要求，特别是在大批量检测时更要重视这一问题；

④能够减轻检测人员的劳动强度；

⑤具有低廉的成本。

（五）表面声能损失补偿

由于被检工件表面状态而导致入射声能损失的情况主要有以下几个方面：

1.表面清洁度：工件表面的污物、浮锈（松动的氧化皮）、外来物（如砂土）以及表

面涂层（如油漆）等均会妨碍超声波探头与工件表面的良好接触，并对入射超声波

有吸收衰减作用，造成入射声能损失。因此，被检工件的表面应预先经过清理，如

进行喷砂、酸洗、除漆等。

2.表面光洁度：粗糙的表面状态能对入射超声波产生漫散射效果，减少透射声能，

降低检测灵敏度，而且漫散射造成的杂波干扰还导致始波占宽加大，降低近表面分

辨率。因此，对被检工件的表面光洁度应有一定要求，如进行打磨或机械加工。一

般对于纵波接触法检测要求的表面光洁度为等于优于 3.2微米，而采用横波、瑞利波和兰姆波时则有更高要求。在水浸法检测时，对表面光洁度的要求可适当降低（一般降低一个等级左右）。若采用机械加工的方法进行表面制备时，应注意不要存在刀

具尖端留下的沟槽纹路，这将引起显著的漫散射干扰，因此最好能用圆头刀具加工。

如果因为条件限制而无法达到超声波检测所需要的表面光洁度时（这在生产现

场是经常遇到的情况），则应从耦合条件方面考虑，亦即俗称的“黑皮探伤”，例如选择适当的耦合剂、采用水浸法检测等。

3.曲表面引起的入射声能损失：在接触法检测时，如果使用平接触面的超声波探头

与凸曲面呈线性（圆柱体）或点（球体）接触，有效晶片面积将显著减小，使得辐

射功率降低并且指向性恶化（扩散角增大）。不同曲率半径的凸曲面接触的情况不同，

对入射声能的损失情况也不同。一般可以认为曲率半径大于180mm后，对于一般的商品化平面直探头，其曲面影响可以忽略不计。在曲率半径小于180mm时，如果使用曲面对比试块，半径误差在±10mm以内的曲面可以认为其影响相近似。对

于凹曲面，探头平面无法与工件表面接触，则往往需要在探头上增设过渡匹配座（硬匹配或软匹配）或改用水浸法检测。

综上所述，当工件表面光洁度达不到要求而又无法解决时，或者在曲面的情况

下，都必须考虑表面声能损失补偿问题，特别是曲表面引起的入射声能损失补偿问

题比较复杂，在检测时最好采用同曲率的对比参考试块进行校验以保证检测中定量

评定的准确性。具体的表面声能损失补偿方法可见后面第四篇关于工件超声波检测

章节中的叙述。

（六）探测面的选择：即是声束投射方向的选择，或者说是探测方向的选择。

超声波脉冲反射法检测的基本原则是尽可能

使超声波束与工件中缺陷的延伸方向垂直，或者

说与缺陷面垂直时，能获得最佳反射，此时缺陷

检出率最高。因此，在被检工件上应选择能使超

声波束轴线尽量与可能存在的缺陷其延伸方向垂

直，或者说与缺陷面相垂直的工件表面作为检测

面以求获得最佳反射条件，有利于发现缺陷。

超声检测面示意图因此，首先必须分析被检工件中可能存在缺

陷的取向，然后据此选择合适的声束投射方向，必要时还需要考虑多方向投影（多

探测面或多角度入射）。此外，还应使声束能通过扫查面覆盖全部检查区域。然而，

要预先分析被检工件中可能存在的缺陷及其取向，则必须和对被检工件的材料、加

工工艺与制造过程等方面的了解结合起来。

使用超声波探头在被检工件的检测面上进行扫查时，应确保超声波束能覆盖所

有被检查的区域。对发现的缺陷进行定位（缺陷在工件中的埋藏深度与水平位置）、定量（缺陷大小、面积、长度）的评定并作出标记，必要时还需要判定缺陷的性质

或种类，亦即定性评定。

（七）材质衰减：超声波在工件中传播时，随着声程的增加，声能会逐渐减弱，即

有衰减现象存在，其产生原因主要有扩散衰减、吸收衰减（又称为内耗）和散射衰

减三个方面，扩散衰减不属于材料特性，因此在超声波检测中关注的是被检测材料

的吸收衰减和散射衰减两部分，以超声波的材质衰减系数表示。在实际应用中，多

采用在工件上进行多次底波法测定材料的视在衰减系数来表示，这要求工件具有上

下平行的表面，然后按下式计算：

α=([B m-B n]-20lg[n/m]-[n-m]B')/(2[n-m]T) dB/mm (T≥3N)

式中：α-视在衰减系数，dB/mm，表示超声波在介质中每传播1mm距离时超声能量损失的分贝值；[B m-B n]-示波屏上显示第m次底波高度与第n次底波高度相差的分

贝值，例如第1、2次底波高度差则为[B1-B2]（m、n为正整数，n＞m）；20lg[n/m]-

在远场中，第m、n次底波间扩散损失修正，以分贝计算，如第1、2次底波间的扩散损失即为20lg(2/1)=6dB；[n-m]B'-第m、n次底波间因为在工件上下表面之

间往返时在界面上的声能损失修正，称作往返损失修正，B'为声能在上下表面之间

往返一次的损失量（dB），这里面包括了表面粗糙引起的反射损失和声波返回到上

表面被探头接收用于显示的那部分能量。在被检工件上下表面平行并磨光的状态下

进行接触法检测时，通常有B'≤0.5dB，例如冷轧钢板表面的状态下，则有B'≤1dB，对于锻造表面状态下，B'通常有 1.5~2dB；2[n-m]T-超声波往返传播的实际声程，

T为工件厚度（上下表面间的距离）。

在实际检测时，由于探测面不可能太大（不是无限大平面），为了避免扩散声束

达到侧壁或端面引起例如波导效应或反射叠加干涉而影响测量的准确性，通常多采

用第1、2次底波进行测定，则上式简化为：α=([B1-B2]-6dB-B')/(2T) dB/mm

(T≥3N)，为了避免侧壁或端面干扰，要求探测面的横向尺寸L满足L≥0.65T。

当工件厚度T处于近场区时，由于声束尚未扩散，故式中的扩散修正项（6dB）可以省略。当工件表面光洁，或用水浸法检测时，则可省略往返损失修正项B'。

要注意的是：这种测量方法还受到耦合条件、材料表面状态、上下表面的平行

度等因素的影响，因此所测得的衰减系数只是一个相对数值，并不是绝对值。

在超声波检测的实际应用中，在评定缺陷大小时为了方便计算衰减损失补偿和

修正，还常常采用双声程衰减系数，亦即：α双=([B1-B2]-6dB-B')/T dB/mm，这里的α双表示超声波在材料中每往返1mm，或者工件每1mm厚度对超声波的衰减分

贝值。

对于轴类、棒材，其超声衰减系数的测量方法与上述相同，但一般在圆周面上

作径向测量。

例1：用2.5P20直探头测定厚度200mm钢锻件，使第一次底波B1高度为80%满刻度，然后调节衰减器使第二次底波B2高度也达到80%满刻度，所释放的分贝值

为（B1-B2）=17dB，令B'=1dB，则其单声程和双声程衰减系数各是多少？

解：设锻件C L=5850m/s，则λ=2.34mm，N=D2/4λ=42.7mm，T=200mm≥3N，故：

α单=(17-6-1)/2x200=0.025dB/mm；α双=(17-6-1)/200=0.05dB/mm

例2：用2.5P20直探头在厚度100mm钢锻件上测得(B1-B2)=5dB，令B'=1dB，则双声程衰减系数是多少？

解：设锻件C L=5850m/s，则λ=2.34mm，N=D2/4λ=42.7mm，T=100mm＜3N，故：α双=(5-1)/100=0.04dB/mm

另一种表示超声波衰减的方法称为相对衰减表示法。这是在一定的试验条件下

测定和比较被检工件衰减量的相对变化从而进行定性的比较。试验时应保持试件形

状、仪器、探头、耦合条件以及测量位置等因素不变，以工件与试块，或各工件之

间的第一次底波幅度作相互比较--即为一次底波损失评定，以第m次底波幅度作相

互比较--即为m次底波损失评定；观察底波次数多少及幅度变化情况作相互比较--即为多次底波法或多次脉冲反射法。在进行这种比较试验时，要求试件有一定的体

积和探测面积以避免侧壁或端面的反射干扰。