检测技术基础：科技创新驱动质量提升

本章介绍的声方法检测有别于超声波法检测等常规的声学检测技术，常规的声学检测多把被检工件作为单一的超声波脉冲传输的介质；这里所说的声方法检测是把被检工件作为一个振动结构来处理的，检测它的振动阻抗率、振动幅度、振动频率、振动相位等振动特性。进而，分析其振动特性与力学性能、材料损伤之间的关系，以此来实施对工件的无损检测。国内把这一检测技术称为声振检测，也有称为声阻检测的；国外有称为机械阻抗法（Mechanical impedance method），也有称为振动法（vibration method）的。它的特点是既经济又容易实现。敲击法是其中最简单而又经常应用的例子。

充满声波的空间，称为声场。通常用声压、声强、声阻抗率等几个特征量来描述声场的特征。声振检测主要是利用机械振动的声场特征作为检测的技术基础。

1.声压

当声波传播时，介质中某一指定点在某一瞬间所具有的压强超过没有声波存在时同一点的静态压强的量值，称为声压，以p表示。

声压的单位，按国际制单位，采用帕斯卡，以Pa表示，1Pa=1N/m²。因Pa量值太小，常用kPa或MPa。

声波在介质中传播时，各点的声压都随时间和空间（距声源的距离）的变化而变化。

下面以简谐纵波为例，对声压作进一步讨论。设简谐纵波波动方程为

式中 A——声波的振幅；

ω——声波的角频率；

t——声波传播的时间；

x——声波在时间t传播的距离；

c——声速。

质点振动的速度为

质点振动的加速度为

在介质中取垂直于声波传播方向的一个微小薄层作为体积元dsdx来加以讨论。设体积元左侧声压为p，而右侧声压为p+dp，则体积元所受的合力为dsdp。体积元的质量Δm=ρdsdx。由牛顿第二定律

F=ma

则得

将上式对x积分，就可得出声压与空间、时间的关系：

声压振幅

p_m=Aρωc （3.3-5）

由式（3.3-5）可知，声压正比于质点振动的振幅、介质密度、波速和波的频率。(www.xing528.com)

2.声强

在声场的某一指定点上，一个与指定方向相垂直的单位面积上在单位时间内所通过的平均声能，称为声强度，以I表示。

声强的法定计量单位为W/m²。

当声场传播到介质中某一位置时，该位置原来静止的质点开始在平衡位置附近振动因而具有一定的动能；同时，该处的介质又发生形变，所以又具有一定的弹性势能。我们在垂直于声波传播方向上取若干层平面进行分析。声波传播时，介质由近及远地一层接一层传递振动，从而能量也进行逐层传播。现以纵波在均匀的、各向同性的固体介质中传播为例，来近似地讨论声强的计算方法。

考虑固体中的一个体积元（质点），设其截面积为s，长度为Δx，则其体积为ΔV=sΔx。设介质的密度为ρ，则其质量Δm=ρΔV=ρsΔx。当纵波传至该体积元时，振动过程中所具有的能量形式是动能、势能互相交替，而总能量不变（能量守恒），当速度v最大时，其动能等于总能ΔE。由式（3.3-2）可知，质点振动速度与振幅的关系式为

v_m=Aω （3.3-6）

则有

设单位体积介质所具有的能量（能量密度）为E，则有

对垂直于声波传僠方向的单位面积而言，在单位时间内声波由此向前推进的距离在数值上恰好等于声速c，即在单位时间内使体积为1×c的介质具有了大小为Ec的声能。根据上述声强的定义，该能量在数值上等于声强，所以有

将式（3.3-5）代入式（3.3-7）得

将式（3.3-6）代入式（3.3-7）、式（3.3-5）分别得

p_m=ρcv_m （3.3-10）

综合分析式（3.3-7）、式（3.3-9）、式（3.3-10）可知：声强与质点位移振幅、质点振动角频率乘积的平方成正比，也即与质点振动速度振幅的平方成正比，或与声压振幅的平方成正比。

3.声阻抗率

由式（3.3-10）可知，p=ρcv（该式中，声压与声速均为振幅即最大值，通常所用为有效值，公式不变）。从而可以得出

可见：在声压不变时，ρc越大，质点振动速度v就越小；反之亦然。从而，将ρc称为介质的声阻抗率（或称特性声阻抗），以z表示。即z=ρc，ρ是介质的密度，c是特定波的模式在该介质中的传播速度（声速），与介质的特性有关。

由z=p/v，声阻抗率定义为平面自由行波在介质中指定的某一点的有效声压p与该点质点的有效振动速度的比值。声阻抗率的法定计量单位为Pa·s/m。在无损检测中，常用z=ρc，采用kgf/（m²·s）为单位[1kgf/（m²·s）=9.8Pa·s/m]。

由于声速c与介质材料的弹性模量E和密度以下式相关联：c=（E/ρ）^1/2，从而可以得到：z=（Eρ）^1/2。对相当薄的材料（如胶粘层或涂层）想测量通过它们的声速是不现实的。然而，声阻抗率提供了较大的检测可能性，是声振检测发展的技术基础，因而也是声振检测中的一个最基本的声学参量。

近年来，复合材料和复合结构等新材料、新结构的广泛应用，一些常规无损检测技术难以检测的缺陷，如疲劳裂纹和冲击损伤等，用声振检测却能取得满意的结果。该项技术在得到广泛应用的同时，又在不断地改进，向仪器化、智能化方向发展，以减少操作人员主观因素的影响。市售复合材料与胶接结构便携式仪器大多应用声振检测原理。