超声收发仪透射模式

超声收发仪透射模式详解

超声收发仪的透射模式（Transmission Mode）是超声波检测中的一种基本工作方式，主要用于测量材料的声速、衰减系数、厚度或内部缺陷。以下是其工作原理、应用场景及操作要点的系统解析：

1. 透射模式基本原理

• 工作方式：
  使用一对探头（发射探头与接收探头）分别置于被测物体两侧，发射探头产生超声波，接收探头检测穿透物体后的信号。

• 发射端：电信号→超声波（压电效应）。

• 接收端：超声波→电信号（逆压电效应）。

• 关键参数：

• 声速（V）：通过测量超声波穿透时间（Δt）和样品厚度（d）计算：

  $$V=\frac{d}{\Delta t}$$

• 衰减系数（α）：比较入射波与透射波幅值：

  $$\alpha =\frac{1}{d}\ln \left(\frac{A_0}{A_t}\right)\text{（单位：dB/m或Np/m）}$$

  其中 $A_0$ 为入射波幅值，$A_t$ 为透射波幅值。

2. 透射模式的典型应用

（1）材料声学参数测量

• 声速：判断材料弹性模量（如金属、岩石、生物组织）。

• 衰减系数：评估材料均匀性或孔隙率（如混凝土老化检测）。

（2）缺陷检测

• 内部裂纹/空洞：超声波在缺陷处发生散射或阻断，透射信号幅值降低。

• 分层结构：多层材料中界面脱粘会导致透射波延迟或幅值变化。

（3）厚度测量

• 已知声速时，通过透射时间差计算厚度：

  $$d=V\times \Delta t$$

  适用于单层均质材料（如玻璃板、塑料薄膜）。

3. 透射模式的系统组成

4. 操作步骤

1. 样品准备：

• 确保样品表面平整，厚度均匀。

• 涂抹耦合剂（避免气泡干扰）。

2. 探头对齐：

• 发射与接收探头需严格同轴（误差<1°），否则信号减弱。

3. 参数设置：

• 选择合适频率（高频分辨率高但穿透力差，低频反之）。

• 调节脉冲电压和增益（信噪比优化）。

4. 数据采集：

• 测量穿透时间（Δt）和透射波幅值（Aₜ）。

5. 计算分析：

• 根据公式计算声速、衰减或缺陷尺寸。

5. 透射模式 vs. 反射模式

6. 注意事项

• 频率选择：

• 高频（5~10 MHz）：薄材料或高分辨率需求（如芯片封装检测）。

• 低频（0.5~2 MHz）：厚材料或高衰减介质（如混凝土、生物组织）。

• 耦合剂影响：

• 耦合剂厚度需均匀，否则引入额外时间延迟。

• 温度控制：

• 声速受温度影响（如金属中声速变化约0.1%/℃），需记录环境温度。

• 多次反射干扰：

• 薄样品中多次反射信号可能叠加，需时间窗隔离首波。

7. 实测案例

• 案例1：有机玻璃声速测量

• 厚度 $d=10\text{ mm}$，测得穿透时间 $\Delta t=6.5\mu \text{s}$。

• 声速 $V=\frac{10\text{ mm}}{6.5\mu \text{s}}\approx 1538\text{ m/s}$（与理论值1540 m/s吻合）。

• 案例2：铝合金缺陷检测

• 正常区域透射幅值 $A_0=5\text{ V}$，缺陷区域 $A_t=1\text{ V}$。

• 衰减增加，提示内部存在孔隙或裂纹。

8. 常见问题

Q1：透射信号微弱怎么办？

✅ 解决方案：

• 提高发射电压或接收增益。

• 改用低频探头（穿透力更强）。

• 检查耦合剂是否充分。

Q2：如何区分材料衰减与界面反射损失？

✅ 方法：

• 测量不同厚度样品的透射幅值，若衰减系数随厚度线性变化则为材料衰减，否则需考虑界面影响。

Q3：透射模式能否检测复合材料？

✅ 可以，但需注意：

• 各向异性材料（如碳纤维）需多方向测量。

• 层间粘接质量可通过透射波幅值变化评估。

总结

透射模式是超声波检测中定量分析材料声学特性的核心方法，适用于声速测量、缺陷检测及厚度评估。正确选择探头频率、优化耦合条件并精确对齐探头，是确保数据可靠的关键。对于复杂结构，可结合反射模式或TOFD（衍射时差法）进行综合判断。