无损检测中的体波、导波和表面波

在无损检测（NDT）领域，体波、导波和表面波是三种至关重要的弹性波，它们被广泛应用于检测材料内部的缺陷、测量厚度、评估性能等。其物理本质与地震波相同，但尺度、激发方式和应用目标截然不同。

以下是它们在无损检测中的详细解释：

1. 体波

体波在无损检测中主要指的是纵波和横波，它们是在材料内部向各个方向传播的波。

• 激发方式：通常通过压电换能器（探头）产生。换能器将电脉冲转换为机械振动，耦合到被检工件上。

• 主要应用：

• 缺陷检测：这是最经典的应用。探头发出体波脉冲，当波在材料内部传播遇到缺陷（如气孔、裂纹、夹杂物）时，会发生反射、散射或衰减。通过接收和分析回波（ echo）的到达时间和振幅，可以精确判断缺陷的深度、大小和性质。

• 测厚：特别适用于只能从一侧接近的工件。测量发射波和底面回波之间的时间差，根据已知的波速即可计算出厚度。广泛应用于管道、容器壁厚测量。

• 特点：

• 优点：检测深度大，定位精度高（尤其是深度方向）。

• 缺点：通常需要逐点扫描，检测效率相对较低；需要良好的耦合剂（如油、凝胶）来传递声波。

典型技术：常规超声检测（UT）。

2. 导波

导波在无损检测中特指被限制在波导结构中传播的波，其能量集中在边界之间并来回反射，从而能够传播很长的距离。最常见的波导结构就是板和管。

• 激发方式：使用特殊的探头或探头阵列，通过控制入射角度和频率，激励出特定模式的导波（如兰姆波）。

• 主要应用：

• 长距离、快速筛查：这是导波最大的优势。一次激励，导波可以沿着管道或板结构传播数十米甚至上百米。因此，它非常适合用于快速检测管道腐蚀、壁厚减薄、大型板材的分层等。

• 隐蔽区域检测：对于有包覆层、保温层或埋地的管道，无需拆除覆盖物，导波可以穿透这些层进行检测。

• 特点：

• 优点：检测效率极高，100%体积检测，可达性要求低。

• 缺点：模式复杂（存在多种振型，如对称模式S0、反对称模式A0），信号解释困难；定位精度不如体波，通常只能给出缺陷的周向位置和大致轴向范围，难以精确测定深度。

典型技术：导波检测（GWUT或GWT），如用于管道的Teletest、Wavemaker系统。

3. 表面波

表面波在无损检测中主要指瑞利波，其能量集中于材料表面以下约1-2个波长的深度内。

• 激发方式：使用特殊的斜探头，通过临界折射产生表面波。也可以使用梳状阵列探头直接激发。

• 主要应用：

• 表面缺陷检测：对工件表面的裂纹、划伤、开口缺陷等极其敏感。是检测疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹的利器。

• 表面性能评估：表面波的传播速度对材料表面的硬度、残余应力、组织变化（如淬火层深度）非常敏感。通过测量表面波速，可以评估材料的表面性能。

• 特点：

• 优点：对表面缺陷灵敏度极高；可用于评估表面力学性能。

• 缺点：检测深度很浅，对工件表面光滑度要求高。

典型技术：表面波超声检测。

对比总结表 (无损检测视角)

如何选择？

• 想知道一个厚板内部有没有气孔或夹杂？ -> 用体波。

• 想快速检查一百米长的管道有没有大面积腐蚀？ -> 用导波。

• 想检查一个发动机涡轮叶片表面有没有微小的疲劳裂纹？ -> 用表面波。

这三种波技术相互补充，共同构成了超声无损检测的强大工具箱。