2.3 超声波的特点
2.3.1 优点
① 超声波的方向性好：超声波具有像光波一样定向发射的特性。
② 超声波的穿透能力强：对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。
③ 超声波的能力高：超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。
④ 遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的转换：利用超声波在介质中传播时的这些物理现象，经过巧妙地设计，可使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。
⑤ 对人体无害。
2.3.2 超声检测技术的局限性
超声波检测的记录性差，它不能像射线检测及其他检测方法那样，可得出射线检测及其他检测痕迹，比较直观地判断缺陷几何形状、尺寸和性质；
超声波检测技术难度较大，其检测效果和可靠程度往往受到操作人员的责任心、工作时的精神状态及技术水平高低的影响。
2.3.3 超声检测技术的适用范围
超声波检测是工业无损检测技术中应用最为广泛的方法。
就无损检测而言，超声波适用于各种尺寸的锻件、轧制件焊缝和某些铸件，无论是钢铁、有色金属和非金属，都可以采用超声波法进行检验。各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力容器等，都可以采用超声法进行有效的检测。
就物理性能而言，用超声波可以无损检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等。
2.3.4 超声波的分类
超声波有很多分类方法，按照介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系，可以分为纵波、横波、表面波等。
2.3.4.1 纵波
纵波用L（Longitudinal Wave）表示，又称为压缩波或疏密波，是质点振动方向与波的传播方向互相平行的波，如图2-1所示。纵波可在固体、液体和气体中传播。
图2-1 纵波的振动及传播方向
2.3.4.2 横波
横波用S（Shear Wave）或T（Transverse Wave）表示，又称为切变波，是质点振动方向与波的传播方向相垂直的波，如图2-2所示。横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。
图2-2 横波的振动及传播方向
2.3.4.3 表面波
表面波用R（Rayleigh Wave）表示，它对于有限介质而言沿介质表面传播的波，又称为瑞利波，如图2-3所示，其特点如下。
图2-3 表面波的振动及传播方向
① 只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播；
② 表面波的能量随着在介质中传播深度的增加而迅速降低，其有效透入深度大约为一个波长。
2.3.4.4 板波
在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波叫板波，分为对称板波和非对称板波，如图2-4所示。
图2-4 对称板波和非对称板波
2.3.5 超声波在介质中的传播特性
2.3.5.1 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射
超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，并不改变方向。
超声波在传播过程中如遇到异质界面（即声阻抗差异较大的异质界面）时，会产生反射和透射现象。
反射波与透射波的声压（声强）是按一定比例分配的。这个分配比例由声压反射率r（或声强反射率）和透射率t（或声强透射率）来表示。
（2-1）
（2-2）
式中，Pr和Pt 分别为反射和透射声压；Po 为原声压；Z1和Z2分别为介质1和介质2的声阻抗。
超声波垂直入射时的反射率和透射率各不同，绝大部分都将被反射，因此必须借助于耦合剂降低反射率，提高透射率。图2-5中，超声波从水中射向钢铁时，在水钢界面声压反射率会达到88%，声压透射率为12%。
图2-5 超声波在水钢界面的反射和透射
2.3.5.2 超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射
当声波沿倾斜角到达固体介质表面时，由于介质的界面作用，将改变其传输模式（例如从纵波转变为横波，反之亦然）。传输模式的改变还导致传输速度的变化，满足斯涅耳定律，如式（2-3）所示。
（2-3）
式中，α为入射角；β 为折射角；γ为反射角；下角L表示纵波；下角S表示横波；c为声速。
超声波的反射与折射遵循几何光学中的反射定律与折射定律。反射定律的内容是：入射角等于反射角；入射线、反射线和界面法线在同一平面内。
折射定律的内容是：
（2-4）
式中，α为入射角；β为折射角；c1 和 c2 分别为第一介质和第二介质中的声速。
2.3.6 超声波的衰减
波在实际介质中传播时，其能量将随距离的增大而减小，这种现象称为衰减。超声波的衰减包括扩散衰减、散射衰减和吸收衰减。
当声波在传播过程中遇到由不同声阻抗介质所组成的界面时，将产生散乱反射（简称散射）而使声能分散，造成衰减，这种现象叫散射衰减。材料中的杂质、粗晶、内应力、第二相、多晶体晶界等，均会引起声波的反射、折射，甚至发生波型转换，造成散射衰减。如图2-6所示。
图2-6 超声波散射衰减
扩散衰减是由于几何效应导致的能量损失，仅决定于波的几何形状（例如是球面波还是柱面波），而与传播介质的性质无关。
吸收衰减是指由于介质质点之间的内摩擦使声能转变成热能，以及介质中的热交换等而导致声能的损失，可由位错阻尼、非弹性迟滞、弛豫和热弹性效应等来解释。
超声波在液体和气体中的衰减主要是由介质对声波的吸收作用引起的。有机玻璃等高分子材料的声速和密度较小，黏滞系数较大，吸收也很强烈。
一般金属材料对超声波吸收较小，与散射衰减相比可以忽略。