在传统的超声波检测方法中，超声波在被测件中可利用的传播路径很短，换而言之，每一个声束发射点的检测范围相当小，当需检测较大面积时，需要在被测试件表面逐点扫描，检测效率较低，因此，对长距离检测工作极为不便。相对于传统的超声波检测技术，超声导波检测具有传播距离远、速度快的特点，因此，在大型构件（如在役管道）和复合材料板壳的无损检测中有良好的应用前景。但目前，人们对超声导波的一些机理和特性仍然不很清楚，因此超声导波的理论研究成为近年来无损检测界的热点。随着超声导波理论研究的深入，产生了很多有关超声导波的新技术，促使其应用于更广泛的领域。

在无损检测领域，要有效地应用超声导波进行检测，必须了解超声导波的基本原理和特点，并根据超声导波的频散方程绘制频散曲线，从而确定超声导波检测的具体参数。下面以薄板中的兰姆波为例介绍超声导波检测的原理。

1.频散方程

频散是超声导波的固有特性之一，即导波的相速度随着频率的不同而不同，主要表现为相速度与群速度的不一致性。所谓相速度，是指波中相位固定的波形的传播速度，即单一频率波的传播速度。群速度是指脉冲的包络上具有某种特性（如幅值最大）的点的传播速度，是波群的能量传播速度，也是波包的传播速度。即群波是由一系列的波长和频率不同的分波叠加而成的合成波，由于各个分波在介质中传播的相速度各不相同，因此群波的波形随着时间变化，其振幅最大部分的运动速度成为群速度。群速度也表现为不同频率的波叠加形成合成波（波包）时，波包的波峰传播速度。真空中的相速度和群速度是相等的，但在能高度吸收或具有几何弥散的介质中，两者是不同的。

频散特性是超声导波应用于复合材料无损检测的主要依据。对超声导波频散特性的研究是深入研究超声导波本质的重要方面。超声导波的频散方程反映了超声导波的频散特性。

根据超声波质点振动的特点，钢板中的兰姆波分为对称模式和反对称模式。每种模式有不同的阶次，通常用S₀、S₁、S₂、…、S_n，A₀、A₁、A₂、…、A_n表示。在自由边界条件下，兰姆波频率特征方程为：

（1）对称模式

（2）反对称模式

式中 c_p——兰姆波相速度；

c_s——横波波速；

c_l——纵波波速；

f——兰姆波频率；

d——板厚。

式（10-6）和（10-7）中的兰姆波相速度c_p不是常数，它随着频率f和板厚d的变化而变化。该特性反映在相速度-频厚（频率与厚度的乘积）平面内就表现为一系列曲线，即所谓的频散曲线。

2.频散曲线的绘制

应用超声导波检测时，必须首先解决绘制兰姆波参数曲线的问题。因此，绘制兰姆波参数曲线对实际工程有着极其重要的意义。可以说，不解决兰姆波参数曲线的绘制问题，就不能充分而有效地利用超声导波进行检测。

兰姆波参数曲线一般包括相速度-频厚（c_p-f_d）曲线、群速度-频厚（c_g-f_d）曲线、激励角-频厚（α-f_d）曲线和板中质点位移振幅分布-板厚位置（U、V-x）曲线。其中，c_p-f_d曲线是由兰姆波频率特征方程求解所得，其他三种曲线则是分别由群速度、激励角、质点振动位移与特征方程的解c、p之间的特定关系所确定的不同方程求解所得。c_g-f_d曲线表示各模式的兰姆波在对应频厚条件下的能量传播速度。α-f_d曲线表示在对应频厚条件下激励产生的各模式兰姆波所应采用的入射角度。U、V-x曲线表示各模式的兰姆波在对应频厚条件下在平行和垂直于板材表面方向上振动位移的大小，它与兰姆波在板中的能量分布状况存在一定的对应关系。板材中的纵波速度、横波速度、板材厚度以及检测频率是求解兰姆波频率特征方程的四个独立变量。由于板厚和检测频率由实际检测条件确定，因此纵波速度和横波速度成为求解兰姆波频率特征方程和绘制兰姆波参数曲线的关键参数。

通过求解兰姆波频率方程，即可得到指定材料的相速度频散曲线。图10-40所示常见材料的相速度频散曲线。

当用脉冲波激发兰姆波时，所得兰姆波是由不同频率的波组成的，速度各不相同。这种合成振动的最大幅度的传播速度称为群速度。实际上兰姆波在板中是以群速度传播的。常见材料的群速度频散曲线如图10-41所示。

3.探头的选择

目前在超声导波检测中，所使用的探头主要包括压电式、磁致伸缩式、电磁声式、脉冲激光式等。由于使用方便、价廉、灵敏度高、技术完善，压电式传感器在超声导波检测中最为常用。

根据探头结构的不同，可将其分为直探头、斜探头和梳状探头。由于探头结构的不同，激励导波的形式和模态也不相同。梳状探头被看作是相速度的筛选器。通过调整探头之间的尺寸，控制被激励导波的波长，即可得到所需要的模态。如果探头间的距离固定，则导波的波长固定。在通常情况下，梳状探头在管道中沿轴向均匀分布，从而激励轴对称模态，抑制非轴对称模态。

图10-40 常见材料的相速度频散曲线

a）8mm厚316LMod不锈钢相速度频散曲线 b）4mm厚铝板相速度频散曲线

c）3mm厚钛衬里相速度频散曲线 d）4mm厚冷轧钢板相速度频散曲线

注：316LMod是国外不锈钢牌，与我国的不锈钢牌号022Cr17Ni12M02对应。

图10-41 常见材料的群速度频散曲线(www.daowen.com)

a）8mm厚316LMod不锈钢群速度频散曲线 b）4mm厚铝板群速度频散曲线

图10-41 常见材料的群速度频散曲线（续）

c）3mm厚钛衬里相速度频散曲线 d）4mm厚冷轧钢板相速度频散曲线

对于斜探头，选择不同角度的楔块和激励频率，可以得到相速度一定的超声导波。对于直探头，在某一频率下可激发出两种以上的模态。因此，斜探头比直探头更容易进行导波模态的控制，并有更高的灵敏度。

在实际应用中，超声导波探头的设计取决于以下几个方面：

1）被检件中超声导波的频散曲线。

2）被检件规则（直径、壁厚等）与声学特性。

3）检测要求的灵敏度。

4）被检缺陷的性质。

5）检测环境（包括环境温度、被检件表面状态等）。

超声导波斜探头检测参数的选择主要包括角度的确定、斜楔材料的选用和晶片尺寸与形状的选择。

探头的激发角度根据兰姆波检测时具体的模式来确定。为了得到较强的发射，具体做法是根据实际检测条件（频率、板厚）所对应的该模式的相速度c_p和斜楔材料的纵波传播速度c_l，利用斯涅尔（Snell）折射公式进行计算。

sinα=c_l/c_p （10-8）

式中 c_l——探头斜楔中的纵波波速；

c_p——板中所激起的兰姆波相速度。

显然，由于兰姆波各模式的相速度是频散的，因此在不同频率点激发的不同模式的兰姆波的入射角都是不同的。从激励角频散曲线（见图10-42）可以看出，激发兰姆波的激励角变化范围很大，在具体工作中要仔细分析。根据被测件相速度频散曲线与斜楔材料纵波波速可算出激励角。入射角应选择在相速度频散曲线上相速度变化不太大的部位，因为被检板材的厚度都有一定的公差，探头的入射角也会有误差或因磨损而改变。如果将入射角选在相速度频散曲线很陡的部位，则f、d的少量变化或入射角的少量改变都可能破坏正常的相位关系，从而造成灵敏度的急剧下降。但也不宜将入射角选择在相速度频散曲线上太平缓的部位，因为此部位许多模式的曲线很靠近，容易产生波型混杂。

图10-42 激励角频散曲线

4.超声导波信号分析与处理的目的

超声导波的主要特点就在于它的多模式和频散。在任一给定的激发频率下，超声导波一般存在两种以上的模式，而各模式的相速度又随着频率的改变而发生变化，即频散。各模式的频散特性使得超声导波检测变得非常复杂，所以，超声导波检测中很重要的一个方面是精确的信号解释。

超声导波信号分析与处理的主要目的是：

（1）模式识别 指通过一定的信号处理方法对检测信号进行有效识别，从而得到信号中包含的超声导波模式。模式识别是超声导波检测参数选定及优化的基础，也是进一步进行缺陷检测的基础。由于超声导波在波导中的传播比较复杂，常常不止一种模式，并且可能发生模式转化，因此进行有效的模式识别是十分重要的。

（2）模式选择 对特定类型缺陷和特定位置缺陷，不同模式的超声导波的检测敏感性是不同的。所以，在超声导波检测时选择合适的模式是必要的，而超声导波的主要特点就在于它的多模式和频散。此外，超声导波在传播过程中遇到缺陷和端面时会发生模式转换。了解缺陷与超声导波相互作用的机理，寻找对缺陷敏感的超声导波模式以及各种缺陷对超声导波参数的影响等，从而确定对特定缺陷最佳的检测模式。

（3）缺陷检测 指从超声导波检测信号的各种特征参数中提取缺陷信息，从而确定结构中缺陷的存在，以及缺陷的类型、当量大小，确定缺陷在结构中的位置，最后对检测结果作出无损评价，评估缺陷对内衬层使用性能的影响。

目前，缺陷检测所采用的信号处理方法主要可以分为时域法、频域法、时频域法。时频域法是目前为止最为理想的超声导波信号分析方法。时频分析的引入，把传感信号展开到二维时频空间上观察，可以同时观察信号在不同频率处的时间历程，能更精确、更全面地反映出分析信号的特征。信号的时频谱图表示的是信号在时频空间上的能量密度分布情况。因此当结构中存在缺陷时，信号在时频空间上的能量密度或多或少地会发生变化，主要表现为时频谱峰值的变化和时频谱成分的改变。这样，通过这两个特征参数，不仅可以确定板中是否存在缺陷以及缺陷的大小和类型，而且可以确定缺陷在板中的位置。

由于超声导波的多模式和频散特性，因此目前人们对超声导波与试样的作用机制以及与界面和缺陷的反应机理认识还很不完善，在短期内用超声导波实现各种类型缺陷试样的无损评价是不太现实的。但在一定的误差容限内，从实验角度或者针对特定模态的缺陷，了解缺陷与超声导波相互作用的机理，寻找对缺陷敏感的超声导波模式以及各种缺陷对超声导波参数的影响等，通过信号处理方法，提取有意义的参数，评价试样中缺陷严重程度，进而对试样中的缺陷进行超声导波无损定征是完全可以实现的。