2.3 超聲波的特點
2.3.1 優點
① 超聲波的方向性好：超聲波具有像光波一樣定向發射的特性。
② 超聲波的穿透能力強：對于大多數介質而言，它具有較強的穿透能力。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達數米。
③ 超聲波的能力高：超聲檢測的工作頻率遠高于聲波的頻率，超聲波的能量遠大于聲波的能量。
④ 遇有界面時，超聲波將產生反射、折射和波型的轉換：利用超聲波在介質中傳播時的這些物理現象，經過巧妙地設計，可使超聲檢測工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。
⑤ 對人體無害。
2.3.2 超聲檢測技術的局限性
超聲波檢測的記錄性差，它不能像射線檢測及其他檢測方法那樣，可得出射線檢測及其他檢測痕跡，比較直觀地判斷缺陷幾何形狀、尺寸和性質；
超聲波檢測技術難度較大，其檢測效果和可靠程度往往受到操作人員的責任心、工作時的精神狀態及技術水平高低的影響。
2.3.3 超聲檢測技術的適用范圍
超聲波檢測是工業無損檢測技術中應用最為廣泛的方法。
就無損檢測而言，超聲波適用于各種尺寸的鍛件、軋制件焊縫和某些鑄件，無論是鋼鐵、有色金屬和非金屬，都可以采用超聲波法進行檢驗。各種機械零件、結構件、電站設備、船體、鍋爐、壓力容器等，都可以采用超聲法進行有效的檢測。
就物理性能而言，用超聲波可以無損檢測厚度、材料硬度、淬硬層深度、晶粒度、液位和流量、殘余應力和膠接強度等。
2.3.4 超聲波的分類
超聲波有很多分類方法，按照介質質點的振動方向與波的傳播方向之間的關系，可以分為縱波、橫波、表面波等。
2.3.4.1 縱波
縱波用L（Longitudinal Wave）表示，又稱為壓縮波或疏密波，是質點振動方向與波的傳播方向互相平行的波，如圖2-1所示。縱波可在固體、液體和氣體中傳播。
圖2-1 縱波的振動及傳播方向
2.3.4.2 橫波
橫波用S（Shear Wave）或T（Transverse Wave）表示，又稱為切變波，是質點振動方向與波的傳播方向相垂直的波，如圖2-2所示。橫波只能在固體介質中傳播，不能在液體和氣體介質中傳播。
圖2-2 橫波的振動及傳播方向
2.3.4.3 表面波
表面波用R（Rayleigh Wave）表示，它對于有限介質而言沿介質表面傳播的波，又稱為瑞利波，如圖2-3所示，其特點如下。
圖2-3 表面波的振動及傳播方向
① 只能在固體介質中傳播，不能在液體和氣體介質中傳播；
② 表面波的能量隨著在介質中傳播深度的增加而迅速降低，其有效透入深度大約為一個波長。
2.3.4.4 板波
在板厚和波長相當的彈性薄板中傳播的超聲波叫板波，分為對稱板波和非對稱板波，如圖2-4所示。
圖2-4 對稱板波和非對稱板波
2.3.5 超聲波在介質中的傳播特性
2.3.5.1 超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射
超聲波在無限大介質中傳播時，將一直向前傳播，并不改變方向。
超聲波在傳播過程中如遇到異質界面（即聲阻抗差異較大的異質界面）時，會產生反射和透射現象。
反射波與透射波的聲壓（聲強）是按一定比例分配的。這個分配比例由聲壓反射率r（或聲強反射率）和透射率t（或聲強透射率）來表示。
（2-1）
（2-2）
式中，Pr和Pt 分別為反射和透射聲壓；Po 為原聲壓；Z1和Z2分別為介質1和介質2的聲阻抗。
超聲波垂直入射時的反射率和透射率各不同，絕大部分都將被反射，因此必須借助于耦合劑降低反射率，提高透射率。圖2-5中，超聲波從水中射向鋼鐵時，在水鋼界面聲壓反射率會達到88%，聲壓透射率為12%。
圖2-5 超聲波在水鋼界面的反射和透射
2.3.5.2 超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射
當聲波沿傾斜角到達固體介質表面時，由于介質的界面作用，將改變其傳輸模式（例如從縱波轉變為橫波，反之亦然）。傳輸模式的改變還導致傳輸速度的變化，滿足斯涅耳定律，如式（2-3）所示。
（2-3）
式中，α為入射角；β 為折射角；γ為反射角；下角L表示縱波；下角S表示橫波；c為聲速。
超聲波的反射與折射遵循幾何光學中的反射定律與折射定律。反射定律的內容是：入射角等于反射角；入射線、反射線和界面法線在同一平面內。
折射定律的內容是：
（2-4）
式中，α為入射角；β為折射角；c1 和 c2 分別為第一介質和第二介質中的聲速。
2.3.6 超聲波的衰減
波在實際介質中傳播時，其能量將隨距離的增大而減小，這種現象稱為衰減。超聲波的衰減包括擴散衰減、散射衰減和吸收衰減。
當聲波在傳播過程中遇到由不同聲阻抗介質所組成的界面時，將產生散亂反射（簡稱散射）而使聲能分散，造成衰減，這種現象叫散射衰減。材料中的雜質、粗晶、內應力、第二相、多晶體晶界等，均會引起聲波的反射、折射，甚至發生波型轉換，造成散射衰減。如圖2-6所示。
圖2-6 超聲波散射衰減
擴散衰減是由于幾何效應導致的能量損失，僅決定于波的幾何形狀（例如是球面波還是柱面波），而與傳播介質的性質無關。
吸收衰減是指由于介質質點之間的內摩擦使聲能轉變成熱能，以及介質中的熱交換等而導致聲能的損失，可由位錯阻尼、非彈性遲滯、弛豫和熱彈性效應等來解釋。
超聲波在液體和氣體中的衰減主要是由介質對聲波的吸收作用引起的。有機玻璃等高分子材料的聲速和密度較小，黏滯系數較大，吸收也很強烈。
一般金屬材料對超聲波吸收較小，與散射衰減相比可以忽略。