超声波检测（Ultrasonic Testing， UT）的原理、结构和算法。这是一种广泛应用于工业无损检测（NDT）和医学诊断（如B超）的强大技术。

　　一、核心原理(The Core Principle)

　　超声波检测的本质是利用高频声波与材料的相互作用来获取其内部信息。

　　什么是超声波：

　　指频率高于人耳听觉上限（约20 kHz）的声波。工业检测常用频率范围为 0.5 MHz ~ 25 MHz。

　　声波的传播与相互作用：

　　超声波在均匀介质中以恒定速度直线传播，其传播速度（声速）取决于介质的密度和弹性模量。

　　当超声波在传播过程中遇到声阻抗（密度×声速）不同的界面时（如缺陷、异质、工件背面），会发生物理现象：

　　反射：一部分声波被反射回来。这是脉冲回波法的基础。

　　透射：一部分声波穿透界面继续传播。

　　散射：遇到粗糙界面或小缺陷时，声波会向各个方向散射。

　　衰减：声波在传播过程中由于吸收、散射等原因导致能量逐渐减弱。

　　检测的基本模式：

　　脉冲回波法：最常用的模式。探头向工件发射一个短促的超声波脉冲，然后作为接收器“聆听”从内部缺陷或底面反射回来的回波。

　　缺陷定位：通过测量发射脉冲与回波之间的时间间隔（飞行时间， ToF）和已知的材料声速（c），即可计算出缺陷的距离（d）：d = c× ToF / 2（除以2是因为声波走了来回两倍的距离）。

　　缺陷评估：回波的幅度（高度）通常与缺陷的大小、取向和性质相关。

　　二、设备结构(Instrumentation Diagram & Description)

　　一套典型的超声波检测系统（以脉冲回波法为例）的核心部件如下：

　　图表代码

　　下载

　　检测过程

　　电脉冲激励

　　产生超声波

　　返回回波

　　转换为电信号

　　超声波探头（换能器）

　　Transducer

　　脉冲发生器/接收器

　　Pulser/Receiver

　　信号处理与显示单元

　　Instrument Unit

　　发射短高压电脉冲

　　接收微弱电信号并放大

　　待测工件

　　最终输出: A-Scan

　　（信号幅度 vs.时间）

　　以下是各部件的详细功能：

　　超声波探头（换能器）：

　　功能：核心部件，实现电能与声能（机械振动）的相互转换。

　　核心元件：压电晶片（如石英、锆钛酸铅PZT）。当施加高频电脉冲时，它会振动产生超声波（逆压电效应）；当接收到超声波时，它又会产生微弱的电信号（正压电效应）。

　　类型：

　　直探头：声束垂直于表面，用于检测与探测面平行的缺陷。

　　斜探头：利用楔块使声束以一定角度入射，用于检测焊缝等区域。

　　双晶探头：一发一收，适用于粗糙表面或近表面检测。

　　脉冲发生器/接收器：

　　脉冲发生器：产生一个短而高的电脉冲（通常几百伏）来激励探头晶片。

　　接收器：放大从探头返回的微弱电信号（通常只有微伏或毫伏级），并进行滤波等初步处理。

　　信号处理与显示单元：

　　功能：处理接收到的信号，并将其以可视化的形式显示出来。

　　显示器：最经典的显示方式是 A扫描（A-Scan），即幅度-时间曲线。横坐标代表时间（对应深度），纵坐标代表回波幅度。

　　耦合剂：

　　重要性：空气的声阻抗极大，会阻碍超声波传入工件。必须在探头和工件表面之间涂抹耦合剂（如油、甘油、水凝胶），以排除空气，确保声波能高效地传入工件。

　　三、算法与数据处理(Algorithms & Data Processing)

　　现代数字式超声波检测仪集成了强大的算法来处理信号和成像。

　　基本信号处理算法：

　　数字滤波：使用带通滤波器去除高频电子噪声和低频干扰，提高信噪比。

　　检波：射频信号（RF Signal）在屏幕上看起来是正负震荡的波形。通过全波检波或包络检波算法，可以将其转换为包含其幅度信息的正向包络线，便于观察和测量。

　　增益控制算法：

　　时间增益补偿/距离振幅校正：由于超声波会衰减，从深处（屏幕右侧）返回的回波会比浅处（屏幕左侧）的回波弱得多。DAC/TGC算法会随着时间（深度）的增加，自动按比例放大接收器的增益，从而使得相同大小的缺陷在不同深度能产生同样高度的回波显示，便于评价。

　　成像算法：

　　A扫描：最基本的波形显示，提供单个点的深度和幅度信息。

　　B扫描：将多个连续的A扫描并排排列，形成一个二维截面图，直观显示缺陷在截面上的形状和深度分布。

　　C扫描：探头在工件表面进行二维栅格扫描，记录每个点的特定深度位置的幅度或ToF信息，生成一个二维平面图，类似于X光片，用于显示缺陷在平面上的投影和分布。

　　相控阵：最先进的成像技术。使用多晶片探头，通过精确控制每个晶片发射/接收的时间延迟（延时法则），可以实现声束的偏转和聚焦，无需移动探头即可进行电子扫描，生成高质量的S扫描（扇形扫描）和3D图像。其核心是复杂的波束形成算法。

　　缺陷定量与定性算法：

　　定量：通过DGS/AVG图表（距离-增益-大小），根据回波幅度和深度来估算缺陷的当量大小（与平底孔或横通孔对比）。

　　定性：基于经验，通过分析回波的波形特征（如根部宽度、是否尖锐、多个回波的位置关系）来辅助判断缺陷的性质（如气孔、裂纹、夹渣）。

　　总结

　　原理：基于高频声波在材料中的传播及其在声阻抗突变界面的反射特性，通过测量回波的飞行时间和幅度来定位和评估内部缺陷。

　　结构：核心是探头（换能器），由脉冲发生器/接收器驱动，并通过耦合剂与工件耦合，信号由处理单元显示（如A-Scan）。

　　算法：包括数字滤波、TGC/DAC（增益补偿）以及高级的相控阵波束形成算法，用于生成A、B、C、S等各种扫描图像。

　　超声波检测因其穿透能力强、灵敏度高、能确定缺陷深度、对人体无害等优点，已成为工业无损检测（焊缝、铸件、锻件检测）和医学影像（B超）不可或缺的核心技术。