超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)波，我們可以利用超聲諧振儀把頻率可調(diào)的超聲波(主要利用縱波)入射到被檢工件中，當(dāng)超聲波與工件的固有頻率發(fā)生頻率共振時(shí)，相向傳播的入射波與反射波互相疊加形成駐波，此即縱波垂直入射的厚度共振。具體超聲波的諧振特性及應(yīng)用如下所述。

諧振即物理的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，物體的加速度在跟偏離平衡位置的位移成正比，且總是指向平衡位置的回復(fù)力的作用下的振動(dòng)。利用這種諧振特性，可以應(yīng)用于：

(1)測(cè)厚：
試樣厚度為d，在其中傳播的超聲波波長(zhǎng)為λ，則在發(fā)生諧振時(shí)得到：d=λ1/2=2λ2/2=3λ3/2=...=n·λn/2，式中n為任意正整數(shù)，亦即此時(shí)被檢工件的厚度等于諧振超聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。

當(dāng)試件材料的超聲波速C為已知時(shí)，根據(jù)聲速、波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系式：C=λ·f，可以得到在厚度共振時(shí)的超聲波頻率：fn=C/λn=n·C/2d，當(dāng)n=1時(shí)，f1=C/2d，這f1就是厚度共振的基頻，由于任何兩個(gè)相鄰諧波的頻率之差等于基頻，則有：fn-fn-1=nf1-(n-1)f1=f1，因此可以利用諧振儀確定厚度共振時(shí)兩個(gè)相鄰諧波的頻率，則工件厚度為：d=C/[2(fn-fn-1)]，或者在兩個(gè)不相鄰諧波的頻率分別為fm和fn時(shí)，由于：fm-fn=(m-n)f1，因此d=(m-n)·C/[2(fm-fn)]

(2)檢測(cè)缺陷：
當(dāng)被檢工件中存在缺陷時(shí)，與無(wú)缺陷的相同工件相比，其國(guó)有頻率將會(huì)發(fā)生改變，因而諧振狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化(諧振頻率改變)，從而可以據(jù)此檢測(cè)出缺陷的存在。例如用于測(cè)定金屬的硬度、檢查薄板點(diǎn)焊的質(zhì)量，特別是用于復(fù)合材料及膠接結(jié)構(gòu)的膠接缺陷(如未粘合、脫粘、貧膠等)以及膠接強(qiáng)度的檢測(cè)，成為專門用于檢查膠接質(zhì)量的“聲振檢測(cè)法”。

超聲波諧振特性的一個(gè)典型應(yīng)用是超聲硬度計(jì)，它是借助超聲傳感器桿諧振頻率的變化來(lái)測(cè)量硬度，主要用于測(cè)定金屬的洛氏硬度，采用比較法也可用于其他測(cè)量。超聲硬度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)試件表面的破壞極小、測(cè)量速度很快、操作程序簡(jiǎn)單，特別適合于成品工件百分之百檢驗(yàn)，并且可以手握測(cè)頭直接對(duì)工件檢測(cè)，特別適合于不易移動(dòng)的大型工件、不易拆卸的部件進(jìn)行測(cè)量。

在均勻的接觸壓力下，傳感器桿頂尖的壓頭與試件表面接觸，則傳感器桿的諧振頻率會(huì)隨試件的硬度而改變，通過(guò)測(cè)量傳感器桿的這種諧振頻率變化，即可確定試件的硬度。

測(cè)頭中的傳感器桿一端和一個(gè)大質(zhì)量剛體固定在一起，另一端鑲有金剛石壓頭，當(dāng)壓頭與試件不接觸時(shí)，壓頭處于自由狀態(tài)。在形成縱向振動(dòng)后，傳感器桿的固定端是振動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，壓頭端由于振幅最大而成為振動(dòng)的波腹點(diǎn)，因此桿的長(zhǎng)度等于振動(dòng)波長(zhǎng)的1/4，此時(shí)的頻率是傳感器處于自由狀態(tài)下的諧振頻率。

當(dāng)傳感器的壓頭端完全被試件與大質(zhì)量剛體緊固地夾住時(shí)，這是理想情況下，傳感器桿的兩端都將成為振動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，則桿的長(zhǎng)度等于振動(dòng)波長(zhǎng)的1/2，這時(shí)的諧振頻率等于壓頭端處于自由狀態(tài)時(shí)起始頻率的兩倍。

當(dāng)壓頭被壓到試件上，一般是介于上述兩者之間，在固定負(fù)荷作用下，對(duì)于彈性模量相同的試件來(lái)說(shuō)，若試件的硬度越低，則壓頭與其表面的接觸面積愈大，使傳感器桿的壓頭端被夾緊的程度也愈大，于是此端振動(dòng)幅度也愈小，相應(yīng)的振動(dòng)波腹點(diǎn)愈向桿的固定端方向移動(dòng)，因此振動(dòng)波長(zhǎng)就愈小，即桿的諧振頻率也就愈高。通過(guò)測(cè)量傳感器桿諧振頻率的變化，就可確定試件的硬度。

試件的彈性模量不同，也會(huì)影響接觸面積的大小，即影響傳感器桿諧振頻率的變化。因此，超聲硬度試驗(yàn)法是一種比較測(cè)量的方法，需要以彈性模量和被測(cè)試件相同的試塊作為校準(zhǔn)試塊來(lái)消除這種影響。

在測(cè)頭中有一個(gè)具有磁致伸縮效應(yīng)的傳感器桿，一端焊到一個(gè)鋼圓柱體上，此圓柱體質(zhì)量要比傳感器大得多，另一端鑲有136金剛石角錐壓頭，激勵(lì)線圈繞在傳感器桿上，在靠近傳感器桿與圓柱體的連接處固定上壓電晶體片。

傳感器桿作為一個(gè)機(jī)械諧振子，插入到激勵(lì)放大器的反饋電路中，在激勵(lì)線圈的作用下，使傳感器桿產(chǎn)生縱向超聲振動(dòng)，由壓電晶片檢出這個(gè)信號(hào)，正反饋到激勵(lì)放大器的輸入端，構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，其振蕩頻率就是傳感器桿的諧振頻率，反映了試件的硬度。

從激勵(lì)放大器輸出一個(gè)信號(hào)，饋送到脈沖電路中，形成一個(gè)重復(fù)頻率，是上述振蕩頻率1/2的方波脈沖，經(jīng)脈沖功率放大器放大，啟動(dòng)鑒頻器。在鑒頻器中，把反映不同硬度的頻率變化轉(zhuǎn)換成直流電流的變化，然后用一個(gè)直接用硬度單位標(biāo)度的直流微安表指示出來(lái)。在硬度刻度事先用標(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)后，就可從指示表上直接讀出試件的硬度值。

超聲硬度計(jì)采用充電裝置來(lái)直接由220V交流電對(duì)電池組充電，用穩(wěn)壓器消除工作過(guò)程中電池組電壓下降對(duì)示值穩(wěn)定性的影響。按照目前的電子技術(shù)發(fā)展而言，以上的超聲硬度計(jì)應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，從而進(jìn)一步提高測(cè)量的精度、穩(wěn)定性與可靠性。

超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的方法是多種多樣的，并且還在不斷探索和發(fā)展新的應(yīng)用方法和開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，如現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展的超聲頻譜分析法，這是根據(jù)超聲反射回波的頻譜特性分析，用以檢查評(píng)估材料的顯微組織形態(tài)，評(píng)估缺陷的形狀、種類和性質(zhì)，以及評(píng)定膠接結(jié)構(gòu)的膠接質(zhì)量等等。此外還有超聲波計(jì)算機(jī)層析掃描技術(shù)、超聲全息技術(shù)等等。特別應(yīng)該指出，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，超聲檢測(cè)信號(hào)的數(shù)字化處理、分析與顯示，更為超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與拓展提供了更大的空間，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?br />
閱讀本文的用戶還對(duì)以下文章感興趣：
超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)及概述
超聲波的反射與折射特性
超聲波的衍射與散射特性