超声波与弹性波的比较
升拓技术—超声波与弹性波的比较
（四川升拓检测技术有限责任公司，四川成都610045）
摘要：由于振动和冲击弹性波可以直接反映混凝土结构和材料的力学特性、几何条件和边界条件，具有作为土木工程无损检测的得天独厚的条件，从而得到了广泛的瞩目和飞速的发展。而超声波则可以作为冲击弹性波的一个特例，但其应用领域等受到很大的限制。
关键词：无损检测技术，冲击弹性波，超声波，土木工程，升拓无损检测
无损检测技术运用在交通、水利水电工程中时，会用到各种波动和振动作为测试媒介。常用的有光波、电磁波、弹性波（包括冲击弹性波、超声波、声波）等。其中，弹性波由于能够直接反映材料的力学特性，从而得到了非常广泛的应用。超声波是一个耳熟能详的名词，在无损检测中也经常用到。这里就弹性波和超声波的异同进行较为详细的阐述。
超声波的基本概念
超声波是指在空气中传播时，人耳听不见高频声波，其频率大于20KHz。由于空气中不存在剪切刚性，因此声波（包含超声波）是一种疏密波。同时，由于空气粒子的运动方向平行于声波的传播方向，声波也是P波。另一方面，在混凝土、金属结构中，由于材料存在剪切刚性，因此弹性波不仅包含P波，还包括S波（SH波和SV波）以及所合成的表面波。
超声波的产生以钛酸钡，水晶，PZT 等压电材料为主。超声波的产生如下图所示，在探头的两面镀银的为电极加上电压，使探头在厚度方向产生伸缩进而激发超声波。这种机械振动也叫做超声波振动。相反，探头在机械振动传播下，其两电极间能产生与振动强度成比例的高频电压。因此，探头是机械振动与电气振动的交换器，不仅能够作为信号源，也可以拾取信号。
超声波一般具有如下特性：
(1)频率高，一般在数百KHz以
上；
(2)通常以P波为主。近年来，也
出现了针对固体检测用得S
波超声波。
图1-1 超声波的发生
在混凝土表面用超声波发振和用锤打击发振产生的弹性波基本上是相同的。但超声波是通过振动子伸缩是电压变化，在短的时间内完成，产生短的脉冲。
超声波受信和加速度传感器受信的机械基本相同。但加速度传感器受信的频带宽，而超声波是利用卓越频率的共振，可高感度受信。
弹性波的基本概念
首先，要分清楚两个容易混淆而又相互关联的概念，即振动和波。振动表示局部粒子的运动，其粒子在平衡位置做往复运动。而波动则是全体粒子的运动的合成。在振源开始发振产生的扰动，以波动的形式向远方向传播，而在波动范围内的各粒子都会产生振动。
换句话说，在微观看主要体现为振动，而在宏观来看则容易体现为波动。
图1-1 振动概念
波頭
粒子
图1-2 弹性波的概念
在交通工程中所用的无损检测技术
里，也会用到各种波动和振动作为测试媒
介。常用的有光波、电磁波、弹性波（包
括冲击弹性波、超声波、声波）等。其中，
弹性波由于能够直接反映材料的力学特
性，从而得到了非常广泛的应用。而冲击
弹性波则是用锤或其他激振装置与测试
对象冲击产生，是弹性波的一种。因为其
具有激振能量大、操作简单、便于频谱分
析等特点，是一种非常适合无损检测的媒
介。其中，基桩完整性小应变检测技术
（PIT: Pile Integrity Test）就是冲击
弹性波最广泛的应用领域之一。
超声波和冲击弹性波的异同
我们知道，冲击弹性波是由激振装置
在固体表面击打产生的。同样，如果使用
超声波探头在固体表面诱发振动，也能够
在固体内部激发冲击弹性波。因此，在固
体中传播的超声波可以理解为能量比较
弱，频率高的冲击弹性波，其与锤击等方
式诱发的冲击弹性波并没有本质上的区
别。
但是，由于激振以及受信结构上存在
差异，超声波和与这里所说冲击弹性波之
间还是有一定的不同，主要体现在：
(1)能量：冲击弹性波的能量远远
大于超声波；
(2)发振信号的频率特性和波长：
超声波波长短，一般是几厘
米，而用锤击激振产生的冲击
弹性波波长几十厘米甚至更
长。因此，超声波的分辨率高，
对细微的缺陷比较敏感，但衰
减快，测试范围受到限制；
(3)受信信号的频率特性：超声波
的探头在保持高灵敏度的同
时，其频率响应特性一般较差
（典型的频率相应特性如图
1-2-14，测试频域内几乎没有
平坦部分。也就是说，超声波
测试仪器对频率分析和振幅
分析都比较困难。而冲击弹性
波测试一般采用加速度传感
器，传感器在各种固定方式
下，其频响曲线都有较长平坦
部分，有利于频谱分析和能量
分析。
下表表示了超声波和冲击弹性波的主要异同。
图1-2 平坦部分没有频率特性
图1-3 平坦部分固有频率特性
表1-1 超声波和冲击弹性波的主要异
同
项目超声波发振
方法电气振动
能量小
频率短（频率高）受信
传感器类型探头
受信灵敏度高
频谱特性差
对金属弹性模量的测试
金属（钢铁）的性质是比较均匀的。
例如，钢筋所用的低碳钢的弹性模量一般
在200～210GPa。根据一维波动理论，在
其间传播的弹性波P波的波速为5.06～
5.19km/s。用冲击弹性波测试得到的波速
为5.18km/s（±0.5%），而用超声波得到
的波速则在5.3～5.8km/s左右，根据不
同形状的对象，最大可达6.0km/s，其误
差为2.3～15.8%。
至于超声波测量钢筋波速偏大的问题，学者们给出了不同的解释，但在实际使用中存在的问题却一直难以解决：1）测试的结果与超声波的频率有关；
2）测试的结果与超声波探头的特性有关：也就是说，不同厂商的超
声波设备测试得到的波速值有可
能差别很大；
3）