深入解析超聲波原理：工作原理、應用與特點

超聲波為一種常見的非破壞性檢測工具，不論是人體檢查或者材料結構都經常使用這項技術，而究竟為什麼這項技術可以檢測，以下透過幾個問題來帶各位了解何謂超聲波檢測。

Q何謂超聲波?

    一般而言人類所能聽到的聲音頻率範圍為16 Hz ~ 2000 Hz，而超過2000 Hz的聲音就是超聲波（或超音波），常用於各種領域的非破壞性的檢測，例如：鋼材焊接是否有裂縫、土木工程中的連續壁體是否有缺陷，生物的醫學檢測⋯等等。

Q超聲波檢測之原理為何？

   超聲波的檢測原理為，利用超音波在不同介質中的傳遞速度不同，以及透過計算超聲波的發射波及反射波的時間差可以得知是否物體內部是否有損壞，例如鋼材焊接檢測。

Q:何謂介質？

   傳遞波的媒介就稱為介質，常見的介質為氣體、液體及固體，且不同的介質傳遞的速度不同，傳遞速度：固體大於液體大於氣體。

Q何謂波長？

波長顧名思義就是指波的長度，通常是指一個完整波形中的一個周期所對應的距離，如下圖所示。

Q何謂頻率？

頻率指的是在單位時間內所發生的次數，頻率與週期成反比，也就是1單位時間完成的波有幾個。

Q何謂週期？

週期與頻率成反比，因此週期代表的意義是，完成一個完整的波所需的時間為何。

Q何謂波速？

波速就是指波的傳遞速度，波速可以描述為波長與週期或頻率之間的關係，關係表示如下:

波速V = 波長 *頻率  =波長* 1/週期

Q波速固定的條件下，波長與頻率之關係為何?

     因為波速V = 波長 *頻率，所以當波速固定時波長與頻率成反比，因此如要讓波長短，就需要選擇高頻率的才能達成。

Q為何使用前要先塗一層膠？

   從上述問題中的檢測原理可以知道，若發射與接受超音波的探頭，如果探頭與量測物體的表面並無緊密接觸而有空氣時將影響量測結果，因此需要塗上一層傳導膠，讓超音波能夠順利傳遞，提升量測品質。

Q要如何從超聲波的波形中得知材料內部有缺陷?

    當超聲波傳播到物體中的缺陷時，它會遇到界面的反射或散射，從而產生回波信號，因此當有缺陷時就會有額外的回波產生。

Q要如何利用超聲波得知材料參數?

    要了解此問題就必須要談到波動方程式，而為了不要增加此文的難度，本文僅介紹得出材料參數之實際計算流程，如下圖所示

將材料的密度值，帶入

Cs=√(μ/ρ)

，其中Cs為橫波波速，ρ為材料的密度值，因此可以反求出剪切模數μ(又稱拉梅第二參數 Lamé’s second parameter)，接著透過

Cp=√((λ+2μ)/ρ) 

，其中Cp為縱波波速即可求出拉梅第一參數λ(Lamé’s first parameter)，最後透過柏松比與拉梅第一參數之關係式 ν=λ/(2(λ+G))求出柏松比， 最後根據剪切模數與楊氏模數之關係E=2G(1+ν) 即可求出楊氏模數。

Q若要量測物體內部一個極小的孔洞，應使用高頻還低頻的超聲波?

     當超聲波傳播到物體中的缺陷時，它會遇到界面的反射或散射，從而產生回波信號。如果缺陷的尺寸接近或小於波長的一半，回波信號將受到散射和衍射的影響，可能會導致檢測到的信號變弱或失真。因此當波速固定的情形下，想要有較小的波長，就需要選擇高頻的超聲波，因此需選擇高頻才能量測。

Q何謂縱波及橫波?

     縱波與橫波的差異為震動方向與能量傳遞方向之關係。

     縱波就是指震動方向與能量傳遞方向平行的波，例如彈簧以及地震波中的P波⋯等等。

     相反的橫波就是指震動方向與能量傳遞方向垂直的波，例如繩波及地震波中的S波⋯等等。