超音波量測法

一、檢測原理

人耳可聽見的音波頻率約在 20 Hz〜20 kHz，若音波頻率高於此範圍，人無 法聽見，稱為超音波（Ultrasonic），超音波檢測設備（如圖 3-22 及圖 3-23 所示）

的基本原理是利用超音波在物質中傳導，若物質組織均勻，音波便可直線傳導；

若物質中有不均勻部分，其密度不一樣，構成許多不同的界面，便會使音波在不 同方向產生不同的音速，利用此特性，即可測出金屬中不均勻之部分。

圖 3-22 超音波設備型式

（資料來源：本研究自行拍攝）

圖 3-23 超音波探頭型式

超音波檢驗之優點，如下：

1. 對於表面及次表面的不連續面檢驗皆靈敏。

2. 可有效地對深度較深之探傷或尺寸進行量測。

3. 使用脈波回波法時，僅需要從材料的單邊進入。

4. 對於回波位置、大小的估算及缺陷的形狀有很高的準確度。

5. 檢驗前不需要太多的準備動作。

6. 探傷或量測結果可立即顯示在儀器上。

7. 檢驗系統可自動顯示所有的細節。

超音波檢驗之限制，如下：

1. 檢驗表面必須能使超音波射入。

2. 探頭和受檢物表面需有良好的耦合（部分探頭不須耦合劑）。 3. 方向平行於音束的線型缺陷檢測不易。

4. 需要參考規塊來做儀器校準或缺陷校準。

超音波的傳遞與一般聲波一樣係基於往復性的振動或材料內部的振盪，波傳 遞之速度與受介質種類影響甚大，各材料介質均有其特定之波速，且普遍於固體 傳遞速度最快，液體次之，氣體最小，所有材料皆由原子所組成，受外力作用皆 可能產生振盪，只要材料受的張力或壓力沒有超過其彈性極限，材料的質點便會 產生彈性振盪，當介質中的質點受力離開其平衡位置越遠，類似彈簧的恢復力便 會升高，這種恢復力加上質點本身的慣性，便形成了彈性振盪。應力波於彈性介 質中傳遞，依其行進方向以及質點振動方向，可將波分為下列四種形式：

1. 縱波（longitudinal waves）

縱波亦稱為壓力波（pressure waves），一般簡稱為 P 波（primary waves），

其屬於實體波（body waves），其在物體中傳遞時，介質顆粒的運動方向與傳 遞的行進方向平行，亦即若 P 波在 x 方向上傳遞，則介質顆粒會沿著 x 方向，

以原來位置為中心作左右的振盪，而使得介質顆粒有疏密的情形產生（如圖 3-24 所示），其介質顆粒在空間上相鄰最密或最疏處的距離是一個波長的距 離。

圖 3-24 縱波示意圖

（資料來源：GE 使用手冊）

2. 橫波（transverse waves）

橫波亦稱為剪力波（shear waves），一般簡稱為 S 波（secondary waves），

其屬於實體波（body waves），其在物質中傳遞時，介質顆粒的運動方向與傳 遞方向相互垂直，亦即若 S 波在 x 方向上傳遞，則介質顆粒會沿著ｚ方向，以 原來位置為中心做上下的振盪，而使得介質顆粒的排列有高下之分如波浪狀

（如圖 3-25 所示），介質顆粒在空間上相鄰等高處的距離是一個波長的距離。

圖 3-25 橫波示意圖

（資料來源：GE 使用手冊）

3. 表面波（surface wave）

表面波又稱雷利波（Rayleigh Wave），其沿固體材料表面深入物體內約一 個波長傳送，表面波同時具有縱波及橫波的運動方式而產生一種近似橢圓形軌 跡的複合式振動（如圖 3-26 所示），振動方向垂直於固體的表面，粒子越深入 物體表面，則橢圓的寬度越小。雷利波對表面缺陷或表面的特性靈敏度很高，

且沿著表面傳遞，即使是曲面仍會持續傳遞，因此，表面波可以檢測其他波式 較難到達之區域。

圖 3-26 雷利波示意圖

（資料來源：GE 使用手冊）

4. 平板波（plate wave）

平板波又稱蘭姆波（Lamb Wave），其於材料厚度極薄時產生，蘭姆波係 遍及整個材料板厚度的複合振動，其傳遞受材料密度及彈性的影響，同時亦受 頻率及板厚的影響。當聲波以某個特定入射角，而其聲速在該入射角度的水平 分量等於音波在材料中的傳遞速度時產生藍姆波。藍姆波具數種質點振盪模式，

通常分為粒子運動方向與中心軸對稱及不對稱兩種，圖 3-27(a)為對稱藍姆波 沿受檢物中心軸以對稱的方式移動，有時稱為擴張波，因為波的運動模式就像 在擴張及壓縮平板一樣，通常是激發波動的力平行於平板時產生，圖 3-27(b) 為非對稱藍姆波常又叫做彎曲波，因粒子大部分沿中心軸產生剪力方向的位移，

僅少部分平行於平板，在這個模式下平板的上下表面會產生同方向的位移。

(a)擴張波 (b)彎曲波

圖 3-27 藍姆波示意圖

（資料來源：本研究自行整理）

超音波設備依訊號接收方式不同，可分為脈波反射法（Reflection Method）

及脈波穿透法（Through Transmission Method），詳細內容如下：

1. 脈波反射法（Reflection Method）

將超音波傳入檢測物件，當檢測物中有缺陷時，超音波即折回，其他超音 波則到底面再折回，兩者差異，形成兩個不同時間的反射波（如圖 3-28 所示），

反射波的大小是縱軸上的高低，差異的時間可在橫軸上得知，由此可判斷缺陷 的位置及大小。

圖 3-28 脈波反射法示意圖

（資料來源：本研究自行整理）

2. 脈波穿透法（Through Transmission Method）

利用超音波穿透檢測物，測量超音波透過檢測物後之強度，判斷是否具有 缺陷存在，其方法係由一個探頭發射超音波，而在檢測物的對邊、側邊等位置，

以另一個探頭接收超音波訊號，當檢測物中無缺陷，可接收到較高的訊號高度；

若有缺陷，則傳送時部分音波為缺陷所反射，因而接收到較低的訊號高度。

依照超音波探頭之佈設位置的不同，其量測方式分為直接傳遞法、半直接 傳遞法及間接傳遞法，如下：

(1) 直接傳遞法

該方法係將激發端與接收端分別佈置於待測試體兩側（如圖 3-29 所示），

此種配置方式，由於應力波傳遞路徑最為明確，且接收端擷取所得之脈衝 能量最大，因此所測得之波速值較另二種方法為準確。

(2) 半直接傳遞法

該方法將探頭分別佈置於待量測物之相鄰表面上（如圖 3-29 所示），雖採 此方法仍可得到波速值，但相較於直接量測式而言，該方法應力波之傳遞 路徑較不明確，且應力波非直接傳遞，使得其脈衝能量衰減較為嚴重，使 用上應盡量避免二探頭相距過遠，以防止接收端探頭無法偵側到脈衝訊 號。

(3) 間接傳遞法

該方法係將二探頭佈置於同一平面上量測（如圖 3-29 所示），採用此方法 脈衝能量衰減現象最為嚴重，且將有最大誤差及容易受表層介質之影響，

需導入特定程序進行修正，以獲致正確波速值。採用該量測方法是為因應 量測環境受限之狀況，並為最終可取得波速資料之方法。

圖 3-29 超音波探頭佈置之量測方法

二、超音波波速檢測法應用範圍 1. 適用範圍：

耐燃裝修材料（單一材料）、防火被覆類（防火板）、防火玻璃類、水泥板（磚）、 木頭及板材類之建材。

2. 設備規格：

(1) 工作頻寬須：10~300 kHz。

(2) 超音波波速量測範圍：1000 – 9999 m/s。

(3) 探頭型式：乾點式（不需耦合劑）縱波（P 波）探頭及乾點式（不需耦合 劑）橫波（S 波）探頭。

(4) 傳遞模式：穿透模式（Through Transmission）。 (5) 量測結果顯示：A-Scan 顯示。

3. 量測方法：

(1) 防火被覆類（防火板）

a. 超音波量測須預先選定試體表面足具代表性之區域，使用超音波量測 其波速（P 波及 S 波）。

b. 樓板及牆面之超音波量測：在每邊長 300 mm 之正方形或等面積之區 域內至少以超音波設備量測 4 個均衡對稱點之超音波波速，並以平均 波速設表示該區域之波速。

c. 樑、柱及斜撐之超音波量測：以超音波設備量在其週長表面上選擇代 表性位置量測，樑、柱及斜撐每長 300 mm 處，樑面、柱及斜撐面之 各表面取 6 個位置之波速平均值為該長度之代表波速速。

(2) 防火玻璃類

a. 各式防火玻璃量測位置如圖 3-30 所示，其測點位置至少距邊緣 100 mm 以上，每片玻璃以超音波設備測量 5 個位置，分別量測 P 波及 S 波波 速，量測結果取其平均值。

圖 3-30 防火玻璃量測位置

（資料來源：本研究自行整理）

(3) 水泥板（磚）、木頭及板材類

(1) 各式水泥板（磚）、木頭及板材類之建材，其一組件至少測量 5 個位置，

其測點位置至少距邊緣 100 mm 以上，分別量測 P 波及 S 波波速，量 測結果取其平均值。

三、超音波測厚量測法應用範圍 1. 適用範圍：

適用於各式金屬材料，如：鋼材類、鐵類、鋁合金類等。

2. 設備規格：

(1) 量測材料：各式金屬材料。

(2) 量測厚度範圍：0.5~25 mm。

(3) 解析度：0.01 mm 及 0.1 mm。

3. 量測方法：

(1) 針對已知待測材料種類，超音波測厚設備將可依該項材料之波速進行測厚，

若為未知之材料，則以 X 射線螢光光譜儀（XRF）進行判別，再設定波 速，即可測得材料厚度。

四、試驗記錄