一、基于超声波的传播特性
反射现象
当超声波在金属内部传播时，如果遇到缺陷（如裂纹、夹杂、空洞等），由于缺陷与金属基体的声阻抗不同，就会在缺陷界面处发生反射。例如，空气与金属的声阻抗差异很大，若金属内部存在空洞这种缺陷，超声波传播到空洞界面时，很大一部分能量就会被反射回来，这一反射波可以被传感器接收并用于分析缺陷的相关信息。这种反射特性是检测内部缺陷的重要依据之一，通过分析反射波的幅度、相位等信息，可以推断缺陷的一些特性，如缺陷的大小、形状等。具体原理可参考：超声无损检测在金属修复中的创新，在这个文档中详细阐述了超声波在遇到缺陷时发生反射、折射等现象，并利用这些现象来获取缺陷信息的原理。
折射现象
除了反射，超声波遇到缺陷时还可能发生折射。折射波的传播路径与缺陷的形状和声阻抗差有关。例如在检测形状不规则的夹杂缺陷时，折射波会沿着夹杂与金属基体的界面发生复杂的折射，通过分析折射波的传播路径和相关参数，有助于确定缺陷的形状等特性。
散射现象
当超声波遇到金属内部的微小缺陷（如细小的夹杂物）时，会发生散射现象。这些散射波向各个方向传播，其中一部分也会被传感器接收。散射波的特性与缺陷的大小、形状、分布等有关。例如在检测金属内部弥散分布的细小夹杂物时，散射波的强度、频率等特征能够反映夹杂物的分布密度等信息。
二、检测的具体操作与信号处理
仪器设备与探头
首先需要使用超声波探伤仪这种专门的设备，并且配备合适的探头。探头的类型（如直探头、斜探头等）根据检测的需求和金属部件的形状、结构等来选择。直探头常用于检测垂直于探测面的内部缺陷，斜探头则适用于检测与探测面成一定角度的缺陷，如焊缝中的斜向裂纹等。
发射超声波
操作人员通过探伤仪向被检测的金属部件发射高频超声波脉冲。这些脉冲在金属内部传播，遇到缺陷时就会产生前面提到的反射、折射、散射等现象。
接收与转换信号
传感器（探头）接收反射、折射或散射后的超声波信号，并将其转换成电信号。这一过程中，探头的性能对检测结果的准确性有很大影响，例如探头的灵敏度、频率响应等特性决定了它能否有效地接收微弱的反射信号并准确地转换为电信号。
信号处理与分析
探伤仪对转换后的电信号进行处理和分析。例如，分析接收到的反射波的幅度、时差和相位等信息。反射波幅度与缺陷的尺寸和声阻抗差有关，如果反射波幅度较大，可能意味着缺陷的尺寸较大或者缺陷与金属基体的声阻抗差异较大；时差信息可以用于确定缺陷在金属部件中的深度位置，因为在已知超声波在金属中的传播速度的情况下，根据反射波的传播时间就可以计算出缺陷的深度；相位信息也有助于判断缺陷的类型和特性。通过这些信息的综合分析，就可以推断缺陷的尺寸、形状和位置等信息。
超声波检测金属内部缺陷的局限性
虽然超声波检测在检测金属内部缺陷方面有很多优势，但也存在一些局限性。例如，对近表面缺陷的检测灵敏度较低，这是因为近表面区域的超声波信号比较复杂，容易受到干扰，导致对近表面处小缺陷的检测能力有限；对于复杂结构的工件，检测难度较大，因为复杂结构可能会使超声波的传播路径变得复杂，产生多次反射、折射等情况，影响对缺陷信号的准确判断；对于高衰减材料，检测深度有限，由于高衰减材料会大量吸收超声波的能量，使得超声波在传播较短距离后能量就变得很微弱，从而无法有效检测较深位置的缺陷。这些局限性也需要在实际检测中加以考虑和应对。具体可参考超声无损检测在金属修复中的创新中的相关阐述。
