非破壞性檢測分類非破壞性檢測分類

『 幾乎所有的能源形式都曾被使用在非破壞性檢測 』

例如

目視檢測

壓力和洩漏檢測

液體滲透檢測

熱視檢測

磁粒檢測

超音波檢測

射線檢測

渦電流檢測

動態測試法

非破壞性電子檢測法

其他

任何非破壞性檢測的任何非破壞性檢測的五大主要部分五大主要部分

(1) (1) 測試及檢驗媒介質之使用測試及檢驗媒介質之使用(2) (2) 在材料的結構與特性上因瑕疵或在材料的結構與特性上因瑕疵或

變異而引起對測試及檢驗時媒介變異而引起對測試及檢驗時媒介質之修正質之修正

(3) (3) 使用適當的偵測器作檢查使用適當的偵測器作檢查(4) (4) 變為更適合做研判之轉換變為更適合做研判之轉換(5) (5) 獲得資料的研判獲得資料的研判

音波與超音波音波與超音波之之

物理機制及傳播特性物理機制及傳播特性

聲音三要素：聲音三要素：頻率、振幅、波型頻率、振幅、波型

頻率頻率——波長愈長聲音愈低，反之波長愈短聲音波長愈長聲音愈低，反之波長愈短聲音愈高。頻率的計算是以每秒振動次數計，愈高。頻率的計算是以每秒振動次數計，單位為單位為HzHz。。

振幅振幅——空氣壓縮空氣壓縮: : 聲波的振幅愈大則音量愈聲波的振幅愈大則音量愈大，大，

反之振幅愈小則音量愈小，單位為反之振幅愈小則音量愈小，單位為dB dB 。。

波型波型——音色音色::

每一種音源皆有其獨持的音色，這是波型不同每一種音源皆有其獨持的音色，這是波型不同造成的，當音源受到振動時會推動空氣，造成造成的，當音源受到振動時會推動空氣，造成空氣擠壓產生聲音。空氣擠壓產生聲音。

所產生的第一個聲音我們稱為所產生的第一個聲音我們稱為””基音基音””，我們所，我們所認定的音高便是基音的頻率所決定的，當基音認定的音高便是基音的頻率所決定的，當基音產生後它又會以其本身的頻率的倍數產生後它又會以其本身的頻率的倍數

1/2,1/3,1/4,1/51/2,1/3,1/4,1/5……繼續振動，在音樂上來說就是繼續振動，在音樂上來說就是以基音的以基音的88度度,5,5度度,4,4度度,,大大33度度,,小小33度度……繼續振動發繼續振動發出聲音，我們稱這些基音以外的聲音稱為泛音出聲音，我們稱這些基音以外的聲音稱為泛音

(OVERTONE)(OVERTONE)，，諧音諧音(HARMONICS)(HARMONICS)。。

波型波型——音色：音色： ((續續))

當基音混和了不同音量比例的泛音後便會產生當基音混和了不同音量比例的泛音後便會產生不同的音色。由於每一種音源泛音振動的振幅不同的音色。由於每一種音源泛音振動的振幅皆不相同，因此每一種發聲體的音色也一皆不相同，因此每一種發聲體的音色也一定不定不一樣。和聲學中的大３和弦便是泛音列中包含一樣。和聲學中的大３和弦便是泛音列中包含基音的前５個音。基音的前５個音。

聲音的速度聲音的速度

聲音的傳播速度和介質密度、溫度有關，聲音的傳播速度和介質密度、溫度有關，與聲音的頻率、音量無關。與聲音的頻率、音量無關。常溫下在常溫下在1515℃℃時音速約為時音速約為340m/s340m/s。。

機械波（力學波）:經由介質才能傳遞的波動。波在彈性介質中傳遞，由於介質內摩擦吸收部份能量．以致機械波振幅隨傳遞距離逐漸衰減而消失。

定義 :

λπ2

=K

fT

ππω 22 ==

KKfv ϖπ

πωλ =⋅== 22

行進波一般式

.弦上有一橫波 單位用cgs制。請計算(1)振幅(2)波長(3)頻率(4)速率(5)傳播方向。

Sol: 比較

)0.4020.0sin(0.6 tXy ππ +=

)0.4020.0sin(0.6 tXy ππ +=

)sin( tKXyy m ω−⋅=

)sin( tKXyy m ω−⋅=

Sol:

(1) 振幅= cm

(2) 波長= cm

(3) 頻率= Hz

(4) 速率= cm/sec

(5) 沿負x方向

0.6=my

100020.022

==π

ππK

0.22

0.42

===ππ

πωf

200020.00.4

===ππω

KV

音波依人耳可辨別之頻率分類:

1. 可聞聲波(audible wave):即人類耳朵能聽見的音波，頻率約在20Hz到20kHz，如樂器、聲帶或喇叭◦

2. 聲下波(infrasonic wave):頻率在20Hz以下之音波，如地震波◦

3. 超音波(ultrasonic wave):頻率在20kHz以上之音波，可應用交流電使石英晶體振盪而產生超音波，常使用於控制、量測、醫療或清潔之用途◦

聲波速度聲波為可壓縮波，通過可壓縮介質(如空氣)時，它與介質的壓縮性和介質慣性有關◦若介質的容積係數為B，平均密度為ρ，則在此介質中之聲速為:

依B之定義為壓力變化Δρ對體積改變率 -Δv/v之比，即:

ρ/BV =

vv

pBΔΔ

−=

繩上橫波速度：

(註:μ=弦之線密度，T=週期)

可見波速與介質的彈性(B或T)以及慣性(ρ或μ)的特性有關;即所有機械波的速度均可表示為:

μTV =

慣性特性彈性特性=V

聲波速度推導:若活塞突然向右以u速度移動，在Δt時間內，活塞位移了uΔt，作用在被壓縮區域的淨力為AΔp，在Δt內所產生的衝量I為:

活塞的壓縮使AuΔt體積內的氣體分子進入鄰區，而使鄰區氣體分子密度增加，密度增加的區域即為壓縮區◦若AuΔt體積內分子皆以V等速運動，則壓縮區可視為以V等速運動的脈衝◦

tpAtFI Δ⋅Δ⋅=Δ⋅= )(

壓縮區質量的增量為:

Δm=ρAuΔt

(式中ρ為活塞未壓縮前之氣體分子密度)

壓縮區動量增量為:

( :動量)

vtAumvP )( Δ=Δ=Δ ρv

Pv

又作用於物體上的衝量等於動量的改變， 故

I=(AΔp)Δt

=動量的增量

=ρAuΔt v

→ Δp = ρ u v

又Δp= -B(Δv/v) 容積彈性係數定義，式中(Δv/v)為體積的改變比，可視為Δt內活塞的移動改變的體積Δv = -AuΔt與聲波所走過的體積V=AuΔt之比值，即

vu

tAutAu

vv −=

ΔΔ−

=Δ

故Δp= -B(Δv/v)=B(u/v)及Δp=ρvu二式可得B(u/v)=ρuv，即 :

ρBv =

以波傳速度推導介質之彈性係數.標準狀況下，一摩爾的氧佔體積22.4公升，此時聲速為317.2m/s，求氧之容積彈性係數?

Sol:氧(O2)分子量 = 16×2=32 g/mole =3.2× kg/mole

=> ρ=

由 v =

210 −

)(104.22

)(102.333

2

molem

molekg

−

−

×

×

ρB

)(1044.1)2.317(104.22102.3

252

3

22

mntVB ×=×

××

== −−

ρ

氣體中的聲波

大部份氣體導熱都很差，所以氣體密度在作疏密變化時，能量傳遞非常少，故其體積與壓力的變化過程可視為絕熱過程的理想氣體並滿足下式:

)tan( tconsPV r 常數=

r: 常數，等於定壓比熱與定容比熱之比值

對上式微分得:

代入 式中，

則

(此式為在絕熱氣體中之音速)

01 =+− dPVdVrPV rr

VrPdVVdvrPVdP rr /)/( 1 == −

VV

PBΔΔ

−=

rPv

dvdPB =−=

ρρ rPBv == /

若為理想氣體(PV = nRT)，則

上式中R為氣體常數、M為分子量，n為莫爾數◦

)(RTMP

MRT

MRT

vm

vRT

Mm

vnRTP =⋅=⋅=⋅== ρρ 取

21

21

)()1

(M

rPTMPRTrPrPv =×===>

ρ

將上式和分子的均方根速度

比較，兩者僅差一因數r與3，因r約在1與67之間，因此氣體中的聲速與分子均方根非常接近◦由該式亦能預測當溫度上升時，聲速也會增加◦聲音在空氣中速率與溫度關係式為:(t為攝氏溫度)。

MRTVrms /3=

tV 61.0331 +=

聲音的都卜勒效應 (Doppler effect)

產生於波源與觀察者有相對運動時，觀察者所見的頻率和波源的頻率有不同的現象，稱之為都卜勒效應◦

光波與聲波均有都卜勒效應◦

說明

1、觀察者以v0速度走向靜止波源◦若音源頻率f、波長λ，聲速v ◦當觀察者靜止=>他每秒可測得 f 個波前數(即所測得頻率與音源同)◦當觀察者具v0速度接近音源=>t時間內有v0t距離之移動，他多測了v0t/λ個波前數，則每秒增加波前數目為v0/λ，觀察者所聽到的頻率為:

λ0vffff +=Δ+=′

)()1()( 000vvvf

vvff

vvff +=+=⋅+=′

)/( fv=λ

若觀察者以v0速度離開音源，則觀察者每秒鐘所測得的波前數變少了，則觀察者聽到的頻率為:

合併二情況即觀察者，與靜止音源有相對運動(相對速度v0時)，觀察者聽到的頻率為:

…(正號表接近，負號表離開)

)( 0v

vvff

−=′

)( 0v

vvff

±=′

2、觀察者不動而音源運動若音源以vs速率接近觀察者A及離開靜止觀察者B◦則A將聽到變高的頻率，而B則聽到變低的頻率◦音源接近A =>A所見波前彼此接近，結果A所測得波長 比λ要短些，在每次振動之間，音源走了vsT= vs/f的距離，即波長的縮短量

λ ′

fv s−=Δ−=′ λλλλ

由 得

由上式知，當音源向觀察者運動，所測得頻率變高◦當音源離開觀察者運動=>所測得比λ長，聽到的頻率變低，即:

綜合音源對靜止觀察者運動，所測得頻率一般式為

fv′

=′λ )(sss vv

vf

fv

fv

v

fvvvf

−=

−=

−==′λλ

)(svv

vff+

=′

)(svv

vffm

=′

3、若音源、觀察者、傳遞音波的介質都在運，觀察者聽動的一般式為:

式中符號說明: v0:觀察者速度vs:音源移動速度v : 聲速w: 風速

式中符號(+v0及- vs)表示彼此接近，使頻率變高◦(- v0及+ vs)表示彼此遠離，使頻率變低◦

)( 0wvvwvvff

s ++±

=′m

某人目送火車以10.0m/s速率直線離去，車笛頻率500Hz，此時風速極微略而不計◦問(a)某人聽見車笛頻率為何? (b)車上旅客聽見車笛頻率為何?

Sol:(a)由

(b)

)(48510331

331500)( Hzvv

vffs

=+

×=+

=′

)(500 Hzf =

警報器之頻率為1000振動/秒，離君而向一峭壁運動，其速率為10 米/秒，則(a)君直接從警報器所聽到之聲音頻率為何?(b)從峭壁所反射之聲音頻率為何?

Sol:(a)

(b)

)sec(6.970)10330330(1000)( vib

vvvff

s

=+

=+

=′

)sec(3.1031)10330330(1000)( vib

vvvff

s

=−

=−

=′

一蝙蝠在洞穴中疾飛，她有效率的使用超音波幫助航行◦假定那聲波頻率是 39 KHz，當她以音速的1/40飛向平直牆壁時，聽見回聲頻率為何?

Sol:令蝙蝠發出的聲波頻率為 f，音速為v，蝙蝠以 vb速度接近洞壁，在洞壁所測得頻率 為 (亦為反射波頻率) 則

蝙蝠感覺到回音頻率為

f ′

)(bvv

vff−

=′

)(v

vvff b+′=′′ )(b

b

vvvvf

−+

= )1

1(

vv

vv

fb

b

−

+= KHzK 41)

4011

4011

(39 =−

+⋅=

Takeda等(1970)製成一種非破壞性儀器，利用拍打蘋果所測量之聲音分析技術找出蘋果振動之自然頻率與成熟度之關係。

Clark(1975)測量聲音之衰減時間與農產品之光學性質之關係，評估西瓜之成熟度。

Armstrong等(1990)指出果肉之堅實度(firmness)可做為蘋果質地或成熟度的指標。

音波(Acoustic)非破壞檢測在生物材料品質檢測應用

Abbott等(1968)利用搖擺衝擊蘋果，得到蘋果的自然頻率，結合共振頻率(f )與質量(m)得到「剛性係數」(stiffness coefficient)（f 2m），做為蘋果果肉之堅實度，且「剛性係數」隨蘋果生長期增加而衰減。黃、陳(1993)二人利用音波求得蘋果得共振頻率、質量及密度計算出蘋果的彈性模數以及彈性模數與時間變化之關係式。

艾(1996)利用衝擊拍打造成之聲音進行非破壞性音波檢測，利用彈性圓球理論求出彈性模數與成熟度指標因子；報告指出，西瓜成熟度與成熟度指標因子相關，且FFT的共振頻率所探測西瓜內部空洞及方位，比具多年經驗的瓜農還要精確。

Yamamoto (1980)利用一機械式衝擊法打擊蘋果來產生可聽到之共振頻率，並與Magness-Taylor之堅實度比較，發現共振頻率、質量或密度等之各種組合可以來預估Magness-Taylor堅實度。

Cooke(1972)利用一彈性球模式(elastic sphere model)建立了激振技巧與測量方法，來解釋在各種不同的振動下，彈性模數(modulus of elasticity)與剪力模數(shear modulus)之影響。

Chen(1990)找出影響蘋果音波特性之因子，利用衝擊鎚敲打蘋果，用儀器擷取音波信號，與人耳判斷比較後發現，水果的第一與第二共振頻率與其堅實度有相關。

Sasao(1985)利用一塑膠製成的衝擊球敲擊西瓜，發現音波反應之第一自然頻率會隨著西瓜之生長時間增加而減小，而第二自然頻率之出現會在西瓜達到最佳成熟度可以採收之階段。

聲波在品質檢測應用例--聲波鳳梨

利用脈衝震動衝擊鎚敲擊鳳梨，產生振動，製造出的聲波經由兩個麥克風擷取。信號分析儀可擷取時間域(time domain)的音波類比信號，經由內部類比/數位(A/D)轉換介面卡轉換為數位信號，再經由FFT運算可以得到在頻率域(frequency domain)的以測知鳳梨的共振頻率。

FFT-constant Hz bandwidthCPS-constant percent Hz bandwidth

信號分析儀

鳳

梨

脈衝震動

集音器

吸音承架

信號線

振動波具有高於正常聽力範圍之頻率被稱為超音波（Ultrasonic），它大概包含所有頻率高於20K週/秒（cps）之音波，本質上無異於音波,音響學內的物理定律也適用。但由於其應用頻率之波長範圍大約在欲檢測瑕疵範圍, 且能精密有效的達到品質及安全使用的要求，因此超音波檢測技術日趨重要，是非破壞性檢測中不可或缺的一環。

超音波( Ultrasonic)基本特性介紹

超音波發展史超音波的發現與頻率有關，大約在十九世紀中，發現了人類聽力的極限約在18KHz。而超音波的技術第一次被發展應用是在第一次世界大戰時用來偵測潛水艇，往後就一直在此方面上應用。在戰時高強度超音波已被發展來應用，且在清洗、細胞破裂與乳化設備上之應用，達到了頂點。此種高強度的超音波是屬於低頻範圍，大約在100KHz之內連續發射，功率在10KW/m2以上。

在第二次世界大戰中的雷達電子技術領域中，建立了利用超音波對金屬做非破壞性檢測的基礎發展，並且進一步的發展利用影像技術在目前醫學超音波應用之可行性(Wells, 1977)。

超音波非破壞檢測定義

超音波定義為脈衝運作(pulsed operation)之低功率(小於100mW)高頻(在0.1至20MHz之間)的音波。因此定義NDT為低功率超音波穿透系統時，不致使系統產生任何改

變。

利用電壓的正負及大小作用於壓電晶體，使其厚度方向產生壓縮震盪現象發出超音波而傳入受檢物；反射後的超音波在受檢物產生伸縮震盪現象，而於電極間產生電壓，經增幅由陰極的線管上觀測之。波的頻率是粒子每秒振動的次數，同一波中任何粒子的震盪頻率皆同，此頻率由產生震盪的波源決定。粒子同相（運動狀態相同）的相鄰兩平面間的距離稱之波長，頻率越高則波長越短，同材質中不因頻率或波長之不同而改變音波傳送速度。

1、 縱波(longitudinal wave , p波)傳遞介質之粒子運動方向與其傳送方向相同

者稱之。因其壓縮力及擴張力的交互作用於介質，又稱壓縮波(compression wave) , 專供強力超音波應用；其粒子因其作用而發生連續變化，故又稱密度波。

常用波的形式:

2、橫波(transverse wave)：傳遞介質之粒子運動方向垂直其傳送方向

者稱之。可視為介質側邊介面上的粒子受週期性的切向力作用而上下震盪，又稱切向波或剪波(shear wave, S波)，只能於固體中傳送。

3、表面波(surface wave)：於受檢物表面傳送者稱之，可分為(a) Rayleigh

wave(R波) -於受檢物厚度或曲率半徑遠大於其表面傳送的波長者稱之；（b）藍姆波-於受檢物厚度或曲率半徑相近於其表面傳送的波長者稱之；又可分為對稱的擴張波，其中央部份或中性區域粒子作純縱波振盪及不對稱的彎曲波，其中央部分粒子作純橫波震盪；（c）L波(Love wave)-於受檢物表面另有一不同密度之薄層材料時所存在的純橫波者稱之。超音波須靠介質的粒子才能傳送，故於真空中無法起作用。

超音波波長短，行進方向為直線進行，音源傳送時會發散，頻率越高發散越小。超音波傳送經材料會導致熱傳導、黏滯磨擦、彈性黏滯及散射等的能量損失而引起其音波強度的衰減。超音波能量、回波高度以兩個實數值之比取其對數，以縮小其數值來表示，其單位為分貝，記號為「dB」。

比值與分貝關係表

比值 分貝值

10 20dB

5 14dB

2 6dB

1 0dB

1/2 －6dB

1/5 －14dB

1/10 －20dB

超音波脈衝技術(ultrasonic pulsed technique)

在液體與固體中測量超音波最廣泛應用的技術為脈衝技術，用在與樣本接觸之壓電換能器上之一個正弦波電壓的脈衝，此換能器轉換一電子脈衝為一音波脈衝，在穿透過介質中，典型的信號大小在幾伏特至幾百伏特之間，而脈衝寬度約在1與1μs(1x10-6秒)之間，每秒約有100至2500個脈衝。

1MHz頻率以上的超音波適用於脈衝穿透法(pulse transmission method)，及兩個換能器一起用，一個用於發射，一個用於接收。

利用脈衝技術最大的好處即是超音波速度與衰減可以同時測得，速度的測量約有小於±1%之誤差，而衰減測量之誤差約在±1%至±5%之間。在音波隨著傳遞路徑之增加而回聲音波振幅之減少的衰減測量，有一些方法，當有很多回聲音波時，連接回聲音波之波峰可以構成一指數衰減之曲線，而超音波衰減即可直接由此指數曲線之校正得到。

1、脈衝穿透法(pulse transmission method)

在脈衝穿透法中有二個換能器(一個發射一個接收)，每一脈衝產生後將穿透過介質，一部份被接收器接收，一部份在被接收器反射回來，此一反射脈衝在介質中來回數次後，其回聲波會顯示在示波器上，一脈衝在介質路徑中傳遞來回各一次之時間，可以由示波器上之連續波峰之時間換算得出。

常用的兩種主要脈衝技術:

此法的靈敏度和鑑別率受音束有效截面積、換能器的平行度、換能器或受檢面有無氣泡、掃描和紀錄速度、受檢物對超音波束之方向等因素而決定，為得最佳鑑別率，傳送和接收換能器表面必須平行，以罩子或透鏡來限制音束有效截面積。由音波穿透過介質之路徑除上此時間即可得出超音波速度，利用此技術得出之速度誤差約為1%，

McClements與Povey(1987)即利用脈衝穿透法測量出在固態三硬脂酸乾油脂(tristearin)的速度，進而決定出固態脂肪含量。

2、脈衝回聲法(pulse echo method)

在此方法中，只用一個換能器，超音波脈衝由此換能器傳出，碰到樣本後部份或全部反射回來再由此換能器接收。此方法應用在裂縫檢測中，當換能器發射出一聲音脈衝時，會形成一波束，在傳遞路徑中碰到一裂縫，若此裂縫小於波束之橫截面，波束的一部份會通過裂縫到達對面，一部份經此裂縫反射一回聲波，此回聲波之形狀與大小由此裂縫來決定，通常會比對面反射回來之回聲波形小，且介於兩個發射器接收到的波峰之間，

即一脈衝波傳遞時先遇到裂縫，此時經由裂縫反射回來的回聲波會顯示在示波器上，部份為碰到裂縫之波會繼續前進直到碰到對面或底部，反射一回聲波顯示於示波器上，由回聲波形大小可辨出裂縫之大小，裂縫愈大回聲之波幅愈大，但是還是比碰到對面或底部之波幅小。

超音波換能器

超音波換能器可以轉換電能為超音波之機械能，當超音波應用時，最困難決定的是換能器之頻率與換能器與樣本間之接觸介質(couplant)。

Silk(1984)超音波非破壞性的檢測最適當之頻率範圍為1MHz至15MHz之間，表三為超音波應用在液體樣本時之頻率範圍。由於散射之問題，在液體中盡量不使用低於1MHz頻率。

0.2 ～40牛奶

5水

0.2 ～10血液

0.25～95油

頻率範圍(MHZ)樣本系統

應用在液體系統中之超音波頻率範圍

超音波脈衝穿透法之原理乃利用超音波換能器(Panametrics)，一為超音波發射器(將電能轉為聲能)，另一為超音波接收器(將聲能轉為電能，Panametrics 5058PR)。每個脈波經由發射器產生後，傳送到待測物，一部分被接收，一部分被接收器反射到發射器，如此週而復始，於是會在示波器見到數個循環的脈波，再與電腦連接，透過GPIB卡將數據送至電腦儲存，經由時間差與波傳距離可求得超音波速度c為:

超音波脈衝穿透法之量測系統與計算

其中d為兩換能器相距之距離，t2及t1為波傳接收與發射之時間。且經由連續脈波的振幅(V2與V1)差異，可求得超音波能量之衰減α為:

α =⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

1

21

2d

V

Velo g

cd

t t=

−2

2 1

Water

Sponge

T/R

0.5MHz transducer (Panametrics V389 )

Sample

Guide

d= 30 mm

LECROY LT-342

Ultrasonic pulser/receiver(Panametrics 5058PR)PC

Fig.2 Schematic diagram of the underwater ultrasonic measurement system

Water tank

Digital Oscilloscopes

浸入式脈衝回聲實驗系統圖

Howe 等,1986油之百分比乳化

Fitzgerald 等, 1961

Kirking 1979脂肪與固體百分比

牛奶

Winder 等, 1970 酒精及固體之百分

比

酒

Chouikhi 等, 1986顆粒百分比咖啡(在水中)

Zacharias 等, 1972新鮮果肉或糖份百

分比水果果汁

Alliston 等., 1982Bass等, 1982， Miles等, 1984

固體脂肪百分比牛、猪及羊

參考文獻性 質系統速度(velocity)

超音波在食品工業上應用

Gould等, 1972Voisey等, 1976

厚度蛋殼

Mayer等, 1959, Povey等,

1980, Javanaud等,1984

年紀蛋(蛋白與蛋黃)

Garrett等, 1971Hayes等, 1982

成熟度各種水果

Miles等, 1974 冰之百分比

冰與水在肉中混合

Steele, 1964

Smith等, 1986

含水率結構冰淇淋

Feil等, 1971固體百分比酵素漿

McClements等,1987 固體脂肪百分比油類

Sarker等, 1983 年紀馬鈴薯

Sarker等, 1983成熟度水果(蘋果與洋香瓜)

Sarker等, 1983 穩定度橘子汁

Miles等, 1978冰之百分比冰與水在肉中混合

衰減(Attenuation)

Povey等, 1981脆度

餅乾(Biscuits)

Oralandini等, 1983裂縫檢測乳酪

Freeze等,1974脂質含量(lipid

content)

魚

散播(scattering)

Sarker等, 1983裂縫帶殼甜玉米

Sarker等, 1983裂縫番茄表皮

Sarker等, 1983光滑度橘子表皮

鏡反射(specular

reflectance)

Javanaud等,1984;Povey等,

1980;Choi等, 1987年紀蛋(蛋白與蛋黃)

Haumschild等,1983經由霜降狀(marbling)後之品質分級

牛肉

品質檢測技術以非破壞、非接觸、高精確度且簡單迅速為應用與需求主流。工業界及醫學界已有成功發展(如液滲檢測、超音波檢測、渦電流檢測、磁粒檢測及射線檢測法等) ；

但工業上受測物多為具有均質與良好彈性性質的金屬材料,在超音波振動傳遞上比應用於非均質的農漁牧等生物材料(產品)單純。

超音波在生物材料檢測應用

超音波在蔬果應用, 需使用低頻高能的超音波儀器克服衰減問題, 原因是蔬果組織具多孔性特點會使穿透蔬果的高頻超音波產生較高衰減。

一般以超音波量測蔬果特性，其頻率範圍被建議在50KHz到500KHz之間。

Finney 等(1967）以香蕉圓柱形樣本做縱向振盪，並以振盪振幅對振盪頻率圖中之最大振幅為諧振頻率（resonant frequency)，由 E＝4ρf2L2 求得楊氏係數(E)。並指出香蕉成熟過程，澱粉水解為糖使果肉滲透壓（osmotic presure)升高，此與果肉成熟軟化過程中細胞間的充實壓力（turgor presure)變小有關。式中ρ為密度（g/cm3）,f為諧振頻率(Hz),L為樣本長度(cm) 。強迫振動方式曾用以求蘋果全果及取樣樣本之楊氏係數、切變模數、黏性阻尼（Viscous damping)、內部摩擦等與自然頻率之關係。

Abbott 等(1968）利用兩種音波能量法檢測蔬果內部組織結構, 並分析蘋果楊氏係數與諧振頻率之關係。音波在物體內傳播速度乃視物體楊氏係數（E）、密度（ρ）及蒲松比（Poisson’s ratio,ν）而定,利用音波在物體內的傳遞速度，可量測出蘋果機械性質(E、ρ及ν值)。

Finney(1967)利用超音波檢測水果的彈性性質，證實蘋果，梨子，桃子的成熟度與楊氏係數間具有顯著相關，並指出成熟期最後兩週中，楊氏係數每天變化量在3﹪範圍內。

利用超音波反射訊號的頻譜分析（spectral analysis)可分辨蘋果是否損傷。未受損傷蘋果組織具相當高的音阻抗使大部分入射超音波能量在蘋果表面即被反射,受損傷蘋果的反射訊號具有較低振幅其音阻抗比未受損傷蘋果低(即受損傷蘋果的組織使大部分入射波能量可穿透)。

廖政輯(1989)分析蘿蔔密度、質量與音波頻率反應之關係,得質量或密度愈大時，振動產生的振動頻率會往高頻帶分佈。

超音波穿透技術曾用於量測西式柳橙汁的穩定性、蕃薯表皮有無裂縫及去殼甜玉米的瑕疵等。亦曾有對馬鈴薯、甜瓜、蘋果組織的衰減情形量測，分析其對頻率範圍在0.5~1.0Mhz超音波的反應。其總損失T（含衰減及反射損失）為：

T＝ 20 log10 (AT/AT0）因衰減造成損失與受測物的厚度有線性關係

，而與反射受測物厚度無關，故T亦可表示為：T＝αD＋B

AT 為超音波穿透過受測物後所量得的振幅。AT0為發收兩個探頭間無受測物時所量之振幅。α為衰減係數（dB/cm）,D為受測物厚度（cm), B為反射損失。