超声实验1 讲义.docx

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超声实验1讲义

（说明：

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超声波性能表征及其在长度测量和材料性能表征中的初步应用

一、实验目的

1.掌握了超声波的特点，了解超声波的应用；

2.掌握超声波及其探测器的性能表征方法；

3.理解利用超声波进行材料性能表征的原理，掌握利用超声波测量固体弹性常数的技术；

4.通过超声波折射现象了解弹性波的基本特性和波形转换（选做）。

二、实验仪器

JDUT-2型超声波实验仪，示波器。

JDUT-2型超声波实验仪如图1所示，图1中1是超声波实验仪的主体，附件2是斜探头，

附件3是试块，附件4是可变角探头，附件5是直探头。

JDUT-2型超声波实验仪只能够调节放大电路的衰减数值。

衰减的单位是分贝，用dB表示，定义如下：

分贝值=20lgA（dB），其中A是放大倍数。

衰减器读数与放大器的放大倍数成对数关系。

超声仪衰减器动态范围是96dB，从0dB到95dB；调节步长为1dB和10dB两种。

示波器可以采用通用型、频率在20兆以上的示波器。

图2.仪器连接示意图

图2是仪器连接示意图，当采用单探头工作方式时，利用三通线把发射接收接头连接起来，然后与探头连接。

示波器采用外触发工作方式，连接超声仪触发接头与示波器外触发输入口。

分别把信号检波输出和射频输出与示波器第一、第二通道输入口相连，或者根据需要只接其中一种输出方式。

当超声仪采用双探头工作方式时，发射接口和接收接口分别与发射探头和接收探头相连。

在进行实验时，需要适当设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电压范围与时间范围，使示波器上看到的波形适中。

三、实验原理

1.超声波的基本知识

超声波是频率在2104Hz1012Hz的声波。

超声广泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫声中含有超声成分，蝙蝠利用超声导航和觅食；金属片撞击和小孔漏气也能发出超声。

人们研究超声始于1830年，F.Savart曾用一个多齿轮，第一次人工产生了频率为2.4104Hz的超声；1912年Titanic客轮事件后，科学家提出利用超声预测冰山；1916年第一次世界大战期间P.Langevin领导的研究小组开展了水下潜艇超声侦察的研究，为声纳技术奠定了基础；1927年，R.W.Wood和A.E.Loomis发表超声能量作用实验报告，奠定功率超声基础；1929年俄国学者Sokolov提出利用超声波良好穿透性来检测不透明体内部缺陷，此后美国科学家Firestone使超声波无损检测成为一种实用技术。

超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。

例如，在海洋应用中，超声波可以用来探测鱼群或冰山、潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探等。

在检测中，利用超声波检验固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等。

在医学中，可以利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描（B超诊断）和血流速度的测量（彩超诊断）等。

在本实验中将学习超声波的产生方法、传播规律和测试原理，通过对固体弹性常数的测量了解超声波在测试方面应用的特点；通过对试块尺寸的测量和人工反射体定位了解超声波在检验和探测方面的应用。

2.超声波的产生及探测

某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。

物质的压电效应与其内部的结构有关。

如石英晶体的化学成分是SiO2，它可以看成由+4价的Si离子和-2价O离子组成。

晶体内，两种离子形成有规律的六角形排列，如图3所示。

其中三个正离子组成一个向右的正三角形，正电中心在三角形的重心处。

类似，三个负离子对（六个负离子）组成一个向左的三角形，其负电中心也在这个三角形的重心处。

晶体不受力时，两个三角形重心重合，六角形单元是电中性的。

整个晶体由许多这样的六角形构成，也是电中性的。

图3.石英晶体的压电效应

当晶体沿x方向受一拉力，或沿y方向受一压力，上述六角形沿x方向拉长，使得正、负电中心不重合。

这时六角形单元仍然是电中性的，但是正负电中心不重合，产生电偶极矩

。

整个晶体中有许多这样的电偶极矩排列，使得晶体极化，左右表面出现束缚电荷。

当外力去掉，晶体恢复原来的形状，极化也消失。

（许多大学物理教材都有关于电极化理论的介绍）

由于同样的原因，当晶体沿y方向受拉力，或沿x方向受压力，正离子三角形和负离子三角形都被压扁，也造成正、负电中心不重合。

但是这时电偶极矩的方向与x方向受拉力时相反，晶体的极化方向也相反。

这就是压电效应产生的原因。

图4.脉冲波的产生

当外力沿z轴方向（垂直于图3中的纸面方向），由于不造成正负电中心的相对位移，所以不产生压电效应。

由此可见，石英晶体的压电效应是有方向性的。

当一个不受外力的石英晶体受电场作用，其正负离子向相反的方向移动，于是产生了晶体的变形。

这一效应是逆压电效应。

还有一类晶体，如钛酸钡（BaTiCO3），在室温下即使不受外力作用，正负电中心也不重合，具有自发极化现象。

这类晶体也具有压电效应和逆压电效应，它们多是由人工制成的陶瓷材料，又叫压电陶瓷。

本实验中超声波换能器采用的压电材料为压电陶瓷。

（a）直探头（b）斜探头

1-外壳2-晶片3-吸收背衬4-电极接线5-匹配电感6-接插头7a-保护膜7b-斜楔

图5直探头和斜探头的基本结构

用作超声波换能器的压电陶瓷被加工成平面状，并在正反两面分别镀上银层作为电极，这样被称为压电晶片。

当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时,由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡,振荡频率与晶片的声速和厚度有关,适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波,即超声波。

在晶片的振动过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，因此它发射出的是一个超声波波包，通常称为脉冲波，如图4所示。

超声波在材料内部传播时，与被检对象相互作用发生散射，散射波被同一压电换能器接收,由于正压电效应,振荡的晶片在两极产生振荡的电压,电压被放大后可以用示波器显示。

在实际应用中，我们经常把超声波换能器称为超声波探头。

实验中，常用的超声波探头有直探头和斜探头两种，其结构如图5所示。

探头通过保护膜或斜楔向外发射超声波；吸收背衬的作用是吸收晶片向背面发射的声波，以减少杂波；匹配电感的作用是调整脉冲波的形状。

一般情况下，采用直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。

对于斜探头，晶片受激发产生超声波后，声波首先在探头内部传播一段时间后，才到达试块的表面，这段时间我们称为探头的延迟。

对于直探头，一般延迟较小，在测量精度要求不高的情况下，可以忽略不计。

3.超生波的波形和超声波的反射与折射

如果晶片内部质点的振动方向垂直于晶片平面，那么晶片向外发射的就是超声纵波。

超声波在介质中传播可以有不同的波型，它取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。

通常有如下三种:

纵波波型：

当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，此超声波为纵波波型。

任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。

横波波型：

当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，此种超声波为横波波型。

由于固体介质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当有剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。

横波只能在固体介质中传播。

表面波波型：

是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。

表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成,振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。

在斜探头中，从晶片产生的超声波为纵波，它通过斜楔使超声波折射到试块内部，同时可以使纵波转换为横波。

实际上，超声波在两种固体界面上发生折射和反射时，纵波可以折射和反射为横波，横波也可以折射和发射为纵波。

超声波的这种现象称为波型转换，其图解如图6所示。

超声波在界面上的反射、折射和波型转换满足如下斯特令折射定律：

图6超声波的反射、折射和波型转换

其中，L和S分别是纵波反射角和横波反射角；L和S分别是纵波折射角和横波折射角；C1L和C1S分别是第1种介质的纵波声速和横波声速；C2L和C2S分别是第2种介质的纵波声速和横波声速。

在本实验中，还使用了一种可变角探头，如图7所示。

其中探头芯可以旋转，通过改变探头的入射角，得到不同折射角的斜探头。

当=0时成为直探头。

可以利用该探头观察波型转换的过程。

在斜探头或可变角探头中，有机玻璃斜块或有机玻璃探头芯的声速C小于铝中横波声速CS，而横波声速CS又小于纵波声速CL。

因此，根据公式

（2），当大于：

（3）

图7可变角探头示意图

时，铝介质中只有折射横波；而当大于：

（4）

时，铝介质中既无纵波折射，又无横波折射。

我们把1称为有机玻璃入射到有机玻璃-铝界面上的第一临界角；2称为第二临界角；

4.超声波声速与固体弹性常数的关系

在各向同性的固体材料中，根据应力和应变满足的虎克定律,可以求得超声波传播的特征方程：

（6）

其中Φ为势函数，c为超声波传播速度。

当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时,称为纵波；当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，称为横波。

在气体介质中，声波只是纵波。

在固体介质内部,超声波可以按纵波或横波两种波型传播。

无论是材料中的纵波还是横波,其速度可表示为：

（7）

其中,d为声波传播距离,t为声波传播时间。

对于同一种材料,其纵波波速和横波波速的大小一般不一样，但是它们都由弹性介质的密度、杨氏模量和泊松比等弹性参数决定,即影响这些物理常数的因素都对声速有影响。

相反,利用测量超声波速度的方法可以测量材料有关的弹性常数。

固体在外力作用下，其长度沿力的方向产生变形。

变形时的应力与应变之比就定义为杨氏模量，一般用E表示。

（在杨氏模量测量的实验中有介绍）

固体在应力作用下。

沿纵向有一正应变（伸长），沿横向就将有一个负应变（缩短），横向应变与纵向应变之比被定义为泊松比，记做σ，它也是表示材料弹性性质的一个物理量。

在各向同性固体介质中，各种波型的超声波声速为：

其中E为杨氏模量，σ为泊松系数，为材料密度。

相应地，通过测量介质的纵波声速和横波声速，利用以上公式可以计算介质的弹性常数。

计算公式如下：

杨氏模量：

（10）

泊松系数：

（11）

其中：

，

为介质中纵波声速，

为介质中横波声速，为介质的密度。

四.仪器的一些备用参数

1.JDUT-2型超声波实验仪主要性能指标

脉冲形式：

负脉冲

输出限幅：

±5V

发射强度：

400V

有效电压：

±2V（射频），0-2V（检波）

发射阻抗：

1000Ω

使用电源：

220V

输入阻抗：

500Ω

使用功率：

10W

频带宽度：

50Hz-7MHz（-3dB）/50Hz-10MHz（-6dB）

仪器尺寸：

220mm×220mm×100mm

放大增益：

50dB

动态范围：

0dB-95dB，步长1dB

输出阻抗：

50Ω（射频），1000Ω（检波）

触发模式：

内触发

触发输出：

TTL电平

重复频率：

125Hz,250Hz,500Hz和1000Hz可选

2.CSK-IB铝试块尺寸图和材质参数

单位：

毫米；尺寸：

R1=30，R2=60，LA=20，HA=20，LB=50，HB=10。

材质参数表（仅供参考）

纵波声速

6.27mm/s

横波声速

3.10mm/us

表面波声速

2.90mm/s

杨氏模量

6.94×1010Nm-2

泊松系数

0.33

材质密度

2.7g/cm3

五.选做实验的参考资料

超声波在界面上的反射和折射

1斯特令定律

当超声波传到异质界面（即声阻抗值不同的两种介质的界面）时，不仅会发生反射和折射现象，而且当两种介质都是固体或其中之一是固体时，纵波和横波之间还可能发生波型转换，同时可能产生表面波。

当超声波以入射角按纵波声速或按横波声速C传到异质界面后，反射角或折射角满足以下斯特令折射定律：

反射：

（2.1a）

折射：

（2.1b）

其中，L和S分别是纵波反射角和横波反射角；L和S分别是纵波折射角和横波折射角；C1L和C1S分别是第1种介质的纵波声速和横波声速；C2L和C2S分别是第2种介质的纵波声速和横波声速。

在斜探头或可变角探头中，有机玻璃斜块或有机玻璃探头芯的声速C小于钢中横波声速CS，而横波声速CS又小于纵波声速CL。

因此，根据公式（2.1b），当大于：

（2.2）

时，钢介质中只有折射横波；而当大于：

（2.3）

时，钢介质中既无纵波折射，又无横波折射。

我们把1称为有机玻璃入射到有机玻璃-钢界面上的第一临界角；2称为第二临界角；

2折射实验

实验内容：

（1）纵波入射，测量纵波折射角，并验证折射定律；

（2）纵波入射，测量横波折射角，并验证折射定律。

利用可变角探头可以直接测量超声波从有机玻璃中的入射角和在钢试块中的折射角，然后验证公式（2.1b）。

入射角和折射角的测量方法如下：

第一步：

参考图2.1（a），把可变角探头的入射角调整到适当的范围内。

例如，测量纵波折射时，入射角为20左右；测量横波折射时，入射角为35左右。

第二步：

把探头放置在试块圆弧的圆心附近，观察R1和R2的反射回波。

前后移动探头，使反射回波最大。

第三步：

测量探头前沿到试块端点的距离L1，进而得到探头的前沿距离L0=R2-L1。

第四步：

根据前沿距离测量探头芯中三角形的两个直角边H和S，进而计算入射角

。

第五步：

参考图2.1（b），把探头分别对准H1和H2深1的标准通孔，找到最大反射回波。

第六步：

平移线段，得到三角形的两个直角边H和S，进而计算折射角

。

第七步：

验证公式（2.1b）。

（a）测量入射角（b）测量折射角

图2.1可变角探头折射角测量

3反射实验

实验内容：

（1）测量横波反射角；并验证反射定律

（2）测量纵波反射角以及纵波与横波之间的波型转换，并验证反射定律（选做）。

实验方法如图2.2所示。

首先把横波探头对准试块的下边沿，找到最大回波后测量距离S1。

然后拉开探头与试块边沿的距离，可以看到反射回波变小后右逐渐变大。

找到最大点的位置，这时探头发出的超声波在传播中经过了一次底面反射后打在试块的试块的上边沿，然后被返回。

测量距离S2。

可以按下面公式计算反射角：

（2.4）

已知探头的横波折射角度S，亦即横波在试块底面反射时的入射角，验证公式（2.1a）。

图2.2横波探头折射角测量

从探头的工作原理看，纵波斜探头产生的条件是超声波在有机玻璃中的入射角必须小于第一临界角。

这时，探头除了能产生纵波之外还产生了横波。

并且在纵波或横波的反射过程中会产生波形转换。

因此，在验证纵波的反射定律中，关键在于确定反射回波的性质。

实验纵波反射时可以采用双探头工作方式，即一个可变角探头发射超声波，另一个相同角度的探头接收超声波，实验方法如图2.3所示。

探头纵波折射角和横波折射角的测量方法同上一节实验的测量方法。

发射探头放置在图中A位置，它同时产生折射纵波a和折射横波b；纵波a在试块的底面产生反射纵波c和反射横波e；横波b在试块的底面产生反射横波d和反射纵波f；f和e会聚在探测面同一点D上。

B和C是接收探头接收到反射纵波和反射横波的位置。

已知探头的折射纵波角度L和折射横波角度S，测量三个接收探头的位置X1、X2和X3。

可以按下面公式计算反射角：

纵波：

（2.5）

横波：

（2.6）

转换纵波：

（2.7）

转换横波：

（2.8）

图2.3纵波和横波的反射与波型转换