实验二十超声波特性研究.docx

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实验二十超声波特性研究

实验二十超声波特性研究

声波是一种弹性机械波，超声波是频率在2104～1012Hz的声波。

超声波具有方向性好、穿透力强、易于产生和接收、探头体积小等特点，并且能够在所有弹性介质中传播，因此超声波广泛应用在生产和人们生活中。

超声波可对介质产生机械作用，空化效应以及热效应和化学效应。

超声波在医学领域有广泛应用，如我们熟知的使用B超、彩超等进行医学诊断，在治疗方面可用于体外碎石、理疗，肿瘤治疗，牙齿洁治等。

其他方面的应用有：

超声测距，超声测速，超声清洗，超声焊接，液体的乳化、水下探测，工业探伤等。

通过本实验可以了解利用压电效应产生脉冲超声波的原理和方法；分辨超声波的三种波型；了解超声波检查的基本原理和方法。

实验原理

一、超声波的产生

能将其它形式的能量转换成超声振动能量的方式都可以用来发生超声波。

例如压电效应、磁致伸缩效应、电磁声效应和机械声效应等。

目前普遍使用的是利用压电效应来产生和接收超声波。

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。

通常具有压电效应的物质同时也具有逆压电效应，即当对其施加电压后会发生形变。

超声波探头利用逆压电效应产生超声波，而利用压电效应接收超声波。

将产生和接收超声波的材料制成片状（晶片），并在其正反两面镀上导电层（如镀银层）作为正负电极。

如果在电极两端施加一脉冲电压，则晶片发生弹性形变，随后发生自由振动，并在晶片厚度方向形成驻波，如果晶片的两侧存在其它弹性介质，则会向两侧发射弹性波。

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，如图20-1所示，通常称为脉冲波（如敲击玻璃杯时产生的声波）。

波的频率与晶片的厚度有关，适当选择晶片的厚度，使其产生弹性波的频率在超声波频率范围内，则该晶片即可产生超声波。

图20-1脉冲超声波的产生

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形式，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．任何介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。

纵波可在固体、液体中传播。

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：

这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振动的纵波和垂直于表面振动的横波合成，质点合成振动的轨迹为一椭圆，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。

二、超声波探头

在超声波分析测试中，是利用超声波探头产生脉冲超声波的。

常用的超声波探头有直探头和斜探头两种，其结构如图20-2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波形。

一般用直探头产生纵波，用斜探头产生横波或表面波。

在本实验中，还使用了一种可变角探头，如图20-3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

图20-3可变角探头示意图

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，7、保护膜，8、斜楔

图20-2直探头（a）和斜探头（b）的结构

头。

三、超声波的反射与折射

当超声纵波或横波入射到两种介质的界面上时，如果两种介质都是固体或其中之一是固体，一般情况下在发生反射和折射的同时会反射和折射出另一种波型。

例如入射纵波在反射和折射出纵波的同时，会反射或折射出横波。

对于横波，情况也类似。

超声波的这种现象称为波型转换。

通常使用的横波和表面波都是通过斜探头或可变角探头利用波型转换得到的。

超声波入射到两种介质的界面时发生反射或折射遵循斯特令定律：

当超声波以入射角按纵波或横波波速v传到异质界面后，反射角或折射角满足：

反射：

（20-1）

折射：

（20-2）

图20-7波型转化

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；v1L和v1S分别是声波在第1种介质中的纵波声速和横波声速；v2L和v2S分别是声波在第2种介质中的纵波声速和横波声速。

在斜探头或可变角探头中，超声波以纵波经有机玻璃入射到铝质试块中，如图20-7所示。

由于机玻璃中声速v小于铝中横波声速vS，而铝中横波声速vS又小于纵波声速vL。

因此，当入射角大于

时，铝介质中只有折射横波；同理，当入射角大于

时，铝介质中既无折射横波，也无折射纵波，可能形成表面波或发生全反射。

实验仪器

JDUT-2型超声波实验仪由同步电路，发射电路，接收电路，放大衰减电路，显示电路等电路模块组成（原理框图见附录1）。

在仪器面板上有衰减调节按键，用来调节反射回波的电压幅度；超声仪的发射接口与探头连接，并向探头发射400V的高压脉冲，用来激发超声波；仪器面板上射频、检波接口与示波器的CH1、CH2通道连接，以射频或检波方式在示波器上显示探头接收到的反射回波；触发接口与示波器的外触发（TRG）相连，使超声的发射信号与示波器扫描同步。

注意：

发射接口只能与接收接口或探头相连，而不能与超声仪的射频、检波、触发，或者示波器的CH1、CH2、TRG相连；否则会损坏仪器！

实验中所使用的探头既可以用来发射超声波，又可以用来接收超声波，因此仪器面板上发射接口和接收接口被连接起来，仪器连接方法如图20-4所示。

采用这种方式，发射脉冲也被接收，在示波器上可以看到其波形，我们称发射脉冲波形为始波（如图20-5）。

脉冲波检波波形脉冲波射频波形

图20-5脉冲波传播时间测量

图20-4仪器连接示意图

当超声波探头产生脉冲超声波后，需通过耦合剂进入介质。

如果在传播的路径上遇到介质畸变，如人工反射体、介质界面等，则部分声波会沿原来的路径反射回去，被探头所接收，称为反射回波。

接收到的超声信号被探头转换成电信号，通过相关电路放大后由射频和检波接口输出到示波器，在示波器上以射频方式或检波方式显示出来，如图20-5所示。

回波在示波器扫描线上的位置对应于超声波在探头与反射体之间的往复传播的时间，回波的振幅与反射体的大小及材料性质有关。

提示：

从图20-5射频方式可以看出，脉冲波的振幅并不是一开始就很强，而是由小变大，然后变小；其主要原因是晶片振幅的初始值为0。

脉冲波可以看成由许多个频率在一定范围内连续变化的平面波叠加而成，其频谱具有一个中心频率（峰值频率）和一定的频带宽度。

通常在脉冲波测试中所说的频率就是指的中心频率。

在使用脉冲超声波的过程中，对脉冲波的传播时间的测量有两种方法：

1、对于射频输出的脉冲波，测量其脉冲峰值对应的时间；2、对于检波输出的脉冲波，测量其前沿对应的时间。

如图20-5所示。

两种方法测量得到的绝对时间有微小的差值，因此通常情况下，需要校准探头的测试零点。

探头发射声波的绝对零点到测试零点的时间差一般称为探头的延迟（或延迟时间）。

实验内容

一、必做部分

1、观察反射回波

图20-6观察反射回波

（1）、如图20-6所示，把直探头放在位置1处，先适当调节超声仪衰减（大约90dB），再调节示波器衰减，要求被测信号最大幅度不超过2V（估算一下），示波器上显示的信号高度一般为满幅的80%以利于观察。

观察试块底面对纵波反射的多次反射回波（反射底波），多次回波是部分超声波在平行的两个界面之间来回反射的结果。

（2）、把斜探头放在上图位置2处，适当减少超声仪的衰减读数（大约80-60dB，同样要求被测信号最大幅度不超过2V），前后移动探头，观察图中A处的20mm深的钻孔对斜射横波的反射回波，同时观测斜探头始波附近的固有回波（也称结构回波：

超声波在探头内部产生的回波，与探头的结构有关）。

（3）、把可变角探头放在图20-6位置3处，调节入射角为45左右（根据计算，此时入射进试块中的应是横波），并使探头的入射点（超声波进入被测试块的位置）基本与试块两圆弧圆心重合，适当调节超声仪衰减。

当超声波传入试块后，适当横向移动探头，使声波可以同时被R1和R2两个圆弧面反射，在示波器上可以看到反射回波F1和F2，适当移动探头，使F1和F2回波幅度同时最大，如图20-8所示。

由于声波在探头与两个圆弧间往复传播的距离差是固定的，因此反射回波F1和F2对应的时间差（t2tl）仅与声速或两个圆弧的半径差有关。

适当减少超声仪的衰减读数，增大可变角探头入射角，注意示波器上回波幅度的变化。

当入射角达到某一值后，横波幅度减弱并消失，在此过程中又会在原横波位置稍后一点出现两个回波（若向后移动探头，两个回波随之移动，但间距不变。

用手按压探头前方试块表面，回波幅度会下降。

此回波是由于试块表面突然弯折造成的，两反射回波的时间差与声速和两个弯折处的距离差有关），细心调整入射角，使回波幅度最大。

此时的超声波波型为表面波。

此过程就是超声波的波型转化过程。

将以上实验参数填入表20-1。

表20-1

超声仪衰减读数

示波器衰减读数

第一次回波幅度（格数）

纵波

横波

表面波

注意：

1）、示波器应选择外触发方式。

2）、回波幅度受超声仪衰减，示波器衰减及探头位置的影响，首先应调节探头位置，使回波幅度最大，然后适当调节超声仪衰减，要求被测信号幅度不超过2V。

在此前提下调节示波器衰减（可用微调）使回波幅度增大到满幅的80％左右。

2、超声测长实验

长度的测量是超声波测量的主要内容之一。

一般在超声波测长中，被测物体首先必须是各向同性的（声速在不同方向上），同时物体必须有规则的反射面。

如果己知物体的声速，通过测量时间，则可计算物体的长度。

利用反射回波进行测长时，测量公式如下：

（20-3）

其中v是试块中的声速，t0是探头的延迟（指脉冲波从压电晶片经探头内部传播至被测介面所用的时间，测量方法见选做部分），t是反射回波的传播时间。

对于规则几何形状的物体，如被测试块，其宽度方向和厚度方向的界面可以产生多次反射回波。

相邻两回波之间的时间差对应于超声波在两界面间往复传播的距离。

因此，通过测量相邻两个回波之间的时间差，可计算试块的宽度或厚度为：

（20-4）

式中t1是第1次反射回波的时间，t2是第2次反射回波的时间。

a.利用直探头（纵波）测量试块的宽度和高度。

图20-9表面波测长

b.利用表面波（使用可变角探头）测量R2弧面的长度。

表面波测量R2弧面的长度方法如图20-9所示。

调整探头角度，使之发射表面波，出现的两个反射回波分别对应于表面波传播路径上两个突变点B1和B2。

将实验参数及测量结果填入表20-3。

表20-3

项目

v/ms-1

超声仪衰减读数

（t2tl）/s

L/m

试块的宽度

6270

试块的高度

6270

R2弧面的长度

2900

二、选作部分

1、测量直探头和斜探头的延迟

超声波在晶片到被测界面这段距离往复传播的时间称为探头的延迟。

由于探头的延迟使距离的测量出现误差，因此需要测量探头的延迟时间。

（1）、测量直探头的延迟

考虑直探头对试块底面产生的1次底面回波和2次底面回波的时间分别为t1、t2。

令t为探头的延迟时间，t为超声波在试块内往复1次的时间，则t1=t+t,t2=2t+t.探头的延迟时间t为

（20-5）

利用试块60mm的厚度方向进行测量。

多次测量，求平均值。

（2）、测量斜探头的延迟

把斜探头放在试块上，使探头的斜射声束能够同时入射在R1和R2圆弧面上。

适当移动探头使在示波器上同时观测到两个弧面的回波B1和B2为最大。

测量它们对应的时间t1和t2。

由于R1=2R2，因此斜探头延迟的计算同（20-5）式。

多次测量，求平均值。

2、测量直探头产生的脉冲超声波频率和波长

利用试块40mm厚度的1次回波进行测量。

用射频方式在示波器上显示回波信号，测量一个脉冲波4个振动周期的时间t，求其频率和波长。

多次测量，求平均值。

思考题

1、在试块中不同形式（波型）的超声波如何产生？

2、实验中，利用斜探头产生横波。

斜探头产生的横波入射到圆弧面上后，反射波为何种波型？

3、很多动物可以发射超声波，用来探测周围的情况，海豚就有此功能。

请问海豚接收到的超声波是横波还是纵波？

如果海豚用超声波探测鱼群位置，它可能用连续波还是脉冲波？

大量船舶的航行会不会影响海豚的生存呐？