專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用

1、專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 超超 聲聲 波波 測測 試試 原原 理理 及及 應(yīng)應(yīng) 用用 實驗實驗Z1.1 超聲波的產(chǎn)生與傳播超聲波的產(chǎn)生與傳播 實驗實驗Z1.2 固體彈性常數(shù)的測量固體彈性常數(shù)的測量 實驗實驗Z1.3 超聲波的探測超聲波的探測 附錄A JDUT-2型超聲波實驗儀原理框圖 附錄B JDUT-2型超聲波實驗儀主要性能指標(biāo) 附錄C JDUT-2型超聲波實驗儀操作說明 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 一、實驗原理一、實驗原理 實驗實驗Z1.1 超聲波的產(chǎn)生與傳播超聲波的產(chǎn)生與傳播 1、壓電效應(yīng) 某些固體物質(zhì)，在壓力（或拉力）的作用下產(chǎn)生形變，從而使物質(zhì)本

2、 身極化，在物體相對的表面出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這一效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。 其物理機理如圖1-1所示。通常具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)同時也具有逆壓電效 應(yīng)，即當(dāng)對施加電壓后會發(fā)生變形。超聲波探頭利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲 波，而利用壓電效應(yīng)接收超聲波。 石英晶體結(jié)構(gòu) 拉力作用下的極化 晶體的宏觀極化 圖1-1 石英晶體的壓電效應(yīng) 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 （a） 晶體振動 (b) 脈沖波 圖1-2 脈沖超聲波的產(chǎn)生 壓，則晶片發(fā)生彈性形變，隨后發(fā) 生自由振動，并在晶片厚度方向形 成駐波，如圖1-2(a)所示。如果晶 片的兩側(cè)存在其它彈性介質(zhì)，則會 向兩側(cè)發(fā)射彈性波，波的頻率與晶 片的材料和厚

3、度有關(guān)。 2、脈沖超聲波的產(chǎn)生及其特點 用于產(chǎn)生和接收超聲波的材料一般被制成片狀（晶片），并在其正反兩 面鍍上導(dǎo)電層（如鍍銀層）作為正負(fù)電極。如果在電極兩端施加一脈沖電 適當(dāng)選擇晶片的厚度，使其產(chǎn)生彈性波的頻率在超聲波頻率范圍內(nèi)，則該晶 片即可產(chǎn)生超聲波。在晶片的振動過程中，由于能量的減少，其振幅也逐漸 減小，因此它發(fā)射出的是一個超聲波波包，稱為脈沖波，如圖1-2（b）所示。 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 如果片內(nèi)部質(zhì)點的振動方向垂直于晶片平面，那么晶片向外發(fā)射的就是超 聲波。超聲波在介質(zhì)中傳播可以有不同形式，它取決于介質(zhì)可以承受何種 作用力以及如何對介質(zhì)激發(fā)超聲波。通常有如下

4、三種： 縱波波型：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與超聲波的傳播方向一致時，此超聲波 為縱波波型。任何固體介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時均能產(chǎn)生縱波。 橫波波型：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與超聲波垂直時，此種超聲波為橫波波 型。由于固體介質(zhì)除了能承受體積變形外，還能夠承受切變變形。當(dāng)其中剪 切力交替作用于固體介質(zhì)時均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。 3、超聲波波型及換能器種類 表面波波型：是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)的波。表 面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于橫波的橫波合成，振動質(zhì)點的 軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅最強，隨著深度的增加很快率減， 實際上離表面一個波長以上的地

5、方，質(zhì)點振動的振幅已經(jīng)很微弱了。 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 （a）（b） 1-外殼 2-晶片 3-吸收背襯 4-電極接線 5-匹配電感 6-接插頭 7a-保護膜 7b-斜楔 圖1-3 直探頭和斜探頭的基本結(jié)構(gòu)（ a）直探頭（b）斜探頭 圖1-4 可變角探頭示意圖 常用的超聲波探頭有直探頭和斜 探頭兩種，其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。 探頭通過保護膜或斜楔向外發(fā)射 超聲波；吸收背襯的作用是吸收 晶片向背面發(fā)射的聲波，以減少 雜波；匹配電感的作用是調(diào)整脈 沖波的波形。一般，直探頭產(chǎn)生 縱波，斜探頭產(chǎn)生橫波或表面波。 另一種可變角探頭，如圖1-4所 示。其中探頭芯可以旋轉(zhuǎn)，通過 改變探頭

6、的入射角，得到不同 折射角的斜探頭。當(dāng) =0時成為 直探頭。 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 圖1-5是超聲波在試塊中傳播的示意圖。圖1-6為示波器接收得到的超聲波 信號。S稱為始波，t0為電脈沖施加在壓電晶片的時刻，也是發(fā)射超聲波始波 的初始時刻，B1稱為試塊的1次底面回波， t1是超聲波傳播到試塊底面，又發(fā) 射回來，被同一個探頭接收的時刻。因此， t1對應(yīng)于超聲波在試塊內(nèi)往復(fù)傳 播的時間； B2 稱為試塊的2次底面回波，它對應(yīng)超聲波在試塊內(nèi)往復(fù)傳播到 專 題 實 驗 4、探頭的延遲 S始波 t1 B1 B2 t2 t0 圖1-5 脈沖超聲波在試塊中的傳播圖1-6 直探頭延遲的測量 試塊的上表

7、面后，部 分超聲波被上表面反 射，并被試塊底面再 次反射，即在試塊內(nèi) 部往復(fù)傳播兩次后被 接收到的超聲波。 1）直探頭的延遲 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 依次類推，有3次、4次和多次底面反射回波。 當(dāng)有機玻璃的厚度可以忽略時，探頭無延遲，因此，超聲波在試塊 中傳播到底面的時間為 ，如果試塊材質(zhì)均勻，超聲波聲速C一 定，則超聲波在試塊中的傳播距離為 。 2 01 tt t tcS 有機玻璃的厚度不能忽略時，直探頭的延遲為 。 21 2ttt 2）斜探頭的延遲 參照圖1-7，把斜探頭放在試塊上，并使探頭靠近試塊正面，使探 頭的斜射聲束能夠同時入射在R1和R2圓弧面上。在示波器上同

8、時觀測 到兩個弧面的回波B1和B2 。測量它們對應(yīng)的時間t1和t2。由于R1= 2R2， 因此斜探頭的延遲為： 。 21 2ttt 5、超聲波的反射、折射與波型轉(zhuǎn)換 在斜探頭中，從晶片產(chǎn)生的超聲波為縱波，它通過斜楔使超聲波折射到 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 S始波 t1 R30 t2 R60 圖1-7 斜探頭延遲的測量 試塊內(nèi)部，同時可以 使縱波轉(zhuǎn)換為橫波。 實際上，超聲波在兩 種固體界面上發(fā)生折 射和反射時，縱波可 以折射和反射為橫波， 橫波也可以折射和反射為縱波。超聲波的這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換，其圖 解如圖1-8所示。 超聲波在界面上的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換滿足如下斯特令折射

9、定律： s s L L CCC 1 sinsinsin s s L L CCC 22 sinsinsin 反射： 折射： 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 圖 1-8 超聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換 而橫波聲速 又小于縱波聲速 。因此，根據(jù)斯特令折射定律， 當(dāng) 大于： 時，鋁介質(zhì)中只有折射橫波；而當(dāng) 大 于： 時，鋁介質(zhì)中既無縱波折射，又無橫波折射。我 們把 稱為有機玻璃入射到有機玻璃-鋁界面上的第一臨界角； 稱 為第二臨界角。 其中， 和 分別是縱波反射角和橫波 反射角； 和 分別是縱波折射角和橫 波折射角； 和 分別是第1種介質(zhì)的 縱波聲速和橫波聲速； 和 分別是第 2種介質(zhì)的縱

10、波聲速和橫波聲速。在斜探 頭或可變角探頭中，有機玻璃或有機玻 璃頭芯的聲速 小于鋁中橫波聲速 ， )(sin 1 1 L C C )(sin 1 2 s C C L s L s L C1 s C1 L C2 s C2 s CC L C s C 1 2 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 二、實驗內(nèi)容及要求二、實驗內(nèi)容及要求 1測量直探頭的延遲 利用CSK-IB試塊60毫米的厚度進行測量。多次測量，求平均值。 建議：測 6次。 2測量脈沖超聲波頻率和波長。 利用CSK-IB試塊40毫米厚度的1次回波進行測量。測量一個脈沖波4個振 動周期的時間t，求其頻率 和波長 。多次測量，求平均值。

11、 建議：測 6次。 t f 4 4 t Cl 3波型轉(zhuǎn)換的觀察和測量 根據(jù)實驗室提供的儀器選擇根據(jù)實驗室提供的儀器選擇3 3的實驗內(nèi)容的實驗內(nèi)容 第1步：把可變角探頭的入射角調(diào)整為0，使超聲波入射在試塊兩個 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 第2步：增大可變角探頭入射角，注意回波幅度的變化。當(dāng)入射角達 到某一值后，縱波的幅度會減小，在其后面又會出現(xiàn)兩個回波，并 且幅度不斷增大。測量新出現(xiàn)的兩個回波對應(yīng)的時間差，確定其波 型（橫波）。橫向移動探頭，觀察其位置如何變化。 圓弧R1和R2的下部邊緣，觀察反射回波，測量t1和t2，確定其波型（縱 波）。橫向移動探頭，觀察其位置如何變化。 第

12、3步：可變角探頭入射角增加到某值時，縱波消失，只剩橫波。 第4步：可變角探頭入射角繼續(xù)增加，橫波幅度減弱并消失，在此過程 中又會出現(xiàn)兩個回波，測量其時間差，確定其波型（表面波）。用手 指輕壓試塊表面，觀察其幅值如何變化。 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 第5步：讓探頭靠近試塊背面，通過調(diào)節(jié)入射角度，使能夠同時觀測到回波B1 和B2 （如圖1-9），且它們的幅度基本相等；再讓探頭逐步靠近試塊正面，則 又會在B1前面觀測到一個回波b1 ，根據(jù)試塊的縱（橫）波聲速，通過簡單測量 和計算，可以確定b1， B1+b2和B2對應(yīng)的波型和反射面。 S始波 b1 B1+b2 B2 圖1-9 用可

13、變角探頭觀測波型 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 3利用斜探頭測量折射角，并求入射角 和第一臨界角 ，第二 臨界角 。比較 與 、 ，理解波形轉(zhuǎn)換。 第1步：按圖1-10，把探頭放置在試塊圓弧的圓心附近，找到R2的 反射回波最大的位置，用鋼尺測量探頭前沿到試塊端點的距離L1， 確定斜探頭的入射點 。 2 1 1 120 LRL 2 第2步：把探頭分別對準(zhǔn)A，B兩孔，找到最大反射回波。 第3步：求 )( 1 H LLL tg AB s 第4步：通過 ，求入射縱波的入射角。 （已知探頭中有機玻璃 縱波聲速為2.73mm/s，在鋼試塊中的橫波 s s CC sinsin 專題實驗超聲波

14、測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 聲速為3.27mm/s，在鋁試塊中的橫波聲速為3.10mm/s。） 第5步：利用 ， ，求 、 ， 并比較 與 、 ，理解波形轉(zhuǎn)換。（已知在鋼試塊中的縱 波聲速為6.27mm/s，在鋁試塊中的縱波聲速為5.90mm/s。） )(sin 1 1 L C C )(sin 1 2 s C C 1 2 1 2 圖1-10 斜探頭測量折射角的示意圖 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 分析與思考： 激發(fā)脈沖超聲波的電脈沖一般是一個上升沿小于20ns的很尖很窄 的脈沖。而從超聲脈沖波的波形看，其幅度是又小變大，然后 又由小變大，然后又由大變小，而不是直接從大變??；

15、并且振 動可以持續(xù)110m，為什么？ 2. 通過計算說明，當(dāng)可變角探頭逐步靠近試塊正面時，為什么橫 波在圓弧面R1的反射回波能夠與B1重合？ 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 在各向同性的固體材料中，根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變滿足的虎克定律，可以求得 超聲波傳播的特征方程： 其中 為勢函數(shù)，c為超聲波傳播速度。 當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與超聲波的傳播方向一致時，稱為縱波；當(dāng)介 質(zhì)中質(zhì)點振動方向與超聲波的傳播方向垂直時，稱為橫波。在氣體介質(zhì) 中，聲波只是縱波。在固體介質(zhì)內(nèi)部，超聲波可以按縱波或橫波兩種波 型傳播。無論是材料中的縱波還是橫波，其速度可表示為： 其中，d聲波傳播距離，t為聲波傳播時間。 專 題 實 驗

16、一、實驗原理一、實驗原理 實驗實驗Z1.2 固體彈性常數(shù)的測量固體彈性常數(shù)的測量 22 2 2 2 1 tc t d c 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 對于同一種材料，其縱波波速和橫波波速的大小一般不同，但它們都由彈 性介質(zhì)的密度、楊氏模量和泊松比等彈性參數(shù)決定。相反，利用超聲波速 度的方法可以測量材料有關(guān)的彈性常數(shù)。 固體在外力作用下，其長度沿力的方向產(chǎn)生變形，變形時的應(yīng)力與應(yīng)變 之比就定義為楊氏模量，一般用E表示。（在楊氏模量測量的實驗中有介 紹） 固體在應(yīng)力作用下，沿縱向有一正應(yīng)變（伸長），沿橫向就將有一個負(fù) 應(yīng)變（縮短），橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比被定義為泊松比，記作，它是

17、 表示材料彈性性質(zhì)的一個物理量。 在各向同性固體傳播中，各種波型的超聲波聲速為： 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 縱波聲速： 橫波聲速： 其中為楊氏模量，為泊松系數(shù)，為材料速度。 相應(yīng)地，通過測量介質(zhì)的縱波聲速和橫波聲速，利用以上公式可以計算 介質(zhì)的彈性常數(shù)。計算公式如下： 1 )43( 2 2 2 T TC E s ) 1(2 2 2 2 T T 其中， ， 為介質(zhì)中縱波聲速， 為介質(zhì)中橫波聲速， 為 介質(zhì)的密度。 楊氏模量 泊松系數(shù) s L C C T L C s C )21)(1 ( )1 ( E CL )1 (2 E Cs 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 1、利用R1，R2

18、測量斜探頭的延遲。 2、利用直探頭，分別采用直接法和相對法測量試塊的縱波聲速。 直接法 相對法 3、利用斜探頭，分別采用直接法和相對法測量試塊的橫波聲速。 直接法 相對法 4、計算試塊的楊氏模量和泊松系數(shù)。 專 題 實 驗 二、實驗內(nèi)容及要求二、實驗內(nèi)容及要求 01 2 tt L Cl 12 2 tt L Cl 01 2 2 tt R Cs 12 12 )(2 tt RR Cs 1 )43( 2 2 2 T TC E s ) 1(2 2 2 2 T T 其中， ， 為介質(zhì)中縱波聲速， 為介質(zhì)中橫波聲速， 為介 質(zhì)的密度。 楊氏模量 泊松系數(shù) s L C C T L C s C 專題實驗超聲波測

19、試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 分析與思考： 1、為什么利用斜探頭入射到圓弧面上后，只看到橫波而沒有縱波？ 2、利用CSK-IB試塊怎樣測量表面波探頭的延遲？能否用測量斜探頭 入射點的方法測量表面波探頭的入射點？為什么？ 3、利用CSK-IB試塊的橫孔A和橫孔B，怎樣測量斜探頭的延遲和入 射點？ 4、利用鋁試塊和鋼試塊測量同一斜探頭的延遲和入射點，結(jié)果是否 一樣？為什么？ 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 一、實驗原理一、實驗原理 實驗實驗Z1.3 超聲波的探測超聲波的探測 超聲探頭發(fā)射能量的指向性與探頭的幾何尺寸和波長有直接的關(guān)系。 一般地，波長越小，頻率越高，指向性越好；尺寸越大

20、，指向性越好。 可用公式表示： 對具有一定指向性要求的超聲波探頭，采用較高的頻率可以使探頭的 尺寸變小。 在實際應(yīng)用中，通常用偏離中心線后振幅減小一半的位置表示聲束 的邊界。如圖3-1，在同一深度位置，中心軸線上的能量最大，當(dāng)偏離 中線到位置A、A時，能量減小到最大的一半。其中角定義為探頭的 擴散角。 越小，探頭方向性越好，定位精度越高。 )22. 1 (sin2 1 D 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 在進行缺陷定位時，必須找到缺陷反射回波最大的位置，使得被測 缺陷處于探頭的中心軸線上，然后測量缺陷反射回波對應(yīng)的時間，根 據(jù)試塊的聲速可以計算出缺陷到探頭入射點的垂直深度或水平距

21、離。 圖3-1 超聲波探頭指向性的示意圖 （a）直探頭（b）斜探頭 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 二、實驗內(nèi)容及要求二、實驗內(nèi)容及要求 1、測量直探頭的擴散角。 利用CSK-IB試塊橫孔A，B進行測量。建議： 測 6次。 第1步：利用直探頭分別找到A、B孔對應(yīng)的回波，移動探頭使回波幅度 最大 ，并用鋼尺測量該點的位置x0及對應(yīng)的回波的幅度； 第2步：向左邊移動探頭使回波幅度減小大最大幅度的一半，用鋼尺 測量該點的位置x1； 第3步：同樣的方法測量探頭右移時回波幅度下降到最大幅度的一半 時對應(yīng)點的位置x2。 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 H xx tg 2 2 1

22、21 2、探測CSK-IB試塊中缺陷C的深度。 利用直探頭，采用直接法測量多次，求平均值。建議： 測 6次。 2 0 tt CH lc 3、利用斜探頭，探測CSK-IB試塊中缺陷D的深度和距試塊右邊沿的距 離。 第1步：測量延遲1次。 cc HLH 第2步：按圖3-2，把探頭放置在試塊圓弧的圓心附近，找到R2的反射 回波最大的位置，用鋼尺測量探頭前沿到試塊端點的距離L1， 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 確定斜探頭的入射點 。 120 LRL 第3步：按圖2，把探頭分別對準(zhǔn)A，B兩孔，找到最大反射回波，求 )( 1 H LLL tg AB s 第4步： 斜探頭測量聲速 。 12

23、12 )(2 tt RR Cs 第5步： 找到D孔最大的回波位置LD，測回波的時間 ，則 2 0 tt CS sD t 第6步： 則 sin 2D SL 。 。 第7步： 最后 ， 。cos DD SY 20 LLLX DD 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 注意：注意：根據(jù)橫波聲速和 A，B，D孔到斜探頭的距離，找準(zhǔn)A， B，D孔出現(xiàn)最大回波時的位置，不要與其他棱的回波混淆。 圖3-2 探測缺陷D的示意圖 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 分析與思考： 1、 在利用斜探頭探測中，如果能夠得到與被測材料同材質(zhì)的試塊，并 且已知該試塊中兩個不同深度的橫孔的深度，那么我們不

24、必測量斜 探頭的延遲、入射點、折射角和聲速就可以確定缺陷的深度。試 說明該方法具體探測過程？ 2、 試?yán)帽砻娌y量CSK-IB試塊中R2的圓弧的長度？ 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 附錄A: JDUT-2型超聲波實驗儀原理框圖 同步電路 發(fā)射電路 探頭 試塊 放大/衰減 接收電路 顯示電路 圖A-1 原理框圖 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 圖A-2 實物圖片 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 附錄B: JDUT-2型超聲波實驗儀主要性能指標(biāo) 脈沖形式：負(fù)脈沖 輸出限幅：5V 發(fā)射強度：400V 有效電壓： 2V (射頻) ， 02V（檢波） 發(fā)射阻

25、抗：1000 使用電源： 220V 輸入阻抗： 500 使用功率：10W 頻帶寬度：50Hz7MHz(-3dB) / 50Hz10MHz(-6dB) 儀器尺寸：220mm220mm100mm 放大增益： 50dB 動態(tài)范圍： 0dB95dB，步長1dB 輸出阻抗： 50(射頻) ， 1000（檢波） 觸發(fā)模式： 內(nèi)觸發(fā) 觸發(fā)輸出：TTL電平 重復(fù)頻率： 125Hz,250Hz, 500Hz和1000Hz 可選 鋁縱波聲速6.27 mm/ s橫波聲速3.10 mm/ s表面聲速2.90 mm/ s 鋼縱波聲速5.90 mm/ s橫波聲速 3.27mm/ s 表面聲速2.99 mm/ s 試塊材質(zhì)參數(shù)表試塊材質(zhì)參數(shù)表 專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用 專 題 實 驗 附錄C: JDUT-2型超聲波