超聲波產(chǎn)生及超聲探測(cè)實(shí)驗(yàn)

1、專題實(shí)驗(yàn)請(qǐng)同學(xué)們先看下后邊的注意事項(xiàng)！超聲波測(cè)試原理及應(yīng)用超聲波是頻率在2´104Hz1012Hz的聲波。超聲廣泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫聲中含有超聲成分，蝙蝠利用超聲導(dǎo)航和覓食；金屬片撞擊和小孔漏氣也能發(fā)出超聲。人們研究超聲始于1830年，F(xiàn). Savart曾用一個(gè)多齒輪，第一次人工產(chǎn)生了頻率為2.4´104Hz的超聲；1912年Titanic客輪事件后，科學(xué)家提出利用超聲預(yù)測(cè)冰山；1916年第一次世界大戰(zhàn)期間P. Langevin領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開展了水下潛艇超聲偵察的研究，為聲納技術(shù)奠定了基礎(chǔ)；1927年，R. W. Wood 和A. E. Loomi

2、s 發(fā)表超聲能量作用實(shí)驗(yàn)報(bào)告，奠定功率超聲基礎(chǔ)；1929年俄國(guó)學(xué)者Sokolov提出利用超聲波良好穿透性來檢測(cè)不透明體內(nèi)部缺陷，以后美國(guó)科學(xué)家Firestone使超聲波無損檢測(cè)成為一種實(shí)用技術(shù)。超聲波測(cè)試把超聲波作為一種信息載體，它已在海洋探查與開發(fā)、無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域發(fā)揮著不可取代的獨(dú)特作用。例如，在海洋應(yīng)用中，超聲波可以用來探測(cè)魚群或冰山、潛艇導(dǎo)航或傳送信息、地形地貌測(cè)繪和地質(zhì)勘探等。在檢測(cè)中，利用超聲波檢驗(yàn)固體材料內(nèi)部的缺陷、材料尺寸測(cè)量、物理參數(shù)測(cè)量等。在醫(yī)學(xué)中，可以利用超聲波進(jìn)行人體內(nèi)部器官的組織結(jié)構(gòu)掃描（B超診斷）和血流速度的測(cè)量（彩超診斷）等。本實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單介紹超聲波的產(chǎn)

3、生方法、傳播規(guī)律和測(cè)試原理，通過對(duì)固體彈性常數(shù)的測(cè)量了解超聲波在測(cè)試方面應(yīng)用的特點(diǎn)；通過對(duì)試塊尺寸的測(cè)量和人工反射體定位了解超聲波在檢驗(yàn)和探測(cè)方面的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備和主要器材包括：JDUT-2型超聲波實(shí)驗(yàn)儀、GOS-620型示波器（20MHz）、CSK-IB型鋁試塊、鋼板尺、耦合劑（水）等。實(shí)驗(yàn)一、超聲波的產(chǎn)生與傳播能夠產(chǎn)生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應(yīng)方法、磁致伸縮效應(yīng)方法、靜電效應(yīng)方法和電磁效應(yīng)方法等.我們把能夠?qū)崿F(xiàn)超聲能量與其他形式能量相互轉(zhuǎn)換的器件稱為超聲波換能器。 一般情況下，超聲波換能器既能用于發(fā)射又能用于接收. 在本專題實(shí)驗(yàn)中，我們采用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)與電信號(hào)的

4、轉(zhuǎn)換，即壓電換能器，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解超聲波產(chǎn)生和接收方法；2 認(rèn)識(shí)超聲脈沖波及其特點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)原理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)生變形，從而使物質(zhì)本身極化，在物體相對(duì)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)。物質(zhì)的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)。如石英晶體的化學(xué)成分是SiO2，它可以看成由+4價(jià)的Si離子和-2價(jià)O離子組成。晶體內(nèi)，兩種離子形成有規(guī)律的六角形排列，如圖ZZ-1所示。其中三個(gè)正原子組成一個(gè)向右的正三角形，正電中心在三角形的重心處。類似，三個(gè)負(fù)原子對(duì)（六個(gè)負(fù)原子）組成一個(gè)向左的三角形，其負(fù)電中心也在這個(gè)三角形的重

5、心處。晶體不受力時(shí)，兩個(gè)三角形重心重合，六角形單元是電中性的。整個(gè)晶體由許多這樣的六角形構(gòu)成，也是電中性的。圖1.1 石英晶體的壓電效應(yīng)當(dāng)晶體沿x方向受一拉力，或沿y方向受一壓力，上述六角形沿x方向拉長(zhǎng)，使得正、負(fù)電中心不重合。盡管這是六角形單元仍然是電中性的，但是正負(fù)電中心不重合，產(chǎn)生電偶極矩。整個(gè)晶體中有許多這樣的電偶極矩排列，使得晶體極化，左右表面出現(xiàn)束縛電荷。當(dāng)外力去掉，晶體恢復(fù)原來的形狀，極化也消失。（許多大學(xué)物理教材都有關(guān)于電極化理論的介紹）由于同樣的原因，當(dāng)晶體沿y方向受拉力，或沿x方向受壓力，正原子三角形和負(fù)原子三角形都被壓扁，也造成正、負(fù)電中心不重合。但是這時(shí)電偶極矩的方向與

6、x方向受拉力時(shí)相反，晶體的極化方向也相反。這就是壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原因。當(dāng)外力沿z軸方向（垂直于圖ZZ1中的紙面方向），由于不造成正負(fù)電中心的相對(duì)位移，所以不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。由此可見，石英晶體的壓電效應(yīng)是有方向性的。當(dāng)一個(gè)不受外力的石英晶體受電場(chǎng)作用，其正負(fù)離子向相反的方向移動(dòng)，于是產(chǎn)生了晶體的變形。這一效應(yīng)是逆壓電效應(yīng)。還有一類晶體，如鈦酸鋇（BaTiCO3），在室溫下即使不受外力作用，正負(fù)電中心也不重合，具有自發(fā)極化現(xiàn)象。這類晶體也具有壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，它們多是由人工制成的陶瓷材料，又叫壓電陶瓷。本實(shí)驗(yàn)中超聲波換能器采用的壓電材料為壓電陶瓷。2 脈沖超聲波的產(chǎn)生及其特點(diǎn)用作超聲波換能器的壓電

7、陶瓷被加工成平面狀，并在正反兩面分別鍍上銀層作為電極，這樣被稱為壓電晶片。當(dāng)給壓電晶片兩極施加一個(gè)電壓短脈沖時(shí), 由于逆壓效應(yīng)，晶片將發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生彈性振蕩, 振蕩頻率與晶片的聲速和厚度有關(guān), 適當(dāng)選擇晶片的厚度可以得到超聲頻率范圍的彈性波, 即超聲波。在晶片的振動(dòng)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(gè)超聲波波包，通常稱為脈沖波，如圖1.2所示。超聲波在材料內(nèi)部傳播時(shí)， 圖1.2 脈沖波的產(chǎn)生與被檢對(duì)象相互作用發(fā)生散射，散射波被同一壓電換能器接收, 由于正壓效應(yīng), 振蕩的晶片在兩極產(chǎn)生振蕩的電壓, 電壓被放大后可以用示波器顯示。圖1.3(a)為超聲波在試塊中傳播的示

8、意圖。圖1.3(b)為示波器接收得到的超聲波信號(hào)。圖中，t0為電脈沖施加在壓電晶片的時(shí)刻，t1是超聲波傳播到試塊底面，又反射回來，被同一個(gè)探頭接收的時(shí)刻。因此，超聲波在試塊中的傳播到底面的時(shí)間為（1.1）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 （1.2）圖1.3 脈沖超聲波在試塊中的傳播（a）及示波器的接收信號(hào)(b)3 超聲波波型及換能器種類如果晶片內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于晶片平面，那么晶片向外發(fā)射的就是超聲縱波。超聲波在介質(zhì)中傳播可以有不同的波型，它取決于介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對(duì)介質(zhì)激發(fā)超聲波。通常有如下三種:縱波波型：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向

9、一致時(shí)，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(shí)均能產(chǎn)生縱波。橫波波型：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向相垂直時(shí)，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，還能承受切變變形，因此，當(dāng)其有剪切力交替作用于固體介質(zhì)時(shí)均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。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表面的橫波合成, 振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長(zhǎng)深處振幅最強(qiáng)，隨著深度的增加很快衰減，實(shí)際上離表面一個(gè)波長(zhǎng)以上的地方，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅已經(jīng)很微弱了。1-外殼 2-晶片 3-吸收背襯 4-電極接線 5

10、-匹配電感 6-接插頭 7a-保護(hù)膜 7b-斜楔圖1.4直探頭和斜探頭的基本結(jié)構(gòu) (a)直探頭 (b)斜探頭在實(shí)際應(yīng)用中，我們經(jīng)常把超聲波換能器稱為超聲波探頭。實(shí)驗(yàn)中，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1.4所示。探頭通過保護(hù)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)整脈沖波的波的形狀。一般情況下，采用直探頭產(chǎn)生縱波，斜探頭產(chǎn)生橫波或表面波。對(duì)于斜探頭，晶片受激發(fā)產(chǎn)生超聲波后，聲波首先在探頭內(nèi)部傳播一段時(shí)間后，才到達(dá)試塊的表面，這段時(shí)間我們稱為探頭的延遲。對(duì)于直探頭，一般延遲較小，在測(cè)量精度要求不高的情況下，可以忽略不計(jì)。4

11、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試塊內(nèi)部，同時(shí)可以使縱波轉(zhuǎn)換為橫波。實(shí)際上，超聲波在兩種固體界面上發(fā)生折射和反射時(shí)，縱波可以折射和反射為橫波，橫波也可以折射和發(fā)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1.5所示。圖1.5 超聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換 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定律：反射：（1.3a）折射：（1.3b） 其中，aL和aS分別是縱波反射角和橫波反射角；bL和bS分別是縱波折射角和橫波折射角；C1L和C1S分別是第1種介質(zhì)的縱波聲速和橫波聲速；C2L和C2S分別是第2種介質(zhì)的縱波聲速和橫

12、波聲速。實(shí)驗(yàn)方案1 直探頭延遲的測(cè)量及直接測(cè)量鋁試塊中縱波聲速參照附錄A連接JDUT-2型超聲波實(shí)驗(yàn)儀和示波器。超聲波實(shí)驗(yàn)儀接上直探頭，并把探頭放在CSK-IB試塊的正面，儀器的射頻輸出與示波器第1通道相連，觸發(fā)與示波器外觸發(fā)相連，示波器采用外觸發(fā)方式，適當(dāng)設(shè)置超聲波實(shí)驗(yàn)儀衰減器的數(shù)值和示波器的電壓范圍與時(shí)間范圍，使示波器上看到的波形如圖1.7所示。在圖1.7中，S稱為始波，t0對(duì)應(yīng)于發(fā)射超聲波的初始時(shí)刻；B1稱為 圖1.7直探頭延遲的測(cè)量試塊的1次底面回波，t1對(duì)應(yīng)于超聲波傳播到試塊底面，并被發(fā)射回來后，被超聲波探頭接收到的時(shí)刻，因此t1對(duì)應(yīng)于超聲波在試塊內(nèi)往復(fù)傳播的時(shí)間；B2 稱為試塊的2

13、次底面回波，它對(duì)應(yīng)于超聲波在試塊內(nèi)往復(fù)傳播到試塊的上表面后，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。依次類推，有3次、4次和多次底面反射回波。從示波器上讀出傳播t1和t2，則直探頭的延遲為(1.6)利用附錄里測(cè)塊的厚度，結(jié)合延遲時(shí)間測(cè)量鋁試塊中縱波聲速。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求1 測(cè)量直探頭的延遲及直接測(cè)量鋁試塊中縱波聲速利用CSK-IB試塊60毫米的厚度進(jìn)行測(cè)量。多次測(cè)量，求平均值。實(shí)驗(yàn)二、超聲波探測(cè)光波只能穿過透明介質(zhì)；電磁波只能穿過非導(dǎo)電介質(zhì)；超聲波是一種彈性波, 能夠在彈性介質(zhì)中傳播，而所有物質(zhì)都可視為彈性介質(zhì)，因此超聲波對(duì)所有介質(zhì)都是“透明”的

14、。一般情況下，超聲在液體和固體中傳播的距離比氣體中的傳播距離要遠(yuǎn)得多；例如在海洋探測(cè)中，可以用超聲波來探測(cè)數(shù)千米的目標(biāo)。這也是超聲被廣泛應(yīng)用于探測(cè)的主要原因之一。 利用超聲波進(jìn)行探測(cè)的另一個(gè)原因是超聲探頭發(fā)射的能量具有較強(qiáng)的指向性。指向性是指超聲波探頭發(fā)射聲束擴(kuò)散角的大小。擴(kuò)散角越小，則指向性越好，對(duì)目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性越高。在固體材料的尺寸測(cè)量、無損檢測(cè)、超聲診斷、潛艇導(dǎo)航等超聲應(yīng)用中，都利用了超聲波的這一特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)在了解超聲波探頭指向性的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)超聲波用于探測(cè)的基本方法。實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 理解超聲波探頭的指向性；2 掌握超聲波探測(cè)原理和定位方法。實(shí)驗(yàn)原理超聲探頭發(fā)射能量的指向性與探頭的幾何尺寸

15、和波長(zhǎng)有直接的關(guān)系。一般來講，波長(zhǎng)越小，頻率越高，指向性越好；尺寸越大，指向性越好?？梢杂霉奖硎救缦拢海?.1）圖3.1是超聲波探頭的指向性與其尺寸和波長(zhǎng)關(guān)系的示意圖。對(duì)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。圖3.1 超聲探頭的指向性在實(shí)際應(yīng)用中，通常我們用偏離中心軸線后振幅減小一半的位置表示聲束的邊界。如圖3.2所示，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(shí)，能量減小到最大值的一半。其中q角定義為探頭的擴(kuò)散角。q越小，探頭方向性越好，定位精度越高。(a)直探頭 (b)斜探頭圖3.2 超聲波探頭的指向性在進(jìn)行缺陷定位時(shí)，必須找到缺陷反射回波

16、最大的位置，使得被測(cè)缺陷處于探頭的中心軸線上，然后測(cè)量缺陷反射回波對(duì)應(yīng)的時(shí)間，根據(jù)工件的聲速可以計(jì)算出缺陷到探頭入射點(diǎn)的垂直深度或水平距離。實(shí)驗(yàn)方案1 聲束擴(kuò)散角的測(cè)量如圖3.3所示，利用直探頭分別找到BF1通孔對(duì)應(yīng)的回波，移動(dòng)探頭使回波幅度最大，并記錄該點(diǎn)的位置x0及對(duì)應(yīng)回波的幅度；然后向左邊移動(dòng)探頭使回波幅度減小到最大振幅的一半，并記錄該點(diǎn)的位置x1；同樣的方法記錄下探頭右移時(shí)回波幅度下降到最大振幅一半對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位置x2；則直探頭擴(kuò)散角為：（3.2）圖3.3 探頭擴(kuò)散角的測(cè)量對(duì)于斜探頭，首先必須測(cè)量出探頭的折射角b，然后利用測(cè)量直探頭同樣的方法，按下式計(jì)算斜探頭的擴(kuò)散角近似為：（3.3）2

17、直探頭探測(cè)缺陷深度在超聲波探測(cè)中，可以利用直探頭來探測(cè)較厚工件內(nèi)部缺陷的位置和當(dāng)量大小。把探頭按圖3.4位置放置，觀察其波形。其中底波是工件底面的反射回波。圖3.4 直探頭探測(cè)缺陷深度對(duì)底面回波和缺陷波對(duì)應(yīng)時(shí)間（深度）的測(cè)量，可以采用絕對(duì)測(cè)量方法，也可以采用相對(duì)測(cè)量方法。利用絕對(duì)測(cè)量方法時(shí)，必須首先測(cè)量（或已知）探頭的延遲和被測(cè)材料的聲速，具體方法請(qǐng)參看實(shí)驗(yàn)二直探頭延遲和聲速的絕對(duì)測(cè)量方法。利用相對(duì)測(cè)量方法時(shí)，必須有與被測(cè)材料同材質(zhì)試塊，并已知該試塊的厚度，具體方法請(qǐng)參看實(shí)驗(yàn)二直探頭延遲和聲速的相對(duì)測(cè)量方法。3 斜探頭測(cè)量缺陷的深度和水平距離（1）斜探頭延遲測(cè)量參照?qǐng)D2.2把斜探頭放在試塊上，

18、并使探頭靠近試塊正面，使探頭的斜射聲束能夠同時(shí)入射在R1和R2圓弧面上。適當(dāng)設(shè)置超聲波實(shí)驗(yàn)儀衰減器的數(shù)值和示波器的電壓范圍與時(shí)間范圍。在示波器上同時(shí)觀測(cè)到兩個(gè)弧面的回波B1和B2。測(cè)量它們對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1和t2。由于R2=2R2，因此斜探頭的延遲為：(2.7)（2）斜探頭入射點(diǎn)測(cè)量在確定斜探頭的傳播距離時(shí)，通常還要知道斜探頭的入射點(diǎn)，即聲束與被測(cè)試塊表面的相交點(diǎn)，用探頭前沿到該點(diǎn)的距離表示，又稱前沿距離。參照?qǐng)D2.2把斜探頭放在試塊上，并使探頭靠近試塊正面，使探頭的斜射聲束入射在R2圓弧面上，左右移動(dòng)探頭，使回波幅度最大（聲束通過弧面的圓心）。這時(shí)，用鋼板尺測(cè)量探頭前沿到試塊左端的距離L，則前沿距離為： (2.8)圖2.2 斜探頭延遲和入射點(diǎn)測(cè)量(3) 斜探頭測(cè)量缺陷的深度和水平距離利用斜探頭進(jìn)行探測(cè)時(shí)，如果測(cè)量得到超聲波在材料中傳播的距離為S，則其深度H和水平距離L為：(3.4)(3.5)其中b是斜探頭在被測(cè)材料中的折射角。要實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷進(jìn)行定位，除了必須測(cè)量（或已知）探頭的延遲、入射點(diǎn)外，還必須測(cè)量（或已知）探頭在該材質(zhì)中的折射角和聲速。通常我們利用