超聲實驗1 講義

1、北京師范大學(xué)物理實驗教學(xué)中心普通物理實驗室（說明：實驗室里沒有下列文檔的紙質(zhì)版） 超聲波性能表征及其在長度測量和材料性能表征中的初步應(yīng)用一、實驗?zāi)康?.掌握了超聲波的特點(diǎn)，了解超聲波的應(yīng)用；2.掌握超聲波及其探測器的性能表征方法；3.理解利用超聲波進(jìn)行材料性能表征的原理，掌握利用超聲波測量固體彈性常數(shù)的技術(shù)；4.通過超聲波折射現(xiàn)象了解彈性波的基本特性和波形轉(zhuǎn)換（選做）。二、實驗儀器JDUT-2型超聲波實驗儀，示波器。14235圖1. JDUT-2型超聲波實驗儀JDUT-2型超聲波實驗儀如圖1所示，圖1中1是超聲波實驗儀的主體，附件2是斜探頭，附件3是試塊，附件4是可變角探頭，附件5是直探頭。J

2、DUT-2型超聲波實驗儀只能夠調(diào)節(jié)放大電路的衰減數(shù)值。衰減的單位是分貝，用dB 表示，定義如下：分貝值=20lgA（dB），其中A是放大倍數(shù)。衰減器讀數(shù)與放大器的放大倍數(shù)成對數(shù)關(guān)系。超聲儀衰減器動態(tài)范圍是96dB，從0dB到95dB ；調(diào)節(jié)步長為1dB和10dB兩種。示波器可以采用通用型、頻率在20兆以上的示波器。發(fā)射JDUT-2型超生波實驗儀 超聲儀示波器探頭試塊衰減CH1CH2TRG接收射頻檢波觸發(fā)圖2.儀器連接示意圖圖2是儀器連接示意圖，當(dāng)采用單探頭工作方式時，利用三通線把發(fā)射接收接頭連接起來，然后與探頭連接。示波器采用外觸發(fā)工作方式，連接超聲儀觸發(fā)接頭與示波器外觸發(fā)輸入口。分別把信號檢

3、波輸出和射頻輸出與示波器第一、第二通道輸入口相連，或者根據(jù)需要只接其中一種輸出方式。當(dāng)超聲儀采用雙探頭工作方式時，發(fā)射接口和接收接口分別與發(fā)射探頭和接收探頭相連。在進(jìn)行實驗時，需要適當(dāng)設(shè)置超聲波實驗儀衰減器的數(shù)值和示波器的電壓范圍與時間范圍，使示波器上看到的波形適中。三、實驗原理1.超聲波的基本知識超聲波是頻率在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曾用一個多齒輪，第一次人工產(chǎn)生了頻率為2.4´104Hz的超

4、聲；1912年Titanic客輪事件后，科學(xué)家提出利用超聲預(yù)測冰山；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. Loomis 發(fā)表超聲能量作用實驗報告，奠定功率超聲基礎(chǔ)；1929年俄國學(xué)者Sokolov提出利用超聲波良好穿透性來檢測不透明體內(nèi)部缺陷，此后美國科學(xué)家Firestone使超聲波無損檢測成為一種實用技術(shù)。超聲波測試把超聲波作為一種信息載體，它已在海洋探查與開發(fā)、無損檢測與評價、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魚群或冰山、

5、潛艇導(dǎo)航或傳送信息、地形地貌測繪和地質(zhì)勘探等。在檢測中，利用超聲波檢驗固體材料內(nèi)部的缺陷、材料尺寸測量、物理參數(shù)測量等。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）和血流速度的測量（彩超診斷）等。在本實驗中將學(xué)習(xí)超聲波的產(chǎn)生方法、傳播規(guī)律和測試原理，通過對固體彈性常數(shù)的測量了解超聲波在測試方面應(yīng)用的特點(diǎn)；通過對試塊尺寸的測量和人工反射體定位了解超聲波在檢驗和探測方面的應(yīng)用。2.超聲波的產(chǎn)生及探測某些固體物質(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

6、是SiO2，它可以看成由+4價的Si離子和-2價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3所示。其中三個正離子組成一個向右的正三角形，正電中心在三角形的重心處。類似，三個負(fù)離子對（六個負(fù)離子）組成一個向左的三角形，其負(fù)電中心也在這個三角形的重心處。晶體不受力時，兩個三角形重心重合，六角形單元是電中性的。整個晶體由許多這樣的六角形構(gòu)成，也是電中性的。圖3. 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，使得正、負(fù)電中心不重合。這時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。整個晶體中有許多這樣的電偶極矩排列，使得晶體極化，

7、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，正離子三角形和負(fù)離子三角形都被壓扁，也造成正、負(fù)電中心不重合。但是這時電偶極矩的方向與x方向受拉力時相反，晶體的極化方向也相反。這就是壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原因。圖4. 脈沖波的產(chǎn)生當(dāng)外力沿z軸方向（垂直于圖3中的紙面方向），由于不造成正負(fù)電中心的相對位移，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)一個不受外力的石英晶體受電場作用，其正負(fù)離子向相反的方向移動，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，

8、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。本實驗中超聲波換能器采用的壓電材料為壓電陶瓷。(a)直探頭 (b)斜探頭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(hù)膜 7b-斜楔圖5直探頭和斜探頭的基本結(jié)構(gòu)用作超聲波換能器的壓電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電壓短脈沖時, 由于逆壓電效應(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

9、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，通常稱為脈沖波，如圖4所示。超聲波在材料內(nèi)部傳播時，與被檢對象相互作用發(fā)生散射，散射波被同一壓電換能器接收, 由于正壓電效應(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。在實際應(yīng)用中，我們經(jīng)常把超聲波換能器稱為超聲波探頭。實驗中，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5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)整脈沖波的形狀。一般情況下，采用直探頭產(chǎn)生縱波

10、，斜探頭產(chǎn)生橫波或表面波。對于斜探頭，晶片受激發(fā)產(chǎn)生超聲波后，聲波首先在探頭內(nèi)部傳播一段時間后，才到達(dá)試塊的表面，這段時間我們稱為探頭的延遲。對于直探頭，一般延遲較小，在測量精度要求不高的情況下，可以忽略不計。3.超生波的波形和超聲波的反射與折射如果晶片內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)的振動方向與超聲波的傳播方

11、向相垂直時，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，還能承受切變變形，因此，當(dāng)有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。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, 振動質(zhì)點(diǎn)的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅最強(qiáng)，隨著深度的增加很快衰減，實際上離表面一個波長以上的地方，質(zhì)點(diǎn)振動的振幅已經(jīng)很微弱了。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

12、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6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定律：圖6 超聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換 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)的縱波聲速和橫波聲速。在本實驗中，還使用了一種可變角探頭，如圖7所示。其中探頭芯可以旋轉(zhuǎn)，通過改變探頭的入射角q，得到不同折射角的斜探頭。當(dāng)q=0時成為直探頭?？梢岳迷撎筋^觀察波型轉(zhuǎn)換的過程。 在斜探頭或可變角探頭中，有機(jī)玻璃斜塊或有機(jī)玻璃探頭芯的聲速C小于鋁中

13、橫波聲速CS，而橫波聲速CS又小于縱波聲速CL。因此，根據(jù)公式（2），當(dāng)a大于： (3)圖7 可變角探頭示意圖時，鋁介質(zhì)中只有折射橫波；而當(dāng)a大于： （4）時，鋁介質(zhì)中既無縱波折射，又無橫波折射。我們把a(bǔ)1稱為有機(jī)玻璃入射到有機(jī)玻璃-鋁界面上的第一臨界角；a2稱為第二臨界角；4. 超聲波聲速與固體彈性常數(shù)的關(guān)系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： （6） 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(diǎn)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(diǎn)的振動方向與超聲波的傳播方向相垂直時，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

14、, 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： (7) 其中, d為聲波傳播距離, t為聲波傳播時間。對于同一種材料, 其縱波波速和橫波波速的大小一般不一樣，但是它們都由彈性介質(zhì)的密度、楊氏模量和泊松比等彈性參數(shù)決定, 即影響這些物理常數(shù)的因素都對聲速有影響。相反, 利用測量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

15、比，記做，它也是表示材料彈性性質(zhì)的一個物理量。在各向同性固體介質(zhì)中，各種波型的超聲波聲速為：其中E為楊氏模量，為泊松系數(shù)，r為材料密度。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：楊氏模量： (10) 泊松系數(shù)： (11) 其中：，為介質(zhì)中縱波聲速，為介質(zhì)中橫波聲速，r為介質(zhì)的密度。四.儀器的一些備用參數(shù)1.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(qiáng)度：400V 有效電壓：±2V(射頻)，0-2V（檢波）發(fā)射阻抗：1000 使用電源：220V輸入阻抗：500使用功率：10W頻帶寬度：50Hz-

16、7MHz(-3dB)/50Hz-10MHz(-6dB) 儀器尺寸：220mm×220mm×100mm放大增益： 50dB動態(tài)范圍： 0dB-95dB，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2. CSK-IB鋁試塊尺寸圖和材質(zhì)參數(shù)單位：毫米；尺寸：R1=30，R2=60，LA=20，HA=20，LB=50，HB=10。材質(zhì)參數(shù)表（僅供參考）縱波聲速6.27mm/ms橫波聲速3.10 mm/us表面波聲速2.90mm/ms楊氏模量6.94×10

17、10Nm-2泊松系數(shù)0.33材質(zhì)密度2.7g/cm3鋁縱波聲速6.27 mm/m s橫波聲速3.10 mm/m s表面聲速2.90 mm/m s鋼縱波聲速5.90 mm/m s橫波聲速3.27mm/m s表面聲速2.99 mm/m s五.選做實驗的參考資料超聲波在界面上的反射和折射1斯特令定律當(dāng)超聲波傳到異質(zhì)界面（即聲阻抗值不同的兩種介質(zhì)的界面）時，不僅會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，而且當(dāng)兩種介質(zhì)都是固體或其中之一是固體時，縱波和橫波之間還可能發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，同時可能產(chǎn)生表面波。當(dāng)超聲波以入射角a按縱波聲速或按橫波聲速C傳到異質(zhì)界面后，反射角或折射角滿足以下斯特令折射定律：反射：（2.1a）折射：（2.

18、1b） 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)的縱波聲速和橫波聲速。在斜探頭或可變角探頭中，有機(jī)玻璃斜塊或有機(jī)玻璃探頭芯的聲速C小于鋼中橫波聲速CS，而橫波聲速CS又小于縱波聲速CL。因此，根據(jù)公式（2.1b），當(dāng)a大于： (2.2)時，鋼介質(zhì)中只有折射橫波；而當(dāng)a大于： （2.3）時，鋼介質(zhì)中既無縱波折射，又無橫波折射。我們把a(bǔ)1稱為有機(jī)玻璃入射到有機(jī)玻璃-鋼界面上的第一臨界角；a2稱為第二臨界角；2折射實驗實驗內(nèi)容：（1） 縱波入射，測量縱波折射角，并驗證折射定

19、律；（2） 縱波入射，測量橫波折射角，并驗證折射定律。利用可變角探頭可以直接測量超聲波從有機(jī)玻璃中的入射角和在鋼試塊中的折射角，然后驗證公式（2.1b）。入射角和折射角的測量方法如下：第一步：參考圖2.1(a)，把可變角探頭的入射角調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。例如，測量縱波折射時，入射角為20°左右；測量橫波折射時，入射角為35°左右。第二步：把探頭放置在試塊圓弧的圓心附近，觀察R1和R2的反射回波。前后移動探頭，使反射回波最大。第三步：測量探頭前沿到試塊端點(diǎn)的距離L1，進(jìn)而得到探頭的前沿距離L0=R2-L1。第四步：根據(jù)前沿距離測量探頭芯中三角形的兩個直角邊H和S，進(jìn)而計算入射角。第五步：參考圖2.1(b)，把探頭分別對準(zhǔn)H1和H2深F1的標(biāo)準(zhǔn)通孔，找到最大反射回波。第六步：平移線段，得到三角形的兩個直角邊H和S，進(jìn)而計算折射角。第七步：驗證公式（2.1b）。(a) 測量入射角 (b)測量折射角圖2.1 可變角探頭折射角測量3反射實驗實驗內(nèi)容：（1） 測量橫波反射角；并驗證反射定律（2） 測量縱波反射角以及縱波與橫波之間的波型轉(zhuǎn)換