超聲波測(cè)試原理及應(yīng)用

1、超聲波測(cè)試原理及應(yīng)用超聲波是頻率在 2 104Hz 1012Hz 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. Savart 曾用一個(gè)多齒輪，第一次人工產(chǎn)生了頻率為2.4104 Hz 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(kāi)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(shí)驗(yàn)

2、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(lái)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(wú)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(kāi)發(fā)、無(wú)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(lái)探測(cè)魚(yú)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

3、波的產(chǎn)生方法、傳播規(guī)律和測(cè)試原理，通過(guò)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(guò)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(chēng)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(zhuān)題實(shí)驗(yàn)中，我們采用壓電效

4、應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)與電信號(hào)的轉(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)；3 理解超聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換。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(chēng)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SiO 2，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

5、心處。類(lèi)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 p 。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(lái)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

6、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(jiàn)，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(lèi)晶體，如鈦酸鋇（BaTiCO 3 ），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(lèi)晶體也具有壓電效應(yīng)和逆壓電效

7、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(chēng)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(guò)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(chēng)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

8、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意圖。圖 1.3(b) 為示波器接收得到的超聲波信號(hào)。圖中， t 0 為電脈沖施加在壓電晶片的時(shí)刻，t 1是超聲波傳播到試塊底面，又反射回來(lái)，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t(t1 t0 ) / 2（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Sc.t（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(lèi)如果晶片內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直

9、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

10、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(xiàn)5-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(chēng)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(guò)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

11、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(chēng)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 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(guò)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(chēng)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(mǎn)足如下斯特令折射定律：

12、sinsinLsinS反射：（1.3a）CC1 LC1S折射：sinsinLsinS（1.3b）CC2 LC2 S其中，L 和S 分別是縱波反射角和橫波反射角；L 和S 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(shí)驗(yàn)中，還使用了一種可變角探頭 ，如圖1.6 所示。其中探頭芯可以旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變探頭的入射角，得到不同折射角的斜探頭。當(dāng)=0 時(shí)成為直探頭?？梢岳迷撎筋^觀察波型轉(zhuǎn)換的過(guò)程。圖 1.6可變角探頭示意圖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 小于鋁中橫波

13、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) 大于：1sin 1 ( C )(1.4)C L時(shí)，鋁介質(zhì)中只有折射橫波；而當(dāng)大于：2sin 1 ( C)（ 1.5）C S時(shí)，鋁介質(zhì)中既無(wú)縱波折射，又無(wú)橫波折射。我們把1 稱(chēng)為有機(jī)玻璃入射到有機(jī)玻璃-鋁界面上的 第一臨界角 ；2 稱(chēng)為第二臨界角 ；實(shí)驗(yàn)方案1 直探頭延遲的測(cè)量參照附錄 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

14、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(chēng)為始波， t0 對(duì)應(yīng)于發(fā)射超聲波的初始時(shí)刻；B1 稱(chēng)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(lái)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；B 2 稱(chēng)為試塊的 2 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(lèi)推，有3次、4次圖 1.9 橫波和縱波的測(cè)量和多次底面反射回波。從示波器上讀出傳播t1 和 t 2

15、，則直探頭的延遲為t2t1t 2(1.6)2 脈沖波頻率和波長(zhǎng)的測(cè)量調(diào)節(jié)示波器時(shí)間范圍，使試塊的1 次底面回波出現(xiàn)在示波屏的中央，脈沖波的振幅小于1V 。測(cè)量?jī)蓚€(gè)振動(dòng)波峰之間的時(shí)間間隔，則得到一個(gè)脈沖周期的振動(dòng)時(shí)間t ，則脈沖波的頻率為 f=1/t ；已知鋁試塊的縱波聲速為6.32mm/us，則脈沖波在鋁試塊中的波長(zhǎng)為l=6.32t 。3 波型轉(zhuǎn)換的觀察與測(cè)量把超聲波實(shí)驗(yàn)儀換上可變角探頭，參照?qǐng)D1 .8 把探頭放在試塊上， 并使探頭靠近試塊背面， 使探頭的斜射聲束只打在 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圖 1.8 觀察波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象與時(shí)間范圍。 改變探頭的入射角

16、，并在改變的過(guò)程中適當(dāng)移動(dòng)探頭的位置，使每一個(gè)入射角對(duì)應(yīng)的 R2 圓弧面的反射回波最大。則在探頭入射角由小變大的過(guò)程中，我們可以先后觀察到回波 B1、 B 2 和 B 3；它們分別對(duì)應(yīng)于縱波反射回波、橫波反射回波和表面波反射回波。讓探頭靠近試塊背面，通過(guò)調(diào)節(jié)入射角調(diào)，使能夠同時(shí)觀測(cè)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(huì)在B1 前面觀測(cè)到一個(gè)回波b1，參照附錄B 給出鋁試塊的縱波聲速與橫波聲速，通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)量和計(jì)算，可以確定b、 B 1 和B2 對(duì)應(yīng)的波型和反射面。4 折射角的測(cè)量確定 B 1、 B2 的波型后，可以分別測(cè)量縱波和橫波的折射角

17、。 參照?qǐng)D 1.10 首先讓把探頭的縱波聲束對(duì)正（回波幅度最大時(shí)為正對(duì)位置） CSK-IB 試塊上的橫孔 A ，用鋼板尺測(cè)量正對(duì)時(shí)探頭的前沿到試塊右邊沿的距離LA1 ；然后向左移動(dòng)探頭，再讓縱波聲束對(duì)正橫孔B，并測(cè)量距離 L B1 。測(cè)量 A 和 B 的水平距離L 和垂直距離H ，則探頭的折射角為：1tan 1 ( LB1L A1 L )（ 1.7）H同樣的方法可以測(cè)量橫波的折射角2。圖 1.10 折射角的測(cè)量實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求1 測(cè)量直探頭的延遲利用 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。2 測(cè)量脈沖超聲波頻率和波長(zhǎng)利用 CSK-IB 試塊 40 毫米厚度的 1 次回

18、波進(jìn)行測(cè)量； 測(cè)量脈沖波 4 個(gè)振動(dòng)周期的時(shí)間 t，求其頻率和波長(zhǎng)。多次測(cè)量，求平均值。3 波形轉(zhuǎn)換的觀察和測(cè)量通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算和測(cè)量，分析確定圖1.9 中 b1、 B1 和 B2 對(duì)應(yīng)的波型和反射面。4 驗(yàn)證斯特令定律（選做）利用 CSK-IA 鋼試塊，測(cè)量可變角探頭在同一入射角下的縱波折射角和橫波折射角。鋼中縱波聲速與橫波聲速，驗(yàn)證斯特令定律折射定律。已知可變角探頭中有機(jī)玻璃縱波聲速為2.73mm/s，試計(jì)算可變角探頭的入射角數(shù)值。分析與思考1 激發(fā)脈沖超聲波的電脈沖一般是一個(gè)上升沿小于20 納秒的很尖很窄的脈沖。而從超聲脈沖波的波形看，其幅度是由小變大，然后又由大變小，而不是直接從大變??；并

19、且振動(dòng)可以持續(xù)110 微秒；為什么？2 通過(guò)計(jì)算說(shuō)明，當(dāng)可變角探頭逐步靠近試塊正面時(shí)，為什么橫波在射回波能夠與B1 重合？R1圓弧面的反實(shí)驗(yàn)二、固體彈性常數(shù)的測(cè)量超聲波是一種彈性波， 它在所有彈性材料中傳播。 其傳播的特性與材料的彈性有關(guān)， 如果彈性材料發(fā)生變化， 超聲的傳播就會(huì)受到擾動(dòng)， 根據(jù)這個(gè)擾動(dòng)， 就可了解材料的彈性或彈性變化的特征。 超聲波測(cè)試就是利用超聲波的傳播特性與彈性材料物理特性之間的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量超聲波的傳播特性參量，達(dá)到測(cè)量彈性材料物理參數(shù)的目的。在實(shí)際應(yīng)用中， 由于測(cè)試的對(duì)象和目的不同，具體的技術(shù)和措施是不同的，因而產(chǎn)生了一系列的超聲測(cè)試項(xiàng)目，例如超聲測(cè)厚、超聲測(cè)硬度、超

20、聲測(cè)應(yīng)力、超聲測(cè)金屬材料的晶粒度、超聲測(cè)量彈性常數(shù)等。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)研究固體中超聲波的傳播特性，從而進(jìn)一步確定固體介質(zhì)中幾個(gè)常用的彈性常參數(shù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 理解超聲波聲速與固體彈性常數(shù)的關(guān)系；2 掌握超聲波聲速測(cè)量的方法；3 了解聲速測(cè)量在超聲波應(yīng)用中的重要性。實(shí)驗(yàn)原理在各向同性的固體材料中， 根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變滿(mǎn)足的虎克定律 , 可以求得超聲波傳播的特征方程：212（2.1）c 22 t 2其中 為勢(shì)函數(shù)， c 為超聲波傳播速度。當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向一致時(shí),稱(chēng)為縱波；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)，稱(chēng)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

21、以按縱波或橫波兩種波型傳播。無(wú)論是材料中的縱波還是橫波, 其速度可表示為：d(2.2)ct其中 , d 為 聲波傳播距離 , t 為聲波傳播時(shí)間。對(duì)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(duì)聲速有影響。相反, 利用測(cè)量超聲波速度的方法可以測(cè)量材料有關(guān)的彈性常數(shù)。固體在外力作用下， 其長(zhǎng)度沿力的方向產(chǎn)生變形。變形時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變之比就定義為楊氏模量，一般用 E 表示。（在本書(shū)楊氏模量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)中有介紹）固體在應(yīng)力作用下。沿縱向有一正應(yīng)變（伸長(zhǎng)），沿橫向就將有一個(gè)負(fù)應(yīng)變（縮短） ，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)

22、變之比被定義為泊松比，記做 ，它也是表示材料彈性性質(zhì)的一個(gè)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：縱波聲速：CLE(1)(2.3)(1)(12)橫波聲速：CSE(2.4)2(1)其中 E 為楊氏模量， 為泊松系數(shù)，為材料密度。相應(yīng)地，通過(guò)測(cè)量介質(zhì)的縱波聲速和橫波聲速，利用以上公式可以計(jì)算介質(zhì)的彈性常數(shù)。計(jì)算公式如下：楊氏模量：cS2 (3T 24)E2(2.5)T1泊松系數(shù)：T 22(2.6)2(T21)其中： TcL ， cL 為介質(zhì)中縱波聲速，cS 為介質(zhì)中橫波聲速，為介質(zhì)的密度。cS實(shí)驗(yàn)方案1 聲速的直接測(cè)量方法根據(jù)公式（ 2.2），當(dāng)利用確定反射體（界面或人工反射體）測(cè)量

23、聲速時(shí)，我們只需要測(cè)量該反射體的回波時(shí)間，就可以計(jì)算得到聲速。而對(duì)于單個(gè)的反射體，得到的反射波如圖2.1 所示。能夠直接測(cè)量的時(shí)間包含了超聲波在探頭內(nèi)部的傳播時(shí)間t0，即探頭的延遲。對(duì)于任何一種探頭，其延遲只與探頭本身有關(guān)， 而與被測(cè)的材料無(wú)關(guān)。因此， 首先需要測(cè)量探頭的延遲，然后才能利用該探頭直接測(cè)量反射體回波時(shí)間。圖 2.1 縱波延遲測(cè)量（ 1）直探頭延遲測(cè)量（參看實(shí)驗(yàn)一） 。（ 2）斜探頭延遲測(cè)量參照?qǐng)D 2.2 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

24、測(cè)到兩個(gè)弧面的回波 B1 和 B 2。測(cè)量它們對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t1 和于 R2=2R2，因此斜探頭的延遲為：t2。由t2 t1t 2(2.7)（ 3）斜探頭入射點(diǎn)測(cè)量（選做）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(chēng)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(guò)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：L0R2 L(2.8)圖 2.2 斜探頭延遲和入射點(diǎn)測(cè)量2 聲速的相對(duì)測(cè)量方法如果被測(cè)試塊有兩

25、個(gè)確定的反射體， 那么通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)反射體回波對(duì)應(yīng)的時(shí)間差， 再計(jì)算出試塊的聲速。這種方法稱(chēng)為聲速的相對(duì)測(cè)量方法。對(duì)于直探頭，可以利用均勻厚度底面的多次反射回波中的任意兩個(gè)回波進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于斜探頭，則利用CSK-IB 試塊的兩個(gè)圓弧面的回波進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求1 測(cè)量直探頭和斜探頭的延遲利用 CSK-IB 試塊 60 毫米厚度， 采用相對(duì)測(cè)量方法測(cè)量直探頭延遲； 多次測(cè)量， 求平均值。利用 R1 、 R2 圓弧面，采用相對(duì)測(cè)量方法測(cè)量斜探頭延遲；多次測(cè)量，求平均值。2 利用直探頭測(cè)量鋁試塊的縱波聲速分別利用直接法和相對(duì)法測(cè)量。多次測(cè)量，求平均值。3 利用斜探頭測(cè)量鋁試塊的橫波聲速分別利用直接

26、法和相對(duì)法測(cè)量。多次測(cè)量，求平均值。4 計(jì)算鋁試塊的楊氏模量和泊松系數(shù)與理論值比較，分析誤差產(chǎn)生原因。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(méi)有縱波？2 利用 CSK-IB試塊怎樣測(cè)量表面波探頭的延遲？能否用測(cè)量斜探頭入射點(diǎn)的方法測(cè)量表面波探頭的入射點(diǎn)？為什么？3 利用 CSK-IB 試塊的橫孔A 和橫孔 B 試塊怎樣測(cè)量斜探頭的延遲和入射點(diǎn)？4 利用鋁試塊測(cè)量得到斜探頭的延遲和入射點(diǎn)與在鋼試塊測(cè)量同一探頭的延遲和入射點(diǎn)，結(jié)果是否一樣？為什么？實(shí)驗(yàn)三、超聲波探測(cè)光波只能穿過(guò)透明介質(zhì)；電磁波只能穿過(guò)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

27、性介質(zhì)，因此超聲波對(duì)所有介質(zhì)都是“透明 ”的。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(lái)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(wú)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)

28、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和波長(zhǎng)有直接的關(guān)系。 一般來(lái)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? sin1 (1.22)（ 3.1）D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(xiàn)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(xiàn)上的能量最大，當(dāng)偏離中線(xiàn)到位置A、A時(shí)，能量減小到最大值的一半。其中角定義為探頭的擴(kuò)散角。越小，探頭方向性越好，定位精度越高。(a) 直探

29、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最大的位置， 使得被測(cè)缺陷處于探頭的中心軸線(xiàn)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B1 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：2tg 1 | x2x1 |（ 3.2）2L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，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：2tg 1 | x2x1 |cos2（ 3.3）2L2 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(lái)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