超聲波實(shí)驗(yàn)(共8頁(yè))

1、 FD-UDE-A A類超聲實(shí)驗(yàn)(shyn) *大學(xué)(dxu) 學(xué)號(hào)：* 姓名(xngmng)：* 學(xué)院：* 專業(yè)：物理學(xué) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2015.5.8 08:0011:30【實(shí)驗(yàn)(shyn)目的】了解超聲波產(chǎn)生和發(fā)射(fsh)的機(jī)理用A類超聲實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量水中聲速(shn s)或測(cè)量水層厚度用A類超聲實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量固體厚度及超聲無(wú)損探傷【實(shí)驗(yàn)原理】超聲波是指頻率高于20KHz的聲波，與電磁波不同，它是彈性機(jī)械波，不論材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)光性如何，只要是彈性材料，它都可以傳播進(jìn)去，并且它的傳播與材料的彈性有關(guān)，如果彈性材料發(fā)生變化，超聲波的傳播就會(huì)受到干擾，根據(jù)這個(gè)擾動(dòng)，就可了解材料的彈性或

2、彈性變化的特征，這樣超聲就可以很好地檢測(cè)到材料特別是材料內(nèi)部的信息，對(duì)某些其它輻射能量不能穿透的材料，超聲更顯示出了這方面的實(shí)用性。與X射線、射線相比，超聲的穿透本領(lǐng)并不優(yōu)越，但由于它對(duì)人體的傷害較小，使得它的應(yīng)用仍然很廣泛。產(chǎn)生超聲波的方法有很多種，如熱學(xué)法、力學(xué)法、靜電法、電磁法、磁致伸縮法、激光法以及壓電法等等，但應(yīng)用得最普遍的方法是壓電法。壓電效應(yīng)：某些介電體在機(jī)械壓力的作用下會(huì)發(fā)生形變，使得介電體內(nèi)正負(fù)電荷中心相對(duì)位移以致介電體兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與壓力成正比，這種由“壓力”產(chǎn)生“電”的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)；反之，如果將具有壓電效應(yīng)的介電體置于外電場(chǎng)中，電場(chǎng)會(huì)使介

3、質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移，從而導(dǎo)致介電體發(fā)生形變，這種由“電”產(chǎn)生“機(jī)械形變”的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，逆壓電效應(yīng)只產(chǎn)生于介電體，形變與外電場(chǎng)呈線性關(guān)系，且隨外電場(chǎng)反向而改變符號(hào)。壓電體的正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。如果對(duì)具有壓電效應(yīng)的材料施加交變電壓，那么它在交變電場(chǎng)的作用下將發(fā)生交替的壓縮和拉伸形變，由此而產(chǎn)生了振動(dòng)，并且振動(dòng)的頻率與所施加的交變電壓的頻率相同，若所施加的電頻率在超聲波頻率范圍內(nèi)，則所產(chǎn)生的振動(dòng)是超聲頻的振動(dòng)，我們把這種振動(dòng)耦合到彈性介質(zhì)中去，那么在彈性介質(zhì)中傳播的波即為超聲波，這利用的是逆壓電效應(yīng)。若利用正壓電效應(yīng)，可將超聲能轉(zhuǎn)變成電能，這樣就可實(shí)現(xiàn)超聲波的接收。超聲

4、探頭：把其它形式的能量轉(zhuǎn)換為聲能的器件，亦稱為超聲波換能器。在超聲波分析測(cè)試中常用的換能器既能發(fā)射聲波，又能接收聲波，我們(w men)稱之為可逆探頭。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)需要使用不同類型的探頭，主要有：直探頭，斜探頭，水浸式聚焦探頭，輪式探頭，微型表面波探頭，雙晶片探頭及其它型式的組合探頭等。本實(shí)驗(yàn)儀器采用的是直探頭。超聲波的分類。按振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)與波傳播方向的關(guān)系可分為縱波和橫波：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向平行時(shí)，稱為縱波；當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波傳播方向垂直時(shí)，稱為橫波。按波陣面的形狀可分為球面波和平面波。按發(fā)射超聲的類型(lixng)可分為連續(xù)波和脈沖波。本實(shí)驗(yàn)儀器直探頭發(fā)出來(lái)

5、的是縱波、平面波、脈沖波，脈沖頻率為2.5MHz。超聲的衰減。超聲在介質(zhì)(jizh)中傳播時(shí)，其聲強(qiáng)將隨著距離的增加而減弱。衰減的原因主要有兩類，一類是聲束本身的擴(kuò)散，使單位面積中的能量下降。另一類是由于介質(zhì)的吸收，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，而使聲能減少。超聲波的反射。如果介質(zhì)的聲阻抗相差很大，比如說(shuō)聲波從固體傳至固氣或從液體傳至液氣界面時(shí)將產(chǎn)生全反射。因此可以認(rèn)為聲波難以從固體或液體中進(jìn)入氣體。超聲回波信號(hào)的顯示方式。主要有幅度調(diào)制顯示（A型）和亮度調(diào)制顯示及兩者的綜合顯示，其中亮度調(diào)制顯示按調(diào)制方式的不同又可分為B型、C型、M型、P型等。A型顯示是以回波幅度幅度的大小表示界面反射的強(qiáng)弱，即在熒光屏

6、上以橫坐標(biāo)代表被測(cè)物體的深度，縱坐標(biāo)代表回波脈沖的幅度，橫坐標(biāo)有時(shí)間或距離的標(biāo)度，可借以確定產(chǎn)生回波的界面所處的深度。本實(shí)驗(yàn)儀器采用的顯示方式即A型。超聲的生物效應(yīng)。機(jī)械效應(yīng)、溫?zé)嵝?yīng)、空化效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等，以上幾種效應(yīng)對(duì)人體組織有一定的傷害作用，必須重視安全劑量。一般認(rèn)為超聲對(duì)人體的安全閾值為100。本儀器小于10，可安全使用?！緦?shí)驗(yàn)儀器】該實(shí)驗(yàn)主要由FD-UDE-A型A類超聲實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)、數(shù)字示波器（選配）、有機(jī)玻璃水箱、金屬反射板、探頭及接線兩根、Q9線一根、樣品架（鋁、鐵、銅、有機(jī)玻璃、冕玻璃和帶缺陷鋁柱按高度不同各配有2個(gè)，總共12個(gè)樣品）組成。如圖1所示：圖1 A類超聲實(shí)驗(yàn)(shyn

7、)裝置其中(qzhng)實(shí)驗(yàn)主機(jī)面板如圖2所示：圖2A類超聲實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)(zhj)面板面板示意圖復(fù)位 減小 減小同步信號(hào)（掃描信號(hào)）的低電平持續(xù)時(shí)間增加 增加同步信號(hào)（掃描信號(hào)）的低電平持續(xù)時(shí)間選擇 工作模式選擇 a為A路，b為B路，c為雙路示波器探頭（A路）：接示波器CH1或CH2通道接示波器（A路）：接示波器的EXT通道，同步性好的數(shù)字示波器可以不接此線超聲探頭（路）：接超聲探頭示波器探頭（路）：接示波器CH1或CH2通道接示波器（路）：接示波器的EXT通道，同步性好的數(shù)字示波器可以不接此線10. 超聲探頭(tn tu)（路）：接超聲探頭11. 電源開(kāi)關(guān)主機(jī)內(nèi)部工作原理(yunl)見(jiàn)下面框圖

8、：本儀器做成了雙路輸出（A路和B路），兩路信號(hào)一樣，實(shí)驗(yàn)(shyn)時(shí)可任選一路完成實(shí)驗(yàn)。以A路信同步信號(hào)高壓脈沖同步脈沖至EXT激發(fā)2.5MHz振蕩，換能器發(fā)射超聲波，接收反射波發(fā)射、接收信號(hào)取樣處理示波器至CH1或CH2高壓脈沖激發(fā)2.5MHz振蕩，換能器發(fā)射超聲波，接收反射波發(fā)射、接收信號(hào)取樣處理至CH1或CH2圖3 主機(jī)內(nèi)部工作原理框圖號(hào)為例解釋儀器的工作原理：主機(jī)內(nèi)由單片機(jī)控制同步脈沖信號(hào)與A（或B）路信號(hào)同步。在同步脈沖信號(hào)的上升沿，電路發(fā)出一個(gè)高速高壓脈沖至換能器，這是一個(gè)幅度呈指數(shù)形式減小的脈沖。此脈沖信號(hào)有兩個(gè)用途：一是作為被取樣的對(duì)象，在幅度尚未變化時(shí)被取樣處理后輸入示波器

9、形成始波脈沖；二是作為超聲振動(dòng)的振動(dòng)源，即當(dāng)此脈沖幅度變化到一定程度時(shí)，壓電晶體將產(chǎn)生諧振，激發(fā)出頻率等于諧振頻率的超聲波（本儀器采用的壓電晶體的諧振頻率點(diǎn)是）。第一次反射回來(lái)的超聲波又被同一探頭接收，此信號(hào)經(jīng)處理后送入示波器形成第一回波，根據(jù)不同材料中超聲波的衰減程度、不同界面超聲波的反射率，還可能形成第二回波等多次回波。見(jiàn)下圖所示。圖4 示波器上觀察到的回波(hu b)波形由儀器工作(gngzu)原理可知，始波脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻并非超聲波發(fā)出的時(shí)刻，超聲波發(fā)出的時(shí)刻要延遲約0.5，所以(suy)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該盡可能取第一回波到第二回波這個(gè)時(shí)間差作為測(cè)量結(jié)果，以減小實(shí)驗(yàn)誤差?！緦?shí)驗(yàn)步驟】準(zhǔn)備工作：在

10、有機(jī)玻璃水箱側(cè)面裝上超聲波探頭后注入清水，至超過(guò)探頭位置1cm左右即可。探頭另一端與儀器A路（或B路，以下同）“超聲探頭”相接?！笆静ㄆ魈筋^”左邊搭口與Q9線的輸出端相連，右邊搭口與Q9線的地端相連。這根Q9線的另一端與示波器的CH1或CH2相連。如果示波器的同步性能不穩(wěn)，可以再拿一根Q9線將儀器的“接示波器”頭與示波器的“EXT”相連，以此同步信號(hào)作為示波器的外接掃描信號(hào)。打開(kāi)機(jī)箱電源，按“選擇”鍵選擇合適的工作狀態(tài)，a為A路工作，b為B路工作，c為兩路一起同步工作（很少用）?！懊}沖信號(hào)設(shè)定”中的“增加”和“減少”按鈕是設(shè)定同步脈沖信號(hào)（也即外部掃描信號(hào)）的低電平持續(xù)時(shí)間，出廠設(shè)置已滿足一般

11、的實(shí)驗(yàn)要求，可以不動(dòng)。將金屬擋板放在水箱中的不同位置，測(cè)出每個(gè)位置下超聲波的傳播時(shí)間，可每隔5cm測(cè)一個(gè)點(diǎn)，將結(jié)果作的線性擬合，根據(jù)擬合系數(shù)求出水中的聲速，與理論值比較。注意實(shí)驗(yàn)時(shí)有時(shí)能看到水箱壁反射引起的回波，應(yīng)該分辨出來(lái)并且舍棄之。測(cè)定樣品架上不同材料，不同高度的樣品中超聲波傳播的速度（選做）。在樣品表面上涂上耦合劑（如甘油），測(cè)出第一回波到第二回波的時(shí)間差，量出樣品高度，算出速度。注意：（1）由于樣品中材料不純，所測(cè)值可能與理論值有較大偏差。（2）有些材料由于吸收超聲波的能力較強(qiáng)或者材料/空氣界面反射太弱，沒(méi)有第二回波，此時(shí)只好取始波到第一回波的時(shí)間差作為估測(cè)。超聲探傷(tn shng)

12、（選做）。圖5 超聲探傷(tn shng)原理圖測(cè)出始波到缺陷(quxin)引起的回波的時(shí)間差，始波到第一回波的時(shí)間差，樣品的總長(zhǎng)度D，根據(jù)公式算出缺陷位置。有兩個(gè)有缺陷的鋁樣品可供實(shí)驗(yàn)?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】（注：此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅供參考，不作為儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。）表1 水箱中金屬擋板在不同位置時(shí)超聲波傳播的時(shí)間X/cmX/mt/t/2()t/2(S)0025.612.850.059346.5100.1015979.5150.15225112.5200.20292.5146.25250.25359179.5作的線性擬合(n h)圖6 關(guān)系(gun x)圖線性擬合(n h)出的公式為，斜率就是水中超聲波的傳播速度，為1501.2m/s。水在25時(shí)超聲波聲速約1500m/s，實(shí)測(cè)值與