超聲波測試原理及應(yīng)用

1、超聲波測試原理及應(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(shí)驗(yàn)

2、報(bào)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，以后美國科學(xué)家 Firestone 使超聲波無損檢測成為一種實(shí)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(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魚群或冰山、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(yàn)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。本實(shí)驗(yàn)簡單介紹超聲

3、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(yàn)和探測方面的應(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

4、應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波信號與電信號的轉(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。類似，三個(gè)負(fù)原子對（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，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，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。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，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(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(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(shí)際上離表面一個(gè)波長以上的地方，質(zhì)點(diǎn)振動的振幅已經(jīng)很微弱了。1- 外殼2- 晶片3-吸收背襯 4- 電極接線5-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

11、波，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(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(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：

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)中既無縱波折射，又無橫波折射。我們把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 ；2 稱為第二臨界角 ；實(shí)驗(yàn)方案1 直探頭延遲的測量參照附錄 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 稱為始波， t0 對應(yīng)于發(fā)射超聲波的初始時(shí)刻；B1 稱為圖 1.7 直探頭延遲的測量試塊的 1 次底面回波， t1 對應(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 對應(yīng)于超聲波在試塊內(nèi)往復(fù)傳播的時(shí)間；B 2 稱為試塊的 2 次底面回波，它對應(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次圖 1.9 橫波和縱波的測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 脈沖波頻率和波長的測量調(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 。測量兩個(gè)振動波峰之間的時(shí)間間隔，則得到一個(gè)脈沖周期的振動時(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為l=6.32t 。3 波型轉(zhuǎn)換的觀察與測量把超聲波實(shí)驗(yàn)儀換上可變角探頭，參照圖1 .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、，并在改變的過程中適當(dāng)移動探頭的位置，使每一個(gè)入射角對應(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程中，我們可以先后觀察到回波 B1、 B 2 和 B 3；它們分別對應(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，通過調(diào)節(jié)入射角調(diào)，使能夠同時(shí)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(gè)回波b1，參照附錄B 給出鋁試塊的縱波聲速與橫波聲速，通過簡單測量和計(jì)算，可以確定b、 B 1 和B2 對應(yīng)的波型和反射面。4 折射角的測量確定 B 1、 B2 的波型后，可以分別測量縱波和橫波的折射角

17、。 參照圖 1.10 首先讓把探頭的縱波聲束對正（回波幅度最大時(shí)為正對位置） CSK-IB 試塊上的橫孔 A ，用鋼板尺測量正對時(shí)探頭的前沿到試塊右邊沿的距離LA1 ；然后向左移動探頭，再讓縱波聲束對正橫孔B，并測量距離 L B1 。測量 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同樣的方法可以測量橫波的折射角2。圖 1.10 折射角的測量實(shí)驗(yàn)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(jìn)行測量。多次測量，求平均值。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

18、波進(jìn)行測量； 測量脈沖波 4 個(gè)振動周期的時(shí)間 t，求其頻率和波長。多次測量，求平均值。3 波形轉(zhuǎn)換的觀察和測量通過簡單計(jì)算和測量，分析確定圖1.9 中 b1、 B1 和 B2 對應(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，而不是直接從大變小；并

19、且振動可以持續(xù)110 微秒；為什么？2 通過計(jì)算說明，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， 超聲的傳播就會受到擾動， 根據(jù)這個(gè)擾動， 就可了解材料的彈性或彈性變化的特征。 超聲波測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，通過測量超聲波的傳播特性參量，達(dá)到測量彈性材料物理參數(shù)的目的。在實(shí)際應(yīng)用中， 由于測試的對象和目的不同，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試項(xiàng)目，例如超聲測厚、超聲測硬度、超

20、聲測應(yīng)力、超聲測金屬材料的晶粒度、超聲測量彈性常數(shù)等。本實(shí)驗(yàn)通過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 掌握超聲波聲速測量的方法；3 了解聲速測量在超聲波應(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(shí),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(shí)，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

21、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：d(2.2)ct其中 , d 為 聲波傳播距離 , t 為聲波傳播時(shí)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(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。（在本書楊氏模量測量的實(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），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，通過測量介質(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）測量

23、聲速時(shí)，我們只需要測量該反射體的回波時(shí)間，就可以計(jì)算得到聲速。而對于單個(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。對于任何一種探頭，其延遲只與探頭本身有關(guān)， 而與被測的材料無關(guān)。因此， 首先需要測量探頭的延遲，然后才能利用該探頭直接測量反射體回波時(shí)間。圖 2.1 縱波延遲測量（ 1）直探頭延遲測量（參看實(shí)驗(yàn)一） 。（ 2）斜探頭延遲測量參照圖 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、測到兩個(gè)弧面的回波 B1 和 B 2。測量它們對應(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。參照圖2.2 把斜探頭放在試塊上，并使探頭靠近試塊正面，使探頭的斜射聲束入射在R2 圓弧面上，左右移動探頭，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)測量2 聲速的相對測量方法如果被測試塊有兩

25、個(gè)確定的反射體， 那么通過測量兩個(gè)反射體回波對應(yīng)的時(shí)間差， 再計(jì)算出試塊的聲速。這種方法稱為聲速的相對測量方法。對于直探頭，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)行測量。對于斜探頭，則利用CSK-IB 試塊的兩個(gè)圓弧面的回波進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求1 測量直探頭和斜探頭的延遲利用 CSK-IB 試塊 60 毫米厚度， 采用相對測量方法測量直探頭延遲； 多次測量， 求平均值。利用 R1 、 R2 圓弧面，采用相對測量方法測量斜探頭延遲；多次測量，求平均值。2 利用直探頭測量鋁試塊的縱波聲速分別利用直接法和相對法測量。多次測量，求平均值。3 利用斜探頭測量鋁試塊的橫波聲速分別利用直接

26、法和相對法測量。多次測量，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(diǎn)的方法測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 試塊怎樣測量斜探頭的延遲和入射點(diǎn)？4 利用鋁試塊測量得到斜探頭的延遲和入射點(diǎn)與在鋼試塊測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

27、性介質(zhì)，因此超聲波對所有介質(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；例如在海洋探測中，可以用超聲波來探測數(shù)千米的目標(biāo)。這也是超聲被廣泛應(yīng)用于探測的主要原因之一。利用超聲波進(jìn)行探測的另一個(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， 對目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性越高。在固體材料的尺寸測量、無損檢測、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有直接的關(guān)系。 一般來講， 波長越小，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關(guān)系的示意圖。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。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(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)散角的測量如圖 3.3 所示，利用直探頭分別找到B1 通孔對應(yīng)的回波， 移動探頭使回波幅度最大，并記錄該點(diǎn)的位置x0 及對應(yīng)回波的幅度；然后向左邊移動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)散角的測量對于斜探頭，首先必須測量出探頭的折射角，然后利用測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 直探頭探測缺陷深度在超聲波探測中，可以利用直探頭來探測較厚工件內(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 直探頭探測缺陷深度對底面回波和缺陷波對應(yīng)時(shí)間（深度）的測量，可以采用絕對測量方法，也可以采用相對測量方法。利用絕對測量方法時(shí)，必須首先測量（或已知）探頭的延遲和被測材料的聲速，具體方法請參看實(shí)驗(yàn)二直探頭延