試驗(yàn)二十超聲波特性研究

1、實(shí)驗(yàn)二十超聲波特性研究聲波是一種彈性機(jī)械波，超聲波是頻率在2 1041012 Hz的聲波。超聲波具 有方向性好、穿透力強(qiáng)、易于產(chǎn)生和接收、探頭體積小等特點(diǎn)，并且能夠在所有 彈性介質(zhì)中傳播，因此超聲波廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)和人們生活中。超聲波可對(duì)介質(zhì)產(chǎn) 生機(jī)械作用，空化效應(yīng)以及熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)。超聲波在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用， 如我們熟知的使用B超、彩超等進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷，在治療方面可用于體外碎石、 理療，腫瘤治療，牙齒潔治等。其他方面的應(yīng)用有：超聲測(cè)距，超聲測(cè)速，超聲 清洗，超聲焊接，液體的乳化、水下探測(cè)，工業(yè)探傷等。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可以了解利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生脈沖超聲波的原理和方法；分辨超聲波的三種波型；了解超聲波檢

2、查的根本原理和方法。實(shí)驗(yàn)原理一、超聲波的產(chǎn)生能將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)能量的方式都可以用來(lái)發(fā)生超聲波。例如壓電效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、電磁聲效應(yīng)和機(jī)械聲效應(yīng)等。目前普遍使用的是利 用壓電效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生和接收超聲波。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)的外表出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這一效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。通常具有壓電 效應(yīng)的物質(zhì)同時(shí)也具有逆壓電效應(yīng)， 即當(dāng)對(duì)其施加電壓后會(huì)發(fā)生形變。 超聲波探 頭利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，而利用壓電效應(yīng)接收超聲波。將產(chǎn)生和接收超聲波的材料制成片狀晶片，并在其正反兩面鍍上導(dǎo)電層 如鍍銀層作為正負(fù)電極。如果在電極兩端施加一脈沖電壓，那么

3、晶片發(fā)生彈性 形變，隨后發(fā)生自由振動(dòng)，并在晶片厚度方向形成駐波，如果晶片的兩側(cè)存在其 它彈性介質(zhì)，那么會(huì)向兩側(cè)發(fā)射彈性波。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，如圖20-1所示，通常稱為脈沖波如敲擊玻璃杯時(shí)產(chǎn)生的聲波。波的頻率與晶片的厚度有關(guān)，適當(dāng) 選擇晶片的厚度，使其產(chǎn)生彈性波的頻率在超聲波頻率范圍內(nèi)，那么該晶片即可產(chǎn)晶片的振動(dòng)脈沖波圖20-1脈沖超聲波的產(chǎn)生生超聲波。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形式， 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

4、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.任何介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時(shí)均能產(chǎn)生縱波。 縱波可在固體、液 體中傳播。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)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。外表波波型：這是沿著固體外表傳播的具有縱波和橫波的雙重性質(zhì)的波.表面波可以看成是由平行于外表振動(dòng)的縱波和垂直于外表振動(dòng)的橫波合成，質(zhì)點(diǎn)合成振動(dòng)的軌跡為一橢圓，在距外表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

5、上離外表一個(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。二、超聲波探頭在超聲波分析測(cè)試中，是利用超聲波探頭產(chǎn)生脈沖超聲波的。 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 20-2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反面發(fā)射的聲波， 以減少雜波；匹 配電感的作用是調(diào)整脈沖波的波形。 一般用直探頭產(chǎn)生縱波，用斜探頭產(chǎn)生橫波 或外表波。在本實(shí)驗(yàn)中，還使用了一種可變角探頭，如圖 20-3所示。其中探頭芯可以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，7、保 護(hù)膜，&斜楔圖20-2 直探頭a和斜探頭b的結(jié)構(gòu)圖20-3可變角探頭

6、示意圖.探芯品片旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變探頭的入射角二，得到不同折射角的斜探頭。當(dāng)二0時(shí)成為直探 頭。三、超聲波的反射與折射當(dāng)超聲縱波或橫波入射到兩種介質(zhì)的界面上時(shí)，如果兩種介質(zhì)都是固體或其 中之一是固體，一般情況下在發(fā)生反射和折射的同時(shí)會(huì)反射和折射出另一種波 型。例如入射縱波在反射和折射出縱波的同時(shí)， 會(huì)反射或折射出橫波。對(duì)于橫波, 情況也類似。超聲波的這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。通常使用的橫波和外表波都是通 過(guò)斜探頭或可變角探頭利用波型轉(zhuǎn)換得到的。超聲波入射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)發(fā)生反射或折射遵循斯特令定律：當(dāng)超聲波 以入射角：按縱波或橫波波速V傳到異質(zhì)界面后，反射角或折射角滿足:反射：折射：其中，sin _

7、：匚sin _：遼 sin _：心V VilVissin : sin : L sin ：sV V2LV2S:L和:S分別是縱波反射角和橫波反射角;20-120-2' L和-S分別是縱曲折射角和橫曲折射角；V1L和V1S分別是聲波在第 和V2S分別是聲波在第2種介質(zhì)中的縱 波聲速和橫波聲速。在斜探頭或可變角探頭中，超聲波 以縱波經(jīng)有機(jī)玻璃入射到鋁質(zhì)試塊中， 如圖20-7所示。由于機(jī)玻璃中聲速v小 于鋁中橫波聲速vs，而鋁中橫波聲速vs 又小于縱波聲速VL。因此，當(dāng)入射角: 大于宀二sinv VL時(shí)，鋁介質(zhì)中只有 折射橫波；同理，當(dāng)入射角大于1種介質(zhì)中的縱波聲速和橫波聲速；V2L圖20-7

8、波型轉(zhuǎn)化：2二Sinv Vs時(shí)，鋁介質(zhì)中既無(wú)折射橫波，也無(wú)折射縱波，可能形成外表波或發(fā)生全反射。實(shí)驗(yàn)儀器JDUT-2型超聲波實(shí)驗(yàn)儀由同步電路，發(fā)射電路，接收電路，放大衰減電路， 顯示電路等電路模塊組成原理框圖見(jiàn)附錄1。在儀器面板上有衰減調(diào)節(jié)按鍵， 用來(lái)調(diào)節(jié)反射回波的電壓幅度；超聲儀的發(fā)射接口與探頭連接，并向探頭發(fā)射 400V的高壓脈沖，用來(lái)激發(fā)超聲波；儀器面板上射頻、檢波接口與示波器的CH1、 CH2通道連接，以射頻或檢波方式在示波器上顯示探頭接收到的反射回波；觸 發(fā)接口與示波器的外觸發(fā)TRG相連，使超聲的發(fā)射信號(hào)與示波器掃描同步。觸發(fā)，或者發(fā)射接口只能與接收接口或探頭相連，而不能與超聲儀的射

9、頻、檢波、示波器的CH1、CH2、TRG相連；否那么會(huì)損壞儀器!實(shí)驗(yàn)中所使用的探頭既可以用來(lái)發(fā)射超聲波， 又可以用來(lái)接收超聲波，因此 儀器面板上發(fā)射接口和接收接口被連接起來(lái)，儀器連接方法如圖 20-4所示。采 用這種方式，發(fā)射脈沖也被接收，在示波器上可以看到其波形，我們稱發(fā)射脈沖 波形為始波如圖20-5。示波器圖20-4儀器連接示意圖試塊r超聲儀當(dāng)超聲波探頭產(chǎn)生脈沖超聲波后，需通過(guò)耦合劑進(jìn)入介質(zhì)。如果在傳播的路 徑上遇到介質(zhì)畸變，如人工反射體、介質(zhì)界面等，那么局部聲波會(huì)沿原來(lái)的路徑反 射回去，被探頭所接收，稱為反射回波。接收到的超聲信號(hào)被探頭轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 通過(guò)相關(guān)電路放大后由射頻和檢波接口輸

10、出到示波器， 在示波器上以射頻方式或 檢波方式顯示出來(lái)，如圖20-5所示?；夭ㄔ谑静ㄆ鲯呙杈€上的位置對(duì)應(yīng)于超聲 波在探頭與反射體之間的往復(fù)傳播的時(shí)間，回波的振幅與反射體的大小及材料性 rr- 質(zhì)有關(guān)。圖20-5脈沖波傳播時(shí)間測(cè)量提示：從圖20-5射頻方式可以看出，脈沖波的振幅并不是一開(kāi)始就很強(qiáng)，而是由小變大,然后變??；其主要原因是晶片振幅的初始值為0。脈沖波可以看成由許多個(gè)頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的平面波疊加而成，其頻譜具有一個(gè)中心頻率 峰值頻率和一定的頻帶寬度。通常在脈沖波測(cè)試中所說(shuō)的頻率就是指的中心頻率。在使用脈沖超聲波的過(guò)程中，對(duì)脈沖波的傳播時(shí)間的測(cè)量有兩種方法：1、對(duì)于射頻輸出的脈沖波

11、，測(cè)量其脈沖峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間；2、對(duì)于檢波輸出的脈沖波，測(cè)量其前沿對(duì)應(yīng)的時(shí)間。如圖20-5所示。兩種方法測(cè)量得到的絕對(duì)時(shí)間有微小的差值，因此通常情況下，需要 校準(zhǔn)探頭的測(cè)試零點(diǎn)。探頭發(fā)射聲波的絕對(duì)零點(diǎn)到測(cè)試零點(diǎn)的時(shí)間差一般稱為探頭的 延遲或延遲時(shí)間。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一、必做局部1、觀察反射回波1、如圖20-6所示，把直探頭放在位置1處，先適當(dāng)調(diào)節(jié)超聲儀衰減大 約90dB,再調(diào)節(jié)示波器衰減，要求被測(cè)信號(hào)最大幅度不超過(guò)2V 估算一下，圖20-6 觀察反射回波示波器上顯示的信號(hào)高度一般為滿幅的 80%以利于觀察。觀察試塊底面對(duì)縱波反 射的屢次反射回波反射底波，屢次回波是局部超聲波在平行的兩個(gè)界面之間 來(lái)回反射

12、的結(jié)果。2、把斜探頭放在上圖位置2處，適當(dāng)減少超聲儀的衰減讀數(shù)大約80-60dB，同樣要求被測(cè)信號(hào)最大幅度不超過(guò) 2V，前后移動(dòng)探頭，觀察圖中 A處的20mm深的鉆孔對(duì)斜射橫波的反射回波，同時(shí)觀測(cè)斜探頭始波附近的固有回 波也稱結(jié)構(gòu)回波：超聲波在探頭內(nèi)部產(chǎn)生的回波，與探頭的結(jié)構(gòu)有關(guān)。3、把可變角探頭放在圖20-6位置3處，調(diào)節(jié)入射角為45左右根據(jù)計(jì) 算，此時(shí)入射進(jìn)試塊中的應(yīng)是橫波，并使探頭的入射點(diǎn)超聲波進(jìn)入被測(cè)試塊 的位置根本與試塊兩圓弧圓心重合，適當(dāng)調(diào)節(jié)超聲儀衰減。當(dāng)超聲波傳入試塊 后，適當(dāng)橫向移動(dòng)探頭，使聲波可以同時(shí)被 Ri和R2兩個(gè)圓弧面反射，在示波器 上可以看到反射回波Fi和F2，適當(dāng)移

13、動(dòng)探頭，使Fi和F2回波幅度同時(shí)最大， 如圖20-8所示。由于聲波在探頭與兩個(gè)圓弧間往復(fù)傳播的距離差是固定的，因 此反射回波Fi和F2對(duì)應(yīng)的時(shí)間差t2 -tl僅與聲速或兩個(gè)圓弧的半徑差有關(guān)。適當(dāng)減少超聲儀的衰減讀數(shù)，增大可變角探頭入射角，注意示波器上回波幅 度的變化。當(dāng)入射角到達(dá)某一值后，橫波幅度減弱并消失，在此過(guò)程中又會(huì)在原 橫波位置稍后一點(diǎn)出現(xiàn)兩個(gè)回波假設(shè)向后移動(dòng)探頭，兩個(gè)回波隨之移動(dòng)，但間距 不變。用手按壓探頭前方試塊外表，回波幅度會(huì)下降。此回波是由于試塊外表突 然彎折造成的，兩反射回波的時(shí)間差與聲速和兩個(gè)彎折處的距離差有關(guān)，細(xì)心調(diào)整入射角，使回波幅度最大。此時(shí)的超聲波波型為外表波。 此

14、過(guò)程就是超聲波 的波型轉(zhuǎn)化過(guò)程。將以上實(shí)驗(yàn)參數(shù)填入表20-1。表 20-1超聲儀衰減讀數(shù)示波器衰減讀數(shù)第一次回波幅度格數(shù)縱波橫波外表波1、示波器應(yīng)選擇外觸發(fā)方式。2、回波幅度受超聲儀衰減，示波器衰減及探頭位置的影響，首先應(yīng)調(diào)節(jié)探頭位置，使回波幅度最大，然后適當(dāng)調(diào)節(jié)超聲儀衰減，要求被測(cè)信號(hào)幅度不超過(guò) 2V。在此前提80%左右。下調(diào)節(jié)示波器衰減可用微調(diào)使回波幅度增大到滿幅的2、超聲測(cè)長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度的測(cè)量是超聲波測(cè)量的主要內(nèi)容之一。一般在超聲波測(cè)長(zhǎng)中，被測(cè)物體 首先必須是各向同性的聲速在不同方向上，同時(shí)物體必須有規(guī)那么的反射面。 如果己知物體的聲速，通過(guò)測(cè)量時(shí)間，那么可計(jì)算物體的長(zhǎng)度。利用反射回波進(jìn)行測(cè)

15、長(zhǎng)時(shí)，測(cè)量公式如下：L 20-32其中v是試塊中的聲速，to是探頭的延遲指脈沖波從壓電晶片經(jīng)探頭內(nèi)部 傳播至被測(cè)介面所用的時(shí)間，測(cè)量方法見(jiàn)選做局部，t是反射回波的傳播時(shí)間。對(duì)于規(guī)那么幾何形狀的物體，如被測(cè)試塊，其寬度方向和厚度方向的界面可以 產(chǎn)生屢次反射回波。相鄰兩回波之間的時(shí)間差對(duì)應(yīng)于超聲波在兩界面間往復(fù)傳播 的距離。因此，通過(guò)測(cè)量相鄰兩個(gè)回波之間的時(shí)間差， 可計(jì)算試塊的寬度或厚度 為：L 二心切20-42式中ti是第1次反射回波的時(shí)間，t2是第2次反射回波的時(shí)間。a. 利用直探頭縱波測(cè)量試塊的寬度和高度。b. 利用外表波使用可變角探頭測(cè)量R2弧面的長(zhǎng)度。外表波測(cè)量R2弧面 的長(zhǎng)度方法如圖2

16、0-9所示。調(diào)整探頭角度，使之發(fā)射外表波，出現(xiàn)的兩個(gè)反射圖20-9外表波測(cè)長(zhǎng)回波分別對(duì)應(yīng)于外表波傳播路徑上兩個(gè)突變點(diǎn)Bi和B2。將實(shí)驗(yàn)參數(shù)及測(cè)量結(jié)果填入表20-3。表 20-3工程1v / m . s -超聲儀衰減讀數(shù)(t2tl ) /SL /m試塊的寬度6 270試塊的高度6 270F2弧面的長(zhǎng)度2 900二、選作局部1、測(cè)量直探頭和斜探頭的延遲超聲波在晶片到被測(cè)界面這段距離往復(fù)傳播的時(shí)間稱為探頭的延遲。由于探 頭的延遲 使距離的測(cè)量出現(xiàn)誤差，因此需要測(cè)量探頭的延遲時(shí)間。1、測(cè)量直探頭的延遲考慮直探頭對(duì)試塊底面產(chǎn)生的1次底面回波和2次底面回波的時(shí)間分別為 tl、t2。令氏為探頭的延遲時(shí)間，t為超聲波在試塊內(nèi)往復(fù)1次的時(shí)間，那么ti = t + ：t, t2 = 2t +. ：t.探頭的延遲時(shí)間t為譏=2鮎-t220-5利用試塊60 mm的厚度方向進(jìn)行測(cè)量。屢次測(cè)量，求平均值。2、測(cè)量斜探頭的延遲把斜探頭放在試塊上，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)移動(dòng)探頭使在示波器上同時(shí)觀測(cè)到兩個(gè)弧面的回波 B1和B2為最大。測(cè)量它 們對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1和t2。由于R1 = 2R2,因此斜探頭延遲的計(jì)算同20-5式。多 次測(cè)量，求平