專題實(shí)驗(yàn)超聲波測(cè)試原理及應(yīng)用

關(guān)于專題實(shí)驗(yàn)超聲波測(cè)試原理及應(yīng)用第一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)Z1.1超聲波的產(chǎn)生與傳播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)生形變，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)稱為壓電效應(yīng)。其物理機(jī)理如圖1-1所示。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)施加電壓后會(huì)發(fā)生變形。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。石英晶體結(jié)構(gòu)拉力作用下的極化晶體的宏觀極化圖1-1石英晶體的壓電效應(yīng)第二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)（a）晶體振動(dòng)

(b)脈沖波圖1-2脈沖超聲波的產(chǎn)生壓，則晶片發(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，如圖1-2(a)所示。如果晶片的兩側(cè)存在其它彈性介質(zhì)，則會(huì)向兩側(cè)發(fā)射彈性波，波的頻率與晶片的材料和厚度有關(guān)。2、脈沖超聲波的產(chǎn)生及其特點(diǎn)

用于產(chǎn)生和接收超聲波的材料一般被制成片狀（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)，則該晶片即可產(chǎn)生超聲波。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，稱為脈沖波，如圖1-2（b）所示。第三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)如果片內(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)射的就是超聲波。超聲波在介質(zhì)中傳播可以有不同形式，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，還能夠承受切變變形。當(dāng)其中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。3、超聲波波型及換能器種類表面波波型：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橫波的橫波合成，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率減，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。第四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)（a）（b）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1-3直探頭和斜探頭的基本結(jié)構(gòu)（a）直探頭（b）斜探頭圖1-4可變角探頭示意圖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1-3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)整脈沖波的波形。一般，直探頭產(chǎn)生縱波，斜探頭產(chǎn)生橫波或表面波。另一種可變角探頭，如圖1-4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。第五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

圖1-5是超聲波在試塊中傳播的示意圖。圖1-6為示波器接收得到的超聲波信號(hào)。S稱為始波，t0為電脈沖施加在壓電晶片的時(shí)刻，也是發(fā)射超聲波始波的初始時(shí)刻，B1稱為試塊的1次底面回波，t1是超聲波傳播到試塊底面，又發(fā)射回來(lái)，被同一個(gè)探頭接收的時(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；B2稱為試塊的2次底面回波，它對(duì)應(yīng)超聲波在試塊內(nèi)往復(fù)傳播到專題實(shí)驗(yàn)4、探頭的延遲S始波t1B1B2t2t0圖1-5脈沖超聲波在試塊中的傳播圖1-6直探頭延遲的測(cè)量試塊的上表面后，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。1）直探頭的延遲第六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)依次類推，有3次、4次和多次底面反射回波。當(dāng)有機(jī)玻璃的厚度可以忽略時(shí)，探頭無(wú)延遲，因此，超聲波在試塊中傳播到底面的時(shí)間為，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。

有機(jī)玻璃的厚度不能忽略時(shí)，直探頭的延遲為。2）斜探頭的延遲

參照?qǐng)D1-7，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。在示波器上同時(shí)觀測(cè)到兩個(gè)弧面的回波B1和B2

。測(cè)量它們對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1和t2。由于R1=2R2，因此斜探頭的延遲為：。5、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第七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)S始波t1R30t2R60圖1-7斜探頭延遲的測(cè)量試塊內(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，橫波也可以折射和反射為縱波。超聲波的這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換，其圖解如圖1-8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：反射：折射：第八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)圖1-8超聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換而橫波聲速又小于縱波聲速。因此，，根據(jù)斯特令折射定律，當(dāng)大于：時(shí)，鋁介質(zhì)中只有折射橫波；而當(dāng)大于：時(shí)，鋁介質(zhì)中既無(wú)縱波折射，又無(wú)橫波折射。我們把稱為有機(jī)玻璃入射到有機(jī)玻璃-鋁界面上的第一臨界角；稱為第二臨界角。其中，和分別是縱波反射角和橫波反射角；和分別是縱波折射角和橫波折射角；和分別是第1種介質(zhì)的縱波聲速和橫波聲速；和分別是第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)玻璃或有機(jī)玻璃頭芯的聲速小于鋁中橫波聲速，第九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)二、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。建議：測(cè)6次。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次回波進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量一個(gè)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。建議：測(cè)6次。

3．波型轉(zhuǎn)換的觀察和測(cè)量根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的儀器選擇3的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容第1步：把可變角探頭的入射角調(diào)整為0，使超聲波入射在試塊兩個(gè)第十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)第2步：增大可變角探頭入射角，注意回波幅度的變化。當(dāng)入射角達(dá)到某一值后，縱波的幅度會(huì)減小，在其后面又會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)回波，并且幅度不斷增大。測(cè)量新出現(xiàn)的兩個(gè)回波對(duì)應(yīng)的時(shí)間差，確定其波型（橫波）。橫向移動(dòng)探頭，觀察其位置如何變化。圓弧R1和R2的下部邊緣，觀察反射回波，測(cè)量t1和t2，確定其波型（縱波）。橫向移動(dòng)探頭，觀察其位置如何變化。第3步：可變角探頭入射角增加到某值時(shí)，縱波消失，只剩橫波。第4步：可變角探頭入射角繼續(xù)增加，橫波幅度減弱并消失，在此過(guò)程中又會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)回波，測(cè)量其時(shí)間差，確定其波型（表面波）。用手指輕壓試塊表面，觀察其幅值如何變化。第十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)第5步：讓探頭靠近試塊背面，通過(guò)調(diào)節(jié)入射角度，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

，根據(jù)試塊的縱（橫）波聲速，通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)量和計(jì)算，可以確定b1，B1+b2和B2對(duì)應(yīng)的波型和反射面。S始波b1B1+b2B2圖1-9用可變角探頭觀測(cè)波型第十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)3．利用斜探頭測(cè)量折射角，并求入射角和第一臨界角，第二臨界角。比較與、，理解波形轉(zhuǎn)換。

第1步：按圖1-10，把探頭放置在試塊圓弧的圓心附近，找到R2的反射回波最大的位置，用鋼尺測(cè)量探頭前沿到試塊端點(diǎn)的距離L1，確定斜探頭的入射點(diǎn)。第2步：把探頭分別對(duì)準(zhǔn)A，B兩孔，找到最大反射回波。

第3步：求

第4步：通過(guò)，求入射縱波的入射角。（已知探頭中有機(jī)玻璃縱波聲速為2.73mm/s，在鋼試塊中的橫波第十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)聲速為3.27mm/s，在鋁試塊中的橫波聲速為3.10mm/s。）

第5步：利用，，求、，并比較與、，理解波形轉(zhuǎn)換。（已知在鋼試塊中的縱波聲速為6.27mm/s，在鋁試塊中的縱波聲速為5.90mm/s。）圖1-10斜探頭測(cè)量折射角的示意圖第十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)分析與思考：激發(fā)脈沖超聲波的電脈沖一般是一個(gè)上升沿小于20ns的很尖很窄的脈沖。而從超聲脈沖波的波形看，其幅度是又小變大，然后又由小變大，然后又由大變小，而不是直接從大變?。徊⑶艺駝?dòng)可以持續(xù)1~10m，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)，為什么橫波在圓弧面R1的反射回波能夠與B1重合？第十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

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：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)，稱為縱波；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：其中，d聲波傳播距離，t為聲波傳播時(shí)間。專題實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)Z1.2固體彈性常數(shù)的測(cè)量

第十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)

對(duì)于同一種材料，其縱波波速和橫波波速的大小一般不同，但它們都由彈性介質(zhì)的密度、楊氏模量和泊松比等彈性參數(shù)決定。相反，利用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)變之比被定義為泊松比，記作，它是表示材料彈性性質(zhì)的一個(gè)物理量。在各向同性固體傳播中，各種波型的超聲波聲速為：第十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)縱波聲速：橫波聲速：其中為楊氏模量，為泊松系數(shù)，為材料速度。

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：其中，，為介質(zhì)中縱波聲速，為介質(zhì)中橫波聲速，為介質(zhì)的密度。楊氏模量泊松系數(shù)第十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

1、利用R1，R2測(cè)量斜探頭的延遲。

2、利用直探頭，分別采用直接法和相對(duì)法測(cè)量試塊的縱波聲速。直接法相對(duì)法

3、利用斜探頭，分別采用直接法和相對(duì)法測(cè)量試塊的橫波聲速。直接法相對(duì)法

4、計(jì)算試塊的楊氏模量和泊松系數(shù)。專題實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求其中，，為介質(zhì)中縱波聲速，為介質(zhì)中橫波聲速，為介質(zhì)的密度。楊氏模量泊松系數(shù)第十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)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，怎樣測(cè)量斜探頭的延遲和入射點(diǎn)？4、利用鋁試塊和鋼試塊測(cè)量同一斜探頭的延遲和入射點(diǎn)，結(jié)果是否一樣？為什么？第二十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)Z1.3超聲波的探測(cè)

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。一般地，波長(zhǎng)越小，頻率越高，指向性越好；尺寸越大，指向性越好?？捎霉奖硎荆簩?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。在實(shí)際應(yīng)用中，通常用偏離中心線后振幅減小一半的位置表示聲束的邊界。如圖3-1，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。第二十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)

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上，然后測(cè)量缺陷反射回波對(duì)應(yīng)的時(shí)間，根據(jù)試塊的聲速可以計(jì)算出缺陷到探頭入射點(diǎn)的垂直深度或水平距離。圖3-1超聲波探頭指向性的示意圖（a）直探頭（b）斜探頭第二十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求

1、測(cè)量直探頭的擴(kuò)散角。

利用CSK-IB試塊橫孔A，B進(jìn)行測(cè)量。建議：

測(cè)

6次。第1步：利用直探頭分別找到A、B孔對(duì)應(yīng)的回波，移動(dòng)探頭使回波幅度最大

，并用鋼尺測(cè)量該點(diǎn)的位置x0及對(duì)應(yīng)的回波的幅度；

第2步：向左邊移動(dòng)探頭使回波幅度減小大最大幅度的一半，用鋼尺測(cè)量該點(diǎn)的位置x1；

第3步：同樣的方法測(cè)量探頭右移時(shí)回波幅度下降到最大幅度的一半時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位置x2。第二十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)2、探測(cè)CSK-IB試塊中缺陷C的深度。利用直探頭，采用直接法測(cè)量多次，求平均值。建議：測(cè)6次。3、利用斜探頭，探測(cè)CSK-IB試塊中缺陷D的深度和距試塊右邊沿的距離。

第1步：測(cè)量延遲1次。

第2步：按圖3-2，把探頭放置在試塊圓弧的圓心附近，找到R2的反射回波最大的位置，用鋼尺測(cè)量探頭前沿到試塊端點(diǎn)的距離L1，第二十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)確定斜探頭的入射點(diǎn)。第3步：按圖2，把探頭分別對(duì)準(zhǔn)A，B兩孔，找到最大反射回波，求

第4步：

斜探頭測(cè)量聲速。第5步：

找到D孔最大的回波位置LD，測(cè)回波的時(shí)間，則

第6步：

則

。。

第7步：

最后，。第二十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)注意：根據(jù)橫波聲速和A，B，D孔到斜探頭的距離，找準(zhǔn)A，B，D孔出現(xiàn)最大回波時(shí)的位置，不要與其他棱的回波混淆。圖3-2探測(cè)缺陷D的示意圖第二十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)分析與思考：1、在利用斜探頭探測(cè)中，如果能夠得到與被測(cè)材料同材質(zhì)的試塊，并且已知該試塊中兩個(gè)不同深度的橫孔的深度，那么我們不必測(cè)量斜探頭的延遲、入射點(diǎn)、折射角和聲速就可以確定缺陷的深度。試說(shuō)明該方法具體探測(cè)過(guò)程？2、試?yán)帽砻娌y(cè)量CSK-IB試塊中R2的圓弧的長(zhǎng)度？第二十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)附錄A:JDUT-2型超聲波實(shí)驗(yàn)儀原理框圖同步電路發(fā)射電路探頭試塊放大/衰減接收電路顯示電路圖A-1原理框圖第二十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)圖A-2實(shí)物圖片第二十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)附錄B:JDUT-2型超聲波實(shí)驗(yàn)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：1000Ω使用電源：~220V輸入阻抗：500Ω使用功率：10W頻帶寬度：50Hz~7MHz(-3dB)/50Hz~10MHz(-6dB)儀器尺寸：220mm×220mm×100mm放大增益：50dB動(dòng)態(tài)范圍：0dB~95dB，步長(zhǎng)1dB輸出阻抗：50Ω(射頻)

，1000Ω（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可選鋁縱波聲速6.27mm/s橫波聲速3.10mm/s表面聲速2.90mm/s鋼縱波聲速5.90mm/s橫波聲速3.27mm/s表面聲速2.99mm/s試塊材質(zhì)參數(shù)表第三十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專題實(shí)驗(yàn)附錄C:JDUT-2型超聲波實(shí)驗(yàn)儀操作說(shuō)明1儀器連接圖C-1儀器連接示意圖發(fā)射JDUT-2型超生波實(shí)驗(yàn)儀超聲儀示波器探頭試塊衰減CH1CH2TRG接收射頻檢波觸發(fā)第三十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日專