超 声 波 测 试 原 理 及 应 用

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1、专题实验超声波测试原理及应用实验Z1.1超声波的产生与传播实验Z1.2固体弹性常数的测量实验Z1.3超声波的探测附录AJDUT-2型超声波实验仪原理框图附录BJDUT-2型超声波实验仪主要性能指标附录CJDUT-2型超声波实验仪操作说明专题实验一、实验原理实验Z1.1超声波的产生与传播1、压电效应某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生形变，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。其物理机理如图1-1所示。通常具有压电效应的物质同时也具有逆压电效应，即当对施加电压后会发生变形。超

2、声波探头利用逆压电效应产生超声波，而利用压电效应接收超声波。石英晶体结构拉力作用下的极化晶体的宏观极化图1-1石英晶体的压电效应专题实验（a）晶体振动(b)脉冲波图1-2脉冲超声波的产生压，则晶片发生弹性形变，随后发生自由振动，并在晶片厚度方向形成驻波，如图1-2(a)所示。如果晶片的两侧存在其它弹性介质，则会向两侧发射弹性波，波的频率与晶片的材料和厚度有关。2、脉冲超声波的产生及其特点用于产生和接收超声波的材料一般被制成片状（晶片），并在其正反两面镀上导电层（如镀银层）作为正负电极。如果在电极两端施加一脉冲电适当选择

3、晶片的厚度，使其产生弹性波的频率在超声波频率范围内，则该晶片即可产生超声波。在晶片的振动过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，因此它发射出的是一个超声波波包，称为脉冲波，如图1-2（b）所示。专题实验如果片内部质点的振动方向垂直于晶片平面，那么晶片向外发射的就是超声波。超声波在介质中传播可以有不同形式，它取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种：纵波波型：当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。横波波型：当介质中质

4、点的振动方向与超声波垂直时，此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能够承受切变变形。当其中剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。3、超声波波型及换能器种类表面波波型：是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于横波的横波合成，振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快率减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。专题实验（a）（b）1-外壳2-晶片3-吸收背衬4-电极接线5

5、-匹配电感6-接插头7a-保护膜7b-斜楔图1-3直探头和斜探头的基本结构（a）直探头（b）斜探头图1-4可变角探头示意图常用的超声波探头有直探头和斜探头两种，其结构如图1-3所示。探头通过保护膜或斜楔向外发射超声波；吸收背衬的作用是吸收晶片向背面发射的声波，以减少杂波；匹配电感的作用是调整脉冲波的波形。一般，直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。另一种可变角探头，如图1-4所示。其中探头芯可以旋转，通过改变探头的入射角，得到不同折射角的斜探头。当=0时成为直探头。图1-5是超声波在试块中传播的示意图。图1-6为

6、示波器接收得到的超声波信号。S称为始波，t0为电脉冲施加在压电晶片的时刻，也是发射超声波始波的初始时刻，B1称为试块的1次底面回波，t1是超声波传播到试块底面，又发射回来，被同一个探头接收的时刻。因此，t1对应于超声波在试块内往复传播的时间；B2称为试块的2次底面回波，它对应超声波在试块内往复传播到专题实验4、探头的延迟S始波t1B1B2t2t0图1-5脉冲超声波在试块中的传播图1-6直探头延迟的测量试块的上表面后，部分超声波被上表面反射，并被试块底面再次反射，即在试块内部往复传播两次后被接收到的超声波。1）直探头的延

7、迟专题实验依次类推，有3次、4次和多次底面反射回波。当有机玻璃的厚度可以忽略时，探头无延迟，因此，超声波在试块中传播到底面的时间为，如果试块材质均匀，超声波声速C一定，则超声波在试块中的传播距离为。有机玻璃的厚度不能忽略时，直探头的延迟为。2）斜探头的延迟参照图1-7，把斜探头放在试块上，并使探头靠近试块正面，使探头的斜射声束能够同时入射在R1和R2圆弧面上。在示波器上同时观测到两个弧面的回波B1和B2。测量它们对应的时间t1和t2。由于R1=2R2，因此斜探头的延迟为：。5、超声波的反射、折射与波型转换在斜探头中，从

8、晶片产生的超声波为纵波，它通过斜楔使超声波折射到专题实验S始波t1R30t2R60图1-7斜探头延迟的测量试块内部，同时可以使纵波转换为横波。实际上，超声波在两种固体界面上发生折射和反射时，纵波可以折射和反射为横波，横波也可以折射和反射为纵波。超声波的这种现象称为波型转换，其图解如图1-8所示。超声波在界面上的反射、折射和波型转换