大物實驗報告-超聲波.doc

超聲波原理及其應(yīng)用專題試驗論文專業(yè)：土木工程姓名：makasha學(xué)號：-指導(dǎo)教師：-試驗日期：2011.10.14試驗時段：04超聲波原理及其應(yīng)用專題試驗論文摘要：主要介紹超聲波的產(chǎn)生原理與傳播、超聲波聲速的測量、利用超聲波測量固體的彈性常數(shù)以及超聲波的探測與成像基本原理。通過對實驗的操作過程的反思與總結(jié)，加深對超聲波的認(rèn)識和了解。關(guān)鍵詞：超聲波產(chǎn)生原理與傳播 超聲波聲速 固體彈性常數(shù) 背景：自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。本文主要介紹關(guān)于超聲波的基本知識和通過動手實驗驗證的一些結(jié)論。論述：一、超聲波的產(chǎn)生原理與傳播1、產(chǎn)生某些固體物質(zhì)，在壓力（或拉力）作用下產(chǎn)生形變，從而是物質(zhì)本身計劃，在物體相對的表面出現(xiàn)正、負(fù)舒服電荷，這一效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。如果晶體片內(nèi)部的質(zhì)點的振動方向垂直于晶體的平面，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形，它取決于介質(zhì)可以介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對介質(zhì)激發(fā)超聲波。2、傳播超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，與可聽聲波的規(guī)律沒有本質(zhì)上的區(qū)別。波型通常有三種：（1）橫波：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與超聲波的傳播方向垂直時，此種超聲波為橫渡波型。猶豫固體介質(zhì)除了能承受體積形變外，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，均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。（2）縱波：當(dāng)介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點振動方向與超聲波的傳播方向一致時，此超聲波為縱波波型。任何同體介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時均能產(chǎn)生縱波。（3）表面波：是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波雙重性質(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面的橫波合成，振動質(zhì)點的軌跡為一橢圓，在距離表面1/4波長深處振幅最大，隨著深度的增加很快衰減，實際上距離表面一個波長以上的地方，質(zhì)點的振動振幅就已經(jīng)很微弱了。二、超聲波聲速的測量1、斜探頭入射點測量把斜探頭放在試塊下，并使其靠近試塊背面，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，這時測LR2。L0=R2-L2、斜探頭折射角的測量首先使斜探頭的橫波聲束正對試塊上的A孔，測XA；然后左移探頭，讓橫波聲束正對B橫孔，并測Xb，LAB和HABs=arctan(XA-Xb-L)/H3、波形轉(zhuǎn)換的觀察與測量通過移動探頭，觀察回波，即可確定對應(yīng)的波型和反射面。4、計算呂試塊的楊氏模量和泊松系數(shù)聲波傳播的的橫波波速：C=d/t在各向同性的固體介質(zhì)中，各種波形的超聲波聲速為：其中E為楊氏模量，為泊松系數(shù)，為材料密度。相應(yīng)的算出介質(zhì)的彈性常數(shù)：三、超聲波的探測與成像基本原理1、超聲波的探測超聲探頭發(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。在進(jìn)行缺陷定位時，必須先找到缺陷反射回波最大的位置，是的被測缺陷處于探頭的中心軸上。然后測量缺陷反射回波對應(yīng)的時間，根據(jù)工件的聲速可以計算出缺陷到探頭入射點的垂直深度或水平距離。（1）測量直探頭的擴散角：利用直探頭找到B通孔對應(yīng)的回波，移動探頭使回波幅度最大，并記錄對應(yīng)點位置X0及對應(yīng)回波的幅度；左移探頭使回波幅度減小到最大振幅的一半，記錄對應(yīng)的位置X1；同理，測探頭右移時回波振幅至最大振幅的一半，記錄位置X2,則擴散角為：=2arctan(|X2-X1|2L)L為所測通孔與表面間的距離。（2）測量斜探頭的擴散角：首先必須測量出探頭的折射角，然后利用測量直探頭相同的辦法，計算斜探頭的擴散角近似為：=2arctan(|X2-X1|2Lcos2)2、超聲波的成像基本原理（1）直探頭探測CSK-IB試塊中缺陷C的深度Hc=CL (tc-t0)/2（2）用斜探頭探測試塊中缺陷D的深度和距試塊右邊沿的距離深度H=Mtan，M為超聲波在材料中傳播的距離；水平距離L=Mcot，是斜探測材料中的折射角。結(jié)論我的收獲：經(jīng)過理論學(xué)習(xí)與動手試驗，可總結(jié)出超聲波的三點性質(zhì)、九點應(yīng)用如下：四點性質(zhì)1. 超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中。 2. 超聲波能量高。 3. 超聲波與傳聲媒質(zhì)的界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。 4. 超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。九點應(yīng)用1. 測量：距離、流速、流量、厚度2. 探測：超聲測距、安防探測、醫(yī)學(xué)成像、無損探測、水下聲納、地質(zhì)勘探、管道檢漏、觸摸屏3. 霧化：加濕、盆景、園藝、消毒、4. 清潔：珠寶、首飾、精密零件5. 加工：磨削、鉆孔、拋光、焊接6. 醫(yī)療：結(jié)石破碎、醫(yī)學(xué)成像、呼吸醫(yī)療7. 生物：促進(jìn)種子發(fā)芽8. 化學(xué)：加快酒類醇化、加快化學(xué)反應(yīng)速度原理簡述：超聲波清洗原理：超聲波通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機械振蕩而傳播到介質(zhì)，清洗溶劑中超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流動而產(chǎn)生數(shù)以萬計的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡（空化核）在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時，氣泡迅速增長，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓力，破壞不溶性污物而使它們分散于清洗液中，當(dāng)團(tuán)體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子即脫離，從而達(dá)到清洗件表面凈化的目的。醫(yī)學(xué)方面：將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，當(dāng)它在體內(nèi)遇到界面時會發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。因為人體各種組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)是不相同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫(yī)生們正是通過儀器所反映出的波型、曲線，或影象的特征來辨別它們。此外再結(jié)合解剖學(xué)知識、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。我對試驗的感受與思考：超聲波系列專題試驗讓我對超聲波有了更加深入的了解和認(rèn)識，并初步掌握了測量、計算相關(guān)數(shù)據(jù)的方法。試驗中，由于試驗結(jié)果與操作者的