超聲波產(chǎn)生及超聲探測實(shí)驗(yàn)

1、專題實(shí)驗(yàn) 請同學(xué)們先看下后邊的注意事項(xiàng)！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 曾用一個多齒輪，第一次人工產(chǎn)生了頻率為2.4 104Hz 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.

2、 Loomis 發(fā)表超聲能量作用實(shí)驗(yàn)報告，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、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

3、實(shí)驗(yàn)簡單介紹超聲波的產(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

4、用壓電效應(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)； 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SiO2,它可以看成由+4 價的 Si 離子和 -2 價 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。 其中三個正原子組成一個向右的正三角形，正電中心在三角形的重心處。類似，三個負(fù)原子對（六個負(fù)

5、原子） 組成一個向左的三角形， 其負(fù)電中心也在這個三角形的重心處。晶 體不受力時，兩個三角形重心重合， 六角形單元是電中性的。 整個晶體由許多這樣的六角形 構(gòu)成，也是電中性的。拉力作用下的極化圖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、t (t1 b)/2(1.1 )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

6、y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。但是這時電偶極矩的方向與 x方向受拉力時 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，如鈦酸鋼（ BaTiCO3）,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)和逆壓電效應(yīng)，它們多

7、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)圖1.2脈沖波的產(chǎn)生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電壓短脈沖時 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,由于正壓效應(yīng)，振蕩的晶片晶片的振動過程中，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， 與被檢對象相互作

8、用發(fā)生散射，散射波被同一壓電換能器接收 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，t0為電脈沖施加在壓電晶片的時刻， t1是超聲波傳播到試塊底面，又反射回來，被同 一個探頭接收的時刻。因此，超聲波在試塊中的傳播到底面的時間為探頭點(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S c.t（1.2）試塊工（4）圖1

9、.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，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，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)時均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固

10、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)際上離表面一個波長以上的地方，質(zhì)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。介質(zhì)2一般情況下，采用直探頭產(chǎn)生縱波，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，

11、聲波首先在探頭內(nèi)部傳播一段時間后，才到達(dá)試塊的表面，這段時間我 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。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，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：反射：sinsin Lsin s(1.3a)CC1 L

12、C1S折射：sinsin Lsin s(1.3b)CC2LC2S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ClS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。實(shí)驗(yàn)方案1.直探頭延遲的測量及直接測量鋁試塊中縱波聲速參照附錄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)值和示波器的電壓范圍與 時間范圍，使示波器上看到的波形如圖1.7所示。在圖1

13、.7中，S稱為始波，to對應(yīng)于發(fā)射超聲波的初始時刻；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 收到的時刻，因此t1對應(yīng)于超聲波在試塊內(nèi)往復(fù)傳播的時間；B2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次和多次底面反射回波。從示波器上讀出傳播t1和t2,則直探頭的延遲為利用附錄里測塊的厚度，結(jié)合延遲時間測量鋁試塊中縱波聲速。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求1 .測量直探頭的延遲及直接測量鋁試塊中縱波聲速利用

14、CSK-IB試塊60毫米的厚度進(jìn)行測量。多次測量，求平均值。實(shí)驗(yàn)二、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

15、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；3 .掌握超聲波探測原理和定位方法。實(shí)驗(yàn)原理般來講，波長越超聲探頭發(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。小，頻率越高，指向性越好；尺寸越大，指向性越好。可以用公式表示如下:2sin 1(1.22-)(3.1)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。2r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

16、。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，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（Wj O超聲波探頭的指向性(b)斜探頭使得被測缺陷處于探頭的中心在進(jìn)行缺陷定位時，必須找到缺陷反射回波最大的位置,軸線上，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(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 B 1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

17、記錄該點(diǎn)的位置X1；同樣的方法記錄下探頭右移時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：2tg1 | X2% |2L(3.2)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，按下式計算斜探頭的擴(kuò)散角近似為：1 I x2 X1 |22tg -cos (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)時間(深度)的測量，可以采用絕對測量方法，也可以采用 相對

18、測量方法。利用絕對測量方法時，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)二直探頭延遲和聲速的絕對測量方法。利用相對測量方法時， 必須有與被測材料同材質(zhì)試塊，并已知該試塊的厚度，具體方法請參看實(shí)驗(yàn)二直探頭延遲 和聲速的相對測量方法。3 .斜探頭測量缺陷的深度和水平距離4 1)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 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 間范圍。在示波器上同時觀測到兩個弧面的回波B1和B2。測量它們對應(yīng)的時間 t1和t2o由于R2=2R2,因此斜探頭的延遲為

19、：t 2 t1 t2(2.7)5 2)斜探頭入射點(diǎn)測量在確定斜探頭的傳播距離時，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，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：LoR2L(2.8)圖2.2斜探頭延遲和入射點(diǎn)測量(3)斜探頭測量缺陷的深度和水平距離利用斜探頭進(jìn)行探測時，如果測量得到超聲波在材料中傳播的距離為S,則其深度 H和水平距離L為：HS tan( )(3.4)LS ctan( )(3.5)其中 是斜探頭在被測材料中的折射角。要實(shí)現(xiàn)對缺陷進(jìn)行定位，除了必須測量(或已知)探頭的延遲、入射點(diǎn)外，還必須測 量(或已知)探頭在該材質(zhì)中的折 射角和聲速。通常我們利用與被