聲波檢測技術：第二章 聲波的激發(fā)與接收

1、聲波的激發(fā)與接收聲波的產(chǎn)生與接收 應用聲波檢測巖體和混凝土，首先要解決的問題是如何產(chǎn)生聲波和接收經(jīng)巖體和混凝土傳播后的聲波，然后進行測量。解決這類問題通常采用能量轉換方法，即運用最方便的能量-電能，將它轉化為聲能量，即產(chǎn)生出聲波。當聲波在巖體和混凝土中傳播后，為了度量聲波的各聲學參數(shù)，又將聲能量轉化為最容易量測的量-電量，然后經(jīng)放大、處理，對電信號進行量測。這種將聲能與電能相互轉換的器具就稱為換能器。聲波的產(chǎn)生與接收進行這種電聲轉換的方法很多，如電磁、電動、靜電、磁致伸縮及壓電伸縮等方法。在聲波檢測中，由于要求較高的頻率、穩(wěn)定一致的工作狀態(tài)和不大的體積，一般都采用壓電伸縮的方法，即用壓電換能器

2、激發(fā)和接收聲波。壓電換能器是利用具有壓電效應的材料制作的。 壓電材料 正壓電效應 ：對某些不顯電性的電介質施加壓力，引起介質內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移而極化，導致介質兩端上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷；其電荷密度與應力成正比；當應力反向，電荷亦改號。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應 反壓電效應 ：如將具有壓電效應的介質置于電場內(nèi)，由于電場作用引起介質內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生位移，這位移栽宏觀上表現(xiàn)出產(chǎn)生了應變；所發(fā)生的應變與電場強度成正比；如果電場反向，則應變亦反向。這種現(xiàn)象稱為反壓電效應（或稱電壓效應）。 壓電材料反壓電效應被用來發(fā)生聲波正壓電效應被用來接收聲波。激發(fā)和接收聲波所用的壓電材料主要有壓電晶體和壓

3、電陶瓷 壓電晶體與壓電陶瓷 自然界中有20類晶體具有壓電效應，稱為壓電晶體。壓電陶瓷是一種具有壓電效應的多晶體它的優(yōu)點是電聲效率和接受靈敏度高，可做成各種形狀的振子，既可做成發(fā)射換能器，又可做成接收換能器，它的優(yōu)點是使用方便，缺點是機械強度低、導熱系數(shù)低和性能不穩(wěn)定等。因此，在大功率使用時需加預應力和附加熱措施等。根據(jù)使用需要可滲入適量雜質來改變其某種性質。目前應用最廣泛的壓電陶瓷有鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等。 準壓電效應壓電陶瓷在用作換能器材料時，其處理和運用方法在形式上和壓電晶體完全相同，但其壓電機理和一般壓電晶體不同，需用一定的外電場對其進行極化處理后才具有與壓電晶體類似的壓電效應。為區(qū)

4、別這兩種情況，有時稱極化后的壓電陶瓷的壓電效應為“準壓電效應”壓電片的制作 1.壓電晶體的制作對于石英類天然壓電晶體材料只須根據(jù)晶軸方向切割成片。如x切割晶片、y切割晶片。在晶片相對表面涂上銀層作為電極即制成壓電晶片。對于人造晶體如酒石酸鉀鈉等，則人工培養(yǎng)制成單晶體，然后切片，徐(貼)上電極 壓電片的制作2.壓電陶瓷的制作制作壓電陶瓷，首先由幾種氧化物或碳酸鹽配制混合，研磨成粉狀進行預燒結，在燒結過程中，備組分發(fā)生固相反應，形成以鋯鈦酸鉛固溶休為基本的多晶體。預燒后的材樹再經(jīng)粉碎、磨細，然后加壓成型制成各種需要的形狀（片、管、棒等)，再經(jīng)高溫燒結使其致密。未經(jīng)極化處理的壓電陶瓷在宏觀上不顯示壓

5、電性。把這樣的陶瓷體兩面鍍上銀層(電極)，在高壓直流電場(300V/mm)下進行極化處理后即制成具有壓電性的壓電陶瓷。 壓電片的制作目前常用的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料，國外常用PZT表水，如PZT-4、PZT-5.后面的編號表示陶瓷體配方各不相問，因而性能指標也有差異分別用于不同場合。如PZT-4為發(fā)射型，PZT-5為接收型。PZT-4的居里點為325C、PZT-5為365C。 壓電片的技術參數(shù) 1、機電耦合系數(shù)2、品質因素3、頻率常數(shù)壓電體的振動模式 1厚度振動 2縱向長度振動 3橫向長度振動4圓片徑向振動5厚度切變型振動厚度振動 厚度振動片是最常用的聲波換能器，常用來制作發(fā)射和接收較

6、高頻率的縱波換能器 縱向長度振動 這種振動模式通常用于較低頻率的縱波換能器 橫向長度振動 某些人工晶體(如酒石酸鉀鈉晶體)就是利用橫向長度振動來制作低頻聲波換能器。由于該晶體有較大的機電耦合系數(shù)，所制換能器靈敏廢較高，至今尚有使用。 圓片徑向振動 實用中常以多片圓片裝在簿壁圓管內(nèi)，以激發(fā)圓管的徑向振動，制作增壓式換能器 厚度切變型振動 可用多片切變振動的壓電片疊合起來制作橫波換能器，以在固體中產(chǎn)生和接收橫波 壓電體的振動模式除了上述基本振動模式外，還有其他一些振動模式，如在混凝土聲波檢測中有時使用的彎曲式換能器、圓環(huán)式換能器等，其壓電體的振動模式分別是彎曲振動模式和圓環(huán)的徑向振動模式。 常用換

7、能器的構造及性能 縱波換能器，用于縱波的測量平面換能器、徑向換能器以及一發(fā)多收換能器 橫波換能器，用于橫波的測量斜入射式橫波換能器，直入射式橫波換能器 普通平面換能器 混凝土檢測中，50kHz以上頻率的換能器一般均為上述結構 夾心式平面換能器 平面換能器目前市售的平面換能器有500、250、100、50、25、20、15KHz等幾種頻率。另外，作為低頻接收換能器還有彎曲振蕩式，其頻率響應范圍在更低的頻段。徑向換能器 徑向換能器是利用壓電陶瓷(圓片、園環(huán)或球體)的徑向振動模式來發(fā)生和接收聲波，其輻射面是曲面。這類換能器通常被置于結構物的鉆孔或導管中進行檢測。日前常用的換能器有增壓式與圓環(huán)式。增壓式換能器 一發(fā)雙收換能器 橫波換能器 在混凝土聲波檢測中，目前主要利用縱波在混凝土中的傳播特性來對混凝土質量及內(nèi)部情況做出判斷。但在測量材料的動力彈性參數(shù)(彈性模量、泊松比)，往往需要測量橫波在介質中的傳播速度。另外，在巖體聲波檢測中，正在研究各種測量基巖橫被聲速的方法。這些都可通過采用專門的橫波換能器來測量。 斜入射式橫波換能器 直入式橫波換能器 這種換能器是利用壓電片的厚度切變振動模式。將經(jīng)切向極化處理后的多片壓電片疊合裝入外殼中制成。當加上激勵信號時，壓電片作切向振動，由換能器輻射面?zhèn)鞒龅慕^大部分是橫波。使用這種換能器時，雖然也有部分縱波，但由于其能量小，振幅