實(shí)驗(yàn)9 超聲波系列實(shí)驗(yàn)

-.z.實(shí)驗(yàn)38超聲波系列實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1).熟悉*YZ-2A型超聲波綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀的用法；(2).了解壓電換能器的功能，加深對(duì)駐涉及振動(dòng)合成等理論知識(shí)的理解；(3).學(xué)習(xí)用共振干預(yù)法、相位比擬法等方法測(cè)定超聲波在空氣中的聲速；(4).熟悉超聲波探傷的根本原理和方法；(5).掌握液位計(jì)的設(shè)計(jì)原理及方法。二、參考資料*YZ-2A型超聲波綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀說明書，大學(xué)物理教材機(jī)械波一章。三、儀器及用具*YZ-2A型超聲波綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀，探頭，示波器。四、實(shí)驗(yàn)原理1．聲速的測(cè)量由波動(dòng)理論知道，在波動(dòng)過程中，波的頻率、聲速、波長(zhǎng)之間有以下關(guān)系：〔1〕所以實(shí)驗(yàn)中只要測(cè)定出聲波的頻率和波長(zhǎng)即可求出波速。常用的測(cè)量聲波波長(zhǎng)的方法有共振干預(yù)法和相位比擬法。共振干預(yù)法(駐波法)當(dāng)兩列波幅度一樣、方向相反的聲波疊加時(shí)產(chǎn)生駐波。設(shè)有一從發(fā)射源發(fā)出的一定頻率的平面聲波，我們稱之為前進(jìn)波，方程為：此前進(jìn)波經(jīng)過空氣傳播，到達(dá)接收器。如果接收面與發(fā)射面嚴(yán)格平行，入射波即在接收面上垂直反射，反射波為：則入射波與反射波合成的聲波為〔2〕這里為聲波的角頻率，為經(jīng)過的時(shí)間，為經(jīng)過的距離。式〔1-2〕說明，在發(fā)射面和接收面之間形成了駐波場(chǎng)，即各點(diǎn)都在作同頻率振動(dòng)，而各點(diǎn)的振幅是位置的余弦函數(shù)，對(duì)應(yīng)于的點(diǎn)靜止不動(dòng)，成為波節(jié)，要使，即應(yīng)有0,1,2,3,…，因此在處就是波腹的位置?？梢妰上噜彶ǜ埂不虿ü?jié)〕間的距離為〔即半波長(zhǎng)〕，如圖1所示。圖1因此，只要測(cè)得相鄰兩波腹〔或波節(jié)〕的位置,就可算出波長(zhǎng)：〔3〕S2如圖2，S1、S2是兩個(gè)壓電換能器，S2作為探頭，與超聲波綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀的低頻信號(hào)輸出端相連〔這里輸出約為40的連續(xù)脈沖〕，S2既是接收器，又是反射器。圖2當(dāng)聲信號(hào)加到上時(shí)，在、兩端面間形成駐波。把端面所在聲場(chǎng)中的機(jī)械振動(dòng)(聲壓)變?yōu)殡娦盘?hào)，該信號(hào)輸入示波器，通過示波器就可以看到一組由聲壓信號(hào)產(chǎn)生的正弦波形。聲源發(fā)出的聲波，經(jīng)介質(zhì)傳播到，在接收聲波信號(hào)的同時(shí)反射局部聲波信號(hào)，如果接收面〔〕與發(fā)射面〔〕嚴(yán)格平行，人射波即在接收面上垂直反射。入射波與反射波相疊加形成駐波。我們?cè)谑静ㄆ魃嫌^察到的實(shí)際上是這兩個(gè)相干波合成后在聲波接收器處的振動(dòng)情況。移動(dòng)位置〔即改變、之間的距離〕，從示波器上就會(huì)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)圖形的振幅有一系列最小值和最大值。由上面所介紹的波的干預(yù)理論可以知道：任何兩相鄰的波腹〔或波節(jié)〕間的距離為。為測(cè)量聲波的波長(zhǎng)，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時(shí)，緩慢的改變和之間的距離，示波器上就可以看到聲振動(dòng)幅值不斷地由最大變到最小再變到最大，兩相鄰的振幅最大之間移動(dòng)過的距離亦為。壓電換能器至之間的距離的改變可通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿的鼓輪來實(shí)現(xiàn)，而超聲波的周期則可以通過示波器讀出。在連續(xù)屢次測(cè)量相隔半波長(zhǎng)的位置變化及聲波周期時(shí)間后，我們可運(yùn)用公式計(jì)算出聲速。相位比擬法〔李薩如圖法〕聲源S1發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場(chǎng)。聲場(chǎng)在介質(zhì)中任一點(diǎn)的振動(dòng)相位是隨時(shí)間而變化的，但它和聲源振動(dòng)的位相差不隨時(shí)間變化。設(shè)聲源振動(dòng)頻率為，則其振動(dòng)方程為〔4〕距聲源處振動(dòng)方程為〔5〕兩處振動(dòng)位相差為〔6〕假設(shè)將探測(cè)器從與聲源相距的反相位差〔與聲源相位差為〕，移到與聲源相距的同相位點(diǎn)〔與聲源相位差為〕，則兩點(diǎn)的相位差為所以〔7〕圖3：聲速測(cè)量組合儀因此，只要探測(cè)到聲源的同相位點(diǎn)和反相位點(diǎn)的位置〔即、的值〕，就可以由計(jì)算出波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3，將低頻信號(hào)〔實(shí)驗(yàn)儀的40的連續(xù)脈沖的插孔上〕加到換能器上，它將電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，前端平面為聲源，在空氣中形成聲波。而又將接收到的聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。分別將和的電信號(hào)送入示波器的和輸入端，在示波器屏幕上就會(huì)出現(xiàn)互相垂直的兩個(gè)不同相位的圖線。圖4如圖4，由于頻率比為1:1，當(dāng)時(shí)為正斜率的直線；當(dāng)時(shí)，為負(fù)斜率的直線,當(dāng)為其他值時(shí)，為橢圓。將探測(cè)器從聲源附近慢慢移開，即可測(cè)出一系列同相位點(diǎn)和反相位點(diǎn)的位置。2．超聲波探傷原理超聲波是頻率高于20KHZ〔千赫茲〕的聲波。由于超聲波的頻率超過了人耳的聽覺范圍，因而人耳感覺不到聲音。超聲波具有聲波所有的物理性質(zhì)，但其頻率高，波長(zhǎng)短。產(chǎn)生超聲波的方法有多種，現(xiàn)代超聲波的產(chǎn)生主要是利用*些晶體〔如石英，酒石酸鉀鈉、鋯鈦酸鉛等〕的特殊物理性質(zhì)----壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波。當(dāng)超聲波在傳播過程中遇到兩種不同介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)分界面將產(chǎn)生反射。超聲波在介面反射后,剩余能量的超聲波將進(jìn)入第二介質(zhì)，稱為透射。如果兩種介質(zhì)中的聲速一樣，透射聲波的方向?qū)⒌扔谌肷洳ㄊ姆较?。但如果兩種介質(zhì)中的聲速不同，透射聲波將發(fā)生方向的轉(zhuǎn)折，稱為折射。剩余能量將以*一中心向空間各個(gè)方向傳播，稱散射。散射后返回探頭的回聲信號(hào)強(qiáng)度明顯減弱。超聲波在傳播的過程中，強(qiáng)度將隨著所傳深度的增加而減弱，稱衰減。超聲波的衰減是由于超聲波的反射、散射和超聲波吸收而引起的。超聲波探傷是無損檢驗(yàn)的主要方法之一。它是利用材料本身或內(nèi)部缺陷對(duì)超聲波傳播的影響，非破壞性地探測(cè)材料內(nèi)部和外表的缺陷〔如裂紋、氣泡、夾渣等〕的大小、形狀和分布狀況等。超聲波探傷具有靈敏度高、穿透力強(qiáng)、檢驗(yàn)速度快、本錢低、設(shè)備簡(jiǎn)單輕便和對(duì)人體無害等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，它已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電力、石油、化工和國(guó)防等各工業(yè)部門，并已成為保證產(chǎn)品質(zhì)量、確保設(shè)備平安運(yùn)行的一種重要手段。脈沖反射法是運(yùn)用最廣泛的一種超聲波探傷法。它使用的不是連續(xù)波，而是有一定持續(xù)時(shí)間按一定頻率間隔發(fā)射的超聲脈沖。探傷結(jié)果可以用示波器顯示。發(fā)生器在一定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)，通過專用壓電換能器的作用，使得信號(hào)以一樣的頻率作機(jī)械振動(dòng)，這個(gè)高頻脈沖信號(hào)相應(yīng)地在示波器熒光屏上形成一個(gè)起始脈沖信號(hào)。當(dāng)探頭接觸到所要探測(cè)的工件面時(shí)，超聲波以一定的速度在其內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到缺陷或工件底面時(shí)，就會(huì)引起反射，反射后的超聲波返回到探頭。此時(shí)，壓電換能器又將聲脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖并將訊號(hào)再次傳送到示波器，形成一個(gè)反射脈沖信號(hào)。由于電子束在熒光屏上的移動(dòng)與超聲波在均勻物質(zhì)中傳播過程都是勻速的，所以來自缺陷或底面的反射脈沖信號(hào)距起始脈沖的距離與探頭距缺陷或底面的距離成正比。脈沖反射法就是根據(jù)缺陷及底面反射信號(hào)的有無，反射信號(hào)幅度的上下及其反射訊號(hào)在熒光屏上的位置來判斷有無缺陷、缺陷的大小以及缺陷的深度的。脈沖反射法可以分為直接接觸縱波脈沖反射法和斜角探傷法，這里我們主要介紹直接接觸縱波脈沖反射法。我們知道縱波是指材料中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與聲波傳播方向一致的波型。探傷時(shí)，當(dāng)探頭垂直地或以不大于第一臨界角的角度耦合到工件上時(shí)，在工件內(nèi)部都能獲得縱波。直接接觸縱波脈沖反射法通常分為一次脈沖反射法，屢次脈沖反射法及組合雙探頭脈沖反射法?！?〕、一次脈沖反射法如圖5所示。當(dāng)工件中無缺陷時(shí)，熒光屏上只有始波〔T〕與一次底波〔B〕，如圖5的(a)；當(dāng)工件中有小缺陷存在時(shí)，熒光屏上除始波和底波之外還有缺陷波F〔此時(shí)的底波幅度可能會(huì)下降〕，缺陷波位于始波和底波之間。缺陷在工件中的深度與缺陷波在熒光屏上距始波的位置相對(duì)應(yīng)，如圖5的(b)；當(dāng)工件的缺陷大于聲束直徑時(shí)，熒光屏上將只有始波與缺陷波，如圖5的(c)。圖5：直接接觸縱波一次脈沖反射法1：探頭2：缺陷3：被測(cè)物體4：示波器熒光屏〔2〕、屢次脈沖反射法這是以屢次底面脈沖反射信號(hào)為依據(jù)進(jìn)展探傷的一種方法。超聲波在具有平行外表的工件中傳播，在無缺陷的情況下，聲波經(jīng)底面反射回探頭時(shí)，一局部能量為探頭所接收，在熒光屏上產(chǎn)生一次底波，另一局部能量又折回底面再反射回來，其中一局部能量又為探頭所接收產(chǎn)生二次底波，剩余的能量再被折回……。如此往復(fù)直至聲能耗盡為止，這將在示波器熒光屏上出現(xiàn)高度逐次遞減的屢次底波。屢次反射之間的間距是相等的。對(duì)于缺陷的判定大致可以分為二類：一類是吸收性缺陷〔如疏松等〕，聲波穿過時(shí)不引起反射，但聲能的衰減很大，使聲能在幾次反射、甚至在一次反射后就消耗貽盡；另一類是非吸收性缺陷，假設(shè)缺陷較小，在每次反射中缺陷波與底波同時(shí)存在，假設(shè)缺陷大到覆蓋這個(gè)聲束截面時(shí)，聲波只在外表與缺陷之間往復(fù)反射，熒光屏上沒有底波，只有缺陷的屢次反射波。本實(shí)驗(yàn)只作非吸收性缺陷實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意區(qū)分無缺陷和大于聲束直徑缺陷的波形〔主要看各波之間的間距〕。實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)要使探頭有效地向工件中發(fā)射超聲波以及有效地接收到由工件返回來的超聲波，必須使探頭和工件探測(cè)面之間有良好的聲耦合。良好的聲耦合可以通過填充耦合介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)〔這里我們采用凡士林〕，以防止其間有空氣層存在，這是因?yàn)榭諝鈱拥拇嬖趯⑹孤暷軒缀跬耆环瓷洹?．超聲波測(cè)液位液位測(cè)量分為連續(xù)測(cè)量和定點(diǎn)測(cè)量。在連續(xù)測(cè)量液位方面，應(yīng)用最為廣泛的是超聲波脈沖回波法，多數(shù)是以測(cè)量超聲脈沖在介質(zhì)中傳播時(shí)間為根底的，也可以以測(cè)量衰減為根底?！?〕脈沖回波法測(cè)液位原理脈沖回波法超聲液位計(jì)的工作原理是發(fā)射探頭發(fā)射出超聲脈沖，在被測(cè)液體介質(zhì)或其它借以測(cè)量的傳聲介質(zhì)中傳播至液面。經(jīng)液面反射后，超聲脈沖被接收探頭所接收，測(cè)量超聲脈沖從發(fā)射至接收所經(jīng)時(shí)間，根據(jù)介質(zhì)中的聲速，可以通過計(jì)算求得探頭至液面的距離，從而即可確定液面，如圖6。圖6：脈沖回波式超生液位計(jì)原理圖根據(jù)探頭的工作方式，脈沖回波式超聲液位計(jì)可分為氣介式(圖6b)、液介式(圖6a、d)和固介式(圖6c)。對(duì)于單探頭方式，如果從發(fā)射超聲脈沖到接收到超聲脈沖所經(jīng)過的時(shí)間為，超聲在介質(zhì)中傳播的速度為V，則探頭至液面的垂直距離可以按下式求出：〔8〕液位的升降表現(xiàn)為的變化，只要知道傳聲介質(zhì)中的聲速V。則就可以靠準(zhǔn)確地測(cè)量時(shí)間來確定。圖6c是固介式超聲液位計(jì)原理圖。把一根作為傳聲介質(zhì)的固體棒插入液體中，上端要高出最高液位，將探頭安裝在固體棒的上端，探頭可以收到自液面與固體棒相交處反射的回波，它同樣地是根據(jù)測(cè)量超聲脈沖從發(fā)射到接收所經(jīng)過的時(shí)間，確定探頭至液面的垂直距離，進(jìn)而確定液位。需要指出的是，對(duì)于固介式超聲液位計(jì)聲速是所選用波型在固體中的聲速，因?yàn)樵诠腆w棒中有很多波型可以傳播，其傳播速度是不盡一樣的。由上述可知，脈沖回波式超聲液位計(jì)測(cè)量液位需要知道超聲波在傳聲介質(zhì)中的傳播速度，才能從傳播時(shí)間求出液位。介質(zhì)的聲速隨介質(zhì)的不同而不同，即使是同一種介質(zhì)，如果溫度、壓強(qiáng)等測(cè)試條件不同，聲速也不一樣。對(duì)于氣體和液體來說，這種現(xiàn)象更為顯著。在固體介質(zhì)中，不同的波型有各自不同的聲速；另外，嚴(yán)格來說，超聲波頻率改變，聲速