实验9 超声波系列实验

实验38 超声波系列实验一、实验目的(1).熟悉XYZ-2A 型超声波综合设计实验仪的用法；(2).了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解；(3).学习用共振干涉法、相位比较法等方法测定超声波在空气中的声速；(4).熟悉超声波探伤的基本原理和方法；(5).掌握液位计的设计原理及方法。

二、参考资料XYZ-2A 型超声波综合设计实验仪说明书，大学物理教材机械波一章。

三、仪器及用具XYZ-2A 型超声波综合设计实验仪，探头，示波器。

四、实验原理1．声速的测量由波动理论知道，在波动过程中，波的频率f 、声速V 、波长λ之间有以下关系：λ⨯=f V （1）所以实验中只要测定出声波的频率f 和波长λ即可求出波速V 。

常用的测量声波波长的方法有共振干涉法和相位比较法。

（1） 共振干涉法(驻波法)当两列波幅度相同、方向相反的声波叠加时产生驻波。

设有一从发射源发出的一定频率的平面声波，我们称之为前进波，方程为：)2cos(1x t A y λπω-=此前进波经过空气传播，到达接收器。

如果接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，反射波为： )2cos(2x t A y λπω+= 则入射波与反射波合成的声波为 t x A x t A x t A y y y ωλπλπωλπωcos 2cos 2)2cos()2cos(21⎥⎦⎤⎢⎣⎡=++-=+= （2） 这里ω为声波的角频率，t 为经过的时间，x 为经过的距离。

式（1-2）表明，在发射面和接收面之间形成了驻波场，即各点都在作同频率振动，而各点的 振幅⎥⎦⎤⎢⎣⎡x A λπ2cos 2是位置x 的余弦函数，对应于02cos =x λπ的点静止不动，成为波节，要使12cos =x λπ，即应有=±=n n x,2πλπ0,1,2,3,…，因此在2λ⋅±=n x 处就是波腹的位置。

可见两相邻波腹（或波节）间的距离为2λ（即半波长），如图1所示。

图1因此，只要测得相邻两波腹（或波节）的位置1x ,2x 就可算出波长：（3） S 2如图2， S 1 、S 2 是两个压电换能器， S 2 作为探头，与超声波综合设计实验仪的低频信号输出端相连（这里输出约为40KHz 的连续脉冲），S 2 既是接收器，又是反射器。

图2当声信号加到1S 上时，在1S 、2S 两端面间形成驻波。

2S 把端面所在声场中的机械振动(声压)变为电信号，该信号输入示波器，通过示波器就可以看到一组由声压信号产生的正弦波形。

声源1S 发出的声波，经介质传播到2S ，在接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面（2S ）与发射面（1S ）严格平行，人射波即在接收面上垂直反射。

入射波与反射波相叠加形成驻波。

我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器2S 处的振动情况。

移动2S 位置（即改变1S 、2S 之间的距离），从示波器上就会发现振动图形的振幅有一系列最小值和最大值。

由上面所介绍的波的干涉理论可以知道：任何两相邻的波腹（或波节）间的距离为2λ。

为测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓慢的122x x -=λ改变1S 和2S 之间的距离，示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大，两相邻的振幅最大之间2S 移动过的距离亦为2λ。

压电换能器2S 至1S 之间的距离的改 变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的周期t 则可以通过示波器读出。

在连续多次测量相隔半波长的2S 位置变化及声波周期时间t 后，我们可运用公式λλtf V 1=⋅=空 计算出声速。

（2） 相位比较法（李萨如图法）声源S 1发出声波后，在其周围形成声场。

声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的，但它和声源振动的位相差ϕ∆不随时间变化。

设声源振动频率为f ，则其振动方程为ft y y π2cos 0= （4）距声源x 处振动方程为 )(2cos 01v x t f y y -=π （5）两处振动位相差为 λππϕx v x f 22==∆ （6） 若将探测器2S 从与声源相距1x 的反相位差（与声源相位差为πϕ)12(1-=∆n ），移到与声源相距2x 的同相位点（与声源相位差为 πϕn 22=∆），则两点的相位差为 πππλπλπϕ=--=-=∆)12()2(2212n n x x 所以 212λ=-x x （7）图3：声速测量组合仪因此，只要探测到声源的同相位点和反相位点的位置（即1x 、2x 的值）， 就可以由212λ=-x x 计算出波长。

实验装置如图3，将低频信号（实验仪的40KHz 的连续脉冲的插孔上）加到换能器1S 上，它将电振动转换成机械振动，前端平面为声源，在空气中形成声波。

而2S 又将接收到的声波振动转换成电信号。

分别将1S 和2S 的电信号送入示波器的x 和y 输入端，在示波器屏幕上就会出现互相垂直的两个不同相位的图线。

图4如图4，由于频率比为1:1，当πϕn 2=∆时为正斜率的直线；当πϕ)12(+=∆n 时，为负斜率的直线,当ϕ∆为其他值时，为椭圆。

将探测器2S 从声源附近慢慢移开，即可测出一系列同相位点和反相位点的位置。

2．超声波探伤原理超声波是频率高于20KHZ （千赫兹）的声波。

由于超声波的频率超过了人耳的听觉范围，因而人耳感觉不到声音。

超声波具有声波所有的物理性质，但其频率高，波长短。

产生超声波的方法有多种，现代超声波的产生主要是利用某些晶体（如石英，酒石酸钾钠、锆钛酸铅等）的特殊物理性质----压电效应产生超声波。

当超声波在传播过程中遇到两种不同介质时，在介质分界面将产生反射。

超声波在介面反射后,剩余能量的超声波将进入第二介质，称为透射。

如果两种介质中的声速相同，透射声波的方向将等于入射波束的方向。

但如果两种介质中的声速不同，透射声波将发生方向的转折，称为折射。

剩余能量将以某一中心向空间各个方向传播，称散射。

散射后返回探头的回声信号强度明显减弱。

超声波在传播的过程中，强度将随着所传深度的增加而减弱，称衰减。

超声波的衰减是由于超声波的反射、散射和超声波吸收而引起的。

超声波探伤是无损检验的主要方法之一。

它是利用材料本身或内部缺陷对超声波传播的影响，非破坏性地探测材料内部和表面的缺陷（如裂纹、气泡、夹渣等）的大小、形状和分布状况等。

超声波探伤具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、成本低、设备简单轻便和对人体无害等一系列优点。

因此，它已广泛应用于机械制造、冶金、电力、石油、化工和国防等各工业部门，并已成为保证产品质量、确保设备安全运行的一种重要手段。

脉冲反射法是运用最广泛的一种超声波探伤法。

它使用的不是连续波，而是有一定持续时间按一定频率间隔发射的超声脉冲。

探伤结果可以用示波器显示。

发生器在一定时间间隔内发射一个触发脉冲信号，通过专用压电换能器的作用，使得信号以相同的频率作机械振动，这个高频脉冲信号相应地在示波器荧光屏上形成一个起始脉冲信号。

当探头接触到所要探测的工件面时，超声波以一定的速度在其内部传播，当遇到缺陷或工件底面时，就会引起反射，反射后的超声波返回到探头。

此时，压电换能器又将声脉冲转换成电脉冲并将讯号再次传送到示波器，形成一个反射脉冲信号。

由于电子束在荧光屏上的移动与超声波在均匀物质中传播过程都是匀速的，所以来自缺陷或底面的反射脉冲信号距起始脉冲的距离与探头距缺陷或底面的距离成正比。

脉冲反射法就是根据缺陷及底面反射信号的有无，反射信号幅度的高低及其反射讯号在荧光屏上的位置来判断有无缺陷、缺陷的大小以及缺陷的深度的。

脉冲反射法可以分为直接接触纵波脉冲反射法和斜角探伤法，这里我们主要介绍直接接触纵波脉冲反射法。

我们知道纵波是指材料中质点振动方向与声波传播方向一致的波型。

探伤时，当探头垂直地或以不大于第一临界角的角度耦合到工件上时，在工件内部都能获得纵波。

直接接触纵波脉冲反射法通常分为一次脉冲反射法，多次脉冲反射法及组合双探头脉冲反射法。

（1）、一次脉冲反射法如图5所示。

当工件中无缺陷时，荧光屏上只有始波（T）与一次底波（B），如图5的(a)；当工件中有小缺陷存在时，荧光屏上除始波和底波之外还有缺陷波F（此时的底波幅度可能会下降），缺陷波位于始波和底波之间。

缺陷在工件中的深度与缺陷波在荧光屏上距始波的位置相对应，如图5的(b)；当工件的缺陷大于声束直径时，荧光屏上将只有始波与缺陷波，如图5的(c)。

图5：直接接触纵波一次脉冲反射法1：探头 2：缺陷 3：被测物体 4：示波器荧光屏（2）、多次脉冲反射法这是以多次底面脉冲反射信号为依据进行探伤的一种方法。

超声波在具有平行表面的工件中传播，在无缺陷的情况下，声波经底面反射回探头时，一部分能量为探头所接收，在荧B，另一部分能量又折回底面再反射回来，其中一部分能量又为探头光屏上产生一次底波1B，剩余的能量再被折回……。

如此往复直至声能耗尽为止，这将在所接收产生二次底波2示波器荧光屏上出现高度逐次递减的多次底波。

多次反射之间的间距是相等的。

对于缺陷的判定大致可以分为二类：一类是吸收性缺陷（如疏松等），声波穿过时不引起反射，但声能的衰减很大，使声能在几次反射、甚至在一次反射后就消耗贻尽；另一类是非吸收性缺陷，若缺陷较小，在每次反射中缺陷波与底波同时存在，若缺陷大到覆盖这个声束截面时，声波只在表面与缺陷之间往复反射，荧光屏上没有底波，只有缺陷的多次反射波。

本实验只作非吸收性缺陷实验。

实验时要注意区分无缺陷和大于声束直径缺陷的波形（主要看各波之间的间距）。

实验中，若要使探头有效地向工件中发射超声波以及有效地接收到由工件返回来的超声波，必须使探头和工件探测面之间有良好的声耦合。

良好的声耦合可以通过填充耦合介质来实现（这里我们采用凡士林），以避免其间有空气层存在，这是因为空气层的存在将使声能几乎完全被反射。

3．超声波测液位液位测量分为连续测量和定点测量。

在连续测量液位方面，应用最为广泛的是超声波脉冲回波法，多数是以测量超声脉冲在介质中传播时间为基础的，也可以以测量衰减为基础。

（1）脉冲回波法测液位原理脉冲回波法超声液位计的工作原理是发射探头发射出超声脉冲，在被测液体介质或其它借以测量的传声介质中传播至液面。

经液面反射后，超声脉冲被接收探头所接收，测量超声脉冲从发射至接收所经时间，根据介质中的声速，可以通过计算求得探头至液面的距离，从而即可确定液面，如图6。

图6：脉冲回波式超生液位计原理图根据探头的工作方式，脉冲回波式超声液位计可分为气介式(图6 b)、液介式(图6a 、d)和固介式(图6c)。

对于单探头方式，如果从发射超声脉冲到接收到超声脉冲所经过的时间为t ，超声在介质中传播的速度为V ，则探头至液面的垂直距离L 可以按下式求出：vt L 21 （8） 液位的升降表现为L 的变化，只要知道传声介质中的声速V 。