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 λπ

ω-=

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 λ

πω+

= 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 ωλπλπωλπ

ωcos 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 λ

π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2

λ（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2

λ。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1

22x 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

λλt

f 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 λ

ππϕx 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 πππλπλπ

ϕ=--=-=∆)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。