实验一、超声波的产生与传播报告
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在实际应用中，我们经常把超声波换能器称为超声波探头。实验中，常用的超声波探头有直探头和斜探头两种。
一般情况下，采用直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。对于斜探头，晶片受激发产生超声波后，声波首先在探头内部传播一段时间后，才到达试块的表面，这段时间我们称为探头的延迟。对于直探头，一般延迟较小，在测量精度要求不高的情况下，可以忽略不计。
实验一、超声波的产生与传播报告
实验一、超声波的产生与传播
一、实验目的
1．了解超声波产生和接收方法；2．认识超声脉冲波及其特点；
3．理解超声波的反射、折射和波型转换。二、实验原理
某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时,由于逆压效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡,振荡频率与晶片的声速和厚度有关,适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波,即超声波。由于正压效应,振荡的晶片在两极产生振荡的电压,电压被放大后可以用示波器显示。
2．超声波的反射、折射与波型转换
在斜探头中，从晶片产生的超声波为纵波，它通过斜楔使超声波折射到试块内部，同时可以使纵波转换为横波。实际上，超声波在两种固体界面上发生折射和反射时，纵波可以折射和反射为横波，横波也可以折射和发射为纵波。超声波的这种现象称为波型转换，其图解如图1.5所示。
图1.5超声波的反射、折射和波型转换
超声波在界面上的反射、折射和波型转换满足如下斯特令折射定律：反射：
sinαsinαLsinαS
==
CC1LC1SsinαsinβLsinβS
==
CC2LC2S
（1.3a）
折射：（1.3b）
其中，αL和αS分别是纵波反射角和横波反射角；βL和βS分别是纵波折射角和横波折射角；C1L和C1S分别是第1种介质的纵波声速和横波声速；C2L和C2S分别是第2种介质的纵波声速和横波声速。
3．波形转换的观察和测量
通过简单计算和测量，分析确定图1.9中b1、B1和B2对应的波型和反射面。五、实验数据及处理⒈测量直探头的延迟
直探头延迟为∆t=2t1-t2
∴∆t1=(2⨯3.70-7.39)⨯5=0.05μs ∆t2=(2⨯3.75-7.40)⨯5=0.5μs
∆t3=(2⨯3.76-7.41)⨯5=0.55μs
直探头延迟的平均值为：∆t=
0.05+0.5+0.55
≈0.37μs
3
2.测量脉冲超声波频率和波长
4个周期的时间t三次测量格数分别为：0.60格；0.60格；0.58格此时示波器一格为2μs，故三次测量时间为：t1=1.20 μs, t2=1.20 μs, t3=1.16 μs故所测脉冲超声波周期为：T=(频率为f=33.71⨯106Hz
又B1，B2都是在探头靠近试块背面时产生的。
可见，B1对应纵波及R2反射面，B2对应横波及R2反射面，b1对应纵波及R1反射面、分析与思考
1、激发脉冲超声波的电脉冲一般是一个上升沿小于20纳秒的很尖很窄的脉冲。而从超声脉冲波的波形看，其幅度是由小变大，然后又由大变小，而不是直接从大变小；并且振动可以持续1~10微秒；为什么？
在斜探头或可变角探头中，有机玻璃斜块或有机玻璃探头芯的声速C小于铝中横波声速CS，而横波声速CS又小于纵波声速CL。因此，根据公式（2.1b），当α大于：
α1=sin-1(
C
) (1.4) CL
时，铝介质中只有折射横波；而当α大于：
α2=sin-1(
C) CS
（1.5）
时，铝介质中既无纵波折射，又无横波折射。我们把α1称为有机玻璃入射到有机玻璃-铝界面上的第一临界角；α2称为第二临界角；三、实验仪器
横波波型：当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。
表面波波型：是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成,振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。
由表可知，铝中的纵波声速为v=6.27mm/μs
1.20+1.20+1.16
)/4≈0.30μs
3
故波长λ=v/f=6.27⨯103÷(33.71⨯106)≈1.86⨯10-4m 3.
R1=30mm；R2=60mm故在两面传播的路程分别为60mm,120mm
又由表可知，铝中的纵波声速为6.27mm/μs，横波声速为3.10mm/μs由上可得三个可行的速度：120/18.75=6.4mm/μs 120/38.5=3.12mm/μs 60/9.5=6.31mm/μs
JDUT-2型超声波实验仪；示波器；直探头；可调节斜探头
四、实验内容
1．测量直探头的延迟
利用CSK-IB试块60毫米的厚度进行测量。多次测量，求平均值。2．测量脉冲超声波频率和波长
利用CSK-IB试块40毫米厚度的1次回波进行测量；测量脉冲波4个振动周期的时间t，求其频率和波长。多次测量，求平均值。
1．超声波波型及换能器种类
如果晶片内部质点的振动方向垂直于晶片平面，
那么晶片向外发射的就是超声纵波。超声波在介质中传播可以有不同的波型，它取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种:
纵波波型：当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。
答：晶片发生弹性形变而产生弹性振荡是一个过程，不可能瞬间达到峰值，也不可能瞬间消失。
2、通过计算说明，当可变角探头逐步靠近试块正面时，为什么横波在R1圆弧面的反射回波能够与B1重合？
答：横波波速约为纵波的一半，而传到R1圆弧面的传播距离为B1对应纵波传播距离的一般，故恰可重合。
一般情况下，采用直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。对于斜探头，晶片受激发产生超声波后，声波首先在探头内部传播一段时间后，才到达试块的表面，这段时间我们称为探头的延迟。对于直探头，一般延迟较小，在测量精度要求不高的情况下，可以忽略不计。
实验一、超声波的产生与传播报告
实验一、超声波的产生与传播
一、实验目的
1．了解超声波产生和接收方法；2．认识超声脉冲波及其特点；
3．理解超声波的反射、折射和波型转换。二、实验原理
某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时,由于逆压效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡,振荡频率与晶片的声速和厚度有关,适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波,即超声波。由于正压效应,振荡的晶片在两极产生振荡的电压,电压被放大后可以用示波器显示。
2．超声波的反射、折射与波型转换
在斜探头中，从晶片产生的超声波为纵波，它通过斜楔使超声波折射到试块内部，同时可以使纵波转换为横波。实际上，超声波在两种固体界面上发生折射和反射时，纵波可以折射和反射为横波，横波也可以折射和发射为纵波。超声波的这种现象称为波型转换，其图解如图1.5所示。
图1.5超声波的反射、折射和波型转换
超声波在界面上的反射、折射和波型转换满足如下斯特令折射定律：反射：
sinαsinαLsinαS
==
CC1LC1SsinαsinβLsinβS
==
CC2LC2S
（1.3a）
折射：（1.3b）
其中，αL和αS分别是纵波反射角和横波反射角；βL和βS分别是纵波折射角和横波折射角；C1L和C1S分别是第1种介质的纵波声速和横波声速；C2L和C2S分别是第2种介质的纵波声速和横波声速。
3．波形转换的观察和测量
通过简单计算和测量，分析确定图1.9中b1、B1和B2对应的波型和反射面。五、实验数据及处理⒈测量直探头的延迟
直探头延迟为∆t=2t1-t2
∴∆t1=(2⨯3.70-7.39)⨯5=0.05μs ∆t2=(2⨯3.75-7.40)⨯5=0.5μs
∆t3=(2⨯3.76-7.41)⨯5=0.55μs
直探头延迟的平均值为：∆t=
0.05+0.5+0.55
≈0.37μs
3
2.测量脉冲超声波频率和波长
4个周期的时间t三次测量格数分别为：0.60格；0.60格；0.58格此时示波器一格为2μs，故三次测量时间为：t1=1.20 μs, t2=1.20 μs, t3=1.16 μs故所测脉冲超声波周期为：T=(频率为f=33.71⨯106Hz
又B1，B2都是在探头靠近试块背面时产生的。
可见，B1对应纵波及R2反射面，B2对应横波及R2反射面，b1对应纵波及R1反射面、分析与思考
1、激发脉冲超声波的电脉冲一般是一个上升沿小于20纳秒的很尖很窄的脉冲。而从超声脉冲波的波形看，其幅度是由小变大，然后又由大变小，而不是直接从大变小；并且振动可以持续1~10微秒；为什么？
在斜探头或可变角探头中，有机玻璃斜块或有机玻璃探头芯的声速C小于铝中横波声速CS，而横波声速CS又小于纵波声速CL。因此，根据公式（2.1b），当α大于：
α1=sin-1(
C
) (1.4) CL
时，铝介质中只有折射横波；而当α大于：
α2=sin-1(
C) CS
（1.5）
时，铝介质中既无纵波折射，又无横波折射。我们把α1称为有机玻璃入射到有机玻璃-铝界面上的第一临界角；α2称为第二临界角；三、实验仪器
横波波型：当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。
表面波波型：是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成,振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。
由表可知，铝中的纵波声速为v=6.27mm/μs
1.20+1.20+1.16
)/4≈0.30μs
3
故波长λ=v/f=6.27⨯103÷(33.71⨯106)≈1.86⨯10-4m 3.
R1=30mm；R2=60mm故在两面传播的路程分别为60mm,120mm
又由表可知，铝中的纵波声速为6.27mm/μs，横波声速为3.10mm/μs由上可得三个可行的速度：120/18.75=6.4mm/μs 120/38.5=3.12mm/μs 60/9.5=6.31mm/μs
JDUT-2型超声波实验仪；示波器；直探头；可调节斜探头
四、实验内容
1．测量直探头的延迟
利用CSK-IB试块60毫米的厚度进行测量。多次测量，求平均值。2．测量脉冲超声波频率和波长
利用CSK-IB试块40毫米厚度的1次回波进行测量；测量脉冲波4个振动周期的时间t，求其频率和波长。多次测量，求平均值。
1．超声波波型及换能器种类
如果晶片内部质点的振动方向垂直于晶片平面，
那么晶片向外发射的就是超声纵波。超声波在介质中传播可以有不同的波型，它取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种:
纵波波型：当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。
答：晶片发生弹性形变而产生弹性振荡是一个过程，不可能瞬间达到峰值，也不可能瞬间消失。
2、通过计算说明，当可变角探头逐步靠近试块正面时，为什么横波在R1圆弧面的反射回波能够与B1重合？
答：横波波速约为纵波的一半，而传到R1圆弧面的传播距离为B1对应纵波传播距离的一般，故恰可重合。