试验内容及要求

石英晶体结构
拉力作用下的极化 图1-1 石英晶体的压电效应
晶体的宏观极化
扩 2、脉冲超声波的产生及其特点
展
实
验
用于产生和接收超声波的材料一般被制成片状（晶片），并在其正反两 面镀上导电层（如镀银层）作为正负电极。如果在电极两端施加一脉冲电 压，则晶片发生弹性形变，随后发 生自由振动，并在晶片厚度方向形 成驻波，如图1-2(a)所示。如果晶 片的两侧存在其它弹性介质，则会 向两侧发射弹性波，波的频率与晶
C ) 时，铝介质中既无纵波折射，又无横波折射。我们 Cs
S始波 B1
分超声波被上表面反
B2 t2
射，并被试块底面再 次反射，即在试块内 部往复传播两次后被 接收到的超声波。
t1 t0
图1-5 脉冲超声波在试块中的传播
图1-6 直探头延迟的测量
扩
展
实
验
依次类推，有3次、4次和多次底面反射回波。 当有机玻璃的厚度可以忽略时，探头无延迟，因此，超声波在试块 中传播到底面的时间为 t 定，则超声波在试块中的传播距离为 S c t 。
扩
展
实
验
超声波系列实验
实验1 超声波的产生与传播
实验2
实验3
杨氏模量的测定
超声波探伤
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展
实
验
实验1
一、实验原理
1、压电效应
超声波的产生与传播
某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生形变，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。 其物理机理如图1-1所示。通常具有压电效应的物质同时也具有逆压电效 应，即当对施加电压后会发生变形。超声波探头利用逆压电效应产生超声 波，而利用压电效应接收超声波。
杂波；匹配电感的作用是调整脉
冲波的波形。一般，直探头产生
纵波，斜探头产生横波或表面波。 另一种可变角探头，如图1-4所
示。其中探头芯可以旋转，通过
改变探头的入射角，得到不同 折射角的斜探头。当 =0时成为
图1-4 可变角探头示意图
直探头。
扩 4、探头的延迟
展
实
验
1）直探头的延迟 图1-5是超声波在试块中传播的示意图。图1-6为示波器接收得到的超声波
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展
实
验 试块内部，同时可以
S始波 R30 t1 t2
R60
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，
图1-7 斜探头延迟的测量
横波也可以折射和反射为纵波。超声波的这种现象称为波型转换，其图 解如图1-8所示。 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： 折射：
展
实
验
如果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 声波。超声波在介质中传播可以有不同形式，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。 横波波型：当介质中质点的振动方向与超声波垂直时，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，还能够承受切变变形。当其中剪 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横波的横波合成，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率减， 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。
sin sin L sin s C CL C1s sin sin L sin s C C2 L C2 s
扩
展
实
验
其中， L和 s分别是纵波反射角和横波
L和 s分别是纵波折射角和横 反射角；
C1L 和 C1分别是第 波折射角； 1种介质的 s
纵波声速和横波声速； C 2 L 和 C2 s分别是第 2种介质的纵波声速和横波声速。在斜探 头或可变角探头中，有机玻璃或有机玻
扩
展
实
验
常用的超声波探头有直探头和斜 探头两种，其结构如图1-3所示。 探头通过保护膜或斜楔向外发射 超声波；吸收背衬的作用是吸收 晶片向背面发射的声波，以减少
（a） （b） 1-外壳 2-晶片 3-吸收背衬 4-电极接线 5-匹配电感 6-接插头 7a-保护膜 7b-斜楔 图1-3 直探头和斜探头的基本结构（ a）直探头（b）斜探头
信号。S称为始波，t0为电脉冲施加在压电晶片的时刻，也是发射超声波始波
的初始时刻，B1称为试块的1次底面回波， t1是超声波传播到试块底面，又发 射回来，被同一个探头接收的时刻。因此， t1对应于超声波在试块内往复传 播的时间； B2 称为试块的2次底面回波，它对应超声波在试块内往复传播到 试块的上表面后，部
t1 t0 ，如果试块材质均匀，超声波声速C一 2
有机玻璃的厚度不能忽略时，直探头的延迟为 t 2t1 t。 2
2）斜探头的延迟
参照图1-7，把斜探头放在试块上，并使探头靠近试块正面，使探头 的斜射声束能够同时入射在R1和R2圆弧面上。在示波器上同时观测到 两个弧面的回波B1和B2 。测量它们对应的时间t1和t2。由于R1= 2R2，因 此斜探头的延迟为： 。 t 2t1 t 2 5、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
（a） 晶体振动 (b) 脉冲波
片的材料和厚度有关。
图1-2 脉冲超声波的产生
适当选择晶片的厚度，使其产生弹性波的频率在超声波频率范围内，则该晶 片即可产生超声波。在晶片的振动过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐 减小，因此它发射出的是一个超声波波包，称为脉冲波，如图1-2（b）所示。
扩 3、超声波波型及换能器种类
图 1-8 超声波的反射、折射和波型转换
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璃头芯的声速 C 小于铝中横波声速 Cs ，
而横波声速 Cs 又小于纵波声速 C L。因此，，根据斯特令折射定律，当 大于：
1 时，铝介质中只有折射横波；而当 大 1 sin ( )
2 sin 1 ( 于：
把 二临界角。
称为有机玻璃入射到有机玻璃 -铝界面上的第一临界角； 称为第 2 1