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实验一 超声波综合实验

超声探伤作为一种无损探伤方式，是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面

和内部质量进行检查的测试手段。超声波在被测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化。目前，超声检测方法在航空航天、石油化工、冶金、电力、机械制造、金属加工等领域得到广泛的应用。

一、实验目的

1. 了解超声波的产生原理及作用；

2. 学习测定超声波在空气、液体及固体中的传播速度；

3. 了解超声波探伤的原理和方法；

4. 学会用超声波法测量金属杨氏模量的原理和方法。

二、实验仪器

超声波综合设计实验仪（XYZ-2型）、空气声速测量仪（SW-1型）、双踪示波器、超声波探头2只、同

轴电缆、 标准金属探测块、待测缺陷金属块、储液槽、温度计、游标卡尺。

三、实验原理

1. 超声波声速测量

由波动理论知道，波的频率f 、声速V 、波长λ之间有一下关系λ⨯=f V ，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。

1.1 共振干涉法（驻波法）测波长

当两束频率相同、振幅相等、传播方向相反的声波相遇时，产生干涉现象，出现驻波。两相邻波腹（或

波节）间的距离为/2λ（即半波长），如图1所示。

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：)(212x x -=λ，如图2所示，S1

和S2是两个压电换能器，S1作为发射探头，与超声波综合实验仪的低频信号输出端相连（这里输出约为40 kHz 的正弦信号），S2既是接收器又是反射器。当电信号加到S1上时，在S1、S2两端面间形成驻波。

S2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S1发出的声波，经介质传播到S2，在接收声波信号的同时反射部分声波信

号，如果接收面（S2）与发射面（S1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射。入射波与反射波相干涉

形成驻波。

图2 驻波法测量波长

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S2处的振动情况。移动S2位置（即

改变S1、S2之间的距离），从示波器上就会发现振动波形的振幅一会儿变大一会儿变小。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，缓慢地改变S1和S2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，两相邻的最大振幅之间S2移动过的距离亦为/2λ。压电换能器S2至S1

之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的周期时间T 则可以通过示波器读出。在连续

多次测量相隔半波长的S2位置变化后，并用逐差法处理数据得到波长λ，可运用公式

T f V /λλ=⨯= （1）

计算出声速。 1.2 相位比较法（李萨如图法）测声速

图3 声速测量组合仪

声源S1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随时间而变化，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 距声源x 处振动方程为

0cos 2y A ft π= （2）

两处振动相位差为

22x x f

v ϕππλ

∆== （3） 若将探测器S2从与声源相距1x 的反相位点[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

2122(2)(21)x x n n ϕπ

ππππλλ∆=-=--= （4）

所以21/2x x λ-=。 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2/12λ=-x x 计算出波长。实验装置如图3所示，将低频信号（实验仪的40 kHz 正弦信号的插孔）加到换能器S1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S2又将接收到的声波振动转换成电信号。分别将S1和S2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 相位比较法测量声速

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∆为其它值时为椭圆。将探测器S2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。

1.3 时差法测声速

以上两种方法测声速，都是用示波器观察波谷和波峰，或观察两个波间的相位差，原理是正确的，但存在一定的读数误差。较精确测量声速的方法是时差法。声速传播的距离l 与传播的时间t 存在下列关系：l v t =⨯。只要测出l 和t 就可测出声波的传播速度v ，这就是时差法测量声速的原理。

将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过时间t 后，到达l 距离处的接收换能器。这时，可在示波器的荧光屏上看到脉冲发射的始脉冲和接收到的回波脉冲。借助示波器上的刻度，就可读出两脉冲间的时间，从而在测出介质的厚度l ，再根据/v l t =计算出材料的声速。

图5 时差法示意图

1.4 脉冲回波比较法（介绍）

图6 比较法声速测量示意图

脉冲回波比较法是把被测材料的声速与一已知材料的声速作比较，从已知材料的声速来计算被测材料的声速。测量时先把超声波探头放在被测材料上，调节一次底面回波，并使回波的前沿对准示波器荧光屏上的某一刻度，如图6所示，此时超声波所通过的声程为

1112S L c t == （5）

式中1L 为被测材料的厚度，1c 为材料的声速，t 为超声波通过1S 所需的时间。

然后，把超声波探头放在水中并调制探头的位置，使某一高度的水层底面回波位置与材料的底面回波位置相重合，此时超声波在水中所通过的水声程2S 为：

2222S L c t == （6）

式中2L 为水层的高度，2c 为水中声速。

由于两个回波脉冲在示波器上的位置重合，因此二者通过的时间t 相同，由上述两式即可得：

11112222

c L L c c c L L ==⋅或 （7） 通过对水层高度2L 和材料厚度1L 的测量，以及已知的水声速2c ，便可利用上式计算出被测材料的声速。采用水作比较材料是因为水在一般工作温度状态下的声速是已知的（纵波声速1483.1 m/s），而且水层的高度可以任意调节，测量精度取决于1L 、2L 的精度以及外界温度的影响。

2. 超声波探伤

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，而是在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。

信号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，使产生一个同频