A类超声实验

实验四、A 类 超 声 实 验

一、实验目的：

⒈超声波产生和发射机理。

⒉用A 类超声实验仪测量水中声速、水层厚度。

⒊用A 类超声实验仪测量固体厚度及超声无损探伤。

二、实验装置与材料

A 类超声实验仪主机(FD-UDE-A 型)、数字示波器（DS5022ME ）、有机玻璃水箱、金属反射板、探头、游标卡尺、样品架（可放12个样品：铝、铁、铜、有机玻璃、冕玻璃和带缺陷的铝柱）。

三、实验原理

⒈超声波的产生与接收

产生超声波的方法有很多种，应用最普遍的是压电法。压电法采用压电式换能器（探头），它是应用某些晶体的压电效应制成的。所谓（正）压电效应是指压电晶片相对的两个表面受到压力

或拉力其厚度发生变化时，晶片

两表面上出现等量异号电荷的现

象。在一定范围内，受力越大产

生的电荷越多，当晶片受到变化

的压力和拉力交替作用时，晶片

两表面之间产生同样规律的电压

变化；反之当晶体两表面之间加

上交变的电压时，晶体的厚度将视电场的方向而变化，这种现象称为逆压电效应。当对压电晶片施加频率大于20KHZ 的交变电压（由高频振荡器产生），那么在交变电场的作用下，压电晶片将发生同频率的压缩和拉伸形变，即产生超声振动，该振动在弹性媒质中传播产生超声波。超声波就是频率高于20KHZ 并不引起声感的弹性波。其主要特性：频率高、波长短、方向性强，并与其他波动一样。

⒉超声波的反射

当超声波从一种介质进入另一种介质时，在介质的交界面上也发生反射现象。反射波的强度I r 与入射波的强度I j 之比，决定于两种煤质的阻抗差：

22121⎪⎭

⎫ ⎝⎛+-=E E E E Ij Ir …………………(1) 式中E1=ρ1C1, E2 =ρ2C2 分别表示第一媒质和第二媒质的声阻抗（ρ1、ρ2和C1、C2 表示两种不同媒质的密度和超声波在两种介质中的传播速度）。

根据(1)式可知，两种媒质的阻抗差愈大，超声波在其分界面上的反射就愈强烈。

⒊超声波测厚度及声速

利用超声波测量媒质厚度或异物深度（探

伤）时，通常是将超声波所经媒质界面的

回波通过探头转变成相应的电脉冲信号

并显示在示波器荧光屏上，根据两回波出

现的时间间隔t及媒质的速度C，计算出

所对应的媒质厚度x，如图（2）所示。

由于在前后两个回波所对应的时间间隔

内，超声波经历了入射和反射两个过程之

后才被探头接收，所以

X=Ct/2--------------(2)

若测出媒质厚度x，在示波器荧光屏上读出与媒质厚度对应的两回波脉冲的间隔时间t，就可以算出速度C，即：C=2x/t---------------（3）

或者利用x与t的线性关系求出声速C。医学上就是利用超声波在人体内遇到不同密度的组织界面时，部分能量将被反射回来，形成回波，根据回波出现的时间间隔得知不同组织间的距离。

四、仪器描述

（一）主机面板上按键、接线柱名称及连接

⒈脉冲信号设定各按键作用为：1—复位键：恢复主机设定的工作状态；2—减小按键：减小同步信号的低电平持续时间；3—增加按键：增加同步信号的低电平持续时间；4—选择按键：选择a时A路探测器工作，b时B路探测器工作，选择c时两路探测器同时工作。

⒉超声探测器A 各接线柱连接：5—示波器探头（A路）：接示波器CH1或CH2通道；6—接示波器（A）：接示波器EXT通道；7—超声探头（A路）：连接超声探头。

⒊超声探测器B 各接线柱连接：8—示波器探头（B路）：接示波器CH1或CH2通道；9—接示波器（B）：接示波器EXT通道；10—超声探头（B路）：连接超声探头。

（二）主机工作原理

本仪器为双路输出，A路和B路两路信号一样。以A路信号为例说明仪器的工作原理。

主机内由单片机来

控制同步脉冲信号

与A路( 或B路)高

频振荡信号同步。在

同步脉冲信号的上

升沿，电路发出一个

高频高压脉冲A（或

B）至电压换能器，压电换能器产生振荡，并在介质中激发出频率等于谐振频率的超声波。超声波遇到两种不同介质的界面将发生反射，第一次反射回来的超声波被同一探头接收，此信号经放大、检波、整形处理后以脉冲形式输入示波器，在荧光屏上形成第一回波，由于超声波在不同介质中的衰减程度以及遇到不同介质界面时的反射率不同，还可能形成第二回波或更多次回波。

五、实验内容、实验步骤

（一）必做内容

⒈水声速测定

⑴准备工作：在有机玻璃水箱侧面装上超声波探头后注入清水，至超过探头位置1cm左右。探头另一端与仪器A路( 或B路，一下同)“超声探头”连接柱相接。“示波器探头”左边接线柱与Q9线的输出端相连，右边接线柱与Q9线的借地端相连。这根Q9线的另一端与示波器的CH1或CH2相连，拿一根Q9线将仪器的“接示波器”接线柱与示波器的“EXT”相连。

⑵打开主机电源，按“选择”键选择合适的工作状态，显示a为A路探测器工作，显示b为B路探测器工作，c 为两路一起同步工作（很少用）。

⑶将金属挡板放在水箱中的不同位置，并测出探头表面与金属挡板之间的垂直距离x，利用示波器测出每个位置下超声波的传播时间t。可每隔5cm取一个点，每个被测量重复3次求平均值。

⑷将实验数据作t-x 的线性拟合，根据拟合直线的斜率求水的声速，并与理论值比较。

⒉金属材料探伤

⑴实验仪器与示波器的连接同必做内容1中的①、②；

⑵在样品架上任选一种内部有缺陷的柱状金属材料，在样品表面涂上偶合剂；

⑶将探头对应缺陷位置放置，测出始波到缺陷引起的回波的时间差t1；