专题实验超声波测试原理与应用

中，声波只是纵波。在固体介质内部，超声波可以按纵波或横波两种波
型传播。无论是材料中的纵波还是横波，其速度可表示为： c d
t
其中，d声波传播距离，t为声波传播时间。
专
题
实
验
对于同一种材料，其纵波波速和横波波速的大小一般不同，但它们都由弹 性介质的密度、杨氏模量和泊松比等弹性参数决定。相反，利用超声波速 度的方法可以测量材料有关的弹性常数。 固体在外力作用下，其长度沿力的方向产生变形，变形时的应力与应变 之比就定义为杨氏模量，一般用E表示。（在杨氏模量测量的实验中有介 绍） 固体在应力作用下，沿纵向有一正应变（伸长），沿横向就将有一个负 应变（缩短），横向应变与纵向应变之比被定义为泊松比，记作，它是 表示材料弹性性质的一个物理量。 在各向同性固体传播中，各种波型的超声波声速为：
型（横波）。横向移动探头，观察其位置如何变化。
第3步：可变角探头入射角增加到某值时，纵波消失，只剩横波。
第4步：可变角探头入射角继续增加，横波幅度减弱并消失，在此过程
中又会出现两个回波，测量其时间差，确定其波型（表面波）。用手 指轻压试块表面，观察其幅值如何变化。
专
题
实
验
第5步：让探头靠近试块背面，通过调节入射角度，使能够同时观测到回波B1 和B2 （如图1-9），且它们的幅度基本相等；再让探头逐步靠近试块正面，则
sin sin L sin s C CL C1s sin sin L sin s C C2 L C2 s
专
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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 C1s分别是第1种介质的 波折射角；
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
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实
验
声速为3.27mm/s，在铝试块中的横波声速为3.10mm/s。）
1 第5步：利用 1 sin (
并比较
与 1 、 2
C C 2 sin 1 ( ) ，求 1 、 ) ， 2 ， Cs CL
，理解波形转换。（已知在钢试块中的纵
波声速为6.27mm/s，在铝试块中的纵波声速为5.90mm/s。）
又会在B1前面观测到一个回波b1 ，根据试块的纵（横）波声速，通过简单测量
和计算，可以确定b1， B1+b2和B2对应的波型和反射面。
S始波 b1
B1+b2
B2
图1-9 用可变角探头观测波型
专பைடு நூலகம்
题
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3．利用斜探头测量折射角，并求入射角 和第一临界角1 ，第二 临界角 2 。比较 与1 、 2，理解波形转换。 第1步：按图1-10，把探头放置在试块圆弧的圆心附近，找到R2的 反射回波最大的位置，用钢尺测量探头前沿到试块端点的距离L1，
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
专 2、脉冲超声波的产生及其特点
题
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
专
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实
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实验Z1.2
一、实验原理
固体弹性常数的测量
在各向同性的固体材料中，根据应力和应变满足的虎克定律，可以求得
2 1 超声波传播的特征方程： 2 2 2 c t 2
其中 为势函数，c为超声波传播速度。 当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，称为纵波；当介 质中质点振动方向与超声波的传播方向垂直时，称为横波。在气体介质
2 2
T 1
2
泊松系数
T2 2 2(T 2 1)
CL C s 为介质中横波声速， 为介 ， C L 为介质中纵波声速， Cs 质的密度。
题
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。
Cs 2 (3T 2 4)
T 2 1
T2 2 泊松系数 2(T 2 1)
CL ， C L为介质中纵波声速， C s 为介质中横波声速， 为 Cs
介质的密度。
专
题
实
验
二、实验内容及要求
1、利用R1，R2测量斜探头的延迟。 2、利用直探头，分别采用直接法和相对法测量试块的纵波声速。 直接法 Cl 2 L
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。
石英晶体结构
图1-10 斜探头测量折射角的示意图
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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20ns的很尖很 窄的脉冲。而从超声脉冲波的波形看，其幅度是又小变大，然 后又由小变大，然后又由大变小，而不是直接从大变小；并且 振动可以持续1~10m，为什么？ 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 波在圆弧面R1的反射回波能够与B1重合？
专
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实
验
纵波声速： CL 横波声速： C s
E (1 ) (1 )(1 2 )
E 2 (1 )
其中为杨氏模量，为泊松系数，为材料速度。
相应地，通过测量介质的纵波声速和横波声速，利用以上公式可以计算
介质的弹性常数。计算公式如下：
杨氏模量 E
其中，T
根据实验室提供的仪器选择3的实验内容
3．波型转换的观察和测量 第1步：把可变角探头的入射角调整为0，使超声波入射在试块两个
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实
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圆弧R1和R2的下部边缘，观察反射回波，测量t1和t2，确定其波型（纵 波）。横向移动探头，观察其位置如何变化。 第2步：增大可变角探头入射角，注意回波幅度的变化。当入射角达 到某一值后，纵波的幅度会减小，在其后面又会出现两个回波，并 且幅度不断增大。测量新出现的两个回波对应的时间差，确定其波
专
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实
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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） 1-外壳 2-晶片 3-吸收背衬 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 （b） 4-电极接线 5-匹配电感
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 t2。
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 t2 。 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
t1 t 0
相对法 Cl 2 L
t 2 t1
3、利用斜探头，分别采用直接法和相对法测量试块的横波声速。 直接法 C s
2 R2 t1 t 0
相对法 C s
2( R2 R1 ) t 2 t1
4、计算试块的杨氏模量和泊松系数。 杨氏模量 其中， T
E
Cs (3T 4)
专
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实
验
超声波测试原理及应用
实验Z1.1 超声波的产生与传播
实验Z1.2
实验Z1.3
附录A
附录B 附录C
固体弹性常数的测量
超声波的探测
JDUT-2型超声波实验仪原理框图
JDUT-2型超声波实验仪主要性能指标 JDUT-2型超声波实验仪操作说明
专
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实
验
实验Z1.1
一、实验原理
1、压电效应
超声波的产生与传播
（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。
专 3、超声波波型及换能器种类
C ) 时，铝介质中既无纵波折射，又无横波折射。我 Cs
C ) 时，铝介质中只有折射横波；而当 大 CL
为第二临界角。
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实
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二、实验内容及要求
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。
建议：测 6次。 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。测量一个脉冲波4个振 动周期的时间t，求其频率 f 4 和波长 C l t 。多次测量，求平均值。 4 t 建议：测 6次。
确定斜探头的入射点 L0 R2 L1 。
第2步：把探头分别对准A，B两孔，找到最大反射回波。
1 第3步：求 s tg (
LB L A L ) H
第4步：通过
（已知探头中有机玻璃 纵波声速为2.73mm/s，在钢试块中的横波
sin sin s ，求入射纵波的入射角。 C Cs
专
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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：
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
S始波 B1 B2 t2
分超声波被上表面反 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
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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 。
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。
专 4、探头的延迟
题
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
图 1-8 超声波的反射、折射和波型转换
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 sin 1 (
2 sin 1 ( 于：
们把
2 称 1 称为有机玻璃入射到有机玻璃-铝界面上的第一临界角；