实验八超声波.doc

实验八 超 声 波 实 验超声波是频率在2104Hz1012Hz的声波。超声广泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫声中含有超声成分，蝙蝠利用超声导航和觅食；金属片撞击和小孔漏气也能发出超声。超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。例如，在海洋应用中，超声波可以用来探测鱼群或冰山、潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探等。在检测中，利用超声波检验固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等。在医学中，可以利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描（B超诊断）和血流速度的测量（彩超诊断）等。【实验目的】1. 理解压电效应；了解超声波的产生和传播规律。2. 认识超声脉冲波及其特点。3. 理解超声波的发射、折射和波型转换。【实验原理】1. 压电效应某些固体物质，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。物质的压电效应与其内部的结构有关。如石英晶体的化学成分是SiO2，它可以看成由+4价的Si离子和-2价O离子组成。晶体内，两种离子形成有规律的六角形排列，如图1所示。其中三个正原子组成一个向右的正三角形，正电中心在三角形的重心处。类似，三个负原子对（六个负原子）组成一个向左的三角形，其负电中心也在这个三角形的重心处。晶体不受力时，两个三角形重心重合，六角形单元是电中性的。整个晶体由许多这样的六角形构成，也是电中性的。 图1 石英晶体的压电效应当晶体沿x方向受一拉力，或沿y方向受一压力，上述六角形沿x方向拉长，使得正、负电中心不重合。尽管这是六角形单元仍然是电中性的，但是正负电中心不重合，产生电偶极矩。整个晶体中有许多这样的电偶极矩排列，使得晶体极化，左右表面出现束缚电荷。当外力去掉，晶体恢复原来的形状，极化也消失。（许多大学物理教材都有关于电极化理论的介绍）由于同样的原因，当晶体沿y方向受拉力，或沿x方向受压力，正原子三角形和负原子三角形都被压扁，也造成正、负电中心不重合。但是这时电偶极矩的方向与x方向受拉力时相反，晶体的极化方向也相反。这就是压电效应产生的原因。当外力沿z轴方向（垂直于图1中的纸面方向），由于不造成正负电中心的相对位移，所以不产生压电效应。由此可见，石英晶体的压电效应是有方向性的。当一个不受外力的石英晶体受电场作用，其正负离子向相反的方向移动，于是产生了晶体的变形，这一效应是逆压电效应。还有一类晶体，如钛酸钡（BaTiCO3），在室温下即使不受外力作用，正负电中心也不重合，具有自发极化现象。这类晶体也具有压电效应和逆压电效应，它们多是由人工制成的陶瓷材料，又叫压电陶瓷。本实验中超声波换能器采用的压电材料为压电陶瓷。图2 脉冲波的产生2. 脉冲超声波的产生及其特点用作超声波换能器的压电陶瓷被加工成平面状，并在正反两面分别镀上银层作为电极，这样被称为压电晶片。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。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，通常称为脉冲波，如图2所示。超声波在材料内部传播时，与被检对象相互作用发生散射，散射波被同一压电换能器接收, 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。图3(a)为超声波在试块中传播的示意图。图3(b)为示波器接收得到的超声波信号。图中，t0为电脉冲施加在压电晶片的时刻，t1是超声波传播到试块底面，又反射回来，被同一个探头接收的时刻。因此，超声波在试块中的传播到底面的时间为（1.1）如果试块材质均匀，超声波声速c一定，则超声波在试块中的传播距离为 （1.2） 图3 脉冲超声波在试块中的传播及波器的接收信号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。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。图4直探头和斜探头的基本结构 (a)直探头 (b)斜探头 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，其结构如图4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，以减少杂波；匹配电感的作用是调整脉冲波的波的形状。3. 探头的延迟一般情况下，采用直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。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。图5是超声波在试块中传播的示意图。图6为示波器接收得到的超声波信号。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。依次类推，有3次、4次和多次底面反射回波。从示波器上读出传播t1 和t2，直探头的延迟为 （1.3） 当有机玻璃的厚度可以忽略时，探头无延迟。 图5 脉冲超声波在试块中的传播 图6 直探头延迟的测量图7 超声波的反射、折射和波型转换 4. 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7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： (1.4) 折射： (1.5)其中，a和C分别是入射角和入射波在介质1中的声速，aL和aS分别是纵波反射角和横波反射角；bL和bS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； 图8 可变角探头示意图C2L和C2S分别是第2种介质的纵波声速和横波声速。在本实验中，还使用了一种可变角探头，如图8所示。其中探头芯可以旋转，通过改变探头的入射角q，得到不同折射角的斜探头。当q=0时成为直探头。可以利用该探头观察波型转换的过程。 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小于钢中横波声速CS，而横波声速CS又小于纵波声速CL。因此，根据公式（1.4）和（1.5），当a大于： (1.6)时，钢介质中只有折射横波；而当a大于： （1.7）时，钢介质中既无纵波折射，又无横波折射。我们把a1称为有机玻璃入射到有机玻璃-钢界面上的第一临界角；a2称为第二临界角；【实验仪器】JDUT-2型超声波实验仪，双踪示波器，钢制试块【实验内容】1观察反射回波 把探头放在CSK-IB试块不同的位置，观察其波型的变化。2测量直探头的延迟 利用CSK-IB试块进行测量。多次测量，求平均值。3测量脉冲超声波频率和波长。 利用CSK-IB试块的1次底面回波进行测量。测量脉冲波的振动周期t，求其频率f和波长。多次测量，求平均值。4. 波型转换的观察和测量 把可变探头放在试块上，并使探头的入射点（超声波进入被测工件的位置）基本与试块两圆弧圆心重合。当超声波传入试块后，声波可以同时被R1和R2圆弧面反射，在示波器上可以看到反射回波F1和F2。声波在探头与两个圆弧间往复传播的声程（超声波传播距离）差是固定的，因此反射回波F1和F2对应的时间差仅与声速有关。 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。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，确定其波型。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。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9），且它们的幅度基本相等；再让探头逐步靠近试块正面，则又会在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。图9 用可变角探头观测波型 5. 折射角的测量(选做)确定B1、B2的波型后，可以分别测量纵波和横波的折射角。参照图10首先让把探头的纵波声束对正（回波幅度最大时为正对位置）试块上的横孔A，用钢板尺测量正对时探头的前沿到试块右边沿的距离LA1；然后向左移动探头，再让纵波声束对正横孔B，并 测量距离LB1。测量A和B的水平距离L和垂直距离H，则探头的折射角为：（1.8）同样的方法可以测量横波的折射角b2。图10 折射角的测量【数据处理】1 .列表求出直探头的延迟。2. 计算超声波的频率和波长。3. 计算回波b1， B1+b2和B2的波速，确定其波型。4.（选做）记录可变角探头在同一入射角下的纵波折射角和横波折射角。验证斯特令定律折射定律，并计算可变角探头的入射角数值。【预习思考题】1.超声波的频率、波长、波速和什么有关？2.为什么利用斜探头入射到圆弧面上后，只看到横波而没有纵波？【分析讨论题】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110mm，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？【注意事项】1. 超声仪的发射接口向外发射400V的高压脉冲，因此它只能 与接收接口或探头相连，而不能够与超声仪的射频、检波、 触发，或者示波器的CH1、CH2、TRG相连；否则会损坏仪器；2. 超声仪的输出信号被限制在5V左右，因此示波器在测量过程中，一般要求被测信号幅度不超过2V；3利用CSK-IB钢试块时，可以用水或机油作为耦合剂；利用CSK-IC铝试块时，必须用机油作为耦合剂。本实验为铝试块。4实验完成后，必须擦干净试块上残余的耦合剂，否则会损坏试块。并保持实验室卫生。 【附录A】 JDUT-2型超声波实验仪接线图材质参数表（仅供参考）铝纵波声速6.27 mm/m s横波声速3.10 mm/m s表面声速2.90 mm/m s钢纵波声速5.90 mm/m s横波声速3.27mm/m s表面声速2.99 mm/m s