25专题实验超声波测试原理及应用.ppt

* * 专 题 实 验 实验Z1.1 超声波的产生与传播 实验Z1.2 固体弹性常数的测量 实验Z1.3 超声波的探测 附录A JDUT-2型超声波实验仪原理框图 附录B JDUT-2型超声波实验仪主要性能指标 附录C JDUT-2型超声波实验仪操作说明 一、实验原理 实验Z1.1 超声波的产生与传播 1、压电效应 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 拉力作用下的极化 晶体的宏观极化 图1-1 石英晶体的压电效应 （a） 晶体振动 (b) 脉冲波 图1-2 脉冲超声波的产生 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，波的频率与晶片的材料和厚度有关。 2、脉冲超声波的产生及其特点 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 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。 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。 3、超声波波型及换能器种类 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。 （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 图1-4 可变角探头示意图 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时成为直探头。 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 专 题 实 验 4、探头的延迟 S始波 t1 B1 B2 t2 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 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。 1）直探头的延迟 专 题 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 ，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 。 有机玻璃的厚度不能忽略时，直探头的延迟为 。 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