材料的性能检测（五）-声学性能及测试方法.pptVIP

1 材料中声波的激发和接收 2 材料的声速测量方法 3 材料的声衰减及测试方法 Northeastern University 材料概论： 第5讲 材料的性能检测 Northeastern University 第5讲 材料的性能检测 材 料 概 论 李 阳 东北大学 2006 年 11 月 第5讲 材料的性能检测 5.1 基本力学性能及测试方法 5.2 磁学性能及测试方法 5.3 热学性能及测试方法 5.4 光学性能及测试方法 5.5 声学性能及测试方法 5.6 电学性能及测试方法 5.7 低维材料的性能与测试技术 5.5 声学性能及测试方法 描述材料声学性能的主要参量是材料的声速、特性声阻抗率和声衰减。 由于特性声阻抗率是材料声速与密度的乘积，所以可以直接测量的声参量是声速和声衰减。 通过测量声速，可以直接反映材料的弹性常数。通过声速和衰减的测量，可以了解材料的显微结构和形态(如晶粒尺寸和分布)和弥散的不连续性(如显微疏松和显微裂纹)。 通过材料的弹性性能、显微结构和形态，可以间接地评定材料的力学性能(如强度、硬度和应力分市等)。 材料的声学特性反映的是材料的动态力学特性。一般而言，材料的动态弹性模量值总是大于静态模量值。但对于金属和无机非金属材料，这种差别较小；黏弹材料，则差异较大。 5.5 声学性能及测试方法 材料的声学性能是通过材料与声波相互作用而呈现。因此，材料声学性能的测试方法及其精度不仅与材料本身性质、几何尺寸及形状有关，而且还与材料中所传播的声波特性和模式有关。声速和衰减的基本测量方法如图所示。 5.5 声学性能及测试方法 一般而言，根据声波的时间特性，可分为连续波法和脉冲波法两大类。 连续波法使用的是频率为 f 的连续波，所以可以测量材料的相速度及该频率上的衰减。而脉冲波法中使用的有宽带窄脉冲，窄带宽脉冲及线性调频脉冲等 。 5.5 声学性能及测试方法 如果按声波的激发和接收方式，又可分为接触和非接触测量两类。 传统的压电换能器的激发和接收声波，一般都是接触式的，它需要用耦合剂将激发和接收换能器与试样相耦合，实现声波从源传人试样，再由试样传入接收换能器。 这类检测方式简便、灵敏，但必须考虑耦合层对测量的影响，以及耦合剂对材料表面可能产生的污染。 像电磁声换能器和激光超声技术是非接触式的，电磁能和激光能量转变为声能的过程是发生在试样内的，它们不需要耦合剂，消除了耦合剂对材料的影响，但测量系统也较复杂。 5.5 声学性能及测试方法 5.5 声学性能及测试方法 1 材料中声波的激发和接收 1.1 压电换能器 具有自发极化的单晶或具有剩余极化的多晶陶瓷及有机薄膜等材料，受到应力作用时会在材料中产生电场，这种效应称为压电效应，这类材料称为压电材料。同时，压电材料在电场作用下也会产生应力和应变，这称为逆压电效应。利用压电材料的正、逆压电效应，实现电能和声能之间的转换。完成材料中声波的激发和接收的器件。就是常用的压电换能器。 5.5 声学性能及测试方法 1.2 磁致伸缩换能器 某些铁磁材料及其合金和某些铁氧体材料，在磁场作用下也会随磁场强度的变化发生长度的变化，这种现象称为磁致伸缩。 它是由于材料内自发磁化的磁畴转向外磁场方向的结果。因此，和压电材料一样，磁致伸缩材科也可用来产生振动。为了得到与外磁场频率相同的磁致伸缩振动，必须施加一恒定磁场 B0 和交变磁场 B。 利用逆磁致伸缩效应，这类换能器也可用于接收超声。 5.5 声学性能及测试方法 1.3 静电换能器 静电换能器又称为电容换能器。它的主要部件是—片面积为 S 、与试样表面距离为 d 的金属膜，与试样的表面电极构成静电容为 C0 的平板电容。当电容上施加电压 V 时，作用在电极上的静电力 F 为 ? 为了得到与交变电压相同频率变化的静电力，电容换能器上施加的电压 V 应为 静电换能器的输出功率有限，灵敏度也较低，但它是—种宽带频率响应的非接触换能器，它在精确测量固体声速中非常有用，因为它消除了耦合剂对测量的影响。 电磁声换能器主要由一产生磁场 B 的磁钢和一线圈组成。对于激发声波的电 磁声换能器，线圈中输入角频率为的交变电流，在导体表面趋肤层 5.5 声学性能及测试方法 1.4 电磁声换能器 电磁声换能器是以电流 j 和磁场 B 相互作用的洛仑兹力 为基础实现超声的激发和检测的换能器。 这样，当换能器产生的磁场 B 平行于导体表面时，静电力 F 沿表面法向，在试样内激发出超声纵波。若 B 沿表面