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超声实验报告

近代物理实验报告

实验名称:超声实验

摘要：本实验通过使用一台数字智能化的“超声波分析测试仪”，

利用超声波的特性测量其纵波和横波在钢和铝中的波速，进而计算固

体介质常用参数，并利用利用超声扫描成像进行水下模拟观测。

一、实验目的

１．了解超声波产生和发射的机理；

２．了解超声探头的结构及作用；

３．学习用超声法来测量固体介质常用参数的方法；

４．学习超声扫描成像技术的应用。

二、实验原理

1.超声波的发射和接收

超声波换能器是使其他形式的能量转换成超声能量（称发射换能

器）或使超声能量转换成其他易于检测的能量（称接收换能器），其

中应用最多的是声电、电声换能器：当一个电脉冲作用到探头上时，

探头就发射超声脉冲，反之，当一个超声脉冲作用到探头上时，探头

就产生一个电脉冲。有了探头，再配上电信号的产生和接收等装置，

就构成了整套超声波检测系统。

产生超声波的方法有很多种，如热学法、力学法、静电法、电磁

法、磁致伸缩法、激光法以及压电法等等，但应用得最普遍的方法是

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压电法。

1).压电效应

某些介电体在机械压力的作用下会发生形变，使得介电体内正负

电荷中心相对位移以致介电体两端表面出现符号相反的束缚电荷，其

电荷密度与压力成正比，这种由“压力”产生“电”的现象称为正压

电效应，如1（a）所示。

(a)

图1压电效应示意图

(a)正压电效应(b)逆压电效应

反之，如果将具有压电效应的介电体置于外电场中，电场会使介

质内部正负电荷中心位移，从而导致介电体产生形变，这种由“电”

产生“机械形变”的现象称为逆压电效应，如图1（b）所示。逆压

电效应只产生于介电体，形变与外电场呈线性关系，且随外电场反向

而改变符号。

如果对具有压电效应的材料施加交变电压，那么它在交变电场的

作用下将发生交替的压缩和拉伸形变，由此而产生了振动，并且振动

的频率与所施加的交变电压的频率相同，若所施加的电频率在超声波

频率范围内，则所产生的振动是超声频的振动，即超声波的产生。我

们把这种振动耦合到弹性介质中去，那么在弹性介质中传播的波即为

超声波，这利用的是逆

1

(b)

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近代物理实验报告

压电效应，若利用正压电效应可将超声能转变成电能，这样就可

实现超声波的接收。

2).压电材料

压电材料分为二类，一类是天然的或人工制造的压电单晶，另一

类是多晶压电陶瓷材料。选择压电材料，我们不只考虑它的力学性质，

还要考虑它的电学性质，而且要进一步考虑电学和力学相互耦合的性

质，这些分别涉及到弹性常数、介电常数和独特的压电常数。

3).超声探头

把其他形式的能量转换为声能或把声能转换为其他形式的能量

的器件称为超声波换能器，亦称超声探头。其主要种类为：

a.直探头

直探头也称平探头，用于发射和接收纵波。

b.斜探头

由于产生纵波最为容易，而且转换效率也高，因此，在超声波分

析测试中需要其它波型时，大都考虑首先获得纵波，然后再利用波型

转换来得到其它波型。斜探头即是考虑了斜楔对波型转换的作用原理

后，利用纵波在斜楔与工件界面上的波型转换而在工件中产生所需波

型的一种探头。

c.水浸式探头

探头采用水浸型式可以获得稳定的声耦合，由于用水作耦合，无

需与工件相接触，可不用保护膜。但由于晶片与水直接接触，而且二

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者的声阻抗又相差极大，因此只有17%的能量传入水中，为了提高水

浸探头辐射到水中的声能，可以考虑在压电晶片前面覆盖一层匹配介

质。

2．超声波的传播

1).波型转换及全反射

超声波是弹性介质中传播的一种弹性波。当声波倾斜入射到异质

界面时，除了产生与入射波同类型的反射波和折射波以外，还会产生

与入射波不同类型的反射波和折射波，这种现象称为波型转换。