声波检测技术：第二章 声波的激发与接收

1、声波的激发与接收声波的产生与接收 应用声波检测岩体和混凝土，首先要解决的问题是如何产生声波和接收经岩体和混凝土传播后的声波，然后进行测量。解决这类问题通常采用能量转换方法，即运用最方便的能量-电能，将它转化为声能量，即产生出声波。当声波在岩体和混凝土中传播后，为了度量声波的各声学参数，又将声能量转化为最容易量测的量-电量，然后经放大、处理，对电信号进行量测。这种将声能与电能相互转换的器具就称为换能器。声波的产生与接收进行这种电声转换的方法很多，如电磁、电动、静电、磁致伸缩及压电伸缩等方法。在声波检测中，由于要求较高的频率、稳定一致的工作状态和不大的体积，一般都采用压电伸缩的方法，即用压电换能器

2、激发和接收声波。压电换能器是利用具有压电效应的材料制作的。 压电材料 正压电效应 ：对某些不显电性的电介质施加压力，引起介质内部正负电荷中心发生相对位移而极化，导致介质两端上出现符号相反的束缚电荷；其电荷密度与应力成正比；当应力反向，电荷亦改号。这种现象称为正压电效应 反压电效应 ：如将具有压电效应的介质置于电场内，由于电场作用引起介质内部正负电荷中心发生位移，这位移栽宏观上表现出产生了应变；所发生的应变与电场强度成正比；如果电场反向，则应变亦反向。这种现象称为反压电效应（或称电压效应）。 压电材料反压电效应被用来发生声波正压电效应被用来接收声波。激发和接收声波所用的压电材料主要有压电晶体和压

3、电陶瓷 压电晶体与压电陶瓷 自然界中有20类晶体具有压电效应，称为压电晶体。压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体它的优点是电声效率和接受灵敏度高，可做成各种形状的振子，既可做成发射换能器，又可做成接收换能器，它的优点是使用方便，缺点是机械强度低、导热系数低和性能不稳定等。因此，在大功率使用时需加预应力和附加热措施等。根据使用需要可渗入适量杂质来改变其某种性质。目前应用最广泛的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅等。 准压电效应压电陶瓷在用作换能器材料时，其处理和运用方法在形式上和压电晶体完全相同，但其压电机理和一般压电晶体不同，需用一定的外电场对其进行极化处理后才具有与压电晶体类似的压电效应。为区

4、别这两种情况，有时称极化后的压电陶瓷的压电效应为“准压电效应”压电片的制作 1.压电晶体的制作对于石英类天然压电晶体材料只须根据晶轴方向切割成片。如x切割晶片、y切割晶片。在晶片相对表面涂上银层作为电极即制成压电晶片。对于人造晶体如酒石酸钾钠等，则人工培养制成单晶体，然后切片，徐(贴)上电极 压电片的制作2.压电陶瓷的制作制作压电陶瓷，首先由几种氧化物或碳酸盐配制混合，研磨成粉状进行预烧结，在烧结过程中，备组分发生固相反应，形成以锆钛酸铅固溶休为基本的多晶体。预烧后的材树再经粉碎、磨细，然后加压成型制成各种需要的形状（片、管、棒等)，再经高温烧结使其致密。未经极化处理的压电陶瓷在宏观上不显示压

5、电性。把这样的陶瓷体两面镀上银层(电极)，在高压直流电场(300V/mm)下进行极化处理后即制成具有压电性的压电陶瓷。 压电片的制作目前常用的压电陶瓷是锆钛酸铅压电陶瓷材料，国外常用PZT表水，如PZT-4、PZT-5.后面的编号表示陶瓷体配方各不相问，因而性能指标也有差异分别用于不同场合。如PZT-4为发射型，PZT-5为接收型。PZT-4的居里点为325C、PZT-5为365C。 压电片的技术参数 1、机电耦合系数2、品质因素3、频率常数压电体的振动模式 1厚度振动 2纵向长度振动 3横向长度振动4圆片径向振动5厚度切变型振动厚度振动 厚度振动片是最常用的声波换能器，常用来制作发射和接收较

6、高频率的纵波换能器 纵向长度振动 这种振动模式通常用于较低频率的纵波换能器 横向长度振动 某些人工晶体(如酒石酸钾钠晶体)就是利用横向长度振动来制作低频声波换能器。由于该晶体有较大的机电耦合系数，所制换能器灵敏废较高，至今尚有使用。 圆片径向振动 实用中常以多片圆片装在簿壁圆管内，以激发圆管的径向振动，制作增压式换能器 厚度切变型振动 可用多片切变振动的压电片叠合起来制作横波换能器，以在固体中产生和接收横波 压电体的振动模式除了上述基本振动模式外，还有其他一些振动模式，如在混凝土声波检测中有时使用的弯曲式换能器、圆环式换能器等，其压电体的振动模式分别是弯曲振动模式和圆环的径向振动模式。 常用换

7、能器的构造及性能 纵波换能器，用于纵波的测量平面换能器、径向换能器以及一发多收换能器 横波换能器，用于横波的测量斜入射式横波换能器，直入射式横波换能器 普通平面换能器 混凝土检测中，50kHz以上频率的换能器一般均为上述结构 夹心式平面换能器 平面换能器目前市售的平面换能器有500、250、100、50、25、20、15KHz等几种频率。另外，作为低频接收换能器还有弯曲振荡式，其频率响应范围在更低的频段。径向换能器 径向换能器是利用压电陶瓷(圆片、园环或球体)的径向振动模式来发生和接收声波，其辐射面是曲面。这类换能器通常被置于结构物的钻孔或导管中进行检测。日前常用的换能器有增压式与圆环式。增压式换能器 一发双收换能器 横波换能器 在混凝土声波检测中，目前主要利用纵波在混凝土中的传播特性来对混凝土质量及内部情况做出判断。但在测量材料的动力弹性参数(弹性模量、泊松比)，往往需要测量横波在介质中的传播速度。另外，在岩体声波检测中，正在研究各种测量基岩横被声速的方法。这些都可通过采用专门的横波换能器来测量。 斜入射式横波换能器 直入式横波换能器 这种换能器是利用压电片的厚度切变振动模式。将经切向极化处理后的多片压电片叠合装入外壳中制成。当加上激励信号时，压电片作切向振动，由换能器辐射面传出的绝大部分是横波。使用这种换能器时，虽然也有部分纵波，但由于其能量小，振幅