专题实验超声波测试原理和应用专家讲座

专题实验超声波测试原理及应用试验Z1.1超声波产生与传输试验Z1.2固体弹性常数测量

试验Z1.3超声波探测

附录A

JDUT-2型超声波试验仪原理框图

附录B

JDUT-2型超声波试验仪主要性能指标

附录C

JDUT-2型超声波试验仪操作说明专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第1页专题实验一、试验原理试验Z1.1超声波产生与传输1、压电效应

一些固体物质，在压力（或拉力）作用下产生形变，从而使物质本身极化，在物体相正确表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。其物理机理如图1-1所表示。通常含有压电效应物质同时也含有逆压电效应，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

拉力作用下极化

晶体宏观极化图1-1石英晶体压电效应专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第2页专题实验（a）晶体振动(b)脉冲波图1-2脉冲超声波产生压，则晶片发生弹性形变，随即发生自由振动，并在晶片厚度方向形成驻波，如图1-2(a)所表示。假如晶片两侧存在其它弹性介质，则会向两侧发射弹性波，波频率与晶片材料和厚度相关。2、脉冲超声波产生及其特点

用于产生和接收超声波材料普通被制成片状（晶片），并在其正反两面镀上导电层（如镀银层）作为正负电极。假如在电极两端施加一脉冲电适当选择晶片厚度，使其产生弹性波频率在超声波频率范围内，则该晶片即可产生超声波。在晶片振动过程中，因为能量降低，其振幅也逐步减小，所以它发射出是一个超声波波包，称为脉冲波，如图1-2（b）所表示。专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第3页专题实验假如片内部质点振动方向垂直于晶片平面，那么晶片向外发射就是超声波。超声波在介质中传输能够有不一样形式，它取决于介质能够承受何种作用力以及怎样对介质激发超声波。通常有以下三种：纵波波型：当介质中质点振动方向与超声波传输方向一致时，此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替改变时均能产生纵波。横波波型：当介质中质点振动方向与超声波垂直时，此种超声波为横波波型。因为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输。3、超声波波型及换能器种类表面波波型：是沿着固体表面传输含有纵波和横波双重性质波。表面波能够看成是由平行于表面纵波和垂直于横波横波合成，振动质点轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，伴随深度增加很快率减，实际上离表面一个波长以上地方，质点振动振幅已经很微弱了。专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第4页专题实验（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直探头和斜探头基本结构（a）直探头（b）斜探头图1-4可变角探头示意图惯用超声波探头有直探头和斜探头两种，其结构如图1-3所表示。探头经过保护膜或斜楔向外发射超声波；吸收背衬作用是吸收晶片向后面发射声波，以降低杂波；匹配电感作用是调整脉冲波波形。普通，直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。另一个可变角探头，如图1-4所表示。其中探头芯能够旋转，经过改变探头入射角

，得到不一样折射角斜探头。当

=0时成为直探头。专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第5页

图1-5是超声波在试块中传输示意图。图1-6为示波器接收得到超声波信号。S称为始波，t0为电脉冲施加在压电晶片时刻，也是发射超声波始波初始时刻，B1称为试块1次底面回波，t1是超声波传输到试块底面，又发射回来，被同一个探头接收时刻。所以，t1对应于超声波在试块内往复传输时间；B2称为试块2次底面回波，它对应超声波在试块内往复传输到专题实验4、探头延迟S始波t1B1B2t2t0图1-5脉冲超声波在试块中传输图1-6直探头延迟测量试块上表面后，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输两次后被接收到超声波。1）直探头延迟专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第6页专题实验依次类推，有3次、4次和屡次底面反射回波。当有机玻璃厚度能够忽略时，探头无延迟，所以，超声波在试块中传输到底面时间为，假如试块材质均匀，超声波声速C一定，则超声波在试块中传输距离为。

有机玻璃厚度不能忽略时，直探头延迟为。2）斜探头延迟

参考图1-7，把斜探头放在试块上，并使探头靠近试块正面，使探头斜射声束能够同时入射在R1和R2圆弧面上。在示波器上同时观察到两个弧面回波B1和B2

。测量它们对应时间t1和t2。因为R1=2R2，所以斜探头延迟为：。5、超声波反射、折射与波型转换

在斜探头中，从晶片产生超声波为纵波，它经过斜楔使超声波折射到专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第7页专题实验S始波t1R30t2R60图1-7斜探头延迟测量试块内部，同时能够使纵波转换为横波。实际上，超声波在两种固体界面上发生折射和反射时，纵波能够折射和反射为横波，横波也能够折射和反射为纵波。超声波这种现象称为波型转换，其图解如图1-8所表示。

超声波在界面上反射、折射和波型转换满足以下斯特令折射定律：反射：折射：专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第8页专题实验

图1-8超声波反射、折射和波型转换而横波声速又小于纵波声速。所以，，依据斯特令折射定律，当大于：时，铝介质中只有折射横波；而当大于：时，铝介质中既无纵波折射，又无横波折射。我们把称为有机玻璃入射到有机玻璃-铝界面上第一临界角；称为第二临界角。其中，和分别是纵波反射角和横波反射角；和分别是纵波折射角和横波折射角；和分别是第1种介质纵波声速和横波声速；和分别是第2种介质纵波声速和横波声速。在斜探头或可变角探头中，有机玻璃或有机玻璃头芯声速小于铝中横波声速，专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第9页专题实验二、试验内容及要求1．测量直探头延迟利用CSK-IB试块60毫米厚度进行测量。屡次测量，求平均值。提议：测6次。2．测量脉冲超声波频率和波长。利用CSK-IB试块40毫米厚度1次回波进行测量。测量一个脉冲波4个振动周期时间t，求其频率和波长。屡次测量，求平均值。提议：测6次。3．波型转换观察和测量依据试验室提供仪器选择3试验内容第1步：把可变角探头入射角调整为0，使超声波入射在试块两个专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第10页专题实验第2步：增大可变角探头入射角，注意回波幅度改变。当入射角到达某一值后，纵波幅度会减小，在其后面又会出现两个回波，而且幅度不停增大。测量新出现两个回波对应时间差，确定其波型（横波）。横向移动探头，观察其位置怎样改变。圆弧R1和R2下部边缘，观察反射回波，测量t1和t2，确定其波型（纵波）。横向移动探头，观察其位置怎样改变。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，观察其幅值怎样改变。专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第11页专题实验第5步：让探头靠近试块后面，经过调整入射角度，使能够同时观察到回波B1和B2

（如图1-9），且它们幅度基本相等；再让探头逐步靠近试块正面，则又会在B1前面观察到一个回波b1

，依据试块纵（横）波声速，经过简单测量和计算，能够确定b1，B1+b2和B2对应波型和反射面。S始波b1B1+b2B2图1-9用可变角探头观察波型专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第12页专题实验3．利用斜探头测量折射角，并求入射角和第一临界角，第二临界角。比较与、，了解波形转换。

第1步：按图1-10，把探头放置在试块圆弧圆心附近，找到R2反射回波最大位置，用钢尺测量探头前沿到试块端点距离L1，确定斜探头入射点。第2步：把探头分别对准A，B两孔，找到最大反射回波。

第3步：求

第4步：经过，求入射纵波入射角。（已知探头中有机玻璃纵波声速为2.73mm/s，在钢试块中横波专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第13页专题实验声速为3.27mm/

s，在铝试块中横波声速为3.10mm/

s。）

第5步：利用，，求、，并比较与、，了解波形转换。（已知在钢试块中纵波声速为6.27mm/

s，在铝试块中纵波声速为5.90mm/

s。）图1-10斜探头测量折射角示意图专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第14页专题实验分析与思索：激发脉冲超声波电脉冲普通是一个上升沿小于20ns很尖很窄脉冲。而从超声脉冲波波形看，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；而且振动能够连续1~10m，为何？

2.经过计算说明，当可变角探头逐步靠近试块正面时，为何横波在圆弧面R1反射回波能够与B1重合？专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第15页

在各向同性固体材料中，依据应力和应变满足虎克定律，能够求得超声波传输特征方程：其中

为势函数，c为超声波传输速度。当介质中质点振动方向与超声波传输方向一致时，称为纵波；当介质中质点振动方向与超声波传输方向垂直时，称为横波。在气体介质中，声波只是纵波。在固体介质内部，超声波能够按纵波或横波两种波型传输。不论是材料中纵波还是横波，其速度可表示为：其中，d声波传输距离，t为声波传输时间。专题实验一、试验原理试验Z1.2固体弹性常数测量

专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第16页专题实验

对于同一个材料，其纵波波速和横波波速大小普通不一样，但它们都由弹性介质密度、杨氏模量和泊松比等弹性参数决定。相反，利用超声波速度方法能够测量材料相关弹性常数。固体在外力作用下，其长度沿力方向产生变形，变形时应力与应变之比就定义为杨氏模量，普通用E表示。（在杨氏模量测量试验中有介绍）固体在应力作用下，沿纵向有一正应变（伸长），沿横向就将有一个负应变（缩短），横向应变与纵向应变之比被定义为泊松比，记作

，它是表示材料弹性性质一个物理量。在各向同性固体传输中，各种波型超声波声速为：专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第17页专题实验纵波声速：横波声速：其中为杨氏模量，为泊松系数，为材料速度。

对应地，经过测量介质纵波声速和横波声速，利用以上公式能够计算介质弹性常数。计算公式以下：

其中，，为介质中纵波声速，为介质中横波声速，为介质密度。杨氏模量泊松系数专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第18页1、利用R1，R2测量斜探头延迟。

2、利用直探头，分别采取直接法和相对法测量试块纵波声速。直接法相对法

3、利用斜探头，分别采取直接法和相对法测量试块横波声速。直接法相对法

4、计算试块杨氏模量和泊松系数。专题实验二、试验内容及要求

其中，，为介质中纵波声速，为介质中横波声速，为介质密度。杨氏模量泊松系数专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第19页专题实验分析与思索：1、为何利用斜探头入射到圆弧面上后，只看到横波而没有纵波？2、利用CSK-IB试块怎样测量表面波探头延迟？能否用测量斜探头入射点方法测量表面波探头入射点？为何？3、利用CSK-IB试块横孔A和横孔B，怎样测量斜探头延迟和入射点？4、利用铝试块和钢试块测量同一斜探头延迟和入射点，结果是否一样？为何？专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第20页专题实验一、试验原理试验Z1.3超声波探测

超声探头发射能量指向性与探头几何尺寸和波长有直接关系。普通地，波长越小，频率越高，指向性越好；尺寸越大，指向性越好。可用公式表示：对含有一定指向性要求超声波探头，采取较高频率能够使探头尺寸变小。在实际应用中，通惯用偏离中心线后振幅减小二分之一位置表示声束边界。如图3-1，在同一深度位置，中心轴线上能量最大，当偏离中线到位置A、A‘时，能量减小到最大二分之一。其中

角定义为探头扩散角。越小，探头方向性越好，定位精度越高。专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第21页专题实验

在进行缺点定位时，必须找到缺点反射回波最大位置，使得被测缺点处于探头中心轴线上，然后测量缺点反射回波对应时间，依据试块声速能够计算出缺点到探头入射点垂直深度或水平距离。图3-1超声波探头指向性示意图（a）直探头（b）斜探头专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第22页专题实验二、试验内容及要求1、测量直探头扩散角。

利用CSK-IB试块横孔A，B进行测量。提议：

测

6次。第1步：利用直探头分别找到A、B孔对应回波，移动探头使回波幅度最大

，并用钢尺测量该点位置x0及对应回波幅度；

第2步：向左边移动探头使回波幅度减小大最大幅度二分之一，用钢尺测量该点位置x1；

第3步：一样方法测量探头右移时回波幅度下降到最大幅度二分之一时对应点位置x2。专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第23页专题实验2、探测CSK-IB试块中缺点C深度。利用直探头，采取直接法测量屡次，求平均值。提议：测6次。3、利用斜探头，探测CSK-IB试块中缺点D深度和距试块右边缘距离。

第1步：测量延迟1次。

第2步：按图3-2，把探头放置在试块圆弧圆心附近，找到R2反射回波最大位置，用钢尺测量探头前沿到试块端点距离L1，专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第24页专题实验确定斜探头入射点。第3步：按图2，把探头分别对准A，B两孔，找到最大反射回波，求

第4步：

斜探头测量声速。第5步：

找到D孔最大回波位置LD，测回波时间，则

第6步：

则

。。

第7步：

最终，。专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第25页专题实验注意：依据横波声速和A，B，D孔到斜探头距离，找准A，B，D孔出现最大回波时位置，不要与其它棱回波混同。图3-2探测缺点D示意图专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第26页专题实验分析与思索：1、在利用斜探头探测中，假如能够得到与被测材料同材质试块，并且已知该试块中两个不一样深度横孔深度，那么我们无须测量斜探头延迟、入射点、折射角和声速就能够确定缺点深度。试说明该方法详细探测过程？2、试利用表面波测量CSK-IB试块中R2圆弧长度？专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第27页专题实验附录A:JDUT-2型超声波试验仪原理框图同时电路发射电路探头试块放大/衰减接收电路显示电路图A-1原理框图专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第28页专题实验图A-2实物图片专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第29页专题实验附录B:JDUT-2型超声波试验仪主要性能指标脉冲形式：负脉冲输出限幅：±5V发射强度：400V有效电压：±2V

(射频)

，0~2V（检波）发射阻抗：1000Ω使用电源：~220V输入阻抗：500Ω使用功率：10W频带宽度：50Hz~7MHz(-3dB)/50Hz~10MHz(-6dB)仪器尺寸：220mm×220mm×100mm放大增益：50dB动态范围：0dB~95dB，步长1dB输出阻抗：50Ω(射频)

，1000Ω（检波）触发模式：内触发触发输出：TTL电平重复频率：125Hz,250Hz,500Hz和1000Hz可选铝纵波声速6.27mm/

s横波声速3.10mm/

s表面声速2.90mm/

s钢纵波声速5.90mm/

s横波声速3.27mm/

s表面声速2.99mm/

s试块材质参数表专题实验超声波测试原理和应用专家讲座第30页专题实验附录C:JDUT-2型超声波试验仪操作说明1仪器连接图C-1仪器连接示意图发射JDUT-2型超生波试验仪超声仪示波器探头试块衰减CH1