超声波测量及超声探伤含思考题.docx
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超声波测量及超声探伤含思考题
西安交通大学实验报告
成绩
第1页（共9页）年月日年月日（订正、重做）
课程：
近代物理实验实验日期：
专业班号______组别交报告日期：
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实验名称：
超声波测量及超声探伤
一、实验目的
1、了解超声波产生的原理和波形；
2、理解超声波声速与固体弹性常数的关系；
3、掌握超声波声速等参数的测量方法；
4、掌握超声波探伤技术。
实验仪器
超声波发射和接收主机，超声波探头（直探头、斜探头、可变角探头），实验样品，示波器等。
三、实验原理
在本专题实验中，我们采用压电效应实现超声波信号与电信号的转换，即压电换能器，它是利用压电材料的压电效应实现超声波的发射和接收。
1.压电效应
某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生变形，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。
物质的压电效应与其内部的结构有关。
如石英晶体的化学成分是SiO2，它
可以看成由+4价的Si离子和-2价O离子组成。
晶体内，两种离子形成有规律的六角形排列，如图1所示。
其中三个正原子组成一个向右的正三角形，正电中心在三角形的重心处。
类似，三个负原子对（六个负原子）组成一个向左的三角形，其负电中心也在这个三角形的重心处。
晶体不受力时，两个三角形重心重合，六角形单元是电中性的。
整个晶体由许多这样的六角形构成，也是电中性的。
精选
图1石英晶体的压电效应
上述六角形拉长，使得正、
但是正负电中心不重合，
当晶体沿x方向受一拉力，或沿y方向受一压力，负电中心不重合。
尽管这是六角形单元仍然是电中性的，产生电偶极矩p。
整个晶体中有许多这样的电偶极矩排列，使得晶体极化，左右表面出现束缚电荷。
当外力去掉，晶体恢复原来的形状，极化也消失。
这就是压电效应产生的原因。
当外力沿z轴方向（垂直于纸面方向），由于不造成正负电中心的相对位移，所以不产生压电效应。
由此可见，石英晶体的压电效应是有方向性的。
当一个不受外力的石英晶体受电场作用，其正负离子向相反的方向移动，于是产生了晶体的变形。
这一效应是逆压电效应。
2.脉冲超声波的产生及其特点
用作超声波换能器的压电陶瓷被加工成平面状，并在正反两面分别镀上银层
作为电极，这样被称为压电晶片。
当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时,由
于逆压效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡,振荡频率与晶片的声速和厚
度有关,适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波,即超声波。
超声波
在材料内部传播时与被检对象相互作用发生散射，
散射波被同一压电换能器接收,
由于正压效应,振荡的晶片在两极产生振荡的电压
电压被放大后可以用示波器显
示。
t1是超声波传播到试块底面，超声波在试块中的传播到底面的
图2中，t0为电脉冲施加在压电晶片的时刻，又反射回来，被同一个探头接收的时刻。
因此，时间为
tt1t0/2
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
精选
图2脉冲超声波在试块中的传播（a）及示波器的接收信号（b）
3.超声波波型及换能器种类
如果晶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纵波。
超声波在介质中传播可以有不同的波型，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的传播方向相垂直时，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，还能承受切变变形，因此，当其有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。
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表面的横波合成，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，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。
在实际应用中，我们经常把超声波换能器称为超声波探头。
实验中，常用的超声波探头有直探头和斜探头两种。
4.超声波声速与材料弹性模量的关系
一般情况下，采用直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。
当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时,称为纵波；当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，称为横波。
无论是材料中的纵波还是横波,其速度可表示为：
精选
cd/t
其中,d为声波传播距离，t为声波传播时间。
对于同一种材料,其纵波波速和横波波速的大小一般不一样，但是它们都由弹性介质的密度、杨氏模量和泊松比等弹性参数决定。
相反,利用测量超声波速度的方法可以测量材料有关的弹性常数
固体在外力作用下，其长度沿力的方向产生变形。
变形时的应力与应变之比就定义为杨氏模量，一般用E表示。
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，记做σ，它也是表示材料弹性性质的一个物理量。
在各向同性固体介质中，各种波型的超声波声速为：
纵波声速：
CL
（1
E
（1）
）（12）
横波声速：
CS
21E
其中E为杨氏模量，
σ为泊松系数，为材料密度。
相应地，通过测量介质的纵
波声速和横波声速，利用以上公式可以计算介质的弹性常数。
计算公式如下：
杨氏模量：
CS23T24
T21
泊松系数：
T22
2T21
其中TCL，CL为介质中纵波声速，CS为介质中横波声速，为介质的密度CS
4.1.声速的直接测量方法
根据公式
（2），当利用确定反射体（界面或人工反射体）测量声速时，我们只需要测量该反射体的回波时间，就可以计算得到声速。
能够直接测量的时间包含了超声波在探头内部的传播时间t0，即探头的延迟。
对于任何一种探头，其延
精选
迟只与探头本身有关，而与被测的材料无关。
因此，首先需要测量探头的延迟，然后才能利用该探头直接测量反射体回波时间。
在此实验中，我们主要采取的是相对测量方法，故直接测量方法的具体步骤不再赘述，但基本原理是一样的。
4.2.声速的相对测量方法如果被测试块有两个确定的反射体，那么通过测量两个反射体回波对应的时
间差，再计算出试块的声速。
这种方法称为声速的相对测量方法。
对于直探头，可以利用均匀厚度底面的多次反射回波中的任意两个回波进行测量。
对于斜探头，则利用CSK-IB试块的两个圆弧面的回波进行测量。
5.声束扩散角的测量超声探头发射能量的指向性与探头的几何尺寸和波长有直接的关系。
一般来讲，波长越小，频率越高，指向性越好；尺寸越大，指向性越好。
在实际应用中，通常我们用偏离中心轴线后振幅减小一半的位置表示声束的边界。
如图3所示，在同一深度位置，中心轴线上的能量最大，当偏离中线到位置A、A'时，能量减小到最大值的一半。
其中角定义为探头的扩散角。
越小，探头方向性越好，定位精度越高。
图3超声波探头的指向性
具体的操作步骤为：
利用直探头分别找到B1通孔对应的回波，移动探头使回波幅度最大，并记录该点的位置x0及对应回波的幅度；然后向左边移动探头使回波幅度减小到最大振幅的一半，并记录该点的位置x1；同样的方法记录下探头右移时回波幅度下降到最大振幅一半对应点的位置x2；则直探头扩散角为：
2tan
1x2x1
2L
精选
6.超声探伤在超声波探测中，可以利用直探头来探测较厚工件内部缺陷的位置和当量大小。
把探头按图5位置放置，观察其波形。
其中底波是工件底面的反射回波。
图5直探头探测缺陷深度
对底面回波和缺陷波对应时间（深度）的测量，利用相对测量方法时，必须有与被测材料同材质试块，并已知该试块的厚度，具体方法请参看实验二直探头延迟和声速的相对测量方法。
四、实验内容与要求
1）测量超声波的中心频率；
2）利用直探头测量铝试块的纵波声速；多次测量，求平均值。
3）利用斜探头测量铝试块的横波声速分别利用直接法和相对法测量，多次测量，求平均值。
4）计算铝试块的杨氏模量和泊松系数；与理论值比较，分析误差产生原因。
精选
5）测量超声波探头声束扩散角。
6）用直探头测量铝试块的缺陷位置。
五、实验数据记录与处理实验一：
测量超声波的中心频率当探头置于空气中时，通过示波器上波形读出：
t1t2300ns
从而可以算得中心频率：
1
t1t2
9
300109
3.3106Hz
实验二：
测量纵波声速
ΔL/cm
t1/μs
CL/（m/s）
CL平均值/（m/s）
4.438
14.5
6121.4
6153.4
4.438
14.4
6163.9
5.928
19.2
6175.0
2L
CL
其中，
t1
纵波理论值为6.27mm/us，相对误差
6153.4-6270
6270
1.9%
实验三：
测量横波声速
R2/cm
R1/cm
ΔL/cm
t1/μ
st2/μ
sCS/（m/s）
CS平均值/（m/s）
5.936
3.050
2.886
25.8
45.2
2975.3
3038.8
5.948
3.050
2.898
26.2
45.2
3050.5
\
\
2.936
26.2
45.2
3090.5
其中，
2L
t2t1
横波理论值为3.10mm/us，相对误差
3038.8-3100
3100
2.0%
精选
实验四：
杨氏模量与泊松比的测量
由T
33
2.7103kg/m3（铝块的密度）
CL=6153.4=2.025
CS3038.8
代入E
CS23T2
4和
T22
2T21
可求得：
杨氏模量实验值为E
6.6761010Pa，相对误差为
6.676-6.94
6.94
3.8%；
0.339-0.332.7%
0.33
泊松比实验值为0.339，相对误差为
实验五：
测量超声波探头声束扩散角实验测得当振幅减小到一半时点之间的距离为：
x2x10.944cm
此时，L4.942cm，则有扩散角为
x2x1
2arctan2110.911
2L实验六：
超声波探伤
实验中测得：
t16.8μst214.4μs
L14.438cm
则有
xt1L12.096cm
六、思考题
1）为什么利用斜探头入射到圆弧面上后，只看到横波而没有纵波？
根据斯涅尔定律有第一临界角，横波斜探头就是让入射角大于第一临界角，这样不产生纵波。
精选
2）利用铝试块测量得到斜探头的延迟和入射点与在钢试块测量同一探头的延迟和入射点，结果是否一样？
为什么？
探头延迟的测量是与所测样品的材料无关的，因为延迟实质上是指超声波在探头内传播的时间，只与探头本身有关而无关样品。
入射点从理论来说也是如此，只与探头有关而与被测工件无关。
七、实验误差
1）声速在液体中传播比固体慢，故水层厚度的不同会导致实验误差出现。
2）测量中需要找到振幅减小一半的位置以及极大值的位置，在示波器上判断的位置不准确也会引入人为的和仪器的误差。
3）金属内部的杂质和不均匀结构比如缝隙和缺孔等不致密因素，导致了一定的误差。
八、总结
通过这次实验，以直探头和斜探头为源发出超声波，在一块金属实验块中传播并在内部边界反射，通过测量模块线度距离及超声波的发射和接受到反射波的时间间隔，测的超声波横纵波的速度，并通过横纵波在该介质中传播的速度计算介质的杨氏模量和泊松系数。
同时，利用超声波侦测原理进行应用时间，进行缺陷检查。
精选
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