1、西安交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)文檔第1頁(yè)（共9頁(yè)）年 月日年 月日（訂正、重做）課程：地代物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn) 日期：專業(yè)班號(hào) 組別 交報(bào)告日期：姓 名 Bigger 學(xué)號(hào) 報(bào)告退發(fā) 同組者 教師審批簽字：實(shí)驗(yàn)名稱：超聲波測(cè)量及超聲探傷一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解超聲波產(chǎn)生的原理和波形；2、理解超聲波聲速與固體彈性常數(shù)的關(guān)系;3、掌握超聲波聲速等參數(shù)的測(cè)量方法；4、掌握超聲波探傷技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)儀器超聲波發(fā)射和接收主機(jī)，超聲波探頭（直探頭、斜探頭、可變角探頭） ，實(shí) 驗(yàn)樣品，示波器等。三、實(shí)驗(yàn)原理在本專題實(shí)驗(yàn)中，我們采用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，即壓電換能器，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射

2、和接收。1 .壓電效應(yīng)某些固體物質(zhì)，在壓力（或拉力）的作用下產(chǎn)生變形，從而使物質(zhì)本身極化， 在物體相對(duì)的表面出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這一效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。物質(zhì)的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)。如石英晶體的化學(xué)成分是SiO2,它可 以看成由+4價(jià)的Si離子和-2價(jià)O離子組成。晶體內(nèi)，兩種離子形成有規(guī)律的六 角形排列，如圖1所示。其中三個(gè)正原子組成一個(gè)向右的正三角形， 正電中心在 三角形的重心處。類似，三個(gè)負(fù)原子對(duì)（六個(gè)負(fù)原子）組成一個(gè)向左的三角形， 其負(fù)電中心也在這個(gè)三角形的重心處。 晶體不受力時(shí)，兩個(gè)三角形重心重合，六 角形單元是電中性的。整個(gè)晶體由許多這樣的六角形構(gòu)成，也是電中性的。石英晶體緒的拉力

3、作用下的極化晶體的宏觀極化圖1石英晶體的壓電效應(yīng)當(dāng)晶體沿x方向受一拉力，或沿y方向受一壓力，上述六角形拉長(zhǎng)，使得 正、負(fù)電中心不重合。盡管這是六角形單元仍然是電中性的， 但是正負(fù)電中心不 重合，產(chǎn)生電偶極矩p。整個(gè)晶體中有許多這樣的電偶極矩排列， 使得晶體極化， 左右表面出現(xiàn)束縛電荷。當(dāng)外力去掉，晶體恢復(fù)原來(lái)的形狀，極化也消失。這就 是壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原因。當(dāng)外力沿 z軸方向（垂直于紙面方向），由于不造成正 負(fù)電中心的相對(duì)位移，所以不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。由此可見，石英晶體的壓電效應(yīng)是 有方向性的。當(dāng)一個(gè)不受外力的石英晶體受電場(chǎng)作用， 其正負(fù)離子向相反的方向 移動(dòng)，于是產(chǎn)生了晶體的變形。這一效應(yīng)是逆壓電

4、效應(yīng)。2 .脈沖超聲波的產(chǎn)生及其特點(diǎn)用作超聲波換能器的壓電陶瓷被加工成平面狀， 并在正反兩面分別鍍上銀層 作為電極，這樣被稱為壓電晶片。當(dāng)給壓電晶片兩極施加一個(gè)電壓短脈沖時(shí)，由于 逆壓效應(yīng)，晶片將發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生彈性振蕩，振蕩頻率與晶片的聲速和厚度 有關(guān)，適當(dāng)選擇晶片的厚度可以得到超聲頻率范圍的彈性波 ，即超聲波。超聲波在 材料內(nèi)部傳播時(shí)與被檢對(duì)象相互作用發(fā)生散射，散射波被同一壓電換能器接收，由于正壓效應(yīng)，振蕩的晶片在兩極產(chǎn)生振蕩的電壓，電壓被放大后可以用示波器顯 示。圖2中，t0為電脈沖施加在壓電晶片的時(shí)刻，t1是超聲波傳播到試塊底面， 又反射回來(lái)，被同一個(gè)探頭接收的時(shí)刻。因此，超聲波在試

5、塊中的傳播到底面的 時(shí)間為t ti b /2如果試塊材質(zhì)均勻，超聲波聲速 c一定，則超聲波在試塊中的傳播距離為S ct3(b)圖2脈沖超聲波在試塊中的傳播（a）及示波器的接收信號(hào)（b）3 .超聲波波型及換能器種類如果晶片內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于晶片平面，那么晶片向外發(fā)射的就是超 聲縱波。超聲波在介質(zhì)中傳播可以有不同的波型， 它取決于介質(zhì)可以承受何種作 用力以及如何對(duì)介質(zhì)激發(fā)超聲波。通常有如下三種 ：縱波波型：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向一致時(shí)，此超聲波為縱波波型。任何固體介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時(shí)均能產(chǎn)生縱波。橫波波型：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向相垂直時(shí)，此種超聲波為橫

6、波波型。由于固體介質(zhì)除了能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當(dāng)具有剪切力交替作用于固體介質(zhì)時(shí)均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。表面波波型：是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)的波。表面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成，在距表面1/4波長(zhǎng)深處振幅最強(qiáng)，隨著深度的增加很快衰減，實(shí)際上離表面一個(gè)波長(zhǎng)以上的地方， 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅已經(jīng)很微弱了。在實(shí)際應(yīng)用中，我們經(jīng)常把超聲波換能器稱為超聲波探頭。實(shí)驗(yàn)中，常用的超聲波探頭有直探頭和斜探頭兩種。4 .超聲波聲速與材料彈性模量的關(guān)系一般情況下，采用直探頭產(chǎn)生縱波，斜探頭產(chǎn)生橫波或表面波。當(dāng)介質(zhì)中質(zhì) 點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳

7、播方向一致時(shí)，稱為縱波；當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與 超聲波的傳播方向相垂直時(shí)，稱為橫波。無(wú)論是材料中的縱波還是橫波，其速度可表示為：c d /t其中,d為聲波傳播距離，t為聲波傳播時(shí)間。對(duì)于同一種材料，其縱波波速和橫 波波速的大小一般不一樣，但是它們都由彈性介質(zhì)的密度、楊氏模量和泊松比 等彈性參數(shù)決定。相反，利用測(cè)量超聲波速度的方法可以測(cè)量材料有關(guān)的彈性常 數(shù)。固體在外力作用下，其長(zhǎng)度沿力的方向產(chǎn)生變形。變形時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變之比就定義為楊氏模量，一般用 E表示。固體在應(yīng)力作用下。沿縱向有一正應(yīng)變（伸長(zhǎng)），沿橫向就將有一個(gè)負(fù)應(yīng)變（縮短），橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比被定義 為泊松比，記做 仿它也是表示材料

8、彈性性質(zhì)的一個(gè)物理量。在各向同性固體介質(zhì)中，各種波型的超聲波聲速為:縱波聲速：ClE(1)(1)(1 2 )橫波聲速:其中E為楊氏模量,Cs為泊松系數(shù)， 為材料密度。相應(yīng)地，通過(guò)測(cè)量介質(zhì)的縱波聲速和橫波聲速，利用以上公式可以計(jì)算介質(zhì)的彈性常數(shù)。計(jì)算公式如下:楊氏模量:Cs2 3T2 4T2 1 泊松系數(shù):T2 2其中T CL，Cs2 T2 1Cl為介質(zhì)中縱波聲速，Cs為介質(zhì)中橫波聲速， 為介質(zhì)的密度。4.1. 聲速的直接測(cè)量方法根據(jù)公式（2）,當(dāng)利用確定反射體（界面或人工反射體）測(cè)量聲速時(shí)，我們 只需要測(cè)量該反射體的回波時(shí)間，就可以計(jì)算得到聲速。能夠直接測(cè)量的時(shí)間包 含了超聲波在探頭內(nèi)部的傳播

9、時(shí)間to,即探頭的延遲。對(duì)于任何一種探頭，具延 遲只與探頭本身有關(guān)，而與被測(cè)的材料無(wú)關(guān)。因此，首先需要測(cè)量探頭的延遲， 然后才能利用該探頭直接測(cè)量反射體回波時(shí)間。在此實(shí)驗(yàn)中，我們主要采取的是 相對(duì)測(cè)量方法，故直接測(cè)量方法的具體步驟不再贅述，但基本原理是一樣的。4.2. 聲速的相對(duì)測(cè)量方法如果被測(cè)試塊有兩個(gè)確定的反射體，那么通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)反射體回波對(duì)應(yīng)的 時(shí)間差，再計(jì)算出試塊的聲速。這種方法稱為聲速的相對(duì)測(cè)量方法。對(duì)于直探 頭，可以利用均勻厚度底面的多次反射回波中的任意兩個(gè)回波進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于 斜探頭，則利用CSK-IB試塊的兩個(gè)圓弧面的回波進(jìn)行測(cè)量。5 .聲束擴(kuò)散角的測(cè)量超聲探頭發(fā)射能量的指向性與

10、探頭的幾何尺寸和波長(zhǎng)有直接的關(guān)系。一般來(lái)講，波長(zhǎng)越小，頻率越高，指向性越好；尺寸越大，指向性越好。在實(shí)際應(yīng)用中， 通常我們用偏離中心軸線后振幅減小一半的位置表示聲束的邊界。如圖3所示,在同一深度位置，中心軸線上的能量最大，當(dāng)偏離中線到位置 A、A'時(shí)，能量減 小到最大值的一半。其中 角定義為探頭的擴(kuò)散角。 越小，探頭方向性越好，定 位精度越高。圖3超聲波探頭的指向性具體的操作步驟為：利用直探頭分別找到 B 1通孔對(duì)應(yīng)的回波，移動(dòng)探頭使回波幅度最大，并記錄該點(diǎn)的位置 X0及對(duì)應(yīng)回波的幅度；然后向左邊移動(dòng)探頭使 回波幅度減小到最大振幅的一半，并記錄該點(diǎn)的位置X1；同樣的方法記錄下探頭 右移

11、時(shí)回波幅度下降到最大振幅一半對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位置 X2；則直探頭擴(kuò)散角為：6 .超聲探傷在超聲波探測(cè)中，可以利用直探頭來(lái)探測(cè)較厚工件內(nèi)部缺陷的位置和當(dāng)量大小。把探頭按圖5位置放置，觀察其波形。其中底波是工件底面的反射回波。圖5直探頭探測(cè)缺陷深度對(duì)底面回波和缺陷波對(duì)應(yīng)時(shí)間（深度）的測(cè)量，利用相對(duì)測(cè)量方法時(shí)，必須有與被測(cè)材料同材質(zhì)試塊，并已知該試塊的厚度，具體方法請(qǐng)參看實(shí)驗(yàn)二直探頭 延遲和聲速的相對(duì)測(cè)量方法。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求1）測(cè)量超聲波的中心頻率；2）利用直探頭測(cè)量鋁試塊的縱波聲速；多次測(cè)量，求平均值。3）利用斜探頭測(cè)量鋁試塊的橫波聲速分別利用直接法和相對(duì)法測(cè)量，多次測(cè)量,求平均值。4）計(jì)算鋁試塊的楊

12、氏模量和泊松系數(shù)；與理論值比較，分析誤差產(chǎn)生原因文檔5）測(cè)量超聲波探頭聲束擴(kuò)散角。6）用直探頭測(cè)量鋁試塊的缺陷位置五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理實(shí)驗(yàn)一：測(cè)量超聲波的中心頻率當(dāng)探頭置于空氣中時(shí)，通過(guò)示波器上波形讀出:t1 t2 300ns從而可以算得中心頻率： 116f 9 3.3 106 Hzti t2300 109實(shí)驗(yàn)二：測(cè)量縱波聲速AL/cmt1/ sCL/(m/s)-Cl平均值/(m/s)4.43814.56121.46153.44.43814.46163.95.92819.26175.0其中,t1Cl縱波理論值為6.27mm/us,相對(duì)誤差 6153.4-6270| 1.9%6270實(shí)驗(yàn)三：測(cè)

13、量橫波聲速R2/cmR"cmAL/cmt" (1S t2/ qs CS/(m/s)Cs平均值/(m/s)5.9363.050r 2.886 125.845.22975.33038.85.948I 3.050I 2.89826.245.23050.52.93626.245.23090.5其中,2 Lt2 t1_3038.8-3100橫波理論值為3.10mm/us,相對(duì)誤差 31002.0%。文檔實(shí)驗(yàn)四：楊氏模量與泊松比的測(cè)量Cl=6153.4=2.025Cs 3038.833.2.7 10kg/m （鋁塊的密度）代入ECs2 3T2 4T2 1T2 22 T2 1可求得:楊氏

14、模量實(shí)驗(yàn)值為E6.676 1010Pa,相對(duì)誤差為6.676-6.946.943.8% ；文檔泊松比實(shí)驗(yàn)值為0.339,相對(duì)誤差為口339-0.33 2.7%0.33實(shí)驗(yàn)五：測(cè)量超聲波探頭聲束擴(kuò)散角實(shí)驗(yàn)測(cè)得當(dāng)振幅減小到一半時(shí)點(diǎn)之間的距離為：x2 x10.944cm此時(shí)，L 4.942cm,則有擴(kuò)散角為X2 X12 arctan- 10.9112L實(shí)驗(yàn)六：超聲波探傷 實(shí)驗(yàn)中測(cè)得：t16.8 gt2 14.4 pSL1 4.438cm則有六、思考題1）為什么利用斜探頭入射到圓弧面上后，只看到橫波而沒(méi)有縱波？根據(jù)斯涅爾定律有第一臨界角，橫波斜探頭就是讓入射角大于第一臨界 角，這樣不產(chǎn)生縱波。2）利用鋁試塊測(cè)量得到斜探頭的延遲和入射點(diǎn)與在鋼試塊測(cè)量同一探頭的延 遲和入射點(diǎn)，結(jié)果是否一樣？為什么？探頭延遲的測(cè)量是與所測(cè)樣品的材料無(wú)關(guān)的，因?yàn)檠舆t實(shí)質(zhì)上是指超聲波 在探頭內(nèi)傳播的時(shí)間，只與探頭本身有關(guān)而無(wú)關(guān)樣品。入射點(diǎn)從理論來(lái)說(shuō)也是 如此，只與探頭有關(guān)而與被測(cè)工件無(wú)關(guān)。七、實(shí)驗(yàn)誤差1）聲速在液體中傳播比固體慢，故水層厚度的不同會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差出現(xiàn)。2）測(cè)量中需要找到振幅減小一