A类超声波应用研究 - 普通物理实验.DOCVIP

实验四十九 A类超声波应用研究 超声波是指频率高于人耳听觉上限（20K）的声波。超声技术是声学领域中发展最迅速、应用最广泛的现代声学技术。其中超声检测已成为保证设备质量的重要手段，B超仪器已是人类健康的有利助手，工业超声提高了处理工业产品的能力，并能完成一般技术不能完成的工作。 超声学是声学的一个分支，它主要研究超声的产生方法和探测技术、超声在介质中的传播规律、超声与物质的相互作用，包括在微观尺度的相互作用以及超声的众多应用。超声的用途可分为两大类，一类是利用它的能量来改变材料的某些状态，为此需要产生比较大能量的超声，这类用途的超声通常称为功率超声，如超声加湿、超声清洗、超声焊接、超声手术刀、超声马达等等；另一类是利用它来采集信息，超声波测试分析包括对材料和工件进行检验和测量，由于检测的对象和目的不同，具体的技术和措施也是不同的，因而产生了名称各异的超声检测项目，如超声测厚、超声发射、超声测硬度、测应力、测金属材料的晶粒度及超声探伤等。本实验要求学生了解超声波产生和发射的机理，用A类超声实验仪测量液体或固体中的声速，以及测量固体厚度及超声无损探伤等方面的应用。 实验原理 超声波简介 超声波是指频率高于20KHz的声波，与电磁波不同，它是弹性机械波，不论材料的导电性、导磁性、导热性、导光性如何，只要是弹性材料，它都可以传播进去，并且它的传播与材料的弹性有关，如果弹性材料发生变化，超声波的传播就会受到干扰，根据这个扰动，就可了解材料的弹性或弹性变化的特征，这样超声就可以很好地检测到材料特别是材料内部的信息，对某些其它辐射能量不能穿透的材料，超声更显示出了这方面的实用性。与X射线、γ射线相比，超声的穿透本领并不优越，但由于它对人体的伤害较小，使得它的应用仍然很广泛。 超声波的产生 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压电法。 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；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，从而导致介电体发生形变，这种由“电”产生“机械形变”的现象称为逆压电效应，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。压电体的正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。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，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。 超声探头 超声探头是把其它形式的能量转换为声能的器件，亦称为超声波换能器。在超声波分析测试中常用的换能器既能发射声波，又能接收声波，称之为可逆探头。在实际应用中要根据需要使用不同类型的探头，主要有：直探头，斜探头，水浸式聚焦探头，轮式探头，微型表面波探头，双晶片探头及其它型式的组合探头等。本实验采用的是直探头。 超声波的分类 按振动质点与波传播方向的关系可分为纵波和横波：当介质中质点振动方向与超声波的传播方向平行时，称为纵波；当介质中质点振动方向与超声波传播方向垂直时，称为横波。按波阵面的形状可分为球面波和平面波。按发射超声的类型可分为连续波和脉冲波。本实验中超声探头发出来的是纵波、平面波、脉冲波，脉冲频率为2.5MHz。 超声波的特性 超声的衰减。超声在介质中传播时，其声强将随着距离的增加而减弱。衰减的原因主要有两类，一类是声束本身的扩散，使单位面积中的能量下降。另一类是由于介质的吸收，将声能转化为热能，而使声能减少。 超声波的反射。如果介质的声阻抗相差很大，比如说声波从固体传至固／气或从液体传至液／气界面时将产生全反射。因此可以认为声波难以从固体或液体中进入气体。 超声回波信号的显示方式。主要有幅度调制显示（A型）和亮度调制显示及两者的综合显示，其中亮度调制显示按调制方式的不同又可分为B型、C型、M型、P型等。A型显示是以回波幅度的大小表示界面反射的强弱，即在荧光屏上以横坐标代表被测物体的深度，纵坐标代表回波脉冲的幅度，横坐标有时间或距离的标度，可借以确定产生回波的界面所处的深度。本实验采用的显示方式即A型。 超声的生物效应、机械效应、温热效应、空化效应、化学效应等，以上几种效应对人体组织有一定的伤害作用，必须重视安全剂量。一般认为超声对人体的安全阈值为100。 仪器介绍 本实验主要由FD-UDE