超声波测量及超探伤含思考题.docxVIP

PAGE \* MERGEFORMAT 1 成绩 西安交通大学实验报告 成绩 第 1 页（共 9 页） 课程：_______近代物理实验_______ 实 验 日 期 ： 年 月 日 专业班号___ ___组别_______ 交报告日期： 年 月 日 姓 名__Bigger __学号_ _ 报 告 退 发 ： （订正、重做） 同 组 者__ ________ 教师审批签字： 实验名称：超声波测量及超声探伤 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。 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。 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。 图1 石英晶体的压电效应 当晶体沿x方向受一拉力，或沿y方向受一压力，上述六角形拉长，使得正、负电中心不重合。尽管这是六角形单元仍然是电中性的，但是正负电中心不重合，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。 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。 图2中，t0为电脉冲施加在压电晶片的时刻，t1是超声波传播到试块底面，又反射回来，被同一个探头接收的时刻。因此，超声波在试块中的传播到底面的时间为 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 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) 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。 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： 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,