超声波测量和超声探伤含思考题

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1、.成绩西安交通大学实验报告第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。二、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

2、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

3、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

4、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。1.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

5、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)1.超声波波型及换能器种类如果晶片

6、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

7、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。2.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

8、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,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