超声波测试原理及应用

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1、超声波测试原理及应用超声波是频率在2´104Hz~1012Hz的声波。超声广泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫声中含有超声成分，蝙蝠利用超声导航和觅食；金属片撞击和小孔漏气也能发出超声。人们研究超声始于1830年，F.Savart曾用一个多齿轮，第一次人工产生了频率为2.4´104Hz的超声；1912年Titanic客轮事件后，科学家提出利用超声预测冰山；1916年第一次世界大战期间P.Langevin领导的研究小组开展了水下潜艇超声侦察的研究，为声纳技术奠定了基础；1927年，R.W.Wood和A.E.Loomis发表超

2、声能量作用实验报告，奠定功率超声基础；1929年俄国学者Sokolov提出利用超声波良好穿透性来检测不透明体内部缺陷，以后美国科学家Firestone使超声波无损检测成为一种实用技术。超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。例如，在海洋应用中，超声波可以用来探测鱼群或冰山、潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探等。在检测中，利用超声波检验固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等。在医学中，可以利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描（B超诊断）和血

3、流速度的测量（彩超诊断）等。本实验简单介绍超声波的产生方法、传播规律和测试原理，通过对固体弹性常数的测量了解超声波在测试方面应用的特点；通过对试块尺寸的测量和人工反射体定位了解超声波在检验和探测方面的应用。实验所用的仪器设备和主要器材包括：JDUT-2型超声波实验仪、GOS-620型示波器（20MHz）、CSK-IB型铝试块、钢板尺、耦合剂（水）等。实验一、超声波的产生与传播能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等.我们把能够实现超声能量与其他形式能量相互转换的器件称为超声波换能

4、器。一般情况下，超声波换能器既能用于发射又能用于接收.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。实验目的1．了解超声波产生和接收方法；2．认识超声脉冲波及其特点；3．理解超声波的反射、折射和波型转换。实验原理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

5、组成。晶体内，两种离子形成有规律的六角形排列，如图ZZ-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1.1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，上述六角形沿x方向拉长，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。整个晶体中有许多这样的电偶极矩排

6、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。（许多大学物理教材都有关于电极化理论的介绍）由于同样的原因，当晶体沿y方向受拉力，或沿x方向受压力，正原子三角形和负原子三角形都被压扁，也造成正、负电中心不重合。但是这时电偶极矩的方向与x方向受拉力时相反，晶体的极化方向也相反。这就是压电效应产生的原因。当外力沿z轴方向（垂直于图ZZ1中的纸面方向），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

7、移动，于是产生了晶体的变形。这一效应是逆压电效应。还有一类晶体，如钛酸钡（BaTiCO3），在室温下即使不受外力作用，正负电中心也不重合，具有自发极化现象。这类晶体也具有压电效应和逆压电效应，它们多是由人工制成的陶瓷材料，又叫压电陶瓷。本实验中超声波换能器采用的压电材料为压电陶瓷。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

8、厚度可以得到超声频率范围的弹性波,即超声波。在晶片的振动过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，因此它发射出的是一个超声波波包，通常称为脉冲波，如图1.2所示。超声波在材料内部传播时，图1.2脉冲波的产生与被检对象相互作用发生散射，