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1、实验二十 超声波特性研究声波是一种弹性机械波,超声波是频率在 21041012 Hz 的声波。超声波具有方向性好、穿透力强、易于产生和接收、探头体积小等特点,并且能够在所有弹性介质中传播,因此超声波广泛应用在生产和人们生活中。超声波可对介质产生机械作用,空化效应以及热效应和化学效应。超声波在医学领域有广泛应用,如我们熟知的使用 B 超、彩超等进行医学诊断,在治疗方面可用于体外碎石、理疗,肿瘤治疗,牙齿洁治等。其他方面的应用有:超声测距,超声测速,超声清洗,超声焊接,液体的乳化、水下探测,工业探伤等。通过本实验可以了解利用压电效应产生脉冲超声波的原理和方法;分辨超声波的三种波型;了解超声波检查的
2、基本原理和方法。实验原理一、超声波的产生能将其它形式的能量转换成超声振动能量的方式都可以用来发生超声波。例如压电效应、磁致伸缩效应、电磁声效应和机械声效应等。目前普遍使用的是利用压电效应来产生和接收超声波。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。通常具有压电效应的物质同时也具有逆压电效应,即当对其施加电压后会发生形变。超声波探头利用逆压电效应产生超声波,而利用压电效应接收超声波。将产生和接收超声波的材料制成片状(晶片) ,并在其正反两面镀上导电层(如镀银层)作为正负电极。如果在电极两端施加一脉冲电压,则晶片发
3、生弹性形变,随后发生自由振动,并在晶片厚度方向形成驻波,如果晶片的两侧存在其它弹性介质,则会向两侧发射弹性波。在晶片的振动过程中,由于能量的图 20-1 脉冲超声波的产生减少,其振幅也逐渐减小,因此它发射出的是一个超声波波包,如图 20-1 所示,通常称为脉冲波(如敲击玻璃杯时产生的声波) 。波的频率与晶片的厚度有关,适当选择晶片的厚度,使其产生弹性波的频率在超声波频率范围内,则该晶片即可产生超声波。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形式,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
4、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介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。纵波可在固体、液体中传播。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:这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振动的纵波和垂直于表面振动的横波合成,质点合成振动的轨迹为一椭圆,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
5、幅已经很微弱了。二、超声波探头在超声波分析测试中,是利用超声波探头产生脉冲超声波的。常用的超声1、外壳,2、晶片,3、吸收背衬,4、电极接线, 5、匹配电感, 6、接插头, 7、 保护膜, 8、斜楔 图 20-2 直探头(a)和斜探头(b)的结构图 20-3 可变角探头示意图波探头有直探头和斜探头两种,其结构如图 20-2 所示。探头通过保护膜或斜楔向外发射超声波;吸收背衬的作用是吸收晶片向背面发射的声波,以减少杂波;匹配电感的作用是调整脉冲波的波形。一般用直探头产生纵波,用斜探头产生横波或表面波。在本实验中,还使用了一种可变角探头,如图 20-3 所示。其中探头芯可以旋转,通过改变探头的入射
6、角,得到不同折射角的斜探头。当 0 时成为直探头。三、超声波的反射与折射当超声纵波或横波入射到两种介质的界面上时,如果两种介质都是固体或其中之一是固体,一般情况下在发生反射和折射的同时会反射和折射出另一种波型。例如入射纵波在反射和折射出纵波的同时,会反射或折射出横波。对于横波,情况也类似。超声波的这种现象称为波型转换。通常使用的横波和表面波都是通过斜探头或可变角探头利用波型转换得到的。超声波入射到两种介质的界面时发生反射或折射遵循斯特令定律:当超声波以入射角按纵波或横波波速 v 传到异质界面后,反射角或折射角满足:图 20-7 波型转化反射:(20-1)SSLL11sinsinsin vvv折
7、射:(20-2)SSLL22sinsinsin vvv其中,L和S分别是纵波反射角和横波反射角;L和S分别是纵波折射角和横波折射角;v1L和 v1S分别是声波在第 1 种介质中的纵波声速和横波声速;v2L和 v2S分别是声波在第 2 种介质中的纵波声速和横波声速。在斜探头或可变角探头中,超声波以纵波经有机玻璃入射到铝质试块中,如图 20-7 所示。由于机玻璃中声速 v小于铝中横波声速 vS,而铝中横波声速 vS又小于纵波声速 vL。因此,当入射角大于时,铝介质)(sin1 1Lvv中只有折射横波;同理,当入射角大于时,铝介质中既无折射横波,也无折射纵波,可能形成表面)(sin1 2Svv波或发
8、生全反射。实验仪器JDUT-2 型超声波实验仪由同步电路,发射电路,接收电路,放大衰减电路,显示电路等电路模块组成(原理框图见附录 1)。在仪器面板上有衰减调节按键,用来调节反射回波的电压幅度;超声仪的发射接口与探头连接,并向探头发射400V 的高压脉冲,用来激发超声波;仪器面板上射频、检波接口与示波器的CH1、CH2 通道连接,以射频或检波方式在示波器上显示探头接收到的反射回波;触发接口与示波器的外触发(TRG)相连,使超声的发射信号与示波器扫描同步。注意:发射接口只能与接收接口或探头相连,而不能与超声仪的射频、检波、触发,或者示波器的 CH1、CH2、TRG 相连;否则会损坏仪器!图 20
9、-4 仪器连接示意图脉冲波检波波形 脉冲波射频波形图 20-5 脉冲波传播时间测量实验中所使用的探头既可以用来发射超声波,又可以用来接收超声波,因此仪器面板上发射接口和接收接口被连接起来,仪器连接方法如图 20-4 所示。采用这种方式,发射脉冲也被接收,在示波器上可以看到其波形,我们称发射脉冲波形为始波(如图 20-5)。当超声波探头产生脉冲超声波后,需通过耦合剂进入介质。如果在传播的路径上遇到介质畸变,如人工反射体、介质界面等,则部分声波会沿原来的路径反射回去,被探头所接收,称为反射回波。接收到的超声信号被探头转换成电信号,通过相关电路放大后由射频和检波接口输出到示波器,在示波器上以射频方式
10、或检波方式显示出来,如图 20-5 所示。回波在示波器扫描线上的位置对应于超声波在探头与反射体之间的往复传播的时间,回波的振幅与反射体的大小及材料性质有关。提示:从图 20-5 射频方式可以看出,脉冲波的振幅并不是一开始就很强,而是由小变大,然图 20-6 观察反射回波后变小;其主要原因是晶片振幅的初始值为 0。脉冲波可以看成由许多个频率在一定范围内连续变化的平面波叠加而成,其频谱具有一个中心频率(峰值频率)和一定的频带宽度。通常在脉冲波测试中所说的频率就是指的中心频率。在使用脉冲超声波的过程中,对脉冲波的传播时间的测量有两种方法:1、对于射频输出的脉冲波,测量其脉冲峰值对应的时间;2、对于检
11、波输出的脉冲波,测量其前沿对应的时间。如图 20-5所示。两种方法测量得到的绝对时间有微小的差值,因此通常情况下,需要校准探头的测试零点。探头发射声波的绝对零点到测试零点的时间差一般称为探头的延迟(或延迟时间)。实验内容一、必做部分1、观察反射回波(1) 、如图 20-6 所示,把直探头放在位置 1 处,先适当调节超声仪衰减(大约 90dB) ,再调节示波器衰减,要求被测信号最大幅度不超过 2V(估算一下) ,示波器上显示的信号高度一般为满幅的 80%以利于观察。观察试块底面对纵波反射的多次反射回波(反射底波) ,多次回波是部分超声波在平行的两个界面之间来回反射的结果。(2) 、把斜探头放在上
12、图位置 2 处,适当减少超声仪的衰减读数(大约 80-60dB,同样要求被测信号最大幅度不超过 2V) ,前后移动探头,观察图中 A 处的 20mm 深的钻孔对斜射横波的反射回波,同时观测斜探头始波附近的固有回波(也称结构回波:超声波在探头内部产生的回波,与探头的结构有关) 。(3) 、把可变角探头放在图 20-6 位置 3 处,调节入射角为 45左右(根据计算,此时入射进试块中的应是横波) ,并使探头的入射点(超声波进入被测试块的位置)基本与试块两圆弧圆心重合,适当调节超声仪衰减。当超声波传入试块后,适当横向移动探头,使声波可以同时被 R1和 R2两个圆弧面反射,在示波器上可以看到反射回波
13、F1和 F2,适当移动探头,使 F1和 F2回波幅度同时最大,如图 20-8 所示。由于声波在探头与两个圆弧间往复传播的距离差是固定的,因此反射回波 F1和 F2对应的时间差(t2 tl)仅与声速或两个圆弧的半径差有关。适当减少超声仪的衰减读数,增大可变角探头入射角,注意示波器上回波幅度的变化。当入射角达到某一值后,横波幅度减弱并消失,在此过程中又会在原横波位置稍后一点出现两个回波(若向后移动探头,两个回波随之移动,但间距不变。用手按压探头前方试块表面,回波幅度会下降。此回波是由于试块表面突然弯折造成的,两反射回波的时间差与声速和两个弯折处的距离差有关) ,细心调整入射角,使回波幅度最大。此时
14、的超声波波型为表面波。此过程就是超声波的波型转化过程。将以上实验参数填入表 20-1。表 20-1超声仪衰减读数示波器衰减读数第一次回波幅度(格数)纵波横波表面波注意:1) 、示波器应选择外触发方式。2)、回波幅度受超声仪衰减,示波器衰减及探头位置的影响,首先应调节探头位置,使回波幅度最大,然后适当调节超声仪衰减,要求被测信号幅度不超过 2V。在此前提下调节示波器衰减(可用微调)使回波幅度增大到满幅的 80左右。2、超声测长实验长度的测量是超声波测量的主要内容之一。一般在超声波测长中,被测物图 20-9 表面波测长体首先必须是各向同性的(声速在不同方向上) ,同时物体必须有规则的反射面。如果己
15、知物体的声速,通过测量时间,则可计算物体的长度。利用反射回波进行测长时,测量公式如下:(20-3)2)(0ttLv其中 v 是试块中的声速,t0是探头的延迟(指脉冲波从压电晶片经探头内部传播至被测介面所用的时间,测量方法见选做部分) ,t 是反射回波的传播时间。对于规则几何形状的物体,如被测试块,其宽度方向和厚度方向的界面可以产生多次反射回波。相邻两回波之间的时间差对应于超声波在两界面间往复传播的距离。因此,通过测量相邻两个回波之间的时间差,可计算试块的宽度或厚度为:(20-4)2)(12ttLv式中 t1是第 1 次反射回波的时间,t2是第 2 次反射回波的时间。a. 利用直探头(纵波)测量
16、试块的宽度和高度。 b. 利用表面波(使用可变角探头)测量 R2弧面的长度。表面波测量 R2弧面的长度方法如图 20-9 所示。调整探头角度,使之发射表面波,出现的两个反射回波分别对应于表面波传播路径上两个突变点 B1和 B2。将实验参数及测量结果填入表 20-3。表 20-3项目v / m s 1超声仪衰减读数(t2tl ) /sL /m试块的宽度6 270试块的高度6 270R2弧面的长度2 900二、选作部分1、测量直探头和斜探头的延迟超声波在晶片到被测界面这段距离往复传播的时间称为探头的延迟。由于探头的延迟 使距离的测量出现误差,因此需要测量探头的延迟时间。(1) 、测量直探头的延迟考
17、虑直探头对试块底面产生的 1 次底面回波和 2 次底面回波的时间分别为t1、 t2。令t 为探头的延迟时间,t 为超声波在试块内往复 1 次的时间,则 t1 = t +t, t2 = 2t +t. 探头的延迟时间t 为(20-5)212ttt利用试块 60 mm 的厚度方向进行测量。多次测量,求平均值。(2) 、测量斜探头的延迟把斜探头放在试块上,使探头的斜射声束能够同时入射在 R1和 R2圆弧面上。适当移动探头使在示波器上同时观测到两个弧面的回波 B1和 B2为最大。测量它们对应的时间 t1和 t2。由于 R1 = 2R2,因此斜探头延迟的计算同(20-5)式。多次测量,求平均值。2、测量直探头产生的脉冲超声波频率和波长利用试块 40 mm 厚度的 1 次回波进行测量。用射频方式在示波器上显示回波信号,测量一个脉冲波 4 个振动周期的时间 t,求其频率和波长。多次测量,求平均值。思考题1、在试块中不同形式(波型)的超声波如何产生?2、实验中,利用斜探头产生横波。斜探头产生的横波入射到圆弧面上后,反射波为何种波型?3、很多动物可以发射超声波,用来探测周围的情况,海豚就有此功能。请问海豚接收到的超声波是横波还是纵波?如果海豚用超声波探测鱼群位置,它可能用连续波还是脉冲波?大量船舶的航行会不会影响海豚的生存呐?
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