超声波测量及超声探伤含思考题

超声波测量及超声探伤含思考超声波测量及超声探伤含思考 题题 西西安安交交通通大大学学实实验验报报告告 成绩成绩 第第 1 1 页（共页（共 9 9 页）页） 课程：课程： ______________近代物理实验近代物理实验______________实实 验验 日日 期期 ：：年年月月日日 专业班号专业班号____________组别组别______________ 交交 报报 告告 日日 期期 ：：年年月月日日 姓姓名名__Bigger__Bigger ____学号学号_ __ _ 报报 告告 退退 发发 ：：（订正、重做）（订正、重做） 同同 组组 者者__ __________ ________ 教师审批签字：教师审批签字： 实验名称：超声波测量及超声探伤实验名称：超声波测量及超声探伤 一、一、 实验目的实验目的 1 1、、 了解超声波产生的原理和波形；了解超声波产生的原理和波形； 2 2、、 理解超声波声速与固体弹性常数的关系；理解超声波声速与固体弹性常数的关系； 3 3、、 掌握超声波声速等参数的测量方法；掌握超声波声速等参数的测量方法； 4 4、、 掌握超声波探伤技术。掌握超声波探伤技术。 二、二、 实验仪器实验仪器 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）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，实 验样品，示波器等。验样品，示波器等。 三、三、 实验原理实验原理 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。 1.1. 压电效应压电效应 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。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 SiOSiO2 2，它可以，它可以 看成由看成由+4+4 价的价的 SiSi 离子和离子和-2-2 价价 O O 离子组成。晶体内，两种离子形成有规律的六离子组成。晶体内，两种离子形成有规律的六 角形排列，如图角形排列，如图 1 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 2 2 3 3 4 4 如果试块材质均匀，超声波声速如果试块材质均匀，超声波声速 c c 一定，则超声波在试块中的传播距离为一定，则超声波在试块中的传播距离为 Sct 图图 2 2 脉冲超声波在试块中的传播脉冲超声波在试块中的传播(a)(a)及示波器的接收信号及示波器的接收信号(b)(b) 2.2. 超声波波型及换能器种类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。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，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。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1/41/4 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。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。的超声波探头有直探头和斜探头两种。 3.3. 超声波声速与材料弹性模量的关系超声波声速与材料弹性模量的关系 5 5 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。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无论是材料中的纵波还是横波, ,其速度可表示为：其速度可表示为： cd /t 其中其中, ,d d 为声波传播距离，为声波传播距离，t t 为声波传播时间。为声波传播时间。对于同一种材料对于同一种材料, ,其纵波波速和横波其纵波波速和横波 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。弹性参数决定。 相反相反, ,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。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，一般用比就定义为杨氏模量，一般用 E E 表示。固体在应力作用下。沿纵向有一正应变表示。固体在应力作用下。沿纵向有一正应变 （伸长）（伸长） ，沿横向就将有一个负应变（缩短），沿横向就将有一个负应变（缩短） ，横向应变与纵向应变之比被