（测试计量技术及仪器专业论文）基于tms320c6713的超声应力测试系统设计.pdf

独创性声明 瓣、删,ib94949 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：多咖奶 伽l f 年占月i j 同 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许 论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论 文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本 论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布 ( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密面。 学位论文作者签名：乡妇髟彩 砌年6 月j 日 指导教师签名： 幻，年月，同 基于t m s 3 2 0 c 6 7 13 的超声应力测试系统设计 d e s i g n o fu l t r a s o n i cs t r e s sm e a s u r e m e n t s y s t e m b a s e do nt m s 3 2 0 c 6 7 1 3 2 0 11 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 应力检测和分析一直是工程结构中不可缺少的重要环节，工程构件的安全状态 都可以通过其内部的应力状况反映出来，超声波应力检测技术作为最有潜力的应力 测量技术之一，近年来得到了广泛的应用和发展。 由于超声波的声弹性效应是一种弱效应，应力的变化能引起传播声时的变化十 分微小，这对信号采集及后续信号调理与处理提出了很高的要求。本文以超声理论 与声弹性理论为基础，以4 5 # 钢为应力测试对象，结合d s p 技术与信号处理技术， 设计了包括超声收发电路模块、高速信号采集模块、t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 最小系统模块的 超声应力测试系统，并提出了基于小波技术的超声信号波至时刻检测函数。并利用 所设计的超声收发电路模块，采用5 m h z 超声直探头，对加工的应力测试试件在万 能拉伸试验机上进行了初步应力试验。 论文的主要研究工作包括： ( 1 ) 阐述了超声应力检测的现状、本文的研究意义及超声应力测量的发展趋势。 在超声波理论及声弹性理论的基础上，分析了轴向超声纵波传播声时变化量与轴向 应力之间的关系。 ( 2 ) 设计了超声轴向应力检测的超声收发硬件电路模块，包括控制电路、m o s 管驱动电路、激励电路、限幅电路、运放电路及电源电路，并对超声激励原理及各 电路关键参数进行了分析。 ( 3 ) 设计了高速超声信号采集电路模块，包括差分驱动电路、a d 电路、f i f o 电路及电源电路。 ( 4 ) 设计了以d s pt m s 3 2 0 c 6 7 1 3 最小系统为主的控制与信号处理单元，包括： 电源电路、复位电路、时钟电路、e m i f 总线接口电路和j t a g 接口电路。 ( 5 ) 提出了一种基于连续小波变换的超声回波信号波至点检测函数，并且在p c 机上用m a t l a b 7 0 对超声信号进行了仿真与处理，对波至点检测函数的有效性进行 了验证。 ( 6 ) 以由4 5 # 钢为原材料加工的拉伸试件为试验对象，选用5 m h z 超声直探头， 基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的超声应力测试系统设计 利用所设计的超声收发电路模块在万能拉伸机上进行超声应力测试试验，并在p c 机上对所采集存储的试验数据进行了分析处理。 关键词：超声，应力检测，d s p ，t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 i i 江苏 大 学硕士学位论文 a b s t r a c t s t r e s st e s t i n ga n da n a l y s i so fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e si si m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l e t h a t sb e c a u s et h e s a f e t y c o n d i t i o n so fe n g i n e e r i n gc o m p o n e n t sc a nb er e f l e c t e d t h r o u g hi t si n t e r n a l s t r e s ss t a t e a so n eo ft h em o s tp o t e n t i a ls t r e s sm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e ，u l t r a s o n i c s t r e s sm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e da n d d e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s f o ra c o u s t o e l a s t i ce f f e c ts o u n di saw e a ke f f e c t ，c h a n g ei nt h et i m eo fa c o u s t i c p r o p a g a t i o nc a u s e db yc h a n g ei ns t r e s si sv e r ys m a l l t h e nt h er e q u i r e m e n to ns i g n a l a c q u i s i t i o n ，s i g n a lc o n d i t i o n i n ga n dp r o c e s s i n gi sr a i s e du p i nt h i st h e s i s ，b a s e do n u l t r a s o n i ct h e o r ya n da c o u s t o e l a s t i c i t yt h e o r y , a s4 5 # s t e e lf o rt h es t r e s st e s t i n go b j e c t ， c o m b i n i n gt h ed s pt e c h n o l o g ya n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , as e to fu l t r a s o n i cs t r e s s m e a s u r e m e n ts y s t e mi sg i v e no u t ，w h i c hi n c l u d e st h eu l t r a s o n i cr e c e i v e t r a n s c e i v e rc i r c u i t ， t h eu l t r a s o n i cs i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i t ，t h em i n i m u ms y s t e mc i r c u i to ft m s 3 2 0 c 6 713 d s em e a n w h i l e ，an e wa r r i v a lt i m ed e t e c t i o nf u n c t i o no fu l t r a s o n i cs i g n a lb a s e do nt h e w a v e l e tt r a n s f o r mi ss h o w ni nt h i st h e s i s w i t ha5 m h zu l t r a s o n i cn o r m a lp r o b e ，ai n i t i a l s t r e s sm e a s u r e m e n ti sc a r d e do u to nt h eu n i v e r s a ls t r e s st e s t i n gm a c h i n e t h em a i nr e s e a r c ho ft h i st h e s i si n c l u d e s ： ( 1 ) e x p o u n d i n g t h ep r e s e n ts i t u a t i o no fu l t r a s o n i cs t r e s st e s t i n g ，r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e o ft h et h e s i sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fu l t r a s o n i cs t r e s st e s t i n g b a s e do nu l t r a s o n i c t h e o r ya n da c o u s t o e l a s t i c i t yt h e o r y , i ti sa n a l y z e dt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea x i a l s t r e s sa n dt h ea x i a lv a r i a t i o no fu l t r a s o n i cl o n g i t u d i n a lw a v ep r o p a g a t i o nt i m e ( 2 ) d e s i g n i n gu l t r a s o n i cr e c e i v e t r a n s c e i v e rc i r c u i t ，w h i c hi n c l u d e sc o n t r o lc i r c u i t ， m o s d r i v i n gc i r c u i t ，e x c i t a t i o nc i r c u i t ，l i m i t e rc i r c u i t ，o p e r a t i o n a la m p l i f i e rc i r c u i t ，p o w e r c i r c u i t p r i n c i p l e so fu l t r a s o n i ce x c i t a t i o nc i r c u i ta n de a c hc i r c u i tk e yp a r a m e t e r sa r ea l s o a n a l y z e d ( 3 ) d e s i g n i n gu l t r a s o n i cs i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i t ，w h i c hi n c l u d e s ：d i f f e r e n t i a ld r i v i n g c i r c u i t ，a dc i r c u i t ，f i f oc i r c u i ta n dp o w e rc i r c u i t ( 4 ) d e s i g n i n gt h ec o n t r o la n ds i g n a lp r o c e s s i n gu n i to ft h em i n i m u ms y s t e mc i r c u i to f t m s 3 2 0 c 6 713 ，w h i c hi n c l u d e s ：p o w e rc i r c u i t ，r e s e tc i r c u i t ，c l o c kc i r c u i t ，e m i fc i r c u i t a n dj t a gc i r c u i t ( 5 ) an e wa r r i v a lt i m ed e t e c t i o nf u n c t i o no fu l t r a o s o n i cs i g n a lb a s e do nt h ew a v e l e t t r a n s f o r mi ss h o w na n de m u l a t i o nu l t r a s o n i cd a t ap r o c e s s i n gu s i n gt h i sf u n c t i o ni sd o n e i i i 基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的超声应力测试系统设计 w i t h 队t l a b 7 0o i lp c ( 6 ) w i t ha5 m h zu l t r a s o n i cn o r m a lp r o b e ，a l li n i t i a ls t r e s st e s t i n gi sd o n eu s i n gt h e u l t r a s o n i cr e c e i v e t r a n s c e i v e rc i r c u i t i ti sd o n eo nt h eu n i v e r s a lt e n s i l et e s t i n gm a c h i n e w i t ht h et e s ts a m p l e sm a d eo f4 5 # s t e e l t h e nt h et e s td a t ai sa n a l y z e da n dp r o c e s s e do n t h e p c k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ，s t r e s st e s t i n g ，d s p ，t m s 3 2 0 c 6 713 江苏大学硕士学位论文 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 第四章 4 1 4 2 4 3 目录 绪论 研究背景及意义1 超声应力检测方法概述2 超声应力检测技术国内外的发展状况3 本论文研究的主要内容4 超声轴向应力检测的理论基础6 超声波理论6 2 1 1 超声波6 2 1 2 超声场的物理量6 2 1 3 圆形压电晶片声源的超声场7 2 1 4 超声波传播特性10 基于声弹性理论的轴向超声应力测量1 0 2 2 1 声弹性理论10 2 2 2 超声波传播速度与应力的关系1 1 2 2 3 超声轴向应力测量理论公式推导1 3 本章小结1 6 超声应力测试系统的总体方案1 7 超声应力试验设计1 7 超声应力测试系统硬件总体设计1 7 超声信号声时的软件测量18 本章小结1 9 超声应力测试系统的硬件设计2 0 超声收发射硬件电路设计2 0 4 1 1 超声探头选取2 0 4 1 2 超声探头激励信号的选择2 1 4 1 3 超声探头的发射电路设计2 2 4 1 4 接收电路设计2 5 高速数据采集模块硬件电路设计2 9 4 2 1差分驱动电路设计2 9 4 2 2a d 电路设计3l 4 2 3f i f o 电路设计3 3 4 2 4 电源电路设计3 4 d s pt m s 3 2 0 c 6 7 1 3 最小硬件系统电路设计3 5 v 基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的超声应力测试系统设计 4 3 1 】 ：i s pt m s 3 2 0 c 6 7l ：；：；： 4 3 2电源电路设计3 8 4 3 3 复位电路设计4 0 4 3 4 时钟电路设计4 2 4 3 5j t a g 接口设计4 2 4 3 6 存储器接口电路设计4 3 4 3 7t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 与液晶模块的接口电路设计4 5 4 4 系统抗干扰设计4 6 4 4 1 电源扰动的解决4 6 4 4 2 印刷电路板的抗干扰设计4 7 4 5 本章小结4 9 第五章系统软件设计5 0 5 1t m s 3 2 0 c 6 7 13 初始化配置5 0 5 1 1 系统p l l 和时钟逻辑设置5 0 5 1 2g p i o 模块初始化j 5 l 5 1 3f l a s h 引导装载5 3 5 2 超声回波信号的波至检测函数设计5 4 5 2 1小波变换分析5 4 5 。2 2 超声回波信号波至检测5 6 5 3本章小结6 0 第六章超声轴向应力测试试验6 1 6 14 5 # 钢的拉伸特性6 l 6 。2 拉伸试件的加工6 1 6 3 超声收发电路调试6 2 6 4 声时应力拉伸试验6 5 6 5声时应力拉伸试验数据处理与分析6 6 6 6 本章小结6 8 第七章结论与展望6 9 7 1 结论6 9 7 2展望6 9 参考文献7 0 致谢7 ：i 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目7 4 v l 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 应力检测和分析一直是工程结构中不可缺少的重要环节，它们在工业生产、国 防和航空航天以及交通运输等领域中具有十分重要的作用。例如轧辊内部的应力不 仅对其使用寿命有影响，而且还直接影响着轧机的稳定性以及产品的质量，轧辊在 使用前和使用过程中发生的失效大多与应力过高有关【l 】；工程中使用的螺栓，其预紧 力过大或过小都会导致设备的损坏和严重的事故发生【2 】：无缝钢轨巨大纵向温度应 力，会在扣件阻力小或路基条件较差的区域内释放能量，当能量较大时，会发生胀 轨跑道，造成重大交通事故【3 1 。 目前工程实践中常用的应力测试方法【4 】【5 】【6 】有电阻应变片法、巴克豪森法、x 射 线法。其中电阻应变片传感器仅能反应被测试件的表面应力，且应力片的粘合剂在 长期使用中会产生老化现象，引起许多误差；巴克豪森法受金属材质内部组织的影 响较大，且只能进行极薄层的表面应力测量；而x 射线法也只能进行几十微米的浅 表层应力测量。但是很多情况下人们需要了解试件内部的应力，以正确判断构件的 质量及关键设备的运行情况，防止重大事故的发生。 超声波应力检测是利用材料的声弹性效应【4 】，通过准确测定超声波在构件内传播 速度的变化得出应力分布，可以直接对实际构件进行表面应力和内部应力的无损检 测，且对人体没有伤害。超声应力检测技术具有实时性，非介入测量等优点，因而 在近年来得到了广泛的发展和应用。 但由于超声波的声弹性效应是一种弱效应，应力变化引起的声速变化相当小【5 】， 这对信号采集及后续信号调理与处理提出了很高的要求。传统超声应力检测仪是基 于模拟技术，声时测量主要是通过硬件电路对超声信号的整形和甄别来实现的。对 超声信号的整形，可以降低对后续信号处理电路的硬件要求，但它牺牲了对超声回 波信号波达时刻的准确甄别并且容易造成硬件电路的误触发。 d s p 也称为数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片的内 部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作， 提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。其结构和速度 上的优势提供了软件上实现超声始波与回波时刻甄别的可能，适用于超声应力检测。 另外，随着半导体工艺的进步，r a m 、f l a s h 等存储芯片的密度和容量越来越大， a i d 转换速度越来越快，精确度越来越高，这些都大大促进了超声信号处理技术的 基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的超声应力测试系统设计 发展。 随着微电子技术、计算机技术、信号处理技术的发展，开发研制具有智能化、 实时化、自动化的超声应力检测技术及仪器已经成为当今超声应力检测的一种发展 趋势。 1 2 超声应力检测方法概述 超声波应力检测原理是材料的声弹性效应，即施加在材料上的应力变化引起材 料中的超声波传播速度的变化。可以通过测定材料中超声波波速的变化量来获得材 料的应力。目前超声波测试残余应力主要应用在三方面：( 1 ) 测量热残余应力：( 2 ) 测量螺栓应力；( 3 ) 测量焊接应力【7 】o 现有的超声波应力测量技术主要包括以下六种【1 】【7 】【8 】： ( 1 ) 声双折射法 用声双折射技术进行应力评估的原理是根据施加在材料上的内应力会引起材料 的声学各向异性，平行和垂直于应力方向偏振的横波在材料内沿垂直于周向应力的 方向传播。两波的速度差与应力值和由材料性能引起的各向异性成比例。如果材料 的各向异性已知，那么就可以算出应力值。 ( 2 ) 表面波法 表面波适用于评价试件表面和次表面的材料特性。测定试件表面应力的原理是 根据半无限体在弹性应力作用下表现出的弹性各向异性，可求出平面上表面波速度 与表面应力的关系。 ( 3 ) 纵波法 试块 一一一一一一- | 试块 一一一一一一- 卜一一一一一一一一一 ( a ) 双探头模式( b ) 单探头模式 图1 1 超声纵波应力检测法 超声检测中应用较为广泛的是超声纵波法，亦即本系统采用的超声应力检测方 法。测量时采用直探头发射纵波并且保持超声波束垂直入射至试件的探测面。此方 法适用于测量具有相对端面且两端面距离较近物体的法向应力，利用在物体内部传 播的超声波参量来表征应力情况。超声纵波应力检测示意图如图1 1 所示4 2 1 ，其中( a ) 为双探头检测模式，( b ) 为单探头检测模式。 2 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 电磁超声法 电磁声换台皂器( e m a t ) 是一种在金属表面不需要任何机械( 液体) 耦合就能产生体 纵波、横波、r a y l e h 波、l a m b 波和表面波的超声换能器。由于不需要任何液体耦合， e m a t 可以在高温和高速扫描情况下工作。因为产生超声波时是一个电流控制的操 作，所以不同的e m a t 需要不同的驱动电路，而且也不能用于非金属材料的测量。 ( 5 ) 激光超声法 激光超声是利用激光束来产生和测量超声，并开展超声传播研究和材料特性无 损评估的新兴学科。与传统的压电换能器技术相比，激光超声最主要的优点也是非 接触测量，它消除了压电换能器技术中的耦合剂的影响，可用于各种较复杂形貌试 件的特性测量，加上它是一种宽带的测量技术，并能利用光波波长为测量标准而实 现精确测量超声位移。 ( 6 ) 临界折射纵波法 纵波以第一临界角入射时产生的特殊模式就是临界折射纵波。它在试件表层一 定深度内传播，兼有表面波和体波的特性，在一些特殊应用方面具有比传统的表面 波和体波更优的性能。 基于超声波的应力检测具有以下特点： 1 ) 可以无损地测量实际构件的表面应力和内部应力； 2 ) 超声波具有光波一样的良好的方向性，可以实行定向的发射和接收； 3 ) 超声波的穿透能力很强，在一些金属材料中，其穿透能力可达数米； 4 ) 对铁磁性材料采用电磁换能器，可以不接触实际构件进行应力检测； 5 ) 可以根据需要方便地改变应力测试点，测量构件不同部位的应力。 1 3 超声应力检测技术国内外的发展状况 超声应力测量技术是1 9 5 6 年b e r s o nr w 和r a e l s o nvj 提出的【1 0 】。之后许多学者 作了大量研究，如g e o r g ec j o h n s o n 建立了适用于弹塑性变形介质的声弹性公式】， 日本名古屋大学的m h a s e g a w a 和y s a s a k i 利用超声横波双折射法测试木材中的应力 【1 2 】，美国的r a y m o n d s c h a r a m m 对火车车轮的应力进行了超声测量【1 3 1 ，h f u k u o k a 用 回振法测得了嵌焊圆盘的残余应力分布【1 4 1 等。超声应力测量最早仪器化是螺栓应力 的测量，早在1 9 7 9 年第九届世界无损检测会议上，日本、波兰就介绍了超声波测量 螺栓应力的方法。美国s t r e s st e l 公司的b o l t m i k es mi i 型螺栓应力测试仪、比利时 s d t 公司的s d t 2 5 0 0 型螺栓紧固控制仪等仪器，其测量精度更高，达到纳秒级精 度，已经在许多国外航空、航天、汽车、石化工业中得到广泛应用。另外，应用于 3 基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的超声应力测试系统设计 实际的应力测试仪器还有德国f r a n k r i n n ，i m l 公司生产的电子锤( e l e c t r o n i c h a m m e r ) 和a r b o t o m ，美国生产的j a m e s v 、匈牙利的f a k o p p ，德国的p i c u s s o n i ct o m o g r a p h 等。 我国的超声应力测量技术起步较晚，直到上世纪7 0 年代末才有相关的报道，理 论研究和实验工作相对比较落后。郑州机械研究所从1 9 7 8 年起开始进行超声测应力 的初步研究，1 9 8 0 年用组合仪器完成了对超声测定螺栓应力的方法研究【1 5 】。上海同 济大学声学研究所在国家“七五”攻关项目资助下，承担了秦山3 0 万千瓦核电站设备 的超声波螺栓应力仪的研制工作 7 1 。中国科学院声学研究所在超声波应力检测方面做 过许多基础性的研究，在超声波材料及器件研究方面取得了不少成果【6 1 。华南理工大 学利用激光超声测量h 型钢梁的残余应力，可用于较远距离遥控测量，还适合高温、 有腐蚀性等恶劣环境的测量，但还处于实验研究阶段【9 1 。浙江大学对基于超声纵波的 螺栓紧固力测量有一定的研刭1 6 】。天津大学与江苏科技大学也在进行应力测量技术 方面的研究。 1 4 本论文研究的主要内容 本文以超声理论与声弹性理论为基础，以4 5 # 钢为应力测试对象，根据国内外应 力测量技术的发展现状，结合d s p 技术与信号处理技术，设计了包括超声收发电路 模块、高速信号采集模块、t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 最小系统模块的超声应力测试系统，并提 出了基于小波技术的超声信号波至点检测函数。利用所设计的超声收发电路模块， 采用5 m h z 超声直探头，在万能拉伸机上对由4 5 撑钢所加工的拉伸试件进行了初步应 力试验。为进一步准确测定超声纵波声时变化量与应力的关系提供了参考。论文研 究的主要内容如下： ( 1 ) 阐述了超声应力检测的现状及本文的研究意义，分析了超声应力的发展趋 势。在超声波理论及声弹性理论的基础上，分析了轴向超声纵波传播声时变化量与 轴向应力之间的关系。 ( 2 ) 设计了超声轴向应力检测的超声收发硬件电路模块，包括控制电路、m o s 管驱动电路、激励电路、限幅电路、运放电路及电源电路，并对超声激励原理及各 电路关键参数进行了分析。 ( 3 ) 设计了高速超声信号采集电路模块，包括差分驱动电路、a d 电路、f i f o 电路及电源电路。 ( 4 ) 设计了以d s pt m s 3 2 0 c 6 7 1 3 最小系统为主的控制与信号处理单元，包括： 电源电路、复位电路、时钟电路、e m i f 总线接口电路和仿真接口电路。 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 提出了一种基于连续小波变换的超声回波信号波至点检测函数，并且在p c 机上用m a t l a b 7 0 对超声信号进行了仿真与处理，对波至点检测函数的有效性进行 了验证。 ( 6 ) 以4 5 # 钢为原材料加工超声应力试验的拉伸试件为试验对象，选用5 m h z 超声直探头，利用所设计的超声收发电路模块在万能拉伸机上进行超声应力测试试 验，在p c 机上对所采集存储的试验数据进行分析处理。 5 基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的超声应力测试系统设计 第二章超声轴向应力检测的理论基础 2 1 超声波理论 2 1 1 超声波 超声波是频率超过2 0 k h z 的机械波。超声波的产生依赖于做高频机械振动的“声 源”和传播机械振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测的物理基础。 超声波能以各种形式传播，介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波为 纵波，介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波为横波，此外还有表面波( 瑞 利波) 、蓝姆波等，在一定条件下，波型可以相互转换【1 7 1 。超声波作为一种特殊的声 波，同样具有声波传输的基本物理特性反射、折射、干涉、衍射。超声波具有 频率高、波长短、绕射现象小，定向传播等特点。 利用超声波进行检测往往迅速、精度高、方便，并且容易做到实时控制。由于 其振幅小，不会损伤被检器件，可实现无损检测的目的；同时，超声波对人体和环 境是无害的。因此，超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 2 1 2 超声场的物理量 充满超声波的空间或超声振动所涉及的介质部分称为超声场。从物理学的观点 来看，超声场是没有边界的，但是被测对象都有一定的范围、尺寸和形状，因此我 们主要研究距离辐射源有一定距离或范围的超声场。 常用的描述超声场的物理量有：声压、声强、声阻抗等【1 8 】【1 9 1 。 ( 1 ) 声压p 当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声 场中某一瞬时所具有的压强只与没有超声波存在时同一点的静态压强昂之差为该点 的声压，用表示尸，单位为帕斯卡砌，即 p = 墨一e o ( 2 1 ) ( 2 ) 声阻抗z 超声波在介质中传播时，任一点的声压尸和该点的振动速度y 之比，称为声阻 抗z ，单位为g l ( c m 2 s ) ： z ：一p = p c ( 2 2 ) v 声阻抗是一个重要的声场特性，表示在超声场中介质对质点振动的阻碍作用。 6 江苏大学硕士学位论文 在同一声压下，介质的声阻抗越大，质点的振动速度就越小。当超声波由一种介质 传入另一种介质，或是从介质的界面上反射时，主要取决于这两种介质的声阻抗。 在所有传声介质中，气体、液体和固体的声阻抗相差较大，试验证明，气体、液体 与金属之间的特性声阻抗之比大约为1 ：3 0 0 0 ：8 0 0 0 。 ( 2 ) 声强， 在超声场的传播方向上，单位时间内介质中单位截面上的声能称为声强，用，表 示，单位为w e m 2 。以平面纵波在均匀的各向同性固体介质中传播时，有： 1 ，= 二p c a 2 国2 ( 2 3 ) 2 。 其中，p 为介质的密度，c 为介质中的声速，彳为介质质点振幅，缈= 2 n f 为介质质 点振动的圆频率。可见，超声波的声强正比于质点振动位移幅值的平方，正比于质 点振动角频率的平方。超声波的频率越高，其强度( 能量) 越大。 2 1 3 圆形压电晶片声源的超声场 超声检测中使用的超声波探头，主要部件是用压电材料做成的压电晶片，压电 晶片的两表面涂有导电银层作为电极，使晶片表面上各点具有相同的电位。将晶片 接于高频电源时，晶片两面便以相同的相位产生拉伸或压缩效应，发射超声波的晶 片恰如活塞往复运动一样辐射出声能。因此，它相当于个活塞声源，通常将直探 头所产生的超声场作为圆形活塞声源来处理。理想的圆盘声源是指圆形平面的声振 动源，当它沿平面法线方向振动时，其面上各点的振动速度、幅值和相位都相同， 发射的波称为活塞波。 ( 1 ) 圆盘声源轴线上的声压分布 y 图2 1 圆盘声源远场中任一点的声压推导 如图2 1 所示【1 8 】，根据叠加原理，圆盘声源轴线上任何一点处的声压等于声源上 各点辐射的声压在该点的叠加。如果声源发出的波为连续简谐波，并假定介质为无 衰减的液体介质，则可推出声源轴上声压幅值尸的分布符合下式： 7 基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的超声应力测试系统设计 删n 瞰厣一x 式中： r 为声源的起始声压； d 为圆盘声源的直径； 兄为传声介质中声波的波长； 石为圆盘声源轴线上某一点距声源的距离。 声轴线上最后一个声压极值点至声源的距离称为近场长度， ：堡一兰 ( 2 4 ) 其表达式为： ( 2 5 ) 当d 允时， 可以忽略，从而得到近场长度的简化计算公式如下： 4 一9 2 ：丛 ( 2 6 ) 4 2砌 其中，a 为晶片面积。 、户球 p 0q 5 n 抖 5 n t 讲 近场区远场区 ， 图2 2 圆盘声源轴线上的卢压分布 在声场中，称x n 的区域为声源的远场区。 如图2 2 中标有尸球的虚线为球面波声压随距离的变化曲线【2 0 】，可以看出，距离大 于3 n 以后，圆盘声源声轴上的声压幅值变化与球面波的曲线非常接近。 ( 2 ) 指向角与扩散性 根据叠加原理，可将在空间中距声源有一定距离的任一点的声压，看做是声源 上各点的辐射声压的叠加，从而得到声场内声压幅值的分布情况。超声场中超声波 的能量主要集中于以声轴为中心的某一角度范围内，这一范围称为主声束。这种声 束集中向一个方向辐射的性质叫做声场的指向性。在主声束角度范围以外还存在一 些能量很低的、只分布于声源附近的副瓣声束。 江苏大学硕士学位论文 图2 3 圆盘声源声场指向性示意图 在与声源相距，( ，远大于声源尺寸d ) 处有一个声压正好为零的方向，这个方 向与中心轴之间的夹角o o 可用来表示声束的指向性，称为指向角，如图2 3 所示【1 6 】 【2 0 】 o 当声源为圆形活塞声源且直径为d 时，用指向角醌来描述主声束宽度( 又称半 扩散角) ： s i n o o = 1 2 2 考 ( 2 7 ) 当d 力时，可简化为： 8 0 = 1 2 2 去 ( 2 8 ) 指向角是代表主声束范围的角度，反映了声束的定向集中程度，也反映了声束 随距离扩散的快慢。指向角越大，则声束指向性越差，声束扩散越快。声源的直径 越大，波长越短，则声束指向角越小，指向性越好。 f 1 n ! 钐硼 了陇筮 l 赵z 一 6 。l 矗 非扩散区扩散区 图2 4 圆盘声源菲扩散区示意图 由于超声能量主要集中于主声束，对于圆形晶片，可以认为在距声源一定距离 内，超声能量未逸出晶片直径所约束的范围，声束直径小于晶片直径，如图2 4 所 示【1 6 】。这一距离之内就称为非扩散区。非扩散区之外，则称为扩散区。按几何关系， 可得到非扩散区的长度b 为： b 1 4 6 n ( 2 9 ) ( 3 ) 超声脉冲波的声场 9 、 基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的超声应力测试系统设计 在对声场理论分析时，通常假定声源是均匀、连续激发的。而在实际超声应力 检测中，应用最为广泛的是脉冲波。脉冲波是持续时间很短的波动，因而，由同一 声源表面上各个单一点源辐射的脉冲子波到达声场某一点的时间可能不同。所以， 它们可能不产生干涉或只产生不完全干涉，且脉冲宽度越窄，干涉越小。从而与连 续波相比，在近场轴线区，脉冲波的空间干涉现象减弱了，声场中声压的波动较小。 在远场轴线区，由于至波源的距离足够远，波源各点至轴线上某点的波程明显减少， 从而使波的干涉大大减弱，甚至不产生干涉，从而脉冲波声场与连续波声场分布基 本一致，可以沿用连续波的计算结果。一般来说，脉冲波持续时间越长，即脉冲包 络中所含的波数越多，声场越接近于连续波声场。 2 1 4 超声波传播特性 超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，不改变方向。但遇到异介质 界面( 即声阻抗差异较大的异质界面) 时，会产生反射和透射现象。当超声波垂直 入射到两种介质的界面时，一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波，波 的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传播， 成为反射波。反射波声压e 与入射波声压层的比值称为声压反射率厂，透射波声压 和只的比值称为声压透射率f 。反射率厂和透射率f 的数学表达式分别为【1 9 】： ，：曼：z 2 一z ! ( 2 1 0 ) 民z 2 + zl 归曼：上生( 2 1 1 ) 昂z 2 + z l 式中，z l 为第一介质( 入射侧) 的声阻抗，z 为第二介质( 透射侧) 的声阻抗。由 式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 可知，若z l = z 2 ，则r = 0 ，f = 1 ，此时超声波没有反射，全 部从第一介质透射入第二介质。若z 2 z l ，则超声波在界面上几乎全反射，透射极 少。若z 2 o ) j ，m 三阶弹性常数 令2 a = 圪受轴向应力后的超声纵波波速 ( 4 2 + 1 叩嘲) 竽m 2 ， p o ( 3 五+ 2 ) 则上式可转化为： 嘭= v 。2 ( 1 2 a o - ) ( 2 2 2 ) 经实验测定和理论推算可知a 约为1 0 5 m p a = 1 0 。1 1m 2 n 2 4 1 ，作二级近似可简化 为 = v o ( 1 - a c t ) ( 2 2 3 ) 式中，彳是比例系数。负号表明沿轴向应力方向传播的超声纵波的速度将随应 力增大而减小。 ” 在实际应用中声速的测量是通过声时和材料长度来测定的。一方面不仅沿拉伸 应力方向的声速将会随应力的增大而减小，同时受紧固力的作用，材料的长度也会 产生微小的变化；另一方面，温度的变化也会同时引起声速和材料轴向长度的变化【2 4 1 【2 5 】 o 由于应力的作用，材料的长度也将有微小变化： 乙= 厶( + 暑) 眩2 4 ) 式中，厶仃= 0 时的材料轴向长度 乙仃 0 时的材料长度 e 辛才料材质的弹性模量 温度的变化对声速度的影响可表述为： 形= 圪 1 - o t ( t t o ) ( 2 2 5 ) 式中，圪- 温度为时，超声波的波速 形温度为t 时，超声波的波速 1 4 江苏大学硕士学位