超声波专题实验.doc

实验一 超声波的产生和传播规律计划学时：4学时预备知识：弹性波的基本特性。实验难点：理解压电效应、波形转换的概念；掌握脉冲波的传播特点和测量方法；区分探头的固有回波和反射体回波。1 超声波产生的方法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、磁致伸缩效辱、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。其物理机理如图1.1所示。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。图1.1 石英晶体的压电效应用于生产和接收超声彼的材料一般被制成片状（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，如图1.2所示。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，波的频率与品片的材料和厚度有关。图1.2 脉冲超声波的产生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。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。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，振动质点的轨迹为一椭圆，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，质点振动的振幅已经很微弱了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。常用的超声波探头有直探头和斜探头两种，其结构如图1.3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。1一外壳2品片3-吸收背衬4-电极接线3-匹配电感6-接插头7a-保护膜7b-斜楔图1.3 直探头和斜探头的基本结构(a)直探头(b)斜探头在本系列实验中，还使用了一种可变角探头，如图1.4所示。其中探头芯可以旋转，通过改变探头的入射角得到不同折射角的斜探头。当=0时成为直探头。图1.4 可变角探头示意图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。探头的工作方式有单探头和双探头两种。使用单探头时，探头既用来发射超声，又用来接收超声。这时必须使用连通器把实验仪的发射接口和接收接口连接起来。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。使用双探头方式时，一个探头用来发射超声，而另一个探头用来接收超声。采用这种方式一般看不到发射脉冲波形，但是由于发射电压很高，有时会有感应信号。2 脉冲声波传播时间、中心频率和波长测量实验内容：（1）观察反射回波；（2）测量射频超声波和检波超声波的时间读数差；（3）测量超声波的频率和波长。当超声波探头产生脉冲声波后，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。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输出，在示波器上以射频方式或检波方式显示出来，如图1.5所示。脉冲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，脉冲波的振幅与反射体的大小有关。从图1.5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。脉冲波可以看成由多个频率成分的连续波叠加而成，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。图1.5 测量脉冲波传播时间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：（l）对于射频输出的脉冲波，测量其脉冲峰值对应的时间；（2）对于检波输出的脉冲波，测量其前沿对应的时间。如图1.5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）。（l）观察反射回波如图1.6所示：图1.6 观察反射回波a) 把直探头放在位置l，观察大平底对纵波反射的多次反射回波（反射底波），同时观测直探头始波附近的固有回波（结构回波）。其中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。b) 把斜探头放在位置2，适当减少探伤仪的衰减读数，前后移动探头，观察20mm深A( DI通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。c) 把可变角探头放在位置3，先使探头入射角最大，适当减少探伤仪的衰减读数，这时只能看到探头的固有回波；然后减小入射角，可以看到在固有波后面出现回波：使后出现的回波幅度增大到满幅的90%左右，用手在探头前方试块面上反复按压，可以看到波的幅度发生变化。这样就可以观察沿试块表面传播的表面波反射回波。（2）测量射频超声波和检波超声波的时间读数差把直探头放在图1.6位置1处，调节实验仪的衰减，使大平底的一次回波幅度达到满幅的80。a) 观察射频输出回波，测量其最大幅值对应的时间。b) 观察检波输出回波，测量其前沿幅度为最大幅值一半处对应的时间。（3）测量超声波的频率和波长 a) 参照图1.6,把直探头、斜探头和可变角探头分别放在位置1、2和3处，并且使可变角探头产生表面波；观察三种探头对试块边界或人工反射体的反射回波，直接测量其振动频率。 b) 已知钢试块中纵波、横波和表面波的传播速度分别是5900m/s, 3270m/s和2990m/s，计算纵波、横波和表面波的波长。3 波形转换实验内容：(1) 观察波型转化过程；(2）观察迟到波波形。图1.7 波型转换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，如图1.7所示。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利用波型转换得到的，例如斜探头和可变角探头。（1) 观察波型转化过程把可变角探头放在图1.6位置3处，并使探头的入射点（超声波进入被测工件的位置）基本与试块两圆弧圆心重合。当超声波传入试块后，声波可以同时被R,和凡圆弧面反射，在示波器上可以看到反射回波F1和F2如图1.8所示。声波在探头与两个圆弧间往复传播的声程（超声波传播距离）差是固定的，因此反射回波F1和F2对应的时间差（t1-t2）仅与声速有关。己知钢试块中纵波、横波和表面波的速度分别是5900m/s, 3270m/s和2990m/s.则对于三种波型测量得到的时间差分别是：17us, 31us和33us。由此可以判断出现的回波是纵波？横波？或者表面波？a) 把可变角探头的入射角调整为0，使超声波入射在试块两个圆弧R1和R2的下部边缘，观察反射回波，测量t1和t2，确定其波型（纵波）。b) 增大可变角探头入射角，注意回波幅度的变化。当入射角达到某一值后，纵波的幅度会减小，在其后面又会出现两个回波，并且幅度不断增大。测量新出现的两个回波对应的时间差，确定其波型（横波）。c) 可变角探头入射角增加到某值时，纵波消失，只剩横波。d) 可变角探头入射角继续增加，横波幅度减弱并消失，在此过程中又会出现两个回波，测量其时间差，确定波型（表面波）。图1.8 RI、RZ圆弧对超声波的反射（2）观察迟到波波形当纵波直探头发射的超声波沿狭长路径传播过程中，如图1.9（a),由于声束是发散的，有一部分声波以较大的入射角传播到试块的侧壁而发生反射，反射的声波既有反射纵波又有波型转换后的反射横波。其中反射横波在传播中还可能发射多次反射或波型转换，最后返回被探头接收；由于这一部分声波在传播过程中有横波传播过程，而横波的声速远小于纵波的声速，因此它的传播时间要大于完全纵波反射的声波，在示波器上看到它在底面反射回波后面出现，我们称它为迟到波，如图1.9(b)所示。根据声波传播的路径，只有最后能够返回到探头位置的迟到波才能被探头接收；因此我们观察到的迟到波不是连续的。同时，从图中可以看到多个迟到波，它们分别对应于多次横波反射。通过计算可以发现，迟到波的间距基本上是相等的，并且该间距与试块狭长方向的宽度有关。 (a) 迟到波传播路径 (b) 迟到波波形图1.9 观察迟到波波形实验二 超声波在界面上的反射和折射计划学时：4学时预备知识：弹性波的基本特性，波形转换。实验难点：正确区分反射横波与反射纵波、折射横波与折射纵波：误差分析。1 斯特令定律当超声波传到异质界面（即声阻抗值不同的两种介质的界面）时，不仅会发生反射和折射现象，而且当两种介质都是固体或其中之一是固体时，纵波和横波之间还可能发生波型转换，同时可能产生表面波。当超声波以入射角按纵波声速或按横波声速C传到异质界面后，反射角或折射角满足以下斯特令折射定律：反射： （2.1a）折射： （2.1b）其中，和分别是纵波反射角和横波反射角；和分别是纵波折射角和横波折射角；CIL和CIS分别是第1种介质的纵波声速和横波声速；C2L和C2S分别是第2种介质的纵波声速和横波声速。在斜探头或可变角探头中，有机玻璃斜块或有机玻璃探头芯的声速C小于钢中横波声速CS,而横波声速Cs又小于纵波声速CL。因此，根据公式(2.1b)，当大于： （2.2）时，钢介质中只有折射横波；而当大于： （2.3）时，钢介质中既无纵波折射，又无横波折射。我们把，称为有机玻璃入射到有机玻璃钢界面上的第一临界角；称为第二临界角；2 折射实验实验内容：（1）纵波入射，测量纵波折射角，并验证折射定律；（2）纵波入射，测量横波折射角，并验证折射定律。利用可变角探头可以直接测量超声波从有机玻璃中的入射角和在钢试块中的折射角，然后验证公式(2.1b)。入射角和折射角的测量方法如下：第一步：参考图2.1(a),把可变角探头的入射角调整到适当的范围内。例如，测量纵波折射时，入射角为20左右；测量横波折射时，入射角为35左右。第二步：把探头放置在试块圆弧的圆心附近，观察R1和R2的反射回波。前后移动探头，使反射回波最大。第三步：测量探头前沿到试块端点的距离L1，进而得到探头的前沿距离L0=R2-L1。第四步：根据前沿距离测量探头芯中三角形的两个直角边H和S,进而计算入射角。第五步：参考图2.1（b），把探头分别对准H1和H2深1的标准通孔，找到最大反射回波。第六步：平移线段，得到三角形的两个直边H和S，进而计算折射角。第七步：验证公式（2.1b）。(a) 测量入射角 (b) 测量折射角图2.1 可变角探头折射角测量3 反射实验 实验内容：（1）测量横波反射角；并验证反射定律（2）测量纵波反射角以及纵波与横波之间的波型转换，并验证反射定律（选做）。实验方法如图2.2所示。首先把横波探头对准试块的下边沿，找到最大回波后测量距离S1。然后拉开探头与试块边沿的距离，可以看到反射回波变小后右逐渐变大。找到最大点的位置，这时探头发出的超声波在传播中经过了一次底面反射后打在试块的试块的上边沿，然后被返回。测量距离52。可以按下面公式计算反射角： （2.4）已知探头的横波折射角度亦即横波在试块底面反射时的入射角，验证公式（2.1a）。图2.2 横波探头折射角测量从探头的工作原理看，纵波斜探头产生的条件是超声波在有机玻璃中的入射角必须小于第一临界角。这时，探头除了能产生纵波之外还产生了横波。并且在纵波或横波的反射过程中会产生波形转换。因此，在验证纵波的反射定律中，关键在于确定反射回波的性质。实验纵波反射时可以采用双探头工作方式，即一个可变角探头发射超声波，另一个相同角度的探头接收超声波，实验方法如图2.3所示。探头纵波折射角和横波折射角的测量方法同上一节实验的测量方法。发射探头放置在图中A位置，它同时产生折射纵波a和折射横波b：纵波a在试块的底面产生反射纵波。和反射横波e；横波b在试块的底面产生反射横波d和反射纵波丘f和e会聚在探测面同一点D上。B和C是接收探头接收到反射纵波和反射横波的位置。已知探头的折射纵波角度L和折射横波角度S，测量三个接收探头的位置X1，X2和X3。可以按下面公式计算反射角：纵波： （2.5）横波： （2.6）转换纵波： （2.7）转换横波： （2.8）图2.3 纵波和横波的反射与波型转换实验三 超声波测量实验计划学时：4学时预备知识：脉冲超声波的传播特性。 实验难点：正确理解介质的弹性常数与声速的关系。1 声速测量 实验内容：（1）利用直探头测量试块纵波声速；（2）利用斜探头测量试块横波声速；（3）利用可变角探头测量试块表面波声速。声速测量的方法很多，从使用的波形来分有连续波法和脉冲波法。脉冲波的方法又有穿透法和反射法之分。在本实验中，采用的方法是脉冲波反射法。在实验一中己经介绍，脉冲波是由不同频率成分的连续波合成，或者说脉冲波包含有不同成分的连续波。而对于各向同性的介质，声波传播速度与频率无关。因此利用脉冲超声波测量声速不会影响测量的准确性。当超声波探头产生脉冲声波后，通过祸合剂进入介质。如果在传播的路径上遇到介质崎变，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。己知探头与人工反射体或介质界面的距离，通过测量声波传播的时间，则可测量出介质的声速。测量方法如图3.1所示。声速可以按下式计算：其中，L是探头到反射体的距离。图3.1 声速测量示意图a）测量纵波：把直探头置于A位置，调节示波器，显示试块底面的二次回波，测量回波的时间t1和t2。利用式（3.1）计算纵波声速。b）测量横波：把斜探头置于B位置，调节示波器，显示Rl和R2圆弧边界反射回波，动探头，使两个回波同时达到最大值，然后测量回波的时间t1和t2。利用式（3.1）计算横波声速。c）测量表面波：把可变角探头置于C位置，调节探头入射角使其产生表面波；然后调节示波器，找到Rl和R2圆弧上端边界反射表面波，测量回波的时间t1和t2。利用式（3.1）计算表面波声速。2 固体弹性常数实验内容：通过测量试块的纵波声速和横波声速计算试块杨氏模量和泊松系数，并计算其测量误差。超声波速度与传播介质的弹性模量和密度有关，不同的介质，有不同的声速；并且当波型不同时，介质弹性形变形式不同，声速也不一样。在各向同性固体介质中，各种波型的超声波声速为：纵波声速： （3.2）横波声速： （3.3）表面波声速： （3.4）其中E为杨氏模量。为泊松系数，为材料密度。相应地，通过测量介质的纵波声速和横波声速，利用以上公式可以计算介质的弹性常数。计算公式如下：杨氏模量： （3.5）泊松系数： （3.6）其中：，cL为介质中纵波声速，cs为介质中横波声速，为介质的密度。3 超声测长实验实验内容：（1）利用纵波测量试块的宽度和厚度；（2）利用表面波测量R2弧面的长度。长度的测量是超声波测量的主要内容之一。一般地，在超声波测长中，被测物体首先必须是各向同性的，同时物体必须有规则的反射面。如果己知物体的声速，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： （37a）其中，C是试块的声速，t0是探头的延迟，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。相邻两个回波之间的传播时间为声波在界面之间传播时间的两倍。参看图3.1，试块的宽度或厚度为： （37b）其中，t1是第1次反射回波的传播时间，t2是第2次反射回波的传播时间。表面波测量R2弧面的长度方法如图3.2所示，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。测量公式同式(3.7b)。图3.2 表面波测长实验四 超声波探测实验计划学时：4学时预备知识：超声波探头的基本特性。实验难点：正确理解声束扩散的概念；操作时祸合状态在测量过程中要保持一致，读取数据要准确。1 定位原理定位是超声探测的重要内容之一。定位主要是利用超声波探头发射能量集中的特性，同时还要求被测材质的声速均匀。如图4.1所示，超声波在传播过程中能量集中在一定的范围内。在同一深度位置，中心轴线上的能量最大，当偏离中线到位置A、A时，能量减小到最大值的一半。其中角定义为探头的扩散角。越小，探头方向性越好，定位精度越高。图4.1 超声波探头的指向性在进行缺陷定位时，必须找到缺陷反射回波最大的位置，使得被测缺陷处于探头中心轴线上，然后测量缺陷反射回波对应的时间，根据工件的声速可以计算出缺陷到探头入射点的垂直深度或水平跑离。2 探头声束扩散角测量实验内容：（1）测量直探头声束扩散角；（2）测量斜探头声束扩散角。如图4.2所示，利用直探头分别找到B1通孔对应的回波，移动探头使回波幅度最大，并记录该点的位置X0及对应回波的幅度；然后向左边移动探头使回波幅度减小到最大振幅的一半，并记录该点的位置x1；同样的方法记录下探头右移时回波幅度下降到最大振幅一半对应的位置x2；则直探头扩散角为： （4.1）图4.2 探头扩散的测量对于斜探头，首先必须测量出探头的折射角，然后利用测量直探头同样的方法，按下式计算斜探头的扩散角近似为： （4.2）3 直探头探测缺陷深度实验内容：探测C3钻孔的深度。在超声波检测中，可以利用直探头来探测较厚工件内部缺陷的位置和当量大小。在本实验中，使用2.5P20的直探头探测C3钻孔的离探测面的深度。把探头按图4.3位置放置，反射波形如图4.4所示。其中底波是工件底面的反射回波。图4.3 直探头探测钻孔深度图4.4 直探头探测钻孔深度波形方法一：绝对探测法绝对探测法是通过直接测量反射回波时间，根据声速计算出缺陷的深度。第一步：利用试块底面的二次回波测量直探头的延迟时间和纵波声速；第二步：按图4.3找到C3钻孔的最大回波；第三步：提高示波器的分辨率，测量回波的时间；第四步：重复一至三步骤测量，数据处理后计算出C3钻孔的深度。方法二：相对探测法相对探测法是先利用已知深度的反射回波进行深度标定，然后直接从屏幕上读出被测缺陷回波的深度。第一步：利用试块底面的二次回波进行深度标定，如图4.5所示：第二步：按图4.3找到C3钻孔的最大回波；第三步：从示波器上直接读出回波的刻度，根据标定比例换算出回波对应的深度；第四步：重复一至三步骤测量，数据处理后得到C3钻孔的深度。图4.5 直探头标定4 斜探头探测缺陷深度和水平距离实验内容：探测D2钻孔在试块上的位置。在超声波检测中，可以利用斜探头来探测各种焊缝内部的缺陷或