专题实验超声波测试原理及应用.pptx

专题实验
一、实验原理
超声波的产生与传播
1、压电效应
某些固体物质,在压力(或拉力)的作用下产生形变,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,即当对施加电压后会发生变形。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。
石英晶体结构
拉力作用下的极化
晶体的宏观极化
图1-1 石英晶体的压电效应
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(a) 晶体振动
(b) 脉冲波
图1-2 脉冲超声波的产生
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(a)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,波的频率与晶片的材料和厚度有关。
2、脉冲超声波的产生及其特点
用于产生和接收超声波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
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,称为脉冲波,如图1-2(b)所示。
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如果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波。超声波在介质中传播可以有不同形式,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,还能够承受切变变形。当其中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。
3、超声波波型及换能器种类
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横波的横波合成,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率减,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。
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(a)
(b)
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 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
图1-4 可变角探头示意图
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,直探头产生纵波,斜探头产生横波或表面波。另一种可变角探头,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1-5是超声波在试块中传播的示意图。图1-6为示波器接收得到的超声波信号。S称为始波,t0为电脉冲施加在压电晶片的时刻,也是发射超声波始波的初始时刻,B1称为试块的1次底面回波, t1是超声波传播到试块底面,又发射回来,被同一个探头接收的时刻。因此, t1对应于超声波在试块内往复传播的时间; B2 称为试块的2次底面回波,它对应超声波在试块内往复传播到
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4、探头的延迟
S始波
t1
B1
B2
t2
t0
图1-5 脉冲超声波在试块中的传播
图1-6 直探头延迟的测量
试块的上表面后,部分超声波被上表面反射,并被试块底面再次反射,即在试块内部往复传播两次后被接收到的超声波。
1)直探头的延迟
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依次类推,有3次、4次和多次底面反射回波。
当有机玻璃的厚度可以忽略时,探头无延迟,因此,超声波在试块中传播到底面的时间为,如果试块材质均匀,超声波声速C一定,则超声波在试块中的传播距离为。
有机玻璃的厚度不能忽略时,直探头的延迟为。
2)斜探头的延迟
参照图1-7,把斜探头放在试块上,并使探头靠近试块正面,使探头的斜射声束能够同时入射在R1和R2圆弧面上。在示波器上同时观测到两个弧面的回波B1和B2 。测量它们对应的时间t1和t2。由于R1= 2R2,因此斜探头的延迟为: 。
5、超声波的反射、折射与波型转换
在斜探头中,从晶片产生的超声波为纵波,它通过斜楔使超声波折射到
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S始波
t1
R30
t2
R60
图1-7 斜探头延迟的测量
试块内部,同时可以使纵波转换为横波。实际上,超声波在两种固体界面上发生折射和反射时,纵波可以折射和反射为横波,
横波也可以折射和反射为纵波。超声波的这种现象称为波型转换,其