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专 题 实 验
超 声 波 测 试 原 理 及 应 用
实验Z1.1 超声波的产生与传播
实验Z1.2 固体弹性常数的测量
实验Z1.3 超声波的探测
附录A JDUT-2型超声波实验仪原理框图
附录B JDUT-2型超声波实验仪主要性能指标
附录C JDUT-2型超声波实验仪操作说明
专 题 实 验
一、实验原理
实验Z1.1 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
专 题 实 验
（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。
专 题 实 验
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。
专 题 实 验
（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，其图解如图1-8所示。
超声波在界面上的反射、折射和波型转换满足如下斯特令折射定律：
反射：
折射：
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图 1-8 超声波的反射、折射和波型转换
而横波声速 又小于纵波声速 。因此，，根据斯特令折射定律，当 大于： 时，铝介质中只有折射横波；而当 大
于： 时，铝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-铝界面上的第一临界角； 称为第二临界角。
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； 和 分别是第1种介质的纵波声速和横波声速； 和 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，有机玻璃或有机玻璃头芯的声速 小于铝中横波声速 ，
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二、实验内容及要求
1．测量直探头的延迟
利用CSK-IB试块60毫米的厚度进行测量。多次测量，求平均值。
建议：测 6次。
2．测量脉冲超声波频率和波长。
利用CSK-IB试块40毫米厚度的1次回波进行测量。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。
建议：测 6次。
3．波型转换的观察和测量
根据实验室提供的仪器选择3的实验内容
第1步：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
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第2步：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）。横向移动探头，观察其位置如何变化。
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）。横向移动探头，观察其位置如何变化。
第3步：可变角探头入射角增加到某值时，纵波消失，只剩横波。
第4步：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，确定其波型（表面波）。用手指轻压试块表面，观察其幅值如何变化。
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第5步：让探头靠近试块背面，通过调节入射角度，使能够同时观测到回波B1和B2 （如图1-9），且它们的幅度基本相等；再让探头逐步靠近试块正面，则又会在B1前面观测到一个回波b1 ，根据试块的纵（横）波声速，通过简单测量和计算，可以确定b1， B1+b2和B2对应的波型和反射面。
S始波
b1
B1+b2
B2
图1-9 用可变角探头观测波型
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3．利用斜探头测量折射角，并求入射角 和第一临界角 ，第二
临界角 。比较 与 、 ，理解波形转换。
第1步：按图1-10，把探头放置在试块圆弧的圆心附近，找到R2的
反射回波最大的位置，用钢尺测量探头前沿到试块端点的距离L1，
确定斜探头的入射点 。
第2步：把探头分别对准A，B两孔，找到最大反射回波。
第3步：求
第4步：通过 ，求入射纵波的入射角。
（已知探头中有机玻璃 纵波声速为2.73mm/s，在钢试块中的横波
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声速为3.27mm/ s，在铝试块中的横波声速为3.10mm/ s。）
第5步：利用 ， ，求 、 ，并比较 与 、 ，理解波形转换。（已知在钢试块中的纵波声速为6.27mm/ s，在铝试块中的纵波声速为5.90mm/ s。）
图1-10 斜探头测量折射角的示意图
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分析与思考：
激发脉冲超声波的电脉冲一般是一个上升沿小于20ns的很尖很窄的脉冲。而从超声脉冲波的波形看，其幅度是又小变大，然后又由小变大，然后又由大变小，而不是直接从大变小；并且振动可以持续1~10 m，为什么？
2. 通过计算说明，当可变角探头逐步靠近试块正面时，为什么横波在圆弧面R1的反射回波能够与B1重合？
在各向同性的固体材料中，根据应力和应变满足的虎克定律，可以求得超声波传播的特征方程：
其中 为势函数，c为超声波传播速度。
当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，称为纵波；当介质中质点振动方向与超声波的传播方向垂直时，称为横波。在气体介质中，声波只是纵波。在固体介质内部，超声波可以按纵波或横波两种波型传播。无论是材料中的纵波还是横波，其速度可表示为：
其中，d声波传播距离，t为声波传播时间。
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一、实验原理
实验Z1.2 固体弹性常数的测量
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对于同一种材料，其纵波波速和横波波速的大小一般不同，但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。相反，利用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比就定义为杨氏模量，一般用E表示。（在杨氏模量测量的实验中有介绍）
固体在应力作用下，沿纵向有一正应变（伸长），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定义为泊松比，记作 ，它是表示材料弹性性质的一个物理量。
在各向同性固体传播中，各种波型的超声波声速为：
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纵波声速：
横波声速：
其中为杨氏模量，为泊松系数，为材料速度。
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：
其中， ， 为介质中纵波声速， 为介质中横波声速， 为
介质的密度。
杨氏模量
泊松系数
1、利用R1，R2测量斜探头的延迟。
2、利用直探头，分别采用直接法和相对法测量试块的纵波声速。
直接法 相对法
3、利用斜探头，分别采用直接法和相对法测量试块的横波声速。
直接法 相对法
4、计算试块的杨氏模量和泊松系数。
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二、实验内容及要求
其中， ， 为介质中纵波声速， 为介质中横波声速， 为介
质的密度。
杨氏模量
泊松系数
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分析与思考：
1、为什么利用斜探头入射到圆弧面上后，只看到横波而没有纵波？
2、利用CSK-IB试块怎样测量表面波探头的延迟？能否用测量斜探头
入射点的方法测量表面波探头的入射点？为什么？
3、利用CSK-IB试块的横孔A和横孔B，怎样测量斜探头的延迟和入
射点？
4、利用铝试块和钢试块测量同一斜探头的延迟和入射点，结果是否
一样？为什么？
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一、实验原理
实验Z1.3 超声波的探测
超声探头发射能量的指向性与探头的几何尺寸和波长有直接的关系。
一般地，波长越小，频率越高，指向性越好；尺寸越大，指向性越好。
可用公式表示：
对具有一定指向性要求的超声波探头，采用较高的频率可以使探头的尺寸变小。
在实际应用中，通常用偏离中心线后振幅减小一半的位置表示声束的边界。如图3-1，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。
专 题 实 验
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的中心轴线上，然后测量缺陷反射回波对应的时间，根据试块的声速可以计算出缺陷到探头入射点的垂直深度或水平距离。
图3-1 超声波探头指向性的示意图
（a）直探头
（b）斜探头
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二、实验内容及要求
1、测量直探头的扩散角。
利用CSK-IB试块横孔A，B进行测量。建议： 测 6次。
第1步：利用直探头分别找到A、B孔对应的回波，移动探头使回波幅度
最大 ，并用钢尺测量该点的位置x0及对应的回波的幅度；
第2步：向左边移动探头使回波幅度减小大最大幅度的一半，用钢尺
测量该点的位置x1；
第3步：同样的方法测量探头右移时回波幅度下降到最大幅度的一半
时对应点的位置x2。
专 题 实 验
2、探测CSK-IB试块中缺陷C的深度。
利用直探头，采用直接法测量多次，求平均值。建议： 测 6次。
3、利用斜探头，探测CSK-IB试块中缺陷D的深度和距试块右边沿的距
离。
第1步：测量延迟1次。
第2步：按图3-2，把探头放置在试块圆弧的圆心附近，找到R2的反射
回波最大的位置，用钢尺测量探头前沿到试块端点的距离L1，
专 题 实 验
确定斜探头的入射点 。
第3步：按图2，把探头分别对准A，B两孔，找到最大反射回波，求
第4步： 斜探头测量声速 。
第5步： 找到D孔最大的回波位置LD，测回波的时间 ，则
第6步： 则
。
。
第7步： 最后 ， 。
专 题 实 验
注意：根据横波声速和 A，B，D孔到斜探头的距离，找准A，B，D孔出现最大回波时的位置，不要与其他棱的回波混淆。
图3-2 探测缺陷D的示意图
专 题 实 验
分析与思考：
1、 在利用斜探头探测中，如果能够得到与被测材料同材质的试块，并
且已知该试块中两个不同深度的横孔的深度，那么我们不必测量斜
探头的延迟、入射点、折射角和声速就可以确定缺陷的深度。试
说明该方法具体探测过程？
2、 试利用表面波测量CSK-IB试块中R2的圆弧的长度？
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附录A: JDUT-2型超声波实验仪原理框图
同步电路
发射电路
探头
试块
放大/衰减
接收电路
显示电路
图A-1 原理框图
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图A-2 实物图片
专 题 实 验
附录B: JDUT-2型超声波实验仪主要性能指标
脉冲形式：负脉冲 输出限幅：±5V
发射强度：400V 有效电压： ±2V (射频) ， 0~2V（检波）
发射阻抗：1000Ω 使用电源： ~220V
输入阻抗： 500Ω 使用功率：10W
频带宽度：50Hz~7MHz(-3dB) / 50Hz~10MHz(-6dB) 仪器尺寸：220mm×220mm×100mm
放大增益： 50dB
动态范围： 0dB~95dB，步长1dB
输出阻抗： 50Ω(射频) ， 1000Ω（检波）
触发模式： 内触发
触发输出：TTL电平
重复频率： 125Hz,250Hz, 500Hz和1000Hz 可选
铝
纵波声速
6.27 mm/ s
横波声速
3.10 mm/ s
表面声速
2.90 mm/ s
钢
纵波声速
5.90 mm/ s
横波声速
3.27mm/ s
表面声速
2.99 mm/ s
试块材质参数表
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附录C: JDUT-2型超声波实验仪操作说明
1 仪器连接
图C-1 仪器连接示意图
发射
JDUT-2型超生波实验仪
超声仪
示波器
探头
试块
衰减
CH1
CH2
TRG
接收
射频
检波
触发
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说明：
1） 如图C-1所示，当采用单探头工作方式时，利用三通线把发射接收接头连接起来，然后与探头连接。示波器采用外触发工作方式，连接超声仪触发接头与示波器外触发输入口。分别把信号检波输出和射频输出与示波器第一、第二通道输入口相连，或则根据需要只接其中一种输出方式。
2） 当超声仪采用双探头工作方式时，发射接口和接收接口分别与发射探头和接收探头相连。
3) 在进行实验时，需要适当设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电压范围与时间范围，是示波器上看到的波形适中。
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2 超声仪使用
JDUT-2型超声波实验仪只能够调节放大电路的衰减数值。衰减的单位是分贝，用dB 表示，定义如下：
分贝值=20lgA（dB）
其中A是放大倍数。衰减器读数与放大器的放大倍数成对数关系。
超声仪率减器动态范围是96dB，从0dB到95dB ；调节步长为1dB和10dB两倍。
3 示波器使用
利用通用型、频率在20兆以上的示波器可以完成所有内容。有关示波器的使用方法请参阅有关示波器的使用说明书。
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4 注意事项
（1）超声仪的发射接口向外发射400V的高压脉冲，因此它只能
与接收接口或探头相连，而不能够与超声仪的射频、检波、
触发，或者示波器的CH1、CH2、TRG相连；否则会损坏仪器；
（2）超声仪的输出信号被限制在5V左右，因此示波器在测量过
程中，一般要求被测信号幅度不超过2V；
（3）利用CSK-IB钢试块时，可以用水或机油作为耦合剂；利用
CSK-IC铝试块时，必须用机油作为耦合剂。实验完成后，
必须擦干净试块上残余的耦合剂，否则会损坏试块。
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