超 声 波 测 试 实 验
超声波是频率在2(104Hz(1012Hz的声波。超声广泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫声中含有超声成分，蝙蝠利用超声导航和觅食；金属片撞击和小孔漏气也能发出超声。
超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。例如，在海洋应用中，超声波可以用来探测鱼群或冰山、潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探等。在检测中，利用超声波检验固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等。在医学中，可以利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描（B超诊断）和血流速度的测量（彩超诊断）等。
本实验将学习超声波的产生方法、传播规律和测试原理，通过对固体弹性常数的测量了解超声波在测试方面应用的特点；通过对试块尺寸的测量和人工反射体定位了解超声波在检验和探测方面的应用。
一、教学目的与要求理解压电效应；了解超声波的产生和传播规律学会使用探头测量超声波的声速初步掌握超声探伤的原理二、实验仪器
JDUT-2型超声波实验仪，双踪示波器，
三、实验原理
1、超声波的产生能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等。我们把能够实现超声能量与其他形式能量相互转换的器件称为超声波换能器。一般情况下，超声波换能器既能用于发射又能用于接收。
在本实验中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。
图1-1 石英晶体的压电效应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，波的频率与晶片的材料和厚度有关。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所示。
图1-2 脉冲波的产生
3、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超声波。超声波在介质中传播可以有不同的波形，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——当介质中质点的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。
常用的超声波探头有直探头和斜探头两种，其结构如图1-3a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。一般情况下，直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。
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1-3a 直探头和斜探头的基本结构（ a）直探头（b）斜探头
另一种是可变角探头，如图1-3b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。实验中所使用的探头既可以用来发射超声波，也可以用来接受超声波。
图1-3b 可变角探头示意图
4、超声波的反射、折射与波形转换。（略）
5、探头的延迟在使用超声波的过程中，对脉冲波传播时间的测量有两种方法：（1）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1-4所示。两种方法测得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量零点的时间差一般称为探头的延迟（或延迟时间）。
1）直探头的延迟
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。依次类推，有3次、4次和多次底面反射回波。
从示波器上读出传播和，则直探头的延迟为：
（1）
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：
（2）
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
。 （3）
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,。
（4）
图1-7 斜探头延迟的测量四、实验内容
（1）利用直探头测量试块的纵波声速；
（2）利用斜探头测量试块的横波声速；
（3）利用直探头探测缺陷深度；
（4）利用所测数据计算试块（铝）的固体弹性常数，与理论值比较，分析误差。
五、实验方法
1）参照附录连接好超声波实验仪和示波器；
2）声速的测量声速的测量方法很多，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。本实验采用脉冲反射法。脉冲波是由不同的频率成分的连续波合成，或者说脉冲波包含不同成分的连续波。而对于各同向性的介质，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，通过耦合剂进入介质，如果在传播的路径上介质奇变，如人工反射体、介质面等，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，通过测量声波的传播时间，则可测量出介质的声速，测量方法如图1-6、1-7所示，声速可按下式计算：
下式中L为探头到反射体的距离。
（5）a (5)b
a) 测量纵波：把直探头放在试块正面，滴一、二滴机油，调节示波器，显示试块底面的二次回波，测量回波的时间，利用（5）a式计算纵波声速。
b) 测量横波：把斜探头放在试块上适当位置，调节示波器，显示圆弧边界反射回波，移动探头，使两个回波同时达到最大值，然后测量回波的时间，利用（5）b式计算横波声速。
3)试块弹性常数的计算通过测量试块的纵波声速和横波声速计算试块的杨氏模量和泊松系数。
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。
在各同向性固体介质中，各种波型的超声声速为：
纵波声速： （6）
横波声速： （7）
其中E为杨氏模量，σ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： （8）
泊松系数： （9）
其中：，为介质中纵波声速，为介质中横波声速，(为介质的密度。
4）用直探头探测缺陷深度在超声波探测中，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。把探头按图1-8位置放置，观察其波形。其中底波是工件底面的反射回波。
图1-8直探头探测缺陷深度本实验采用绝对探测法，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。方法是：（1）在试块上仔细移动探头的位置找到钻孔（缺陷）的最大回波，这时示波器上缺陷波清楚明显，探头处于钻孔的中心线上，（2）调节示波器的分辨率，测量缺陷回波的时间，（3）利用己测得的声速计算钻孔的深度。
六、数据记录与处理表格自拟七、思考题：激发脉冲超声波的电脉冲一般是一个上升沿小于20纳秒的很尖很窄的脉冲。而从超声脉冲波的波形看，其幅度是由小变大，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微秒，为什么？
八、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。本实验为铝试块。
（4）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。并保持实验室卫生。
九、附录A
JDUT-2型超声波实验仪接线图
附录B
材质参数表（仅供参考）
纵波声速
6.27mm/us
横波声速
3.10 mm/us
表面波声速
2.90mm/us
杨氏模量
6.94×1010Nm-2
泊松系数
0.33
材质密度
2.7g/cm3
超声波是频率在2(104Hz(1012Hz的声波。超声广泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫声中含有超声成分，蝙蝠利用超声导航和觅食；金属片撞击和小孔漏气也能发出超声。
超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。例如，在海洋应用中，超声波可以用来探测鱼群或冰山、潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探等。在检测中，利用超声波检验固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等。在医学中，可以利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描（B超诊断）和血流速度的测量（彩超诊断）等。
本实验将学习超声波的产生方法、传播规律和测试原理，通过对固体弹性常数的测量了解超声波在测试方面应用的特点；通过对试块尺寸的测量和人工反射体定位了解超声波在检验和探测方面的应用。
一、教学目的与要求理解压电效应；了解超声波的产生和传播规律学会使用探头测量超声波的声速初步掌握超声探伤的原理二、实验仪器
JDUT-2型超声波实验仪，双踪示波器，
三、实验原理
1、超声波的产生能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等。我们把能够实现超声能量与其他形式能量相互转换的器件称为超声波换能器。一般情况下，超声波换能器既能用于发射又能用于接收。
在本实验中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。
图1-1 石英晶体的压电效应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，波的频率与晶片的材料和厚度有关。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所示。
图1-2 脉冲波的产生
3、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超声波。超声波在介质中传播可以有不同的波形，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——当介质中质点的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。
常用的超声波探头有直探头和斜探头两种，其结构如图1-3a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。一般情况下，直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。
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1-3a 直探头和斜探头的基本结构（ a）直探头（b）斜探头
另一种是可变角探头，如图1-3b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。实验中所使用的探头既可以用来发射超声波，也可以用来接受超声波。
图1-3b 可变角探头示意图
4、超声波的反射、折射与波形转换。（略）
5、探头的延迟在使用超声波的过程中，对脉冲波传播时间的测量有两种方法：（1）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1-4所示。两种方法测得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量零点的时间差一般称为探头的延迟（或延迟时间）。
1）直探头的延迟
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。依次类推，有3次、4次和多次底面反射回波。
从示波器上读出传播和，则直探头的延迟为：
（1）
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：
（2）
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
。 （3）
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,。
（4）
图1-7 斜探头延迟的测量四、实验内容
（1）利用直探头测量试块的纵波声速；
（2）利用斜探头测量试块的横波声速；
（3）利用直探头探测缺陷深度；
（4）利用所测数据计算试块（铝）的固体弹性常数，与理论值比较，分析误差。
五、实验方法
1）参照附录连接好超声波实验仪和示波器；
2）声速的测量声速的测量方法很多，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。本实验采用脉冲反射法。脉冲波是由不同的频率成分的连续波合成，或者说脉冲波包含不同成分的连续波。而对于各同向性的介质，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，通过耦合剂进入介质，如果在传播的路径上介质奇变，如人工反射体、介质面等，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，通过测量声波的传播时间，则可测量出介质的声速，测量方法如图1-6、1-7所示，声速可按下式计算：
下式中L为探头到反射体的距离。
（5）a (5)b
a) 测量纵波：把直探头放在试块正面，滴一、二滴机油，调节示波器，显示试块底面的二次回波，测量回波的时间，利用（5）a式计算纵波声速。
b) 测量横波：把斜探头放在试块上适当位置，调节示波器，显示圆弧边界反射回波，移动探头，使两个回波同时达到最大值，然后测量回波的时间，利用（5）b式计算横波声速。
3)试块弹性常数的计算通过测量试块的纵波声速和横波声速计算试块的杨氏模量和泊松系数。
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。
在各同向性固体介质中，各种波型的超声声速为：
纵波声速： （6）
横波声速： （7）
其中E为杨氏模量，σ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： （8）
泊松系数： （9）
其中：，为介质中纵波声速，为介质中横波声速，(为介质的密度。
4）用直探头探测缺陷深度在超声波探测中，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。把探头按图1-8位置放置，观察其波形。其中底波是工件底面的反射回波。
图1-8直探头探测缺陷深度本实验采用绝对探测法，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。方法是：（1）在试块上仔细移动探头的位置找到钻孔（缺陷）的最大回波，这时示波器上缺陷波清楚明显，探头处于钻孔的中心线上，（2）调节示波器的分辨率，测量缺陷回波的时间，（3）利用己测得的声速计算钻孔的深度。
六、数据记录与处理表格自拟七、思考题：激发脉冲超声波的电脉冲一般是一个上升沿小于20纳秒的很尖很窄的脉冲。而从超声脉冲波的波形看，其幅度是由小变大，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微秒，为什么？
八、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。本实验为铝试块。
（4）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。并保持实验室卫生。
九、附录A
JDUT-2型超声波实验仪接线图
附录B
材质参数表（仅供参考）
纵波声速
6.27mm/us
横波声速
3.10 mm/us
表面波声速
2.90mm/us
杨氏模量
6.94×1010Nm-2
泊松系数
0.33
材质密度
2.7g/cm3
