实验一 超声波综合实验超声探伤作为一种无损探伤方式，是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的测试手段。

超声波在被测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化。

目前，超声检测方法在航空航天、石油化工、冶金、电力、机械制造、金属加工等领域得到广泛的应用。

一、实验目的1. 了解超声波的产生原理及作用；2. 学习测定超声波在空气、液体及固体中的传播速度；3. 了解超声波探伤的原理和方法；4. 学会用超声波法测量金属杨氏模量的原理和方法。

二、实验仪器超声波综合设计实验仪（XYZ-2型）、空气声速测量仪（SW-1型）、双踪示波器、超声波探头2只、同轴电缆、 标准金属探测块、待测缺陷金属块、储液槽、温度计、游标卡尺。

三、实验原理1. 超声波声速测量由波动理论知道，波的频率f 、声速V 、波长λ之间有一下关系λ⨯=f V ，所以实验中只要测定出声波的频率f 和波长λ即可求出波速V 。

常用的测量声波波长的方法有共振干涉法和相位比较法。

1.1 共振干涉法（驻波法）测波长当两束频率相同、振幅相等、传播方向相反的声波相遇时，产生干涉现象，出现驻波。

两相邻波腹（或波节）间的距离为/2λ（即半波长），如图1所示。

因此，只要测得相邻两波腹（或波节）的位置1x ，2x 就可算出波长：)(212x x -=λ，如图2所示，S1和S2是两个压电换能器，S1作为发射探头，与超声波综合实验仪的低频信号输出端相连（这里输出约为40 kHz 的正弦信号），S2既是接收器又是反射器。

当电信号加到S1上时，在S1、S2两端面间形成驻波。

S2把端面所在声场中的机械振动（声压）变为电信号，该信号输入示波器，通过示波器就可以看到一组由声压信号产生的正弦波形。

声源S1发出的声波，经介质传播到S2，在接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面（S2）与发射面（S1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射。

入射波与反射波相干涉形成驻波。

图2 驻波法测量波长在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动情况。

移动S2位置（即改变S1、S2之间的距离），从示波器上就会发现振动波形的振幅一会儿变大一会儿变小。

由上面所介绍的波的干涉理论可以知道，任何两相邻的波腹（或波节）间的距离为2/λ。

为测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓慢地改变S1和S2之间的距离，示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大，两相邻的最大振幅之间S2移动过的距离亦为/2λ。

压电换能器S2至S1之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的周期时间T 则可以通过示波器读出。

在连续多次测量相隔半波长的S2位置变化后，并用逐差法处理数据得到波长λ，可运用公式T f V /λλ=⨯= （1）计算出声速。

1.2 相位比较法（李萨如图法）测声速图3 声速测量组合仪声源S1发出声波后，在其周围形成声场。

声场在介质中任一点的振动相位随时间而变化，但它和声源振动的位相差ϕ∆不随时间变化。

设声源振动频率为f ，则其振动方程为 距声源x 处振动方程为0cos 2y A ft π= （2）两处振动相位差为22x x fv ϕππλ∆== （3） 若将探测器S2从与声源相距1x 的反相位点[与声源相位差为πϕ)12(1-=∆n ]，移到与声源相距2x 的同相位点（与声源相位差为πϕn 22=∆），则两点的相位差为2122(2)(21)x x n n ϕπππππλλ∆=-=--= （4）所以21/2x x λ-=。

因此，只要探测到声源的同相位点和反相位点的位置（即1x 、2x 的值），就可以由2/12λ=-x x 计算出波长。

实验装置如图3所示，将低频信号（实验仪的40 kHz 正弦信号的插孔）加到换能器S1上，它将电振动转换成机械振动，前端平面为声源，在空气中形成声波。

而S2又将接收到的声波振动转换成电信号。

分别将S1和S2的电信号送入示波器的X 和Y 输入端，在示波器屏幕上就会出现互相垂直的两个不同相位的图线。

图4 相位比较法测量声速如图4，由于频率比为1:1，当πϕn 2=∆时为正斜率的直线；当πϕ)12(+=∆n 时为负斜率的直线，当ϕ∆为其它值时为椭圆。

将探测器S2从声源附近慢慢移开，即可测出一系列同相位点和反相位点的位置。

1.3 时差法测声速以上两种方法测声速，都是用示波器观察波谷和波峰，或观察两个波间的相位差，原理是正确的，但存在一定的读数误差。

较精确测量声速的方法是时差法。

声速传播的距离l 与传播的时间t 存在下列关系：l v t =⨯。

只要测出l 和t 就可测出声波的传播速度v ，这就是时差法测量声速的原理。

将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过时间t 后，到达l 距离处的接收换能器。

这时，可在示波器的荧光屏上看到脉冲发射的始脉冲和接收到的回波脉冲。

借助示波器上的刻度，就可读出两脉冲间的时间，从而在测出介质的厚度l ，再根据/v l t =计算出材料的声速。

图5 时差法示意图1.4 脉冲回波比较法（介绍）图6 比较法声速测量示意图脉冲回波比较法是把被测材料的声速与一已知材料的声速作比较，从已知材料的声速来计算被测材料的声速。

测量时先把超声波探头放在被测材料上，调节一次底面回波，并使回波的前沿对准示波器荧光屏上的某一刻度，如图6所示，此时超声波所通过的声程为1112S L c t == （5）式中1L 为被测材料的厚度，1c 为材料的声速，t 为超声波通过1S 所需的时间。

然后，把超声波探头放在水中并调制探头的位置，使某一高度的水层底面回波位置与材料的底面回波位置相重合，此时超声波在水中所通过的水声程2S 为：2222S L c t == （6）式中2L 为水层的高度，2c 为水中声速。

由于两个回波脉冲在示波器上的位置重合，因此二者通过的时间t 相同，由上述两式即可得：11112222c L L c c c L L ==⋅或 （7） 通过对水层高度2L 和材料厚度1L 的测量，以及已知的水声速2c ，便可利用上式计算出被测材料的声速。

采用水作比较材料是因为水在一般工作温度状态下的声速是已知的（纵波声速1483.1 m/s），而且水层的高度可以任意调节，测量精度取决于1L 、2L 的精度以及外界温度的影响。

2. 超声波探伤脉冲反射法是运用最广泛的一种超声波探伤法。

它使用的不是连续波，而是在一定持续时间按一定频率间隔发射的超声脉冲。

探伤结果可以用示波器显示。

信号发生器在一定时间间隔内发射一个触发脉冲信号，通过专用压电换能器的作用，使产生一个同频率的机械波，这个触发脉冲信号相应地在示波器荧光屏上形成一个起始脉冲信号。

当探头接触到所要探测的工作面时，超声波以一定的速度在其内部传播，当遇到缺陷或工作底面时，就会引起反射，反射后的超声波返回到探头。

此时，压电换能器又将声脉冲转换成电脉冲并将信号再次传送到示波器，形成一个反射脉冲信号。

脉冲反射法就是根据缺陷及底面反射信号的有无，反射信号幅度的高低及其反射信号在荧光屏上的位置来判断有无缺陷、缺陷的大小以及缺陷的深度的。

脉冲反射法可以分为直接接触纵波脉冲反射法和斜角探伤法，这里主要介绍直接接触纵波脉冲反射法。

探伤时，当探头垂直地耦合到工件上时，在工件内部形成纵波。

直接接触纵波脉冲反射法分为一次脉冲、多次脉冲法及组合双探头脉冲反射法。

2.1 一次脉冲反射法如图7所示，当工件中无缺陷时，荧光屏上只有始波（T）与一次底波（B），如图7(a)所示；当工件中有小缺陷存在时，荧光屏上除始波和底波之外还有缺陷波F(此时的底波幅度可能会下降)，缺陷波位于始波和底波之间。

缺陷在工作中的深度与缺陷波在荧光屏上距始波的距离相对应，如图7(b)所示；当工件的缺陷大于波束直径时，荧光屏上将只有始波与缺陷波，如图7(c)所示。

2.2 多次脉冲反射法这是以多次底面脉冲反射信号为依据进行探伤的一种方法。

超声波在具有平行表面的工件中传播，在B，另无缺陷的情况下，声波经底面反射回探头时，一部分能量为探头所接收，在荧光屏上产生一次底波1B，剩余的能量再被折一部分能量又折回底面再反射回来，其中一部分能量又为探头所接收产生二次底波2回……，如此往复直至声能耗尽。

这将在示波器荧光屏上出现高度逐次递减的多次底波。

多次反射之间的间距是相等的。

对于缺陷的判定大致可以分为二类：一类是吸收性缺陷（如疏松等），声波穿过时不引起反射，声能的衰减很大，使声能在几次反射、甚至在一次反射后就消耗殆尽；另一类是非吸收性缺陷，若缺陷较小，在每次反射中缺陷波与底波同时存在。

若缺陷大到覆盖整个声束截面时，声波只在表面与缺陷之间往复反射，荧光屏上没有底波，只有缺陷的多次反射波。

实验时要注意区分无缺陷和大于波束直径缺陷的波形（主要看各波之间的间距）。

实验中，若要使探头有效地向工件中发射超声波以及有效地接收到由工件返回来的超声波，必须使探头和工件探测面之间有良好的声耦合。

良好的声耦合可以通过填充耦合介质来实现（采用凡士林），以避免其间有空气层的存在，使声能几乎完全被反射。

3. 金属杨氏模量的测量长度为L ，截面积为S 的均匀金属丝或棒，在受到拉力时伸长L ∆。

金属丝单位长度的伸长量L L /∆叫做应变，金属丝单位截面积所受的外力S F /叫做胁强，根据胡克定律，在弹性限度内，应变与胁强成正比。

比例系数E 叫做金属的杨氏弹性模量，或称杨氏模量。

在固体中纵波的声速ρ///Y V =,其中Y 是杨氏弹性模量，ρ是介质的密度，由于所讨论是纵波，故在V 旁加了下脚标“//”。

由上式可以得到2V Y ρ=,但由于上述模型是建立在理想棒波模型的前提下（截面积尺寸远小于波长），实际测量时试块截面积很大，所以需要再相乘一个系数才能得到准确的测量值。

四、实验内容1. 超声波测声速1.1 共振干涉法（驻波法）打开超声波综合实验仪和示波器电源预热两分钟。

空气声速测定仪和超声波综合实验仪用高频线连接好。

40 kHz 输出端与发射探头相连，接收探头与示波器相连。

作为发射超声波用的换能器S1固定在左边，另一只接收超声波用的接收换能器S2装在可移动滑块上。

换能器的相对位移通过传动机构带动，可以测出所需要测量的位置。

S1发射换能器超声波的正弦电压信号由综合实验仪供给，换能器S2把接收到的超声波声压装换成电压信号，用示波器观察。

改变探头的位置使得接收信号振幅最大并记下S2的位置0x ，然后向着同方向转动鼓轮，这时波形的幅度会发生变化（同时在示波器上可以观察到来自接收换能器的振动曲线波形发生相移）。

逐个记下振幅最大的0x 、1x 、……9x 共10个点，用逐差法处理数据得到波长λ。