实验名称:超声实验摘要：本实验通过使用一台数字智能化的“超声波分析测试仪”，利用超声波的特性测量其纵波和横波在钢和铝中的波速，进而计算固体介质常用参数，并利用利用超声扫描成像进行水下模拟观测。

一、实验目的１．了解超声波产生和发射的机理； ２．了解超声探头的结构及作用；３．学习用超声法来测量固体介质常用参数的方法； ４．学习超声扫描成像技术的应用。

二、实验原理1.超声波的发射和接收超声波换能器是使其他形式的能量转换成超声能量（称发射换能器）或使超声能量转换成其他易于检测的能量（称接收换能器），其中应用最多的是声电、电声换能器：当一个电脉冲作用到探头上时，探头就发射超声脉冲，反之，当一个超声脉冲作用到探头上时，探头就产生一个电脉冲。

有了探头，再配上电信号的产生和接收等装置，就构成了整套超声波检测系统。

产生超声波的方法有很多种，如热学法、力学法、静电法、电磁法、磁致伸缩法、激光法以及压电法等等，但应用得最普遍的方法是压电法。

1). 压电效应某些介电体在机械压力的作用下会发生形变，使得介电体内正负电荷中心相对位移以致介电体两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与压力成正比，这种由“压力”产生“电”的现象称为正压电效应，如1（a ）所示。

(a)(b)图1 压电效应示意图(a)正压电效应 (b)逆压电效应反之，如果将具有压电效应的介电体置于外电场中，电场会使介质内部正负电荷中心位移，从而导致介电体产生形变，这种由“电”产生“机械形变”的现象称为逆压电效应，如图1（b ）所示。

逆压电效应只产生于介电体，形变与外电场呈线性关系，且随外电场反向而改变符号。

如果对具有压电效应的材料施加交变电压，那么它在交变电场的作用下将发生交替的压缩和拉伸形变，由此而产生了振动，并且振动的频率与所施加的交变电压的频率相同，若所施加的电频率在超声波频率范围内，则所产生的振动是超声频的振动，即超声波的产生。

我们把这种振动耦合到弹性介质中去，那么在弹性介质中传播的波即为超声波，这利用的是逆压电效应，若利用正压电效应可将超声能转变成电能，这样就可实现超声波的接收。

2). 压电材料压电材料分为二类，一类是天然的或人工制造的压电单晶，另一类是多晶压电陶瓷材料。

选择压电材料，我们不只考虑它的力学性质，还要考虑它的电学性质，而且要进一步考虑电学和力学相互耦合的性质，这些分别涉及到弹性常数、介电常数和独特的压电常数。

3). 超声探头把其他形式的能量转换为声能或把声能转换为其他形式的能量的器件称为超声波换能器，亦称超声探头。

其主要种类为： a. 直探头直探头也称平探头，用于发射和接收纵波。

b. 斜探头由于产生纵波最为容易，而且转换效率也高，因此，在超声波分析测试中需要其它波型时，大都考虑首先获得纵波，然后再利用波型转换来得到其它波型。

斜探头即是考虑了斜楔对波型转换的作用原理后，利用纵波在斜楔与工件界面上的波型转换而在工件中产生所需波型的一种探头。

c. 水浸式探头探头采用水浸型式可以获得稳定的声耦合，由于用水作耦合，无需与工件相接触，可不用保护膜。

但由于晶片与水直接接触，而且二者的声阻抗又相差极大，因此只有17%的能量传入水中，为了提高水浸探头辐射到水中的声能，可以考虑在压电晶片前面覆盖一层匹配介质。

2．超声波的传播1). 波型转换及全反射超声波是弹性介质中传播的一种弹性波。

当声波倾斜入射到异质界面时，除了产生与入射波同类型的反射波和折射波以外，还会产生与入射波不同类型的反射波和折射波，这种现象称为波型转换。

由于液体、气体媒质中只能传播纵波，只有固体媒质才能同时传播纵波和横波，因此波型转换只可能在固体中产生。

同时还应指出，尽管气体媒质理论上可以传播纵波，但由于气体特性阻抗远远小于固体或液体的特性阻抗，使声波在固/气或液/气界面上产生全反射。

因此可以认为声波难以从固体或液体中进入气体。

2). 超声波的反射与折射超声波从一个媒质传播到另一个媒质时，在两种媒质的分界面上，一部分能量反射回原媒质内，称为反射波；另一部分能量透过界面在另一种媒质内传播，称透射波或折射波。

反射波和折射波的传播方向由反射、折射定律来确定。

即：22111sin sin sin sin sin s sL L s s L L L L c c c c c ββγγα==== 式中：αL 表示纵波入射角；γL 表示纵波反射角；γS 表示横波反射角；βL 表示纵波折射角；βS 表示横波折射角，c L1表示第一媒质中的纵波声速；c S1表示第一媒质中的横波声速 ；c L2表示第二媒质中的纵波声速；c S2表示第二媒质中的横波声速。

3). 临界角根据声波反射和折射的正弦定律，入射声波存在一些特征角，即第一、第二临界角。

第一临界角：超声波纵波倾斜入射到界面上，若第二介质纵波波速C L2大于第一种介质中纵波波速C L1，则纵波折射角大于纵波入射角，即βL >αL 。

当纵波折射角为90 °时的纵波入射角定义为第一临界角α1m 。

2111sin L L m C C -=α 显然当入射角αL <α1m 时，折射介质中即有纵波又有横波。

第二临界角：若第二介质横波波速C S2大于第一种介质中纵波波速C L1，即C S2>C L1，则横波折射角大于纵波入射角，即βS >αL 。

当横波折射角为90 °时的纵波入射角定义为第二临界角α２m 。

2112sin S L m C C -=α 当入射角α1m <αL <α2m 时，折射介质中只有横波而无纵波存在。

当入射角αL >α2m 时，折射介质中既无纵波也无横波，此时在第二介质的表面上就会产生声表面波。

3． 探头的延迟及声速的测定1). 超声探头的延迟和折射角沿超声波传播路径声波传播的距离称为声程，超声波沿某一声程的传播时间称为声时。

在利用超声探头进行测试中，超声源产生超声波并不是直接进入被测材料的，而是先在探头内部产生超声波，再通过一定的媒介使超声波进入被测材料内部，因此超声波产生后在介质中传播的声程包括探头内部的声程S 0和被测材料中的声程S ，如图3所示，其中S 0定义为超声探头的延迟，单位可用毫米（声程）或微秒（声时）表示。

理论上讲，直探头和斜探头都有延迟，只是直探头的延迟通常较小而被忽略。

对于斜探头，我们定义晶片中心法线与探测面的交点为探头的入射点，定义在被测材料内部声束线与探测面法线的夹角为探头在该材料中的折射角β。

CC 图2 超声波的反射与折射图4 探头的扩散和衰减2). 声速的测量在本实验中，我们利用脉冲反射方法进行测量，仪器首先产生一个高压负脉冲激励超声波换能器，换能器则产生一个有一定周期的波包，该波包在材料中传播遇到障碍物时发生反射，反射波被同一个换能器接收，通过仪器显示在示波器上。

超声波在介质中传播，介质中会产生附加的压强，我们称为声压，在示波器上显示的波包的振幅正比于接收到声波的声压，而波包的波峰对应的时间为超声波从发射到被接收在探头内部和材料中的传播时间。

对已知反射体的反射波传播时间的测量就可以测量超声波在该材料中的声速。

在本实验中，探头发射的超声波不是严格的平面波，并且声束呈发散状，如图4所示，因此在声波传播方向上，声压随声程的增大而减小；而在垂直声波传播方向上，声束中心轴线上声压最大。

在分析测试中，声程由反射回波波幅的最大点对应的声程确定。

4． 弹性常数与声速超声波是一种弹性波，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222221tc ∂Φ∂=Φ∇其中Φ为势函数，c 为超声波传播速度。

在固体介质内部，超声波可以按纵波或横波两种波型传播，对于同一种材料，其纵波波速和横波波速的大小一般是不一样的，但是，它们都是由弹性介质的密度、弹性模量和泊松比等弹性参数决定。

利用测量超声波速度的方法可以测量材料有关的弹性常数。

无论纵波还是横波，其速度都可以表示为：图3 斜探头的延迟和折射角td C =其中，d 为声波传播距离，t 为声波传播时间。

材料的弹性常数可以表示为声速的函数：1)43(222--=T T c E s ρ)1(2222--=T T σ)3/4(22-=T c s ρκ其中：T=c L /c S ，c L ：介质中纵波声速，c S ：介质中横波声速，ρ：介质的密度，E ：杨氏模量，σ：波松系数，κ：体弹性模量。

5. 超声波扫描成像在超声水槽内，利用丝杠移动水浸式聚焦探头改变其位置，可对试块进行二维扫描式测量，将逐点的测量值传输给计算机，用色彩表示不同的深度等，应用相应的程序作出图像，这样就可对试块直观地进行观测。

三、实验装置本实验使用的是一台数字智能化的“超声波分析测试仪”。

它主要有主机，超声波发射接收卡，A/D 转换卡和超声波换能器（探头）。

本仪器是基于微机的分析测试设备，其操作使用是通过软件界面实现的。

本实验中使用的试块为钻有６个Φ1横通孔钢和铝试块各一块。

尺寸如图5所示：四、实验内容1. 测量直探头和斜探头的延迟及斜探头在不同材质中的折射角。

在本实验中可以采用横孔人工反射体测量探头的延迟及折射角。

设探头的延迟为t 0，两个横孔的深度分别是 H 1和H 2，在示波器上可以测得两波对应的声时分别为t `1和t `2，它们里面都包含有探头延迟t 0，这样通过联立方程或线性拟合计算，我们就可以得到探头延迟。

图5 试块的尺寸(mm)102. 测量钢、铝二种材质中超声波纵波速度和横波速度；3. 分别计算钢、铝二种固体的杨氏模量、体弹性模量，泊松比。

4. 利用超声扫描成像进行水下模拟观测。

五、实验数据处理1. 直探头测量超声波纵波在钢材和铝材中的传播速度及直探头延迟T 0 (1) 在钢材中设声程S=2H （纵波在钢材内传播的总距离）；声时t=T+t 0，T 为纵波在钢材中传播所用时间，t 0为探头总延迟,探头延迟T 0=0.5 t 0。

则S=2H=C L 钢T= C L 钢t- C L 钢t 0 H=0.5 C L 钢t- 0.5C L 钢t 0将H 统一成μm 单位后进行线性拟合得：所以0.5 C L 钢=2972, 0.5C L 钢t 0=620.03即C L 钢=2x2972=5944m/s; T0=0.5 t 0=620.03/5944=0.104μs(2) 在铝材中图15.8 斜探头折射角测量同理得：H=0.5 C L铝t- 0.5C L铝t0将H统一成μm单位后将H和t进行线性拟合得：C L铝=2x3181.3=6326.6 m/s; T0=0.5 t0=247.82/6326.6=0.039μs2.斜探头测超声波横波在钢材和铝材中的传播速度、折射角β、入射角α及斜探头延迟T0 (1)在钢材中由几何关系可得：L=tanβ·H+b；其中b为常数将H、L统一单位为cm后进行线性拟合：设声程S=2H/cos β（纵波在钢材内传播的总距离）；声时t=T+t 0，T 为纵波在钢材中传播所用时间，t 0为探头总延迟,探头延迟T 0=0.5 t 0。