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專 題 實 驗
超 聲 波 測 試 原 理 及 應 用
實驗Z1.1 超聲波的產生與傳播
實驗Z1.2 固體彈性常數的測量
實驗Z1.3 超聲波的探測
附錄A JDUT-2型超聲波實驗儀原理框圖
附錄B JDUT-2型超聲波實驗儀主要性能指標
附錄C JDUT-2型超聲波實驗儀操作說明
專 題 實 驗
一、實驗原理
實驗Z1.1 超聲波的產生與傳播
1、壓電效應
某些固體物質，在壓力（或拉力）的作用下產生形變，從而使物質本身極化，在物體相對的表面出現正、負束縛電荷，這一效應稱為壓電效應。
其物理機理如圖1-1所示。通常具有壓電效應的物質同時也具有逆壓電效應，即當對施加電壓后會發生變形。超聲波探頭利用逆壓電效應產生超聲波，而利用壓電效應接收超聲波。
石英晶體結構
拉力作用下的極化
晶體的宏觀極化
圖1-1 石英晶體的壓電效應
專 題 實 驗
（a） 晶體振動
(b) 脈沖波
圖1-2 脈沖超聲波的產生
壓，則晶片發生彈性形變，隨后發生自由振動，并在晶片厚度方向形成駐波，如圖1-2(a)所示。如果晶片的兩側存在其它彈性介質，則會向兩側發射彈性波，波的頻率與晶片的材料和厚度有關。
2、脈沖超聲波的產生及其特點
用于產生和接收超聲波的材料一般被制成片狀（晶片），并在其正反兩面鍍上導電層（如鍍銀層）作為正負電極。如果在電極兩端施加一脈沖電
適當選擇晶片的厚度，使其產生彈性波的頻率在超聲波頻率范圍內，則該晶片即可產生超聲波。在晶片的振動過程中，由于能量的減少，其振幅也逐漸減小，因此它發射出的是一個超聲波波包，稱為脈沖波，如圖1-2（b）所示。
專 題 實 驗
如果片內部質點的振動方向垂直于晶片平面，那么晶片向外發射的就是超聲波。超聲波在介質中傳播可以有不同形式，它取決于介質可以承受何種作用力以及如何對介質激發超聲波。通常有如下三種：
縱波波型：當介質中質點振動方向與超聲波的傳播方向一致時，此超聲波為縱波波型。任何固體介質當其體積發生交替變化時均能產生縱波。
橫波波型：當介質中質點的振動方向與超聲波垂直時，此種超聲波為橫波波型。由于固體介質除了能承受體積變形外，還能夠承受切變變形。當其中剪切力交替作用于固體介質時均能產生橫波。橫波只能在固體介質中傳播。
3、超聲波波型及換能器種類
表面波波型：是沿著固體表面傳播的具有縱波和橫波的雙重性質的波。表
面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于橫波的橫波合成，振動質點的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅最強，隨著深度的增加很快率減，實際上離表面一個波長以上的地方，質點振動的振幅已經很微弱了。
專 題 實 驗
（a）
（b）
1-外殼 2-晶片 3-吸收背襯 4-電極接線 5-匹配電感
6-接插頭 7a-保護膜 7b-斜楔
圖1-3 直探頭和斜探頭的基本結構（ a）直探頭（b）斜探頭
圖1-4 可變角探頭示意圖
常用的超聲波探頭有直探頭和斜探頭兩種，其結構如圖1-3所示。探頭通過保護膜或斜楔向外發射超聲波；吸收背襯的作用是吸收晶片向背面發射的聲波，以減少雜波；匹配電感的作用是調整脈沖波的波形。一般，直探頭產生縱波，斜探頭產生橫波或表面波。另一種可變角探頭，如圖1-4所示。其中探頭芯可以旋轉，通過改變探頭的入射角 ，得到不同折射角的斜探頭。當 =0時成為直探頭。
圖1-5是超聲波在試塊中傳播的示意圖。圖1-6為示波器接收得到的超聲波信號。S稱為始波，t0為電脈沖施加在壓電晶片的時刻，也是發射超聲波始波的初始時刻，B1稱為試塊的1次底面回波， t1是超聲波傳播到試塊底面，又發射回來，被同一個探頭接收的時刻。因此， t1對應于超聲波在試塊內往復傳播的時間； B2 稱為試塊的2次底面回波，它對應超聲波在試塊內往復傳播到
專 題 實 驗
4、探頭的延遲
S始波
t1
B1
B2
t2
t0
圖1-5 脈沖超聲波在試塊中的傳播
圖1-6 直探頭延遲的測量
試塊的上表面后，部分超聲波被上表面反射，并被試塊底面再次反射，即在試塊內部往復傳播兩次后被接收到的超聲波。
1）直探頭的延遲
專 題 實 驗
依次類推，有3次、4次和多次底面反射回波。
當有機玻璃的厚度可以忽略時，探頭無延遲，因此，超聲波在試塊中傳播到底面的時間為 ，如果試塊材質均勻，超聲波聲速C一定，則超聲波在試塊中的傳播距離為 。
有機玻璃的厚度不能忽略時，直探頭的延遲為 。
2）斜探頭的延遲
參照圖1-7，把斜探頭放在試塊上，并使探頭靠近試塊正面，使探頭的斜射聲束能夠同時入射在R1和R2圓弧面上。在示波器上同時觀測到兩個弧面的回波B1和B2 。測量它們對應的時間t1和t2。由于R1= 2R2，因此斜探頭的延遲為： 。
5、超聲波的反射、折射與波型轉換
在斜探頭中，從晶片產生的超聲波為縱波，它通過斜楔使超聲波折射到
專 題 實 驗
S始波
t1
R30
t2
R60
圖1-7 斜探頭延遲的測量
試塊內部，同時可以使縱波轉換為橫波。實際上，超聲波在兩種固體界面上發生折射和反射時，縱波可以折射和反射為橫波，
橫波也可以折射和反射為縱波。超聲波的這種現象稱為波型轉換，其圖解如圖1-8所示。
超聲波在界面上的反射、折射和波型轉換滿足如下斯特令折射定律：
反射：
折射：
專 題 實 驗
圖 1-8 超聲波的反射、折射和波型轉換
而橫波聲速 又小于縱波聲速 。因此，，根據斯特令折射定律，當 大于： 時，鋁介質中只有折射橫波；而當 大
于： 時，鋁介質中既無縱波折射，又無橫波折射。我們把 稱為有機玻璃入射到有機玻璃-鋁界面上的第一臨界角； 稱為第二臨界角。
其中， 和 分別是縱波反射角和橫波反射角； 和 分別是縱波折射角和橫波折射角； 和 分別是第1種介質的縱波聲速和橫波聲速； 和 分別是第2種介質的縱波聲速和橫波聲速。在斜探頭或可變角探頭中，有機玻璃或有機玻璃頭芯的聲速 小于鋁中橫波聲速 ，
專 題 實 驗
二、實驗內容及要求
1．測量直探頭的延遲
利用CSK-IB試塊60毫米的厚度進行測量。多次測量，求平均值。
建議：測 6次。
2．測量脈沖超聲波頻率和波長。
利用CSK-IB試塊40毫米厚度的1次回波進行測量。測量一個脈沖波4個振
動周期的時間t，求其頻率 和波長 。多次測量，求平均值。
建議：測 6次。
3．波型轉換的觀察和測量
根據實驗室提供的儀器選擇3的實驗內容
第1步：把可變角探頭的入射角調整為0，使超聲波入射在試塊兩個
專 題 實 驗
第2步：增大可變角探頭入射角，注意回波幅度的變化。當入射角達到某一值后，縱波的幅度會減小，在其后面又會出現兩個回波，并且幅度不斷增大。測量新出現的兩個回波對應的時間差，確定其波型（橫波）。橫向移動探頭，觀察其位置如何變化。
圓弧R1和R2的下部邊緣，觀察反射回波，測量t1和t2，確定其波型（縱波）。橫向移動探頭，觀察其位置如何變化。
第3步：可變角探頭入射角增加到某值時，縱波消失，只剩橫波。
第4步：可變角探頭入射角繼續增加，橫波幅度減弱并消失，在此過程中又會出現兩個回波，測量其時間差，確定其波型（表面波）。用手指輕壓試塊表面，觀察其幅值如何變化。
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第5步：讓探頭靠近試塊背面，通過調節入射角度，使能夠同時觀測到回波B1和B2 （如圖1-9），且它們的幅度基本相等；再讓探頭逐步靠近試塊正面，則又會在B1前面觀測到一個回波b1 ，根據試塊的縱（橫）波聲速，通過簡單測量和計算，可以確定b1， B1+b2和B2對應的波型和反射面。
S始波
b1
B1+b2
B2
圖1-9 用可變角探頭觀測波型
專 題 實 驗
3．利用斜探頭測量折射角，并求入射角 和第一臨界角 ，第二
臨界角 。比較 與 、 ，理解波形轉換。
第1步：按圖1-10，把探頭放置在試塊圓弧的圓心附近，找到R2的
反射回波最大的位置，用鋼尺測量探頭前沿到試塊端點的距離L1，
確定斜探頭的入射點 。
第2步：把探頭分別對準A，B兩孔，找到最大反射回波。
第3步：求
第4步：通過 ，求入射縱波的入射角。
（已知探頭中有機玻璃 縱波聲速為2.73mm/s，在鋼試塊中的橫波
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聲速為3.27mm/ s，在鋁試塊中的橫波聲速為3.10mm/ s。）
第5步：利用 ， ，求 、 ，并比較 與 、 ，理解波形轉換。（已知在鋼試塊中的縱波聲速為6.27mm/ s，在鋁試塊中的縱波聲速為5.90mm/ s。）
圖1-10 斜探頭測量折射角的示意圖
專 題 實 驗
分析與思考：
激發脈沖超聲波的電脈沖一般是一個上升沿小于20ns的很尖很窄的脈沖。而從超聲脈沖波的波形看，其幅度是又小變大，然后又由小變大，然后又由大變小，而不是直接從大變小；并且振動可以持續1~10 m，為什么？
2. 通過計算說明，當可變角探頭逐步靠近試塊正面時，為什么橫波在圓弧面R1的反射回波能夠與B1重合？
在各向同性的固體材料中，根據應力和應變滿足的虎克定律，可以求得超聲波傳播的特征方程：
其中 為勢函數，c為超聲波傳播速度。
當介質中質點振動方向與超聲波的傳播方向一致時，稱為縱波；當介質中質點振動方向與超聲波的傳播方向垂直時，稱為橫波。在氣體介質中，聲波只是縱波。在固體介質內部，超聲波可以按縱波或橫波兩種波型傳播。無論是材料中的縱波還是橫波，其速度可表示為：
其中，d聲波傳播距離，t為聲波傳播時間。
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一、實驗原理
實驗Z1.2 固體彈性常數的測量
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對于同一種材料，其縱波波速和橫波波速的大小一般不同，但它們都由彈性介質的密度、楊氏模量和泊松比等彈性參數決定。相反，利用超聲波速度的方法可以測量材料有關的彈性常數。
固體在外力作用下，其長度沿力的方向產生變形，變形時的應力與應變之比就定義為楊氏模量，一般用E表示。（在楊氏模量測量的實驗中有介紹）
固體在應力作用下，沿縱向有一正應變（伸長），沿橫向就將有一個負應變（縮短），橫向應變與縱向應變之比被定義為泊松比，記作 ，它是表示材料彈性性質的一個物理量。
在各向同性固體傳播中，各種波型的超聲波聲速為：
專 題 實 驗
縱波聲速：
橫波聲速：
其中為楊氏模量，為泊松系數，為材料速度。
相應地，通過測量介質的縱波聲速和橫波聲速，利用以上公式可以計算
介質的彈性常數。計算公式如下：
其中， ， 為介質中縱波聲速， 為介質中橫波聲速， 為
介質的密度。
楊氏模量
泊松系數
1、利用R1，R2測量斜探頭的延遲。
2、利用直探頭，分別采用直接法和相對法測量試塊的縱波聲速。
直接法 相對法
3、利用斜探頭，分別采用直接法和相對法測量試塊的橫波聲速。
直接法 相對法
4、計算試塊的楊氏模量和泊松系數。
專 題 實 驗
二、實驗內容及要求
其中， ， 為介質中縱波聲速， 為介質中橫波聲速， 為介
質的密度。
楊氏模量
泊松系數
專 題 實 驗
分析與思考：
1、為什么利用斜探頭入射到圓弧面上后，只看到橫波而沒有縱波？
2、利用CSK-IB試塊怎樣測量表面波探頭的延遲？能否用測量斜探頭
入射點的方法測量表面波探頭的入射點？為什么？
3、利用CSK-IB試塊的橫孔A和橫孔B，怎樣測量斜探頭的延遲和入
射點？
4、利用鋁試塊和鋼試塊測量同一斜探頭的延遲和入射點，結果是否
一樣？為什么？
專 題 實 驗
一、實驗原理
實驗Z1.3 超聲波的探測
超聲探頭發射能量的指向性與探頭的幾何尺寸和波長有直接的關系。
一般地，波長越小，頻率越高，指向性越好；尺寸越大，指向性越好。
可用公式表示：
對具有一定指向性要求的超聲波探頭，采用較高的頻率可以使探頭的尺寸變小。
在實際應用中，通常用偏離中心線后振幅減小一半的位置表示聲束的邊界。如圖3-1，在同一深度位置，中心軸線上的能量最大，當偏離中線到位置A、A‘時，能量減小到最大的一半。其中 角定義為探頭的擴散角。 越小，探頭方向性越好，定位精度越高。
專 題 實 驗
在進行缺陷定位時，必須找到缺陷反射回波最大的位置，使得被測缺陷處于探頭的中心軸線上，然后測量缺陷反射回波對應的時間，根據試塊的聲速可以計算出缺陷到探頭入射點的垂直深度或水平距離。
圖3-1 超聲波探頭指向性的示意圖
（a）直探頭
（b）斜探頭
專 題 實 驗
二、實驗內容及要求
1、測量直探頭的擴散角。
利用CSK-IB試塊橫孔A，B進行測量。建議： 測 6次。
第1步：利用直探頭分別找到A、B孔對應的回波，移動探頭使回波幅度
最大 ，并用鋼尺測量該點的位置x0及對應的回波的幅度；
第2步：向左邊移動探頭使回波幅度減小大最大幅度的一半，用鋼尺
測量該點的位置x1；
第3步：同樣的方法測量探頭右移時回波幅度下降到最大幅度的一半
時對應點的位置x2。
專 題 實 驗
2、探測CSK-IB試塊中缺陷C的深度。
利用直探頭，采用直接法測量多次，求平均值。建議： 測 6次。
3、利用斜探頭，探測CSK-IB試塊中缺陷D的深度和距試塊右邊沿的距
離。
第1步：測量延遲1次。
第2步：按圖3-2，把探頭放置在試塊圓弧的圓心附近，找到R2的反射
回波最大的位置，用鋼尺測量探頭前沿到試塊端點的距離L1，
專 題 實 驗
確定斜探頭的入射點 。
第3步：按圖2，把探頭分別對準A，B兩孔，找到最大反射回波，求
第4步： 斜探頭測量聲速 。
第5步： 找到D孔最大的回波位置LD，測回波的時間 ，則
第6步： 則
。
。
第7步： 最后 ， 。
專 題 實 驗
注意：根據橫波聲速和 A，B，D孔到斜探頭的距離，找準A，B，D孔出現最大回波時的位置，不要與其他棱的回波混淆。
圖3-2 探測缺陷D的示意圖
專 題 實 驗
分析與思考：
1、 在利用斜探頭探測中，如果能夠得到與被測材料同材質的試塊，并
且已知該試塊中兩個不同深度的橫孔的深度，那么我們不必測量斜
探頭的延遲、入射點、折射角和聲速就可以確定缺陷的深度。試
說明該方法具體探測過程？
2、 試利用表面波測量CSK-IB試塊中R2的圓弧的長度？
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附錄A: JDUT-2型超聲波實驗儀原理框圖
同步電路
發射電路
探頭
試塊
放大/衰減
接收電路
顯示電路
圖A-1 原理框圖
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圖A-2 實物圖片
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附錄B: JDUT-2型超聲波實驗儀主要性能指標
脈沖形式：負脈沖 輸出限幅：±5V
發射強度：400V 有效電壓： ±2V (射頻) ， 0~2V（檢波）
發射阻抗：1000Ω 使用電源： ~220V
輸入阻抗： 500Ω 使用功率：10W
頻帶寬度：50Hz~7MHz(-3dB) / 50Hz~10MHz(-6dB) 儀器尺寸：220mm×220mm×100mm
放大增益： 50dB
動態范圍： 0dB~95dB，步長1dB
輸出阻抗： 50Ω(射頻) ， 1000Ω（檢波）
觸發模式： 內觸發
觸發輸出：TTL電平
重復頻率： 125Hz,250Hz, 500Hz和1000Hz 可選
鋁
縱波聲速
6.27 mm/ s
橫波聲速
3.10 mm/ s
表面聲速
2.90 mm/ s
鋼
縱波聲速
5.90 mm/ s
橫波聲速
3.27mm/ s
表面聲速
2.99 mm/ s
試塊材質參數表
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附錄C: JDUT-2型超聲波實驗儀操作說明
1 儀器連接
圖C-1 儀器連接示意圖
發射
JDUT-2型超生波實驗儀
超聲儀
示波器
探頭
試塊
衰減
CH1
CH2
TRG
接收
射頻
檢波
觸發
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說明：
1） 如圖C-1所示，當采用單探頭工作方式時，利用三通線把發射接收接頭連接起來，然后與探頭連接。示波器采用外觸發工作方式，連接超聲儀觸發接頭與示波器外觸發輸入口。分別把信號檢波輸出和射頻輸出與示波器第一、第二通道輸入口相連，或則根據需要只接其中一種輸出方式。
2） 當超聲儀采用雙探頭工作方式時，發射接口和接收接口分別與發射探頭和接收探頭相連。
3) 在進行實驗時，需要適當設置超聲波實驗儀衰減器的數值和示波器的電壓范圍與時間范圍，是示波器上看到的波形適中。
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2 超聲儀使用
JDUT-2型超聲波實驗儀只能夠調節放大電路的衰減數值。衰減的單位是分貝，用dB 表示，定義如下：
分貝值=20lgA（dB）
其中A是放大倍數。衰減器讀數與放大器的放大倍數成對數關系。
超聲儀率減器動態范圍是96dB，從0dB到95dB ；調節步長為1dB和10dB兩倍。
3 示波器使用
利用通用型、頻率在20兆以上的示波器可以完成所有內容。有關示波器的使用方法請參閱有關示波器的使用說明書。
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4 注意事項
（1）超聲儀的發射接口向外發射400V的高壓脈沖，因此它只能
與接收接口或探頭相連，而不能夠與超聲儀的射頻、檢波、
觸發，或者示波器的CH1、CH2、TRG相連；否則會損壞儀器；
（2）超聲儀的輸出信號被限制在5V左右，因此示波器在測量過
程中，一般要求被測信號幅度不超過2V；
（3）利用CSK-IB鋼試塊時，可以用水或機油作為耦合劑；利用
CSK-IC鋁試塊時，必須用機油作為耦合劑。實驗完成后，
必須擦干凈試塊上殘余的耦合劑，否則會損壞試塊。
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