2021年超 声 波 测 试 原 理 及 应 用.ppt

专 题 实 验
一、实验原理
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
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（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。
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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。
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（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。
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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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