長江大學(xué)超聲波探傷實(shí)驗(yàn) 自編講義

1、1超聲波測試實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理壓電效應(yīng)——某些固體物質(zhì)，在壓力（或拉力）的作用下產(chǎn)生形變，從而使物質(zhì)本身極化，在物體相對的表面出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這一效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。其物理機(jī)理如圖11所示。通常具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)同時(shí)也具有逆壓電效應(yīng)，即當(dāng)對施加電壓后會(huì)發(fā)生變形。超聲波探頭利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，而利用壓電效應(yīng)接收超聲波。圖11石英晶體的壓電效應(yīng)2、脈沖超聲波的產(chǎn)生及其特點(diǎn)用于產(chǎn)生和接收超聲波的材料一般被制成片狀（晶片），并

2、在其正反兩面鍍上導(dǎo)電層（如鍍銀層）作為正負(fù)電極。如果在電極兩端施加一脈沖電壓，則晶片發(fā)生彈性形變，隨后發(fā)生自由振動(dòng)，并在晶片厚度方向形成駐波，如圖12所示。如果晶片的兩側(cè)存在其它彈性介質(zhì)，則會(huì)向兩側(cè)發(fā)射彈性波，波的頻率與晶片的材料和厚度有關(guān)。適當(dāng)選擇晶片的厚度，使其產(chǎn)生彈性波的頻率在超聲波頻率范圍內(nèi)，則該晶片即可產(chǎn)生超聲波。在晶片的振動(dòng)過程中，由于能量的減少，其振幅也逐漸減小，因此它發(fā)射出的是一個(gè)超聲波波包，稱為脈沖波，如圖12所示。圖

3、12脈沖波的產(chǎn)生3、超聲波波型及換能器種類如果晶片內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于晶片平面，那么晶片向外發(fā)射的就是超聲波。超聲波在介質(zhì)中傳播可以有不同的波形，它取決于介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對介質(zhì)激發(fā)超聲波。通常有如下三種：縱波波型——當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向一致時(shí)，此超聲波為縱波波型。任何固體介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時(shí)均能產(chǎn)生縱波。橫波波型——當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向垂直時(shí)，此種超聲波為橫波波型。由于固體

4、介質(zhì)除了能承受體積變形外，還能夠承受切變變形。當(dāng)其中剪切力交替作用于固體介質(zhì)時(shí)均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播表面波波型——是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)的波。表面波可以看3圖15是超聲波在試塊中傳播的示意圖。圖16為示波器接收得到的超聲波信號(hào)。S稱為始波，t0為電脈沖施加在壓電晶片的時(shí)刻，也是發(fā)射超聲波始波的初始時(shí)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(fā)射回來，被同一個(gè)探頭接收的時(shí)刻。因此，

5、t1對應(yīng)于超聲波在試塊內(nèi)往復(fù)傳播的時(shí)間；B2稱為試塊的2次底面回波，它對應(yīng)超聲波在試塊內(nèi)往復(fù)傳播到試塊的上表面后，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(nèi)部往復(fù)傳播兩次后被接收到的超聲波。依次類推，有3次、4次和多次底面反射回波。從示波器上讀出傳播和，則直探頭的延遲為：212ttt??（1）當(dāng)有機(jī)玻璃的厚度可以忽略時(shí)，探頭無延遲，因此，超聲波在試塊中傳播到底面的時(shí)間為：（2）2)(01ttt??如果試塊材質(zhì)均勻，超聲波聲

6、速C一定，則超聲波在試塊中的傳播距離為。（3）tcS.?2)斜探頭的延遲參照圖17，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(shí)入射在R1和R2圓弧面上。在示波器上同時(shí)觀測到兩個(gè)弧面的回波B1和B2。測量它們對應(yīng)的時(shí)間t1和t2。由于R1=2R2，因此斜探頭的延遲為：。212ttt??（4）四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）利用直探頭測量試塊的縱波聲速；（2）利用斜探頭測量試塊的橫波聲速；（3）利用直探頭探測缺陷深度；