專題實驗超聲波測試原理及應(yīng)用-展示頁
2025-05-25 02:55本頁面
【正文】 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(zhì)點振動的振幅已經(jīng)很微弱了。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。由于固體介質(zhì)除了能承受體積變形外，還能夠承受切變變形。任何固體介質(zhì)當其體積發(fā)生交替變化時均能產(chǎn)生縱波 。超聲波在介質(zhì)中傳播可以有不同形式，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。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(fā)射出的是一個超聲波波包，稱為脈沖波，如圖 12（ b）所示。 脈沖超聲波的產(chǎn)生及其特點 用于產(chǎn)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(dǎo)電層（如鍍銀層）作為正負電極。 石英晶體結(jié)構(gòu) 拉力作用下的極化 晶體的宏觀極化 圖 11 石英晶體的壓電效應(yīng) 專 題 實 驗 （ a） 晶體振動 (b) 脈沖波 圖 12 脈沖超聲波的產(chǎn)生 壓，則晶片發(fā)生彈性形變，隨后發(fā)生自由振動，并在晶片厚度方向形成駐波，如圖 12(a)所示。通常具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)同時也具有逆壓電效應(yīng)，即當對施加電壓后會發(fā)生變形。專 題 實 驗 超 聲 波 測 試 原 理 及 應(yīng) 用 實驗 超聲波的產(chǎn)生與傳播 實驗 固體彈性常數(shù)的測量 實驗 超聲波的探測 附錄 A JDUT2型超聲波實驗儀原理框圖 附錄 B JDUT2型超聲波實驗儀主要性能指標 附錄 C JDUT2型超聲波實驗儀操作說明 專 題 實 驗 一、實驗原理 實驗 超聲波的產(chǎn)生與傳播 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、負束縛電荷，這一效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。 其物理機理如圖 11所示。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。如果晶片的兩側(cè)存在其它彈性介質(zhì)，則會向兩側(cè)發(fā)射彈性波，波的頻率與晶片的材料和厚度有關(guān)。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(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。 專 題 實 驗 如果片內(nèi)部質(zhì)點的振動方向垂直于晶片平面，那么晶片向外發(fā)射的就是超聲波。通常有如下三種： 縱波波型： 當介質(zhì)中質(zhì)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。 橫波波型： 當介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與超聲波垂直時，此種超聲波為橫波波型。當其中剪切力交替作用于固體介質(zhì)時均能產(chǎn)生橫波。 超聲波波型及換能器種類 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。 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 13 直探頭和斜探頭的基本結(jié)構(gòu)（ a）直探頭（ b）斜探頭 圖 14 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(jié)構(gòu)如圖 13所示。一般，直探頭產(chǎn)生縱波，斜探頭產(chǎn)生橫波或表面波。其中探頭芯可以旋轉(zhuǎn)，通過改變探頭的入射角 ?，得到不同折射角的斜探頭。 圖 15是超聲波在試塊中傳播的示意圖。 S稱為始波， t0為電脈沖施加在壓電晶片的時刻，也是發(fā)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(fā)射回來，被同一個探頭接收的時刻。 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。 2 01 ttt ??tcS ?? 有機玻璃的厚度不能忽略時，直探頭的延遲為 。在示波器上同時觀測到兩個弧面的回波 B1和 B2 。由于 R1= 2R2，因此斜探頭的延遲為： 。實際上，超聲波在兩種固體界面上發(fā)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。 超聲波在界面上的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換滿足如下斯特令折射定律： ssLL CCC1s i ns i ns i n ??? ??ssLL CCC22s i ns i ns i n ??? ??反射： 折射： 專 題 實 驗 圖 18 超聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換 而橫波聲速 又小于縱波聲速 。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
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