一、超聲波簡介及應(yīng)用

超聲波指的是頻率超過2×104?Hz，人耳不能聽到的聲波。超聲廣泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫聲中含有超聲成分，蝙蝠利用超聲導(dǎo)航和覓食;金屬片撞擊和小孔漏氣也能發(fā)出超聲。在實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中，人們利用壓電效應(yīng)(piezoelectric?effect)?產(chǎn)生超聲波。壓電效應(yīng)是指對于某些不導(dǎo)電的固體物質(zhì)(稱為壓電材料)，當(dāng)它們在壓力(或拉力)的作用下產(chǎn)生變形時(shí)，在物體相對的表面會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，從而得產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象。利用壓電效應(yīng)的逆效應(yīng)，即在壓電材料相對的兩個(gè)表面施加電壓信號，使得材料發(fā)生機(jī)械變形，就可以得到超聲波。

作為一種探測方法，超聲波技術(shù)在軍事、工業(yè)和醫(yī)療上有非常廣泛的應(yīng)用(探測對象包括潛水艇、固體材料內(nèi)部的缺陷、體內(nèi)臟器的病變以及胎兒的發(fā)育狀況等。)

超聲檢測的具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：

1.高穿透性，可以探測到材料深處的缺陷。

2.?靈敏度高,可以探測到非常小的缺陷。

3.非破壞性，只需要在材料的表面工作。

4.對操作者以及周圍的設(shè)備和材料沒有傷害和干擾。

二、超聲波C掃描成像基本原理

通過探頭在試塊頂部的X-Y掃描記錄，得到來自試塊內(nèi)部缺陷的平面分布、埋藏深度Z方向的信息，利用測量到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)圖象重建，得到試塊內(nèi)部缺陷的立體圖象。

超聲成像是通過測量反射波來獲得物體內(nèi)部的信息。在進(jìn)行缺陷定位時(shí)，測量缺陷反射回波對應(yīng)的時(shí)間，根據(jù)被測材料的聲速可以計(jì)算出缺陷到探頭入射點(diǎn)的垂直深度或水平距離。在超聲成像時(shí)，探頭在試塊頂部二維掃描，得到來自試塊內(nèi)部缺陷深度的分布，再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像重建，就可以得到試塊內(nèi)部缺陷的立體圖像。

由于衍射的存在，實(shí)際的超聲波總有一定的發(fā)散性。通常我們用偏離中心軸線后振幅減小一半的位置表示聲束的邊界。如圖1所示，在同一深度位置，中心軸線上的能量最大，當(dāng)偏離中線到位置A、A’時(shí)，能量減小到最大值的一半。其中θ角定義為探頭的擴(kuò)散角。θ越小，探頭方向性越好，定位精度越高。與光學(xué)儀器的成像一樣，波長越短(頻率越高)，探頭越大(相當(dāng)于透鏡的孔徑越大)，超聲探頭發(fā)射能量的指向性就越好。

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、調(diào)整儀器靈敏度；2、采集數(shù)據(jù)；3、處理數(shù)據(jù)

四、實(shí)驗(yàn)儀器

超聲波實(shí)驗(yàn)儀;示波器;5Mφ6專用直探頭;超聲波成像專用試塊;

直探頭和斜探頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在工作時(shí)，一個(gè)探頭同時(shí)負(fù)責(zé)超聲的產(chǎn)生和接收。探頭的核心器件是一片由具有壓電效應(yīng)的陶瓷材料制成的晶片，其工作原理是：儀器先給壓電晶片的兩極施加一個(gè)電壓短脈沖,?由于逆壓電效應(yīng)，晶片將發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生彈性振蕩，振蕩頻率與晶片的聲速和厚度有關(guān),?適當(dāng)選擇晶片的厚度可以得到超聲頻率范圍的彈性波,?即超聲波。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，通常稱為脈沖波脈沖波脈沖波。超聲波在材料內(nèi)部傳播時(shí)，在被檢對象處發(fā)生散射，散射波被同一壓電晶片接收,?由于正壓效應(yīng),?振蕩的晶片在兩極產(chǎn)生振蕩的電壓,?電壓被放大后可以用示波器顯示。

超聲儀與示波器的連接方法見圖3。示波器采用“外觸發(fā)”工作方式，觸發(fā)信號由超聲儀觸發(fā)給出。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(jù)需要只接其中一種輸出方式。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要適當(dāng)設(shè)置超聲波實(shí)驗(yàn)儀的衰減大小以及示波器的電壓與時(shí)間靈敏度，使示波器上的波形清晰適中。

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、調(diào)整儀器靈敏度：

試塊放置?字在下標(biāo)尺在上，表面灑水，手持探頭均勻用力使探頭與試塊有較

好的耦合，將探頭放在試塊無缺陷處調(diào)整靈敏度，調(diào)超聲波實(shí)驗(yàn)儀衰減器在50dB處左右;調(diào)整示波器使第一、二次底面回波B1,B2出現(xiàn)在5格、10格處，分別代表20mm、40mm深度，調(diào)Y放大使B1垂直高度2格。

2、數(shù)據(jù)記錄

探頭移動(dòng)方式如圖，探頭①位置的XY坐標(biāo)是0.5;0.5?探頭②位置的XY坐標(biāo)是3.0;0.5??探頭③位置的XY坐標(biāo)是0.5;3.0?探頭④位置的XY坐標(biāo)是3.0;3.0

記錄回波在示波器的水平坐標(biāo)，記錄缺陷深度，以mm為單位。有時(shí)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)不止一個(gè)回波，例如圖3，前面的回波高于調(diào)整靈敏度時(shí)底波的高度(2格)時(shí)記錄前面回波的水平坐標(biāo)，否則記錄后面的。