一、超聲波簡介及應用

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，蝙蝠利用超聲導航和覓食;金屬片撞擊和小孔漏氣也能發(fā)出超聲。在實驗和工業(yè)生產(chǎn)中，人們利用壓電效應(piezoelectric?effect)?產(chǎn)生超聲波。壓電效應是指對于某些不導電的固體物質(zhì)(稱為壓電材料)，當它們在壓力(或拉力)的作用下產(chǎn)生變形時，在物體相對的表面會出現(xiàn)正、負束縛電荷，從而得產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象。利用壓電效應的逆效應，即在壓電材料相對的兩個表面施加電壓信號，使得材料發(fā)生機械變形，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：

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)進行計算機圖象重建，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。在進行缺陷定位時，測量缺陷反射回波對應的時間，根據(jù)被測材料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。在超聲成像時，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，再利用計算機進行圖像重建，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，當偏離中線到位置A、A’時，能量減小到最大值的一半。其中θ角定義為探頭的擴散角。θ越小，探頭方向性越好，定位精度越高。與光學儀器的成像一樣，波長越短(頻率越高)，探頭越大(相當于透鏡的孔徑越大)，超聲探頭發(fā)射能量的指向性就越好。

三、實驗內(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、實驗儀器

超聲波實驗儀;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，一個探頭同時負責超聲的產(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電壓短脈沖,?由于逆壓電效應，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，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，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,?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。在進行實驗時，需要適當設(shè)置超聲波實驗儀的衰減大小以及示波器的電壓與時間靈敏度，使示波器上的波形清晰適中。

五、實驗步驟

1、調(diào)整儀器靈敏度：

試塊放置?字在下標尺在上，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)超聲波實驗儀衰減器在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

探頭移動方式如圖，探頭①位置的XY坐標是0.5;0.5?探頭②位置的XY坐標是3.0;0.5??探頭③位置的XY坐標是0.5;3.0?探頭④位置的XY坐標是3.0;3.0

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