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1、“超声波特性及超声探伤”实验报告一、实验目的1.了解固体中的弹性波及其传播的规律；2.了解超声波产生与探测的原理；3.掌握利用示波器测量固体中3种弹性波波速的方法； 4.了解超声波探伤原理和方法； 5.设计、搭建利用超声波探测物理量的实验二、实验器材JDUT-2型超声波实验仪、示波器、测试Al块、耦合剂水。三、实验原理1.各向同性固体中的弹性波 由 纵波声速：vl=1-E1+1-2 横波声速：vt=E21+ 表面波声速vs:1-vs22vt2=1-vs2Vl2141-vs2vt214 得 剪切模量G=vt2 泊松比=r2-22r2-1 其中r=vlvt 杨氏模量E=vt23r2-4r2-12.
2、超声波的产生和探测 超声波换能器（超声波探头）直探头：产生纵波；延迟忽略不计。斜探头：产生横波或表面波；探头的延迟。3.超声波的振型及界面的反射与折射(1)波型 纵波波型：方向一致；固体介质中当体积发生交替变化。 横波波型：方向相垂直；固体介质当有剪切力交替作用。 表面波波型：沿固体表面传播；具有横波和纵波双重性质。 (2)反射与折射满足Sneel定律： 反射：sinv=sinalv1l=sinatv1t 折射：sinv=sin1lv2l=sintv2存在两个临界角： 第一临界角：max1=arcsinvv2l 第二临界角：max2=arcsinvv2t当max1，介质2中存在横波和纵波；当m
3、ax1max2,既无横波，又无纵波，会出现表面波。4.超声波探伤及成像原理在进行缺陷定位时，首先找到缺陷反射回波最大的位置，然后测量缺陷反射回波对应的时间𝑡，根据被测材料的声速𝝊可以计算出缺陷到探头入射点的垂直深度H或水平距离L。直探头的扩散角：=2arctanx1-x22HB斜探头的扩散角：=2arctanx1-x22HBcos2其中折射角=arctanlB0-lA0-LB-LAHB-HA四、实验内容(已知R1=3, R2=6,LA=2,LB=5,HA=2,HB=1,H=6.单位：cm)1.超声纵波主要性能的表征及试块缺陷深度的定位(1)观察直探头超声波脉冲波
4、型，测量超声频率； 操作：先连接好超声波实验仪、示波器和直探头：超声实验仪“发射/接收”端接直探头；“射频”端接示波器 CH1，“检波”端接示CH2，“触发”端接示外触发。打开示波器和超声波实验仪的开关，通过调节示波器的旋钮以及超声波实验仪上的衰减钮，可以观察到示波器屏幕显示清晰的波型，CH1通道为射频波（本质正弦波），CH2通道为检波（本质方波）。读数：移动示波器的光标分别对准检波的两个波峰（或波谷），读出7个周期的时间T=3.06s.计算：一个周期T=T7=3.06s7=0.437s.故超声频率f=1T=10.43710-6s=2.29106Hz.(2)测量直探头延迟时间、试块中的纵波声速
5、； 操作：在直探头下表面沾水作为耦合剂，在试块表面摩擦（注意避开缺陷的位置），调节衰减钮以及示波器按钮，观察到示波器上几乎不显示杂波。 读数：移动示波器的光标分别测量第一个波的上升沿到第二个波和第三个波的上升沿（注意：观察检波更方便）的时间差t1=19.00s、t2=37.60s. 计算：由t1=2HC+td t2=4HC+td 得td=2t1-t2=219.00-37.60s=0.40s 即：直探头延迟时间为0.40s. 又C=2Ht2-t1=2610-237.60-19.0010-6m/s=6.45103m/s 即：试块中的纵波声速为6.45103m/s.(3)定位试块中不同缺陷的深度。
6、操作：分别用直探头探测A、B、C、D四个缺陷，观察到示波器上出现缺陷反射的波。 读数：利用光标分别测出第一个波的上升沿到由于缺陷产生的波的上升沿的时间差,测得A、B、C、D缺陷对应的时间差分别为：T1=6.60s,T2=15.90s,T3=9.32s,T4=9.32s。 处理数据： 缺陷测量时间t,s单程时间t=t-td2,s对应深度d=vlt,cmA6.603.101.9995B15.907.754.9988C9.324.462.8767D9.324.462.87672.超声横波主要性能及试块缺陷的定位(1)观察斜探头(45)的超声波脉冲波型，测量超声频率； 操作：超声实验仪“发射/接收”端
7、接斜探头，其他不变。通过调节示波器的旋钮以及超声波实验仪上的衰减钮，可以观察到示波器屏幕显示清晰的波型。读数：移动示波器的光标分别对准检波的两个波峰（或波谷），读出5个周期的时间T=2.00s；计算：一个周期T=T5=2.00s5=0.40s.故超声频率f=1T=10.4010-6s=2.50106Hz.(2)采用斜探头，利用工件的同心大小圆弧测量斜探头的延迟时间、横波声速； 操作：在斜探头下表面沾水作为耦合剂，把斜探头放在大小圆弧同心的位置。 读数：利用光标分别测出第一个波的上升沿到第二个波和第三个波的上升沿的时间差，分别为 t1=21.90s，t2=40.40s.计算：由t1=2R1C+t
8、dt2=2R2C+td 得C=2R2-R1t2-t1=26-310-2m40.40-21.9010-6s=3.24103m/s 即：试块中的横波声速为3.24103m/s. 又td=R2t1-R1t2R2-R1=621.90-340.406-310-6s=3.4010-6s 即：斜探头的延迟时间为3.4010-6s.(3)测量试块对超声波的折射角。 操作：将斜探头沿着有A、B缺陷的那边从左向右移动，观察示波器上波形变化，会探测到有两处明显缺陷。 读数：通过刻度尺分别测出两处缺陷出现时，探头右侧距试块边沿的距离（如上图所示），测出LAO=4.65cm, LBO=11.50cm. 计算： =arc
9、tanSH=arctanLBO-LAO-LB-LAHB-HA=arctan11.50-4.65-5-25-2 =52.07 即：试块对超声波的折射角为52.07.3.计算试块材（铝）的弹性模量 已测得vl=6.45103m/s，vt=3.24103m/s,可得r=vlvt=1.99 可查铝的密度=2.7103kg/m3由公式G=vt2, =r2-22r2-1, E=vt23r2-4r2-1得剪切模量G=2.7103(3.24103)2pa=2.831010Pa 泊松比=1.992-221.992-1=0.33杨氏模量E=2.7103(3.24103)231.992-41.992-1=7.531
10、010Pa五、复习思考题1.超声探伤有什么优点？答：穿透性深，灵敏度高, 对探测物体没有破坏性、对操作者以及周围的设备和材料没有伤害和干扰，还可以用去估计缺陷的几何性质（大小，走向与形状）与力学性质。2.如果用40kHz的超声波进行金属材料的超声探伤，会导致什么问题？答：一般的超声波探伤所用的频率范围时0.5MHz-10MHz，使用40kHz的超声波会衰减得过快，导致探伤距离变小，降低准确性。六、实验总结及反思1.实验注意事项： (1)注意试块材料是铝，材质较软，不要摔打磕碰； (2)在测量超声波时，要保持试块与探头接触面保持湿润，否则超声波无法进入试块，且容易磨坏探头表面的保护膜； (3)在示波器中用光标读数时，观察检波比观察射频波更直观准确； (4)实验过程中随时适当调节衰减钮，使超声波强度符合要求。2.误差来源： (1)在示波器上读数时，读数次数少，导致误差，应多次读数取平均值； (2)刻度尺读数误差，应多次测量取平均值； (3)确定的缺陷位置有偏差； (4)由于仪器老化，示波器显示数值不一定与实际数值一致。