实验： 超声检测
一、基础知识介绍
超声波是频率高于 20 千赫的机械波。 在超声探伤中常用的频率为 0.5～ 10 兆赫。这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播， 遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射、折射和波形转换。这种现象可 被用来进行超声波探伤， 最常用的是脉冲反射法， 探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上， 探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质 （如机油或水等） 进入材料并在其中传播， 遇到缺陷后， 部分反射能量沿原途径返回探头， 探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。 根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度， 即可测定缺陷的位置和大致尺寸。 利用超声法检测材料的物理特性时，还经常利用超声波在工件中的声速和衰减等特性。
超声纵波以一定速度在固体材料中传播，遇到缺陷时反射回来。假设接收到 的反射波与入射波的时间间隔为 t ，固体材料中的纵波声速为 c，材料表面到缺 陷的距离为 l ，则有
c
2l
t
缺陷的横向尺寸可以用“半波高法”进行测量，即当反射波的幅度是最大值的一半时，换能器的中心处于缺陷的边缘。
当超声纵波垂直入射到固体 1-固体 2 界面时，会发生反射和透射，声能量的反射系数为，
2
r
透射系数为，
R R1 2
R2 R1
t
其中， R1
11
2R
2
R2 R1
为固体密度， c
2
c， R2
2c2 分别为固体 1 和固体 2 的声阻抗，
为固体纵波速度。
超声纵波在固体 -空气界面的反射系数为
1。
超声纵波在固体中传播会产生衰减，衰减系数可用以下方法测量：若固体样 品厚度分别为 l1 和 l2 ，且 l2 数为
l1 ，相应的反射脉冲幅度分别为
A1 和 A2 ，则衰减系
20lg A1
A2
2 l 2 l1
10lg A1
A2 l 2 l1
二、待研究的问题
如图，一均匀固体材料（铝）中有两个长方体缺陷（纵向贯通整个材料） ，缺陷 1 位于材料底部， 里面为空气， 缺陷 2 位于材料的一个侧面处， 内部填充未知固体材料（未知固体下面是空气） 。由于某些原因固体材料只有一个面可以用于测量（黑色阴影处为不可测面） 。
1、请自行设计声学实验测量缺陷 2、请自行设计声学实验测量缺陷
（三者之一）并给出判断理由。
1 的位置及尺寸（宽、高） 。 2 的位置及尺寸（宽、高） 。
2 中是何种填充固体
3、根据已给材料（铁块，有机玻璃，玻璃）判断缺陷
固体材料
可测面
缺陷 2
未知固体
空气
缺陷 1
空气
图 1 样品结构
三、实验仪器
信号发生器、示波器、换能器（两对） 、30 度， 45 度斜坯各一对（与固体同材料）、铁，玻璃，有机玻璃（有机玻璃较轻）长方体小块各一个（用于确定填充的是何种材料）、直尺、三角尺、电子秤、耦合剂，三通一个、导线四根
四、实验要求
1、测量基本材料参数
1）、采用自发自收的方法，测量一个大换能器耦合在玻璃上的频率
-幅度响应
曲线。（画在坐标纸上）
2）、测量两对换能器的中心频率，选用合适的换能器进行下面的测量。
提示：不同材料的声阻抗不一样，因此换能器耦合在不同的材料上时，中心频率会有所 漂移。
3）、测量铁，有机玻璃，玻璃（三个长方体小块）的声阻抗
R c 。
2、测量样品材料参数
1）、用超声探测固体材料（铝）的高度。 2）、测量铝的声速度，声阻抗。 3、测量样品中缺陷
1）、测量缺陷 1 的尺寸（宽、高），位置。
2）、测量缺陷 2 的尺寸（宽、高），位置；测量判断缺陷并给出判断理由。
五、提示
1、信号选用信号发生器上正弦波 +BURST 功能。 2、用三通实现换能器自发自收。
2 中是何种填充固体
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