超声波在物质中的传播与超声成像

实验目的:
1.掌握超声波产生方法、传播规律和测试的原理
2.通过对固体弹性常数的测量掌握超声波在测试方面应用的特点
3.掌握超声成像的基本原理
仿形车床
实验仪器:
JDUT-2型超声波实验仪、示波器、CSK-酸洗槽IB型铝试块、超声波成像专用试块、直探头、斜探头、5MΦ6专用直探头、钢板尺、耦合剂(水)
实验原理:
1.压电晶体材料
有某些材料(晶体)在外力作用下而变形时,其晶体内部正负电荷中心相对位置发生移动,从而导致晶体两端表现出符号相反的束缚电荷,而且其电荷密度与压力成正比。这种由于压
力而产生的电极化现象称为正压电效应,而这些具有压电效应的晶体,当其处于外电场作用下,由于库仑力作用致使晶体内部正负电荷中心相对位置发生移动,从而致使晶体产生形变。这种由于电极化现象而产生机械形变的现象称为逆压电效应。平常所述的压电效应是正压电效应和逆压电效应的统称)
物质的压电效应与其内部的结构有关,如果某个晶体其内部结构(晶体结构)中无对称中心,这种晶体就具有压电效应的产生条件,否则,当晶体受到外力作用时,由于结构对称而导致在其形变过程中正负电荷中心无法分离。
在压电晶体中还包括一类铁电性压电晶体,如钛酸钡、电陶瓷锆钛酸铅。在室温下即使不受外力作用其正负电荷中心也不重合,而有一个自发偶极矩,在外力作用下这类晶体的自发偶极矩也可以发生变化从而产生压电效应。这类晶体多是由人工制成的陶瓷材料,而称为压电陶瓷。压电陶瓷一般都具有十分优异的机电性能,具有十分稳定的压电性能以及居里温度。
2.脉冲超声波的产生及其特点
旋转装置
本实验中用于制造超声波换能器的压电陶瓷被加工成平面状,并在正反两面分别镀上银电极,称为压电晶片。当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时,由于逆压电效应,晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡,振荡频率与晶片的材料、厚度有关。可以通过改变晶片的厚度调整发生声波的频率,适当的晶片厚度可以得到超声频率范围的声波。在一次电压短脉冲作用下,晶片振动幅度先迅速增大又迅速降低,因此压电晶片发射出的是一个超声波波包,即通常所述的脉冲波。
3.超声波波型及换能器种类
如果压电晶片内部质点的振动方向垂直于压电晶片平面,那么换能器将向外发射的超声波为纵波。超声波在介质中传播通常有三种不同的波型,并取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。
1)纵波波型:当介质中质点振动方向与超声波传播方向一致时为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时产生纵波。
2)ts2    横波波型:当介质中质点振动方向与超声波的传播方向相垂直时为横波波型,当其有剪切力交替作用于固体介质时产生横波。
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3)表面波波型:表面波是沿着固体表面传播的既具有纵波性质又具有横波性质的超声波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成而来。
4.超声波在固体中的传播
在气体介质中声波只是纵波,而在固体介质中由于固体可以承受切变形变,所以声波可以按纵波或横波两种波型传播。在各向同性的固体材料中,根据应力和应变满足的胡克定律,超声波传播的特征方程为
其速度可表示为
在各向同性固体介质中,不同波型超声波传播速度为
纵波波速:
横波波速:
弹性模量:
泊松系数:
实验步骤:
家庭系统
1.观察仪器接收到超声回波(直探头和倾斜探头)
2.测量斜探头所产生的超声波入射铝块时的折射角
3.铝块的弹性模量和泊松系数的测量
4.超声成像

本文发布于:2024-09-24 17:16:04,感谢您对本站的认可!

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