實驗一、實驗目的
1． 了解超聲波產生和接收方法；
2． 認識超聲脈衝波及其特點；
3． 理解超聲波的反射、折射和波型轉換。
二、實驗原理
某些固體物質，在壓力（或拉力）的作用下產生變形，從而使物質本身極化，在物體相對的表面出現正、負束縛電荷，這一效應稱為壓電效應。
當給壓電晶元兩極施加乙個電壓短脈衝時, 由於逆壓效應，晶元將發生彈性形變而產生彈性振盪, 振盪頻率與晶元的聲速和厚度有關, 適當選擇晶元的厚度可以得到超聲頻率範圍的彈性波, 即超聲波。由於正壓效應, 振盪的晶元在兩極產生振盪的電壓, 電壓被放大後可以用示波器顯示。
1． 超聲波波型及換能器種類
如果晶元內部質點的振動方向垂直於晶元平面，那麼晶元向外發射的就是超聲縱波。超聲波在介質中傳播可以有不同的波型，它取決於介質可以承受何種作用力以及如何對介質激發超聲波。通常有如下三種:
縱波波型：當介質中質點振動方向與超聲波的傳播方向一致時，此超聲波為縱波波型。任何固體介質當其體積發生交替變化時均能產生縱波。
橫波波型：當介質中質點的振動方向與超聲波的傳播方向相垂直時，此種超聲波為橫波波型。由於固體介質除了能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當其有剪下力交替作用於固體介質時均能產生橫波。
橫波只能在固體介質中傳播。
表面波波型：是沿著固體表面傳播的具有縱波和橫波的雙重性質的波。表面波可以看成是由平行於表面的縱波和垂直於表面的橫波合成, 振動質點的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅最強，隨著深度的增加很快衰減，實際上離表面乙個波長以上的地方，質點振動的振幅已經很微弱了。
在實際應用中，我們經常把超聲波換能器稱為超聲波探頭。實驗中，常用的超聲波探頭有直探頭和斜探頭兩種。
一般情況下，採用直探頭產生縱波，斜探頭產生橫波或表面波。對於斜探頭，晶元受激發產生超聲波後，聲波首先在探頭內部傳播一段時間後，才到達試塊的表面，這段時間我們稱為探頭的延遲。對於直探頭，一般延遲較小，在測量精度要求不高的情況下，可以忽略不計。
2． 超聲波的反射、折射與波型轉換
在斜探頭中，從晶元產生的超聲波為縱波，它通過斜楔使超聲波折射到試塊內部，同時可以使縱波轉換為橫波。實際上，超聲波在兩種固體介面上發生折射和反射時，縱波可以折射和反射為橫波，橫波也可以折射和發射為縱波。超聲波的這種現象稱為波型轉換，其**如圖1.
5所示。
圖1.5 超聲波的反射、折射和波型轉換
超聲波在介面上的反射、折射和波型轉換滿足如下斯特令折射定律：
反射1.3a）
折射1.3b）
其中，l和s分別是縱波反射角和橫波反射角；l和s分別是縱波折射角和橫波折射角；c1l和c1s分別是第1種介質的縱波聲速和橫波聲速；c2l和c2s分別是第2種介質的縱波聲速和橫波聲速。
在斜探頭或可變角探頭中，有機玻璃斜塊或有機玻璃探頭芯的聲速c小於鋁中橫波聲速cs，而橫波聲速cs又小於縱波聲速cl。因此，根據公式（2.1b），當大於：
1.4)
時，鋁介質中只有折射橫波；而當大於：
1.5）
時，鋁介質中既無縱波折射，又無橫波折射。我們把1稱為有機玻璃入射到有機玻璃-鋁介面上的第一臨界角；2稱為第二臨界角；
三、實驗儀器
jdut-2型超聲波實驗儀；示波器；直探頭；可調節斜探頭
四、實驗內容
1． 測量直探頭的延遲
利用csk-ib試塊60公釐的厚度進行測量。多次測量，求平均值。
2． 測量脈衝超聲波頻率和波長
利用csk-ib試塊40公釐厚度的1次回波進行測量；測量脈衝波4個振動週期的時間t，求其頻率和波長。多次測量，求平均值。
3． 波形轉換的觀察和測量
通過簡單計算和測量，分析確定圖1.9中b1、b1和b2對應的波型和反射面。
五、 實驗資料及處理
1 測量直探頭的延遲
其中一格為5
直探頭延遲的平均值為：
2. 測量脈衝超聲波頻率和波長
4個週期的時間t三次測量格數分別為：0.60格；0.60格；0.58格
此時示波器一格為2，故三次測量時間為：
t1=1.20, t2=1.20, t3=1.16
故所測脈衝超聲波週期為：
頻率為由表可知，鋁中的縱波聲速為=6.27mm/
故波長3. 波形轉換的觀察和測量
其中1格=5
； 故在兩面傳播的路程分別為60mm,120mm
又由表可知，鋁中的縱波聲速為6.27mm/，橫波聲速為3.10mm/
由上可得三個可行的速度：
120/18.75=6.4mm/
120/38.5=3.12mm/
60/9.5=6.31mm/
又b1，b2都是在探頭靠近試塊背面時產生的。
可見，b1對應縱波及r2反射面，b2對應橫波及r2 反射面，b1對應縱波及r1反射面
六、分析與思考
1、激發脈衝超聲波的電脈衝一般是乙個上公升沿小於20納秒的很尖很窄的脈衝。而從超聲脈衝波的波形看，其幅度是由小變大，然後又由大變小，而不是直接從大變小；並且振動可以持續110微秒；為什麼？
答：晶元發生彈性形變而產生彈性振盪是乙個過程，不可能瞬間達到峰值，也不可能瞬間消失。
2、通過計算說明，當可變角探頭逐步靠近試塊正面時，為什麼橫波在r1圓弧面的反射回波能夠與b1重合？
答：橫波波速約為縱波的一半，而傳到r1圓弧面的傳播距離為b1對應縱波傳播距離的一般，故恰可重合。
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