超声波原理应用专题实验报告及论文
超声波原理专题实验报告及论文
授课教师：王保军
学院：电气工程学院
专业：电气信息类(轨道牵引电气化)
班级：电气1109班
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目录
实验一.超声波的产生与传播 (3)
一．实验方案 (3)
1.直探头延迟的测量 (3)
2.脉冲波频率和波长的测量 (3)
3.波型转换的观察与测量 (3)
4.折射角的测量 (4)
二．实验内容及要求 (5)
1.测量直探头的延迟 (5)
2.测量脉冲超声波频率和波长 (5)
3.波形转换的观察和测量 (5)
4.验证斯特令定律（选做） (5)
三．分析与思考 (5)
实验二.固体弹性常数的测量 (5)
一．实验方案 (5)
1.声速的直接测量方法 (5)
2.速的相对测量方法 (7)
二．实验内容与要求 (7)
1.测量直探头和斜探头的延迟 (7)
2.利用直探头测量铝试块的纵波声速 (7)
3.利用斜探头测量铝试块的横波声速 (7)
4.计算铝试块的杨氏模量和泊松系数 (8)
三．分析与思考 (8)
实验三.超声波探测 (8)
一．实验方案 (8)
1.声束扩散角的测量 (8)
2.直探头探测缺陷深度 (9)
4.斜探头测量缺陷的深度和水平距离 (9)
二．实验内容及要求 (10)
1.测量直探头的扩散角 (10)
2.探测CSK-IB试块中缺陷C的深度 (10)
3.探测CSK-IB试块中缺陷D的深度和距试块右边沿的距离 (11)
三．分析与思考 (11)
超声波原理及应用科技小论文 (11)
——超声波在工业及医学上的应用 (11)
四．论述 (12)
2.临界角的测量 (13)
五.结论 (14)
3.超声波探测 (15)
六.扩展——超声波在工业及医学上的应用 (18)
七、结语 (21)
八、参考文献 (21)
实验一.超声波的产生与传播
一．实验方案
1.直探头延迟的测量
参照附录A 连接JDUT-2型超声波实验仪和示波器。超声波实验仪接上直探头，并把探头放在CSK-IB 试块的正面，仪器的射频输出与示波器第1通道相连，触发与示波器外触发相连，示波器采用外触发方式，适当设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电压范围与时间范围，使示波器上看到的波形如图1.7所示。
在图1.7中，S 称为始波，t 0对应于发射超声波的初始时刻；B 1称为 图1.7直探头延迟的测量
试块的1次底面回波，t 1对应于超声波传播到试块底面，并被发射回来后，被超声波探头接收到的时刻，因此t 1对应于超声波在试块内往复传播的时间；B 2 称为试块的2次底面回波，它对应于超声波在试块内往复传播到试块的上表面后，部分超声波被上表面反射，并被试块底面再次反射，即在试块内部往复传播两次后被接收到的超声波。依次类推，有3次、4次和多次底面反射回波。
从示波器上读出传播t 1和t 2，则直探头的延迟为
212t t t -= (1.6)
2.脉冲波频率和波长的测量
调节示波器时间范围，使试块的1次底面回波出现在示波屏的中央，脉冲波的振幅小于1V 。测量两个振动波峰之间的时间间隔，则得到一个脉冲周期的振动时间t ，则脉冲波的频率为f=1/t ；已知铝试块的纵波声速为6.32mm/us ，则脉冲波在铝试块中的波长为l=6.32t 。
3.波型转换的观察与测量
把超声波实验
仪换上可变角探头，
参照图1 .8把探头
放在试块上，并使探
头靠近试块背面，使
探头的斜射声束只打在R 2圆弧面上。适当设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电压范围 图1.8观察波型转换现象
与时间范围。改变探头的入射角，并在改变的过程中适当移动探头的位置，使每一个入射角对应的R 2圆弧面的反射回波最大。则在探头入射角由小变大的过程中，我们可以先后观察到回波B 1、B 2和B 3；它们分别对应于纵波反射回波、横波反射回波和表面波反射回波。 让探头靠近试块背面，通过调节入射角调，使能够同时观测到回波B 1和B 2（如图1.9），且它们的幅度基本相等；再让探头逐
步靠近试块正面，则又会在B 1前
面观测到一个回波b 1，
参照附录B 给出铝试块的纵
波声速与横波 声速，通过简单
测量和计算，可以确定b 、B 1和
B 2对应的波型和反射面。
4.折射角的测量
确定B 1、B 2的波型后，可以
分别测量纵波和横波的折射角。参照图1.10首先让把探头的纵波声
束对正（回波幅度最大时为正对位置）CSK-IB 试块上的横孔A ，用钢板尺测量正对时探头的前沿到试块右边沿的距离L A1；然后向左移动探头，再让纵波声束对正横孔B ，并 测量距离L B1。测量A 和B 的水平距离L 和垂直距离H ，则探头的折射角为：
)(tan 1111H L L L A B --=-β （1.7）
同样的方法可以测量横波的折射角β2。
图1.10 折射角的测量
图1.9横波和纵波的测量
二．实验内容及要求
1.测量直探头的延迟
利用CSK-IB试块60毫米的厚度进行测量。多次测量，求平均值。
2.测量脉冲超声波频率和波长
利用CSK-IB试块40毫米厚度的1次回波进行测量；测量脉冲波4个振动周期的时间t，求其频率和波长。多次测量，求平均值。
3.波形转换的观察和测量
通过简单计算和测量，分析确定图1.9中b1、B1和B2对应的波型和反射面。
4.验证斯特令定律（选做）
利用CSK-IA钢试块，测量可变角探头在同一入射角下的纵波折射角和横波折射角。钢中纵波声速与横波声速，验证斯特令定律折射定律。已知可变角探头中有机玻璃纵波声速为2.73mm/s，试计算可变角探头的入射角数值。
三．分析与思考
实验二.固体弹性常数的测量
一．实验方案
1.声速的直接测量方法
根据公式（2.1），当利用确定反射体（界面或人工反射体）测量声速时，我们只需要测量该反射体的回波时间，就可以计算得到声速。而对于单个的反射体，得到的反射波如图2.1所示。能够直接测量的时间包含了超声波在探头内部的传播时间t0，即探头的延迟。对
于任何一种探头，其延迟只与探头本身有关，而与被测的材料无关。因此，首先需要测量探头的延迟，然后才能利用该探头直接测量反射体回波时间。
图2.1 纵波延迟测量
（1）直探头延迟测量（参看实验一）。
（2）斜探头延迟测量
参照图2.2把斜探头放在试块上，并使探头靠近试块正面，使探头的斜射声束能够同时入射在R1和R2圆弧面上。适当设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电压范围与时间范围。在示波器上同时观测到两个弧面的回波B 1和B 2。测量它们对应的时间t 1和t 2。由于R 2=2R 2，因此斜探头的延迟为：
212t t t -?= (2.7)
（3）斜探头入射点测量（选做）
在确定斜探头的传播距离时，通常还要知道斜探头的入射点，即声束与被测试块表面的相交点，用探头前沿到该点的距离表示，又称前沿距离。
参照图 2.2把斜探头放在试块上，并使探头靠近试块正面，使探头的斜射声束入射在R 2圆弧面上，左右移动探头，使回波幅度最大（声束通过弧面的圆心）。这时，用钢板尺测量探头前沿到试块左端的距离L ，则前沿距离为：
L R L -=20 (2.8)
图2.2 斜探头延迟和入射点测量
2.速的相对测量方法
如果被测试块有两个确定的反射体，那么通过测量两个反射体回波对应的时间差，再计算出试块的声速。这种方法称为声速的相对测量方法。
对于直探头，可以利用均匀厚度底面的多次反射回波中的任意两个回波进行测量。
对于斜探头，则利用CSK-IB试块的两个圆弧面的回波进行测量。
二．实验内容与要求
1.测量直探头和斜探头的延迟
利用CSK-IB试块60毫米厚度，采用相对测量方法测量直探头延迟；多次测量，求平均值。利用R1、R2圆弧面，采用相对测量方法测量斜探头延迟；多次测量，求平均值。
2.利用直探头测量铝试块的纵波声速
分别利用直接法和相对法测量。多次测量，求平均值。
3.利用斜探头测量铝试块的横波声速
分别利用直接法和相对法测量。多次测量，求平均值。
4.计算铝试块的杨氏模量和泊松系数
与理论值比较，分析误差产生原因。
三．分析与思考
实验三.超声波探测
一．实验方案
1.声束扩散角的测量
如图3.3所示，利用直探头分别找到B Φ1通孔对应的回波，移动探头使回波幅度最大，并记录该点的位置x 0及对应回波的幅度；然后向左边移动探头使回波幅度减小到最大振幅的一半，并记录该点的位置x 1；同样的方法记录下探头右移时回波幅度下降到最大振幅一半对应点的位置x 2；则直探头扩散角为：
L x x tg 2||2121
-=-θ （3.2）
图3.3 探头扩散角的测量
对于斜探头，首先必须测量出探头的折射角β，然后利用测量直探头同样的方法，按下式计算斜探头的扩散角近似为：
]cos 2||[22121βθL x x tg -=- （3.3）
2.直探头探测缺陷深度
在超声波探测中，可以利用直探头来探测较厚工件内部缺陷的位置和当量大小。把探头按图3.4位置放置，观察其波形。其中底波是工件底面的反射回波。
图3.4 直探头探测缺陷深度
对底面回波和缺陷波对应时间（深度）的测量，可以采用绝对测量方法，也可以采用相对测量方法。利用绝对测量方法时，必须首先测量（或已知）探头的延迟和被测材料的声速，具体方法请参看实验二直探头延迟和声速的绝对测量方法。利用相对测量方法时，必须有与被测材料同材质试块，并已知该试块的厚度，具体方法请参看实验二直探头延迟和声速的相对测量方法。
4.斜探头测量缺陷的深度和水平距离
利用斜探头进行探测时，如果测量得到超声波在材料中传播的距离为S ，则其深度H 和水平距离L 为：
)tan(β?=S H
(3.4) )tan(βc S L ?=
(3.5)
其中β是斜探头在被测材料中的折射角。
要实现对缺陷进行定位，除了必须测量（或已知）探头的延迟、入射点外，还必须测量（或已知）探头在该材质中的折
射角和声速。通常我们利用与被测
材料同材质的试块中两个不同深度
的横孔对斜探头的延迟、入射点、
折射角和声速进行测量。
参看图3.5，A 、B 为试块中的
两个横孔，让斜探头先后对正A 和
B ，测量得到它们的回波时间tA 、tB ，
探头前沿到横孔的水平距离分别为
xA 、xB ，已知它们的深度为HA 、
HB ，则有： 图3.5斜探头参数测量
A B x x S -= (3.6)
A B H H H -= (3.7)
折射角： )(tan 1H S
-=β (3.8)
声速： )cos(
)(βA B t t H
c -= (3.9)
延迟： )cos(0β?-=c H t t B
B (3.10)
前沿距离： B x H L -?=)tan(0β (3.11)
二．实验内容及要求
1.测量直探头的扩散角
利用CSK-IB 试块横孔A 和B 进行测量，画出声束图形。
2.探测CSK-IB 试块中缺陷C 的深度
利用直探头，采用绝对测量方法测量；多次测量，求平均值。
3.探测CSK-IB试块中缺陷D的深度和距试块右边沿的距离
先测量斜探头的延迟、入射点、折射角和声速，在探测缺陷。
三．分析与思考
超声波原理及应用科技小论文
——超声波在工业及医学上的应用一．摘要：本文主要就超声波原理与应用专题实验过程进行的一些讨论和总结，并扩展到超声波在现实生活中的广泛应用。
二．关键字：超声波，产生，实验理论，应用。
三．背景：超声波是频率在2′104Hz~1012Hz的声波。超声广泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫声中含有超声成分，蝙蝠利用超声导航和觅食；金属片撞击和小孔漏气也能发出超声。
人们研究超声始于1830年，F. Savart曾用一个多齿轮，第一次人工产生了频率为2.4′104Hz的超声；1912年Titanic客轮事件后，科学家提出利用超声预测冰山；1916年第一次世界大战期间P. Langevin领导的研究小组开展了水下潜艇超声侦察的研究，为声纳技术奠定了基础；1927年，R. W. Wood 和A. E. Loomis 发表超声
能量作用实验报告，奠定功率超声基础；1929年俄国学者Sokolov
提出利用超声波良好穿透性来检测不透明体内部缺陷，以后美国科学家Firestone使超声波无损检测成为一种实用技术。
超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。例如，在海洋应用中，超声波可以用来探测鱼群或冰山、潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探等。在检测中，利用超声波检验固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等。在医学中，可以利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描（B超诊断）和血流速度的测量（彩超诊断）等。
四．论述
定义：超声波是频率高于20000赫兹的声波；
超声波的种类和特点：由超声波的定义可知，超声波是一种声波，所以它具有波的性质，即反射和折射。波分为横波和纵波，超声波也不例外，所以超声波又分为纵波、横波除此之外还有一个表面波。实验中采用直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。
超声波在界面上的反射、折射和波型转换满足如下斯特令折射定律：
1.波形转换：我们用一个可变角探头来研究它们的转换过程及临界角
第1步：把可变角探头的入射角调整为0，使超声波入射在试块两个圆弧R1和R2的下部边缘，观察反射回波，确定其波型（纵波）。横向移动探头，观察其位置如何变化。
第2步：增大可变角探头入射角，注意回波幅度的变化。当入射
角达到某一值后，纵波的幅度会减小，在其后面又会出现两个回波，并且幅度不断增大，确定其波型（横波）。横向移动探头，观察其位置如何变化。
第3步：可变角探头入射角增加到某值时，纵波消失，只剩横波 第4步：可变角探头入射角继续增加，横波幅度减弱并消失，在此过程中又会出现两个回波，确定其波型（表面波）。用手指轻压试块表面，观察其幅值如何变化。
2.临界角的测量
第1步：按图，把探头放置在试块圆弧的圆心附近，找到R 2的反
射回波最大的位置，用钢尺测量探头前沿到试块端点的距离L 1，
确定斜探头的入射点 120L R L -=
第2步：把探头分别对准A ，B 两孔，找到最大反射回波。
第3步：求
)(1H L L L tg A B s --=-β 第4步：通过 s s C C βαs in s in =求入射纵波的入射角。
第5步：利用 )(sin 11L C C -=α
)(sin 12s C C -=α ，求 1α 、 2α ，并比较 α 与 1α 、 2α 理解波形转换。
（在铝试块中的横波声速为3.10mm/μs ，纵波声速为
5.90mm/μs 。）
3.描述超声波的两个重要参数：频率和波长。 测量一个脉冲波4个振动周期的时间t ，频率 为
波长为
五.结论
1.测声速（纵波声速和横波声速）
纵波声速：试块的厚度为L.
纵波声速为：C L = 延迟为: 212t t t -=
横波声速：两个圆弧的半径长分别为R 2和R 1
t
f 4=4t C l ?=λ
试块横波声速为：C S = 延迟为：212t t t -=
2.测量试块的杨氏模量和泊松系数。
通过测量试块的纵波声速和横波声速可以计算试块的杨氏模量和泊松系数。
超声波速度与传播介质的弹性模量和密度有关，不同的介质，有不同的声速；并且当波型不同时，介质弹性形变形式不同，声速也不一样。 在各同向性固体介质中，各种波型的超声声速为： 纵波声速：)21)(1()1(σσρσ-+-=
E C L 横波声速：)1(2σρ+=E C S
其中E 为杨氏模量，σ为泊松系数，ρ为材料密度。
相应地，通过测量介质的纵波声速和横波声速，利用以上公式可以计算介质的弹性常数。计算公式如下：
杨氏模量： 1)
43(222--=T T c E S ρ
泊松系数： )1(2222--=T T σ
其中：S
L c c T =，L c 为介质中纵波声速，S c 为介质中横波声速，ρ为介质的密度。
3.超声波探测
1．直探头探测缺陷深度：
在超声波探测中，可以利用直探头来探测较厚工件内部缺陷的位
置和当量大小。把探头按图1-8位置放置，观察其波形。其中底波是工件底面的反射回波。
图1-8直探头探测缺陷深度
本实验采用绝对探测法，绝对探测法是通过直接测量反射回波时间，根据声速计算出缺陷的深度。方法是：（1）在试块上仔细移动探头的位置找到钻孔（缺陷）的最大回波，这时示波器上缺陷波清楚明显，探头处于钻孔的中心线上，（2）调节示波器的分辨率，测量缺陷回波的时间，（3）利用己测得的声速计算钻孔的深度。
2、利用斜探头，探测CSK-IB 试块中缺陷D 的深度和距试块右边沿的距离。
第1步：测量延迟1次。
第2步：按图把探头放置在试块圆弧的圆心附近，找到R 2的反射回
波最大的位置，用钢尺测量探头前沿到试块端点的距离L 1，确定斜探
头的入射点 120L R L -=
第3步：按图2，把探头分别对准A ，B 两孔，找到最大反射回波，求 )(1H L L L tg A B s --=-β
第4步： 斜探头测量声速 '-'-=
1212)(2t t R R C s 第5步： 找到D 孔最大的回波位置L D ，测回波的时间 t ' ，则
20
t t C S s D '-'?=
第6步： 则 βsin 2D S L =
第7步：最后 βcos D D S Y = 20L L L X D D -+=
测量直探头的扩散角θ 。θ越小，探头方向性越好，定位精度越高。 第1步：利用直探头分别找到A 、B 孔对应的回波，移动探头使回波幅度最大 ，并用钢尺测量该点的位置x 0及对应的回波的幅度；
第2步：向左边移动探头使回波幅度减小大最大幅度的一半，用钢尺测量该点的位置x 1；
第3步：同样的方法测量探头右移时回波幅度下降到最大幅度的一半时对应点的位置x 2。
则扩散角为：
H
x x tg 221
21-=-θ
（1）超声仪的发射接口向外发射400V的高压脉冲，因此它只能与接收接口或探头相连，而不能够与超声仪的射频、检波、触发，或者示波器的CH1、CH2、TRG相连；否则会损坏仪器；
（2）超声仪的输出信号被限制在5V左右，因此示波器在测量过程中，一般要求被测信号幅度不超过2V；
（3）利用CSK-IB钢试块时，可以用水或机油作为耦合剂；利用CSK-IC 铝试块时，必须用机油作为耦合剂。本实验为铝试块。
（4）实验完成后，必须擦干净试块上残余的耦合剂，否则会损坏试块。并保持实验室卫生。
六.扩展——超声波在工业及医学上的应用
在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。赛福瑞家用超声治疗机属于超声波治疗学的运用范畴。
1.工业：水下定位与通讯、地下资源勘查等。
2.生物：剪切大分子、生物工程及处理种子等。
3.医学：A型、B型、M型、D型、双功及彩超、理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。
在这里我们主要了解在工业上和医学上的应用。
工业自动化控制
利用声波反射、衍射、多普勒效应，制造超声波物位计、超声波液位计、超声波流量计等。
超声效应当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相
互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应：
①机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化。
②空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。
③热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。
④化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学
物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。
超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：
①超声检验
超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。
②超声处理
利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。
③超声波还可以进行雷达探测.清洗较为精细的物品，如钟表，可以利用超声波来击碎病人体内胆结石，还可以利用超声波测距. 医学
超声治疗学是超声医学的重要组成部分。超声治疗时将超声波能量作用于人体病变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。
医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，
超声波焊接原理和应用
超声波焊接原理： 超声波焊接是熔接热塑性塑料制品的高科技技术，各种热塑性胶件均可使用超声波熔接处理，而不需加溶剂，粘接剂或其它辅助品。 其优点是增加多倍生产率，降低成本，提高产品质量及安全生产。 超声波塑胶焊接原理是由发生器产生20KHz(或15KHz)的高压、高频信号，通过换能系统，把信号转换为高频机械振动，加于塑料制品工件上，通过工件表面及在分子间的磨擦而使传递到接口的温度升高，当温度达到此工件本身的熔点时，使工件接口迅速熔化，继而填充于接口间的空隙，当震动停止，工件同时在一定的压力下冷却定形，便达成完美的焊接。 新型的15KHz超声波塑胶焊接机，对焊接较软的PE、PP材料，以及直径超大，长度超长塑胶焊件，具有独特的效果，能满足各种产品的需要，能为用户生产效率以及产品档次贡献。 超声波焊接工艺： 一、超声波焊接： 以超声波超高频率振动的焊头在适度压力下，使二块塑胶的结合面产生磨擦热而瞬间熔融接合，采用合适的工件和合理的接口设计，可达到水密及气密，并免除采用辅助品带来的不便，实现高效清洁的焊接焊接强度可与本体媲美。 二、铆焊法： 将超声波超高频率振动的焊头，压着塑胶品突出的梢头，使其瞬间发热融成为铆钉形状，使不同材质的材料机械铆合在一起。三、埋植： 借着焊头之传导及适当压力，瞬间将金属零件(如螺母、螺杆等)挤入预留的塑胶孔内，固定在一定深度，完成后无论拉力、扭力均可媲美传统模具内成型之强度，可免除射出模受损及射出缓慢之缺点。
一、超声波塑料焊接的相容性和适应性： 热塑性塑料，由于各种型号性质不同，造成有的容易进行超声波焊接，有的不易焊接；下表中黑方块的表示两种塑料的相容性好，容易进行超声波焊接；圆圈表示在某些情况下相容，焊接性能尚可；空格表示两种塑料相容性很差，不易焊接。 注意：表中所列仅供参考,因为熟知的变化可导致结果略有差异.
超声波无损检测的发展
超声无损检测仪器的发展 超声检测仪器性能直接影响超声检测的可靠性，其发展与电子技术等相关学科的发展是息息相关的。计算机的介入，一方面提高了设备的抗干扰能力，另一方面利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的定量、自动读数、自动识别、自动补偿和报警。20世纪80年代，新一代的超声检测仪器——数字化、智能化超声仪问世，标志着超声检测仪器进入一个新时代。 超声无损检测仪器将向数字化、智能化、图像化、小型化和多功能化发展。在第十三、十四世界无损检测会议仪器展览会、1996年中国国际质量控制技术与测试仪器展览会、1997年日本无损检测展览会等大型国际会议会展中，数字化、智能化、图像化超声仪最引人注目，显示了当今世界无损检测仪器的发展趋势。其中以德国Krauthammer公司、美国Panametrics公司、丹麦Force Institutes公司与美国PAC公司的产品最具代表性。真正的智能化超声仪应该是全面、客观地反映实际情况，而且可以运用频谱分析，自适应专家网络对数据进行分析，提高可靠性。提高超声检测中对缺陷的定位、定量和定性的可靠性也是超声检测仪器实现数字化、智能化急待解决的关键技术问题。 现代的扫查装置也在向智能化方向发展。扫查装置是自动检测系统的基础部分，检测结果准确性、可靠性都依赖于扫查装置。例如采用声藕合监视或藕合不良反馈控制方式提高探头与工件表面的耦合稳定度以及检测的可靠性。从20世纪90年代以来，出现的各种智能检测机器人，已经形成了机器人检测的新时代及工程检测机器人的系列与商业市场。例如日本东京煤气公司的蜘蛛型机器人，移动速度约60m/h ，重约140kg，采用16个超声探头可以对运行状态下的球罐上任意点坐标位置进行扫描。日本NKK公司研制的机器人借助管道内液体推力前进，可以测量输油管道腐蚀状况，其检测精度小于1mm。 丹麦Force研究所的爬壁机器人，重约10吨，采用磁吸附与预置磁条跟踪方式可检测各类大型储罐与船体的缺陷。 超声无损检测技术的发展 超声无损检测技术是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术, 体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检测以及设备服役的各个阶段和保证机器零件的可靠性和安全性上。世界各国出版的无损检测书
超声波技术在无损检测上的应用
超声波技术在无损检测上的应用 一、 摘要 1. 关键词 超声波技术 无损检测 材料内部缺陷 评价 2.摘要 介绍简单的超声波无损检测原理及其试验方法，对超声波无损检测过程进行总结，并对超声波无损探测技术进行探讨，未来展望。 二、 论文内容 1. 背景 超声波是频率在Hz Hz 12410~102?的声波，具有波长短、易于定向发射、不易被干扰等优点。超声波测试把超声波作为一种信息载体，已在海洋探查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。在检测中，利用超声波检测固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等。 2. 论述 1) 主要理论 某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产 生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的 表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电 效应。当晶体不受外力作用，其正负离子向相 反方向移动，于是产生了晶体的变形，这就是 逆压电效应。 超声换能器中的压电晶片采用在室温下仍具有 压 电效应，逆压电效应的压电陶瓷，当被施与电压时，便会产生震荡，并产生超声波。震动过程中其振幅逐渐减少，因此发射出一个超声波波包，已被称为脉冲波。在检测过程中，散射波被同一换能器接收，并产生震荡电压，电压放大后可由示波器显示。 超声波换能器亦被称为超声波探头，主要分为直探头和斜探头两种。其中直探头产生纵波，斜探头产生横波和表面波，而横波只能在固体介质中传播。各探头存在延迟，其中直探头延迟一般较小，在测量精度要求不高时，可以忽略。 直探头测量缺刻深度时缺刻深度t C H L ?= 斜探头进行探测时，如果测量得到超声波在材料中传播的距离为M 则其深度H （a ） 晶体振动 (b) 脉冲波
无损检测 超声波检测
超声波检测 华北科技学院机电工程学院 摘要：超声无损检测是在现代工业生产中应用的非常广泛的一种无损检测 方法，它对于提高产品的质量和可靠性有着重要的意义。尽管随着电子技 术的发展，国内出现了一些数字化的超声检测仪器，但其数据处理及扩展 能力有限，缺乏足够的灵活性。而虚拟仪器是近年来刚刚发展起来的一种 新的仪器构成方式，它是一种、通讯技术和测量技术相结合的产物，具有 很大的灵活性和扩展性，具有旺盛的生命力。 关键词：无损检测；超声波探伤；计算机技术；通讯技术 Abstract：As a kind of NDT(Non-Destructive Testing)，UT (Ultrasonic Testing) is widely used in modern industry, which plays a very important role in improving the quality and the reliability of product. Although along with technical development in electronics, some digital UT instruments have been developed at home, its expand- ability and the ability of processing data limited. VI (Virtual Instru- ment) is a new Instrument structure developed recent years and is an outcome which combines the computer technique, the communication technique together with the measure technique, which has huge expandability, flexibility and the prosperous vitality. Keywords：NDT(Non-Destructive Testing) UT (Ultrasonic Testing) computer technique communication technique
超声波检测技术及应用
超声波检测技术及应用 刘赣 （青岛滨海学院，山东省青岛市经济开发区266000） 摘要：无损检测(nondestructive test)简称NDT。无损检测就是不破坏和不损伤受检物体，对它的性能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。本文主要讲的是超声波检测（UT）的工作原理以及在现在工业中的应用和发展。 关键词：超声波检测；纵波；工业应用；无损检测 1.超声波检测介绍 1.1超声波的发展史 声学作为物理学的一个分支, 是研究声波的发生、传播、接收和效应的一门科学。在1940 年以前只有单晶压电材料, 使得超声波未能得到广泛应用。20 世纪70 年代, 人们又研制出了PLZT 透明压电陶瓷, 压电材料的发展大大地促进了超声波领域的发展。声波的全部频率为10- 4Hz～1014Hz, 通常把频率为2×104Hz～2×109Hz 的声波称为超声波。超声波作为声波的一部分, 遵循声波传播的基本定律, 1.2超声波的性质 1）超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击（基于“空化现象”）。从而引出了“功率超声应用技术“例如“超声波清洗”、“超声波钻孔”、“超声波去毛刺”（统称“超声波加工”）等。2）超声波具有良好的指向性 3）超声波只能在弹性介质中传播，不能再真空中传播。一般检测中通常把空气介质作为真空处理，所以认为超声波也不能通过空气进行传播。 4）超声波可以在异质界面透射、反射、折射和波型转化。 5）超声波具有可穿透物质和在物质中衰减的特性。 6）利用强功率超声波的振动作用，还可用于例如塑料等材料的“超声波焊接”。 1.2超声波的产生与接收 超声波的产生和接收是利用超声波探头中压电晶体片的压电效应来说实现的。由超声波探伤仪产生的电振荡，以高频电压形式加载于探头中压电晶体片的两面电极上时，由于逆压电效应的结果，压电晶体片会在厚度方向上产生持续的伸缩变形，形成了机械振动。弱压电晶体片与焊件表面有良好的耦合时，机械振动就以超声波形式传播进入被检工件，这就是超声波的产生。反之，当压电晶体片收到超声波作用而发生伸缩变形时，正压电效应的结果会使压电晶体片两面产生不同极性的电荷，形成超声频率的高频电压，以回波电信号的形势经探伤仪显示，这就是超声波的接收。 1.3超声波无损检测的原理 超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种
超声波探伤论文-超声波探伤毕业论文
摘要 本毕业设计的课题是板材焊缝超声波探伤测试。主要任务是在掌握过程设备制造流程和焊接缺陷及其产生原因的基础上，研究超声波探伤技术在钢制压力容器对接焊接接头探伤检测中的应用，并给出焊缝返修的具体方案。本文详述了国外超声检测技术的发展和现状，并在简述过程设备制造、焊接及无损探伤的基础上详细介绍了超声波探伤技术及其在焊缝无损探伤中的应用及评定等级和注意事项。针对给定的板材焊缝，通过实验检测该焊缝的缺陷，本文详细介绍了试块选用，设备调试，现场探伤中的常见问题及解决方法。同时给出了现场探伤、缺陷定位和长度测量的具体方法，并通过GB11345-89标准对试验中检测到的缺陷进行了等级评定并得出了检测工艺卡。 关键词：焊缝；超声波探伤。
Abstract The task of the graduation design is the plate weld ultrasonic testing. The main task is to master the process equipment manufacturing and welding defects and its causes, study of ultrasonic flaw detection technology in steel pressure vessel butt welded joint flaw detection, and gives the concrete plan of the weld repairing. This paper describes the domestic and foreign development and present situation of ultrasonic detection technology, and in the process equipment manufacturing, welding and nondestructive testing based on detailed introduces the ultrasonic detection technology and its application in weld NDE and rating and matters needing attention. For a given plate welding, the weld defects detection by experiment, this paper introduces the test block selection, equipment commissioning, on-site inspection of the common problems and solutions. At the same time provides on-site testing, defect location and length measurement methods, and through the GB11345-89 standard to test the detected defects were rating and the detection process card. Key words: Weld; ultrasonic testing
超声波的原理与应用
新疆大学课程大作业 题目：超声波的原理与应用姓名：xx xx 学院：电气工程学院 专业：电气工程及其自动化班级：电气xx-x班 完成日期：2012年11月27日
超声波的原理与应用 概述： 超声波是一种机械波。声的发生是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动由近及远的传播，这就是声波。人耳所能听闻的声波其频率在20～20000Hz之间，频率在20～20000Hz以外的声波不能引起声音的感觉。频率超过20000Hz的叫做超声波，频率低于20Hz的叫做次声波。超声波的频率可以高达911Hz，而次声波的频率可以低达9-8Hz。 早在1830年，F·Savart曾用齿轮，第一次产生24000HZ的超声，1876年F·Galton用气哨产生30000Hz 的超声。1912年4月10日，泰坦尼克号触冰山沉没，引起科学界注意，希望可以探测到水下的冰山。直到第一次世界大战中，德国大量使用潜艇，击沉了协约国大量舰船，探测潜艇的任务又提到科学家的面前[1]。当时的科学家郎之万和他的朋友利用当时已出现的功率很大的放大器和石英压电晶体结合起来，能向水下发射几十千赫兹的超声波，成功的将超声波应用到实际中。 现在，超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探测与开发、无损检测、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。例如：在海洋应用中，超声波可以用来探测鱼群和冰山，可以用于潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探等。在检测中，利用超声波检测固体材料内部缺陷、材料尺寸测量、物理参数侧量等。在医学中，可以利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描和血流速度的测量等。 超声波工作原理 这次做机器人用到了超声波，才开始看它的工作原理，感觉还很简单，但是调试到最后，发现了很多问题，该碰到的都碰到了。赶紧写出来分享给大家。 先把超声波的工作原理贴出来：
超声波原理应用
超声波的产生 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。 超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性： 传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。 功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。 空化作用──当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 超声波的两个主要参数 超声波的两个主要参数：频率：F≥20KHz；功率密度：p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常p≥0.3w/cm2; 在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用“空化”现象来解释：超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时，其功率密度为0.35w/cm2，这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空洞一空化核。此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来。这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。太小的声强无法产生空化效应。 超声清洗的原理 由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质---清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的直径为50-500μm的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在声场的作用下振动。这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区，当声压达到一定值时,气泡迅速增大,然后突然闭合。并在气泡闭合时产生冲击波,在其周围产生上千个大气压,破坏不溶性污物而使他们分散于清洗液中,当团体粒子被油污裹着而黏附在清洗 件表面时,油被乳化,固体粒子及脱离,从而达到清洗件净化的目的。在这种被称之为“空化”效应的过程中，气泡闭合可形成几百度的高温和超过1000个气压的瞬间高压，连续不断地产生瞬间高压就象一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，使物件的表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到物件表面清洗净化的目的。
超声波无损检测技术的理论研究
毕业设计（论文） 题目超声波无损检测技术 的理论研究 系（院）物理与电子科学系 专业电子信息科学与技术 班级2006级4班 学生姓名李荣 学号2006080927 指导教师吴新华 职称讲师 二〇一〇年六月十八日
独创声明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二〇一〇年六月一十八日 毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名: 二〇一〇年六月一十八日
超声波无损检测技术的理论研究 摘要 本文首先针对波无损检测技术进行理论研究，简明扼要的介绍了超声波无损检测技术的研究意义和发展现状,超声波无损检测技术是当前一种较为先进的检测技术,应用领域更广,适用范围更宽。然后细致的分析了超声波无损检测技术的工作原理特性，基于超声波的优良特性，和传播机理，进行器件或工程的无损检测，并分析了超声波无损检测系统的噪声干扰来源，提出了降低噪声的方法。尝试用计算机模拟系统通过仿真软件来处理超声波无损检测过程中的庞大的数据信息。直观准确地定位缺陷的位置和类型。最后介绍了超声波在无损检测领域的两种典型应用，建筑方面，可以通过超声探头，利用声波的反射的折射来检测混凝土路基的厚度，电力系统方面，利用超声波无损检测技术确定次绝缘子的寿命定位绝缘子中缺陷的类型的具体位置，快速有效的解除安全隐患。 关键词：超声波；无损检测；计算机仿真；瓷绝缘子
超声波热量表原理及应用
一、超声波热量表原理： 1、基本原理： 热量表是将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管 号，一对温度传感器给出表示温度高低的模拟信号，而积算仪采集来自流量 热水所提供的热量与热水的进回水温差及热水流量成正比例关系。热水流量采用声波时差法原理进行测量，进回水温度则通过铂电阻温度计测量。热能表积算仪将热水流量和进回水温度进行数据运算处理，最后得出所消耗掉的热量，单位为 kWh 、 MWh、MJ 或 GJ。
2、 计算方法： a 、焓差法（依据供回水温度、流量对水流时间进行积分来计算） Q =∫q m ×?h ×d τ=∫ρ×q v ×??×d ττ1 τ0τ1τ0 Q ：系统释放或吸收的热量； q m ：水的质量流量 q v ：水的体积流量 ?? ：供水和回水温度的水的焓值差 b 、热系数法（根据供回水温差、水的累积流量） Q =∫k ×?θ×dv v0 v1 K=ρ???θ V :水的体积 ?θ：供水和回水的温差 k ：热系数 （具体密度及焓的取值参见GB/T 32224-2015附录A ） 二、 超声波热量表的选用 1、 机械部分 a 、热量表外形尺寸选用：热量表公称口径；公称压力；热量表全长、热量表计算器长度、高度、计算器高度、表接螺纹、流量计表体材质等。保证热量表可以正确安装在设备无干涉、且后期检修方便。 b 、热量表技术数据选用：包含热量表的最小流量、最大流量、过载流量、热量表温度围、公称流量下的压力损失、最大温差、最小温差、测算精度、热量表防护等级等。 2、 电气及软件部分 热量表供电方式：一般为24V 和230V （具体参见说明书）。 温度传感器类型、传感器导线长度（严禁自行加长、截短或更换导线）、热量表的通讯方式及通讯接口、流量计计量周期、用户M-Bus 抄表系统、
专题实验-超声波测试原理及应用
实验一、超声波的产生与传播 实验方案 1. 直探头延迟的测量 参照附录A 连接JDUT-2型超声波实验仪和示波器。超声波实验仪接h 直探头，并把探 头放在CSK-IB 试块的正面，仪器的射频输出与示波器第1通道相连，触发与示波器外触发 相连，示波器采用外触发方式，适半设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电圧范用与 时间范闱，使示波器上看到的波形如图1.7所示。 在图1.7中，S 称为始波，t 0对应于发射超声波的初始时刻；Bl 称为 图1.7 直探头延迟的测虽 试块的1次底面回波，h 对应于超声波传播到试块底面，并被发射回来后，被超声波探头接 收到的时刻，因此h 对应于超声波在试块内往复传播的时间：B 2称为试块的2次底面冋波, 它対应于超声波在试块内往复传播到试块的上表面后，部分超声波被上表面反射，并被试块 底面再次反射，即在试块内部往复传播两次后被接收到的超声波。依次类推，右3次、4次 和多次底面反射回波。 从示波器上读出传播h 和t2,则直探头的延迟为 (1-6) 2. 脉冲波频率和波长的测量 调节示波器时间范闱，使试块的1次底面回波出现在示波屏的中央，脉冲波的振幅小于 IVO 测量两个振动波峰之间的时间间隔，则得到一个脉冲周期的振动时间t,则脉冲波的频 率为^1/t ：已知铝试块的纵波声速为6.32InInUS,贝IJ 脉冲波在铝试块中的波长为l=6.32t β 3. 波型转换的观察与测最 号时间范悅改变探头的入射角，并在改变的过程中适当移动探头的位宜，使每一个入射角 对应的R 2圆弧面的反射回波最 人。則在探头入射角由小变人的过 程中，我们町以先后观察到回波 B 1. B 2和B3;它们分别对应于纵 波反射回波、横波反射回波和表面 波反射回波。 让探头靠近试块背而，通过调节入 射角调，使能够同时观测到回波 BI 和（如图1.9）,且它们的幅 度基本相等：再让探头逐步靠近试 块正面,则又会在Bl 前面观测到一个回波bl ， 参照附录B 给出铝试块的纵波声速与横波声速，通过简单测量和计算，可以确定b 、Bl 和氏对应的波型和反射面。 4. 折射角的测量 确定Bi 、B?的波型后，町以分别测量纵波和横波的折射角。参照图Llo 首先让把探头 的纵波声束对正（回波幅度最人时为正对位宜）CSK-IB 试块 把超声波实验 仪换上町变角探头， 参照图1-8把探头 放在试块上，并使探 头靠近试块背面，使 探头的斜射声束只 打在 R2圆弧而上。 适当 设置超声波实 验仪衰减器的数值 和示波器 的电压范阖 CT ? V V R2 -C I ? 图1.8观察波型转换现彖
无损检测论文
无损检测导论 论文 题目：超声波检测技术的应用及设备 系（院）： 专业： 学生姓名： 指导教师： 年月日
摘要 超声波在被检测材料中传播时,材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。超声波检测应用主要包括在工业上对各种材料的检测和在医疗上对人体的检测诊断，通过它人们可以探测出金属等工业材料中有没有气泡、伤痕、裂缝等缺陷，可以检测出人们身体的软组织、血流等是否正常。运用超声检测的方法来检测的仪器称之为超声波探伤仪。它的原理是：超声波在被检测材料中传播时,材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。超声检测方法通常有穿透法、脉冲反射法、串列法等。 关键词：超声波检测的原理超声波检测的应用超声波检测仪器及原理
1 超声波检测原理 1.1超声波检测的基本原理 超声波在均匀连续弹性介质中传播时，将产生极少能量损失；但当材料中存在着晶界、缺陷等不连续阻隔时，将产生反射、折射、散射、绕射和衰减等现象，从而损失比较多的能量，使我们由接收换能器上接收的超声波信号的声时、振幅、波形或频率发生了相应的变化，测定这些变化就可以判定建筑材料的某些方面的性质和结构内部构造的情况达到测试的目的。当超声遇到缺陷面时，反射回波幅度会异常增大，根据反射幅度、延迟和相位等就可以判断缺陷的位置、面积和形状。 1.2超声波检测方法 利用超声波探伤，主要有穿透法探伤和反射法探伤两种方式。 穿透法探伤使用两个探头，一个用来发射超声波，一个用来接收超声波。检测时，两个探头分置在工件两侧，根据超声波穿透工件后能量的变化来判别工件内部质量。 反射法探伤高频发生器产生的高频脉冲激励信号作用在探头上，所产生的波向工件内部传播，如工件内部存在缺陷，波的一部分作为缺陷波被反射回来，发射波的其余部分作为底波也将反射回来。根据发射波、缺陷波、底波相对于扫描基线的位置可确定缺陷位置；根据缺陷波的幅度可确定缺陷的大小；根据缺陷波的形状可分析缺陷的性质；如工件内部无缺陷，则只有发射波和底波。 超声波的接收和产生原理相似，当超声波遇到不连续性时，即会产生反射，反射的超声波使压电晶片振动，继而在压电晶片两端产生电压。最主要是如何将电脉冲转化为探伤仪屏幕上的波形，模拟机是通过显像管显示的。显像管的图像是电子打在荧光物质上，使荧光物质发光；电子经过一个电场而改变方向，打在屏幕的不同位置，使屏幕显现图像。显像管x 方向上的电压是探伤仪加在压电晶片上的电 压，y方向的电压是压电晶片振动产生的电压， 这样就形成了屏幕上的波形。 在工业超声波检测中，超声波的反射特性 主要用于探测材料中的缺陷。以最常用的A 型显示测超声脉冲反射法探测为例： 超声波探伤仪中高频脉冲电路产生的高 频脉冲振荡电流施加超声换能器中的压电元 件上，激发出超声波并传入被检工件。超声波 在被检工件中传播时，若在声路上遇到缺陷。 将会在界面上产生反射，反射回波被探头接收 转换成高频脉冲电信号输入超声波探伤仪的 接收放大电路，经过处理后在超声波探伤仪的
超声波电机的原理与应用
超声波电机的原理与应用 周传运 超声波电机(Ultrasonic Motor ,USM )是国外近20年发展起来的一种新型电机。事实上,在超声波电机问世之前,已有以压电效应驱动的电机,但其频率并不局限于超声波范围。早在1948年,威廉和布朗就申请了“压电马达”的美国专利;1964年,前苏联基辅理工学院设计了第一个压电旋转电机;1970～1972年,西门子公司和松下公司发明了压电步进电机,不过因无法达到较大的输出转矩而没能实际应用。1980年,日本的指田年生研制成超声波压电电动机(即现代意义上的超声波电动机),克服了传统压电电动机转换效率低和变位微小的缺陷,使压电电动机进入工业实用阶段。 一、超声波电机的原理和结构超声波电机的原理 超声波电机利用压电材料的逆压电效应①产生超声波振动,把电能转换为弹性体的超声波振动,并把这种振动通过摩擦传动的方式驱使运动体回转或直线运动。磁极和绕组,它一般由振动体②和移动体③组成,为了减少振动体和移动体之间相对运动产生的磨损,通常在二者间加一层摩擦材料。当在振动体的压电陶瓷(PZT )上施加20KHz 以上超声波频率的交流电压时,赫的超声波振动,使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动(振幅一般为数微米),如椭圆、李萨如轨迹等,该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。因此,超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。根据这一思想,日、德等国近几年相继研发出多种超声波电机,如环形行波USM 、步进USM 、多自由度USM 等,且行波型USM 已有较成熟的设计。下面以行波型USM 的 旋转说明其工作原理。 行波型USM 要旋转,需具备两个条件:与转子相接触的定子表面质点须做椭圆运动,定子、转子之间的接触面须有摩擦力。图1中的弹性体为定子,其上部为转子,定子、转子间夹一层摩擦材料。摩擦材料一般粘接在转子表面上。利用电能激励压电陶 瓷复合振子,使之产生超声振动,并在弹性体内产生 行波。当电信号频率调整到与定子(弹性体)的机械共振频率一致时,定子的振动幅度最大,并形成行波。在行波的弯曲传播过程中,定子表面的质点就会形成椭圆振动轨迹。当无数个这样的粒子都以同相位振动时,就会在定子表面形成力矩,力矩方向与行波传播方向相反。该力矩依靠定子、转子间的摩擦力驱动转子运动。转子的运动速度由定子表面质点的振幅和频率决定,振幅大则速度快;另外,加大定子、转子间压力,增加其间的摩擦力,也会增大转子受到的力矩。 图1 定子表面质点的椭圆运动轨迹 环形行波型超声波电机的结构 图2为环形行波型USM 的结构示意图。主要部件为定子和转子。定子由弹性环、压电陶瓷环和粘接在其上的带有凸齿的弹性金属环组成,弹性环由不锈钢、硬铝或铜等金属制成。凸齿的作用是放大定子表面振动的振幅,使转子获得较大的输出能量。压电陶瓷环采用的是施加交变电压后能够产生机械谐振位移的“硬性”压电陶瓷材料,其质量好坏直接影响电机性能。粘接剂多用高温固化的环氧树脂胶。 图2 环形行波型USM 的结构示意图 转子由转动环和摩擦材料构成。转动环一般用 不锈钢、硬铝或塑料等制成。摩擦材料必须牢固地粘接在转子的接触表面,从而增加定子、转子间的摩 ? 63?现代物理知识
无损检测论文
无损检测技术的原理及应用 摘要：本文介绍了当前无损检测技术，包括射线、超声、渗透等常规技术和声发射、磁记忆等新技术．并论述它们的工作原理、优缺点和应用范围 关键词：无损检测；新技术 1 概述 随着现代工业的发展，对产品质量和结构安全性，使用可靠性提出越来越高的要求，由于无损检测技术具有不破坏试件，检测灵敏度高等优点，所以其应用日益广泛。本文主要介绍无损检测的常用技术如射线、超声、磁粉和渗透及新技术如声发射、磁记忆等。 2 无损检测方法 现代无损检测的定义是：在不损坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构，性质，状态进行检查和测试的方法。 2．1射线检测 射线检测技术一般用于检测焊缝和铸件中存在的气孔、密集气孔、夹渣和未融合、未焊 透等缺陷。射线检测不适用于锻件、管材、棒材的检测。射线检测方法可获得缺陷的直观图像，对长度、宽度尺寸的定最也比较准确，检测结果有直观纪录，可以长期保存。但该方法对体积型缺陷(气孔、夹渣)检出率高，对体积型缺陷(如裂纹未熔合类)，如果照相角度不适当，容易漏检。另外该方法不适宜较厚的工件，且检测成本高、速度慢，同时对人体有害，需做特殊防护。 2．2超声波检测 超声检测是利用超声波在介质中传播时产生衰减，遇到界面产生反射的性质来检测缺陷的无损检测方法。与其它常规无损检测技术相比，它具有被测对象范围广；检测深度大；缺陷定位准确，检测灵敏度高；成本低，使用方便；速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点。目前大量应用于金属材料和构件质量在线监控和产品的在投检查。如钢板、管道、焊鞋、堆焊层、复合层、压力容器及高压管道、路轨和机车车辆零部件、棱元件及集成电路引线的检测等。 2．3渗透检测 渗透检测是基于毛细管现象揭示非多孔性固体材料表面开口缺陷，其方法是将液体渗透液渗人工件表面开口缺陷中，用去除剂清除多余渗透液后，用显像剂表示出缺陷。渗透检测可有效用于除疏松多孑L性材料外的任何种类的材料，如钢铁材料、有色金属材料、陶瓷材料和塑料等材料的表面开口缺陷。随着渗透检测方法在压力容器检测中的广泛应用，必须合理选择渗透剂及检测工艺、标准试块及受检压力容器实际缺陷试块，使用可行的渗透榆测方法标准等来提高渗透检测的可靠性。该方法操作简单成本低，缺陷显示赢观，检测灵敏度高，可检测的材料和缺陷范围广，对形状复杂的部件～次操作就可大致做到全面检测。但只能检测出材料的表面开口缺陷且不适用于多孔性材料的检验，对工件和环境有污染。渗透检测方法在检测表面微细裂纹时往往比射线检测灵敏度高，还可用于磁粉检测无法应用到的部位。2．4声发射检测 声发射是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象。而弹性波可以反映出材料的一些性质。声发射检测就是通过探测受力时材料内部发出的应力波判断容器内部结构损伤程度的一种新的无损检测方法。在构件裂纹形成、扩展直至开裂过程中会发射出能量大小不同的声发射信号，根据声发射信号的大小可判断是否有裂纹产生、及裂纹的扩展程度。 声发射与X射线、超声波等常规检测方法的主要区别在于它是一种动态无损检测方法。声发
超声波提取原理、特点与应用介绍
超声波提取原理、特点与应用介绍 超声波指频率高于20KHz，人的听觉阈以外的声波。 超声波提取在中药制剂质量检测中（药检系统）已广泛应用。《中华人民共和国药典》中，应用超声波处理的有232个品种，且呈日渐增多的趋势。 近年来，超声波技术在中药制剂提取工艺中的应用越来越受到关注。超声波技术用于天然产物有效成分的提取是一种非常有效的方法和手段。作为中药制剂取工艺的一种新技术，超声波提取具有广阔的前景。 超声波提取是利用超声波具有的机械效应，空化效应和热效应，通过增大介质分子的运动速度、增大介质的穿透力以提取生物有效成分。 1、提取原理 （1）机械效应超声波在介质中的传播可以使介质质点在其传播空间内产生振动，从而强化介质的扩散、传播，这就是超声波的机械效应。超声波在传播过程中产生一种辐射压强，沿声波方向传播，对物料有很强的破坏作用，可使细胞组织变形，植物蛋白质变性；同时，它还可以给予介质和悬浮体以不同的加速度，且介质分子的运动速度远大于悬浮体分子的运动速度。从而在两者间产生摩擦，这种摩擦力可使生物分子解聚，使细胞壁上的有效成分更快地溶解于溶剂之中。 （2）空化效应通常情况下，介质内部或多或少地溶解了一些微气泡，这些气泡在超声波的作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡由于定向扩散（rectieddiffvsion）而增大，形成共振腔，然后突然闭合，这就是超声波的空化效应。这种气泡在闭合时会在其周围产生几千个大气压的压力，形成微激波，它可造成植物细胞壁及整个生物体破裂，而且整个破裂过程在瞬间完成，有利于有效成分的溶出。 （3）热效应和其它物理波一样，超声波在介质中的传播过程也是一个能量的传播和扩散过程，即超声波在介质的传播过程中，其声能不断被介质的质点吸收，介质将所吸收的能量全部或大部分转变成热能，从而导致介质本身和药材组织温度的升高，增大了药物有效成分的溶解速度。由于这种吸收声能引起的药物组织内部温度的升高是瞬间的，因此可以使被提取的成分的生物活性保持不变。 此外，超声波还可以产生许多次级效应，如乳化、扩散、击碎、化学效应等，这些作用也促进了植物体中有效成分的溶解，促使药物有效成分进入介质，并于介质充分混合，加快了提取过程的进行，并提高了药物有效成分的提取率。 2、超声波提取的特点 （1）超声波提取时不需加热，避免了中药常规煎煮法、回流法长时间加热对有效成分的不良影响，适用于对热敏物质的提取；同时，由于其不需加热，因而也节省了能源。 （2）超声波提取提高了药物有效成分的提取率，节省了原料药材，有利于中药资源的充分利用，提高了经济效益。 （3）溶剂用量少，节约了溶剂。 （4）超声波提取是一个物理过程，在整个浸提过程中无化学反应发生，不影响大多数药物有效成分的生理活性。 （5）提取物有效成分含量高，有利于进一步精制。 3、超声波技术在天然产物提取方面的应用 与水煎煮法对比，采用超声波法对黄芩的提取结果表明，超声波法提取与常规煎煮法相比，提取时间明显缩短，黄芩苷的提取率升高；超声波提取10、20、40、60min均比煎煮法提取3h的提取率高。 应用超声波法对槐米中主要有效成分芦丁的提取结果表明，超声波处理槐米30min所
超声波的检测原理反射折射
超声波的检测原理反射折射
2超声波及超声检测原理 2. 1超声波的基本性质 通常人耳能听到声音的频率范围在 20}20KHz 之间，把超过20KHz 的声波 称为超 声波。超声波在本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖两个条件， 一是有机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。 波的种类是根据介质质点的震动方向和波动传播方向的关系来区分的。超 声波在介 质中传播的波形有许多种，有纵波、横波、表面波等。 2.1.1超声场的特征量 充满超声波的空间叫做超声场。声压、声强度、声阻抗是描述超声场 特征的几 个重要物理量。 a. 声压 超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时的静态 压强之差 被称为声压，常用 P 表示，单位为帕。超声波在介质中传播时，介质 中每一点的声压随着时间t 、距离x 而变化，其公式为： X p =「 Awpsi nw(t ) = pcv c 式中P 为介质的密度、必为介质的角频率 C 为超声波在介质中的波速， v 为介 质质点的振动速度。可见声压的绝对值与波速以及角频率成正比。 b. 声强度 在垂直于超声波方向上的单位面积内通过的声能量被称为声强度，也 称声强。 式中A 为超声波的振幅。从公式可见声强与质点振动的位移振幅的平方成 正比，与 质点振动的角频率的平方成正比。 C.声阻抗 从声压的公式可见，在同一声压下辉越大，质点振动速度就越小，反之亦 然，它反 映了声学特性，故将声的乘积作为介质的声阻抗，以符号 Z 表示。 2. 1. 2超声波的速度及波长 超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对 一定的介 质其弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质有不同的 声速。超声波的频率、波长和声谏之间的关系如下 ： 其中入超声波的波长、c 为超声波的速度、f 为超声波的频率。 p cA 2 a)2 2 2 pc
超声波应用原理
超声波清洗在工农业应用中的原理 原理：超声波清洗机由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增大，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压，破坏不溶性污物而使他们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而黏附在清洗件表面是，油被乳化，固体粒子及脱离，从而达到清洗件净化的目的。 超声波清洗是基於空化作用，即在清洗液中无数气泡快速形成并迅速内爆。由此产生的冲击将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物剥落下来。随着超声频率的提高，气泡数量增加而爆破冲击力减弱，因此，高频超声特别适用於小颗粒污垢的清洗而不破环其工件表面。 空化作用：空化作用就是超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射。在减压力作用时，液体中产生真空核群泡的现象，在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力，由此剥离被清洗物表面的污垢，从而达到精密洗净目的。超声波清洗是利用超声波在液体中的社会化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。 理化效应：超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化。实践证明一些理化效应往往是上述效应的继发效应。TS-C型治疗机通过理化效应继发出下列五大作用： A.弥散作用：超声波可以提高生物膜的通透性，超声波作用后，细胞膜对钾，钙离子的通透性发生较强的改变。从而增强生物膜弥散过程，促进物质交换，加速代谢，改善组织营养。 B.触变作用：超声作用下，可使凝胶转化为溶胶状态。对肌肉，肌腱的软化作用，以及对一些与组织缺水有关的病理改变。如类风湿性关节炎病变和关节、肌腱、韧带的退行性病变的治疗。 C.空化作用：空化形成，或保持稳定的单向振动，或继发膨胀以致崩溃，细胞功能改变，细胞内钙水平增高。成纤维细胞受激活，蛋白合成增加，血管通透性增加，血管形成加速，胶原张力增加。 D.聚合作用与解聚作用：水分子聚合是将多个相同或相似的分子合成一个较大的分子过程。大分子解聚，是将大分子的化学物变成小分子的过程。可使关节内增加水解酶和原酶活性增加。 E.消炎，修复细胞和分子：超声作用下，可使组织PH值向碱性方面发展。缓解炎症所伴有的局部酸中毒。超声可影响血流量，产生致炎症作用，抑制并起到抗炎作用。使白细胞移动，促进血管生成。胶原合成及成熟。促进或抑制损伤的修复和愈合过程。从而达到对受损细胞组织进行清理、激活、修复的过程。