超声检测综合实验

陈建军，龚国斌，高文莉，周　进

(南京大学 物理学院，江苏 南京 210008)



超声检测综合实验

陈建军，龚国斌，高文莉，周进

(南京大学 物理学院，江苏 南京 210008)

摘要：基于超声波在不同声阻抗介质形成的界面上的反射和透射理论，设计了超声检测综合实验. 实验样品为带有缺陷的固体材料，采用超声方法测量缺陷的尺寸及缺陷中的填充物. 作为竞赛的综合实验，做到了难易结合，突出理论与实践结合：实验容易的部分，如测量换能器的中心频率、材料的密度、声速及声阻抗，主要考察学生对基本实验仪器的操作能力；实验比较难的部分是确定缺陷的填充物，学生需要综合应用提供的声传播、反射及衰减理论设计测量实验.

关键词：超声；缺陷；声阻抗；反射；透射；全国大学生物理实验竞赛

作为第3届全国大学生物理实验竞赛的综合实验题，既要考察学生的基本动手能力，又要考察学生理论与实践相结合的能力，也就是综合运用理论知识解决实际问题的能力. 超声检测在实践中有着广泛的应用，比如医院的B超、工业中材料缺陷的检测、粘结层的监测等. 因此，本文基于超声学中超声波传播及超声波在不同声阻抗介质形成的界面上的反射和透射理论，设计了超声检测综合实验，要求学生应用所提供的超声理论知识来检测实际固体材料中的缺陷，真正考察了学生实践动手能力和理论综合运用能力.

1超声波传播理论

超声波是频率高于20 kHz的机械波. 在超声检测中常用的频率为0.5～10 MHz. 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、透射和波形转换. 这种现象可被用来进行超声波检测，最常用的是脉冲反射法，检测时，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材料中的声速和衰减等特性[1-2].

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[1]

(1)

因此，知道了材料的纵波声速，测得反射波与入射波的时间间隔，就可由式(1)求得缺陷在材料中的深度.

缺陷的横向尺寸可以用“半波高法”进行测量[1]，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，找到2个边缘位置，它们之间的距离就是缺陷的横向尺寸.

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[1]

(2)

透射系数为

(3)

其中，R1=ρ1c1，R2=ρ2c2分别为固体1和固体2的声阻抗，ρ为固体密度，c为固体中纵波速度.

超声纵波在固体-空气界面的反射系数为1. 因此，在已知固体1的声阻抗的情况下，测得入射声能量，固体1和固体2界面的反射声能量，由式(2)即可求得固体2的声阻抗，从而确定固体2是何种材料.

但是，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>l1，相应的反射脉冲幅度分别为A1和A2，则衰减系数为[1-2]

(4)

因此，在测量固体2的声阻抗时，应先测量固体1的声纵波衰减系数，对声能量反射系数进行校正，再用式(2)来求，不然会有较大的误差.

本综合实验基于以上超声理论进行了设计，要求学生领会以上知识点，并且能学以致用，灵活运用.

2超声探测综合实验

2.1　实验内容

如图1所示，一均匀固体材料(铝)中有2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1个面可以用于测量(黑色阴影处为不可测面). 要求：

1)用超声学方法测量缺陷1的位置(离侧面的距离d1和在材料中的深度l1)及尺寸(宽w1、高h1).

2)用超声学方法测量缺陷2的位置(在材料中的深度l2)及尺寸(宽w2、高h2).

3)根据已给材料(铁块、有机玻璃、玻璃)判断缺陷2中是何种填充固体(三者之一)，并给出判断理由.

图1　样品结构

2.2　实验仪器

信号发生器、示波器、换能器(2对)30°和45°斜坯各1对(与固体同材料)、玻璃(1块)、有机玻璃(1块)、长方体小铁块(1个)(用于确定填充的是何种材料)、米尺、三角尺、电子秤、耦合剂，三通(1个)、导线(若干).

2.3　实验测量

2.3.1换能器中心频率的测量

换能器的中心频率并未给出，必须先测量. 如图2连接每对换能器，固体材料可选用给出的3个长方体小块之一. 信号发生器产生的Burst信号加到换能器1上，被转换成声信号在固体材料中传播，换能器2接收到传播过来的声信号，并把它转换成电信号在示波器上显示. 改变信号发生器的频率，测量示波器上接收信号的幅值，就可测量这对换能器的频响曲线，得到它们的中心频率. 高频换能器尺寸较小，测量精度较高，衰减较大；低频换能器尺寸较大，测量精度较低，衰减较小. 学生可根据实际情况选用适当的换能器进行实验.

图2　换能器中心频率测量

2.3.2铝的声阻抗测量

铝的声阻抗测量是本实验的难点之一，实验要求不能把2个斜坯拼成长方体来测量. 因此可采用图3方法，1对换能器分别贴在1对斜坯上，斜坯贴在样品表面，其中一个换能器发射声信号在样品里传播，在样品底面反射后，被另一换能器接收，移动接收换能器位置，使示波器上测得的接收信号幅值最大，此时接收换能器处于反射波中心位置. 分别从2个换能器中心作垂线并与样品表面相交，2个交点之间的距离为d，声波在底面的入射角θ是斜坯的1个角，设样品的高为l，有

(5)

因此，测得d以及斜坯的1个角，由式(5)即可求得样品的高度l.

图3　样品厚度测量

如图4所示，采用1个换能器自发自收的方法，从示波器上测得入射波与反射波的时间间隔t，由式(1)计算出铝的声速度.

图4　样品声速度测量

最后，用电子秤测得1块斜坯的质量，用直尺测边长，计算出体积，质量除以体积求出铝的密度，再乘以声速，就得到铝的声阻抗.

2.3.3缺陷1的测量

如图4所示，采用1个换能器自发自收的方法，把换能器移到缺陷1上方，从示波器上测得入射波与反射波的时间间隔t，由式(1)算得l1，缺陷1的高h1=l-l1，左右平移换能器，采用半波高法即可测得缺陷1与样品侧面的距离d1以及缺陷1的宽度w1.

2.3.4缺陷2的测量及缺陷2中填充物的判定

缺陷2的测量是本实验的难点.

如图4所示，采用1个换能器自发自收的方法，与2.3.3描述相同，测得l2和w2. 把换能器移到缺陷2中间，从示波器上测得入射波与反射波的幅度，求出样品材料与缺陷2中填充物形成的界面上的声能量反射系数r，但此时示波器的读数是样品表面处的幅度，不是界面处的幅度，必须要进行衰减修正.

样品材料声衰减的测量：把换能器移到没有缺陷处，测得反射波幅度A1，然后把换能器移到缺陷1中间，测得反射波幅度A2，由式(4)算出样品材料的声衰减系数α. 修正后的声能量反射系数rcor可表示为

rcor=re2αl2,

(6)

已知声能量反射系数和样品材料的声阻抗，由式(2)可以求得填充材料的声阻抗R2.

测量给出的3块材料的声阻抗：用直尺测出的尺寸，算出体积；用电子秤称出质量，求得密度. 采用自发自收方法，把换能器分别耦合到待测材料的表面，测得它们的声速，密度乘以声速求得声阻抗，与前面测得的填充材料声阻抗R2比较,即可判定填充物是何种材料.

最后，采用自发自收方法，把1个换能器耦合到样品表面缺陷2的正上方，从示波器上测得填充物上下表面反射波的时间间隔t，由式(1)可以算得h2.

3实验结果和讨论

实验中选用的2对换能器中心频率分别是2.5 MHz和5 MHz，实验测得结果如表1所示. 由于不同材料的声阻抗不同，换能器耦合在不同材料上测得的中心频率会有所漂移.

表1　不同材料、不同换能器中心频率测量值

铝、铁、玻璃、有机玻璃的密度、声纵波速度和声阻抗测量值与资料上查的参考值[3]如表2所示. 铝、玻璃、有机玻璃测量值与参考值基本接近，铁可能是材料组成成分的原因，测量值与参考值相差较大.

样品材料高度l，缺陷1的位置(离侧面的距离d1和在材料中的深度l1)及尺寸(宽w1、高h1)和缺陷2的位置(在材料中的深度l2)及尺寸(宽w2、高h2)的测量值与实际值如表3所示，测量值与实际值基本接近.

实验测得填充物声阻抗为1.65×107kg/(s·m2)，与玻璃接近，可以判定填充物是玻璃，与实际情况一致.

表2　铝、铁、玻璃、有机玻璃的密度ρ、声纵波速度v和声阻抗R的测量值与参考值

表3　样品材料高度l，缺陷1的位置d1及尺寸和缺陷2的位置及尺寸的测量值与实际值　mm

4评论

本实验作为大学生物理实验竞赛的综合实验，做到了难易结合，突出了理论与实践结合. 实验中有比较容易的试题部分，如测量换能器中心频率、材料密度、声速度、求材料的声阻抗，这部分主要考察学生基本实验仪器实验和实验动手能力. 测量样品中缺陷的尺度，要求学生用所提供的实验器材进行实验方案设计，这部分内容对学生是一个挑战. 而确定缺陷中的填充物，则要求学生根据提供的声传播、声反射、声衰减理论知识，综合应用设计实验进行测量.

实验竞赛结果与预期基本一致，比较容易的部分学生基本上都能测出来. 这一部分，主要考察了学生仪器以及测量工具的使用，比如用信号发生器产生需要的Burst信号，由示波器测量信号幅度和信号之间的时间间隔，用直尺测量材料的体积，用电子秤称材料的质量，求密度，这些在大学物理实验中都有所涉及，学生做起来也得心应手.

测量样品中缺陷的尺度仅有不到一半的学生做了出来，而且一部分学生要了提示卡. 这部分其实主要考察学生解决实际问题的能力，测样品高度最直观的方法是用直尺直接测量，但实验设置障碍，把能用直尺直接测量的部分都挡了起来，这就要求学生能变换思维，用斜坯把高度的测量转换成换能器之间距离的测量，然后利用角度关系求出样品高度. 可能大部分大学物理实验都是给出实验步骤和要求测量的量，学生只需按步骤测量，对于给出实际问题和实验器材、要求自主设计实验的训练比较少，因此约有一半的学生没有完成这部分实验.

最后的部分很少有学生测出最终结果. 2组学生知道要用声能量反射系数测，也测出了反射系数，但由于没有考虑声衰减，没有算出正确的填充物声阻抗值. 分析其中的原因，一方面可能前面的实验耗时太多，留给这部分实验的时间不够，来不及仔细思考；另一方面可能学生的理论综合能力不够，没有把前面的理论知识点理解好，未能把它们综合起来应用到实际测量当中.

综上所述，学生基本仪器使用、动手能力都比较强，但遇到实际问题的解决能力、理论综合能力、理论与实践相结合的能力都有待提高，这也将成为大学物理实验培养目标之一.

参考文献：

[1]《超声波探伤》编写组. 超声波探伤[M]. 北京：电力工业出版社，1986：246.

[2]冯若. 超声手册[M]. 南京：南京大学出版社，1999：412.

[3]杜功焕，朱哲民，龚秀芬. 声学基础[M]. 南京：南京大学出版社，2003：543.

[责任编辑：任德香]

Comprehensive experiment of ultrasonic testing

CHEN Jian-jun, GONG Guo-bing, GAO Wen-li, ZHOU Jin

(School of Physics, Nanjing University, Nanjing 210008, China)

Abstract:A comprehensive experiment of ultrasonic testing was designed based on the reflection and transmission theory of ultrasonic. The samples were solid material with defect, and the size of filler in the defect were detected using ultrasonic method. As a comprehensive experiment of competition, the experiment contained both easy and difficult sections, and emphasized on the combination of theory and practice. The easy section such as measuring the center frequency of the transducer, density of the material, acoustic velocity and acoustic impedance could investigate the operational ability. The difficult section such as determining material of the filler, required the students to design their experiment based on the combination of the theory of sound propagating, reflection and attenuation.

Key words:ultrasonic; defect; acoustic impedance; reflection; transmission; national college students’ physical experiment competition

中图分类号：O426.6

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)01-0024-04

作者简介：陈建军(1973-)，男，江苏南通人，南京大学物理学院讲师，博士，研究方向为超声检测.

基金项目：国家自然科学基金资助(No.11174144)

收稿日期：2015-12-18