超聲檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)

陳建軍，龔國(guó)斌，高文莉，周　進(jìn)

(南京大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 南京 210008)

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超聲檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)

陳建軍，龔國(guó)斌，高文莉，周進(jìn)

(南京大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 南京 210008)

摘要：基于超聲波在不同聲阻抗介質(zhì)形成的界面上的反射和透射理論，設(shè)計(jì)了超聲檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)樣品為帶有缺陷的固體材料，采用超聲方法測(cè)量缺陷的尺寸及缺陷中的填充物. 作為競(jìng)賽的綜合實(shí)驗(yàn)，做到了難易結(jié)合，突出理論與實(shí)踐結(jié)合：實(shí)驗(yàn)容易的部分，如測(cè)量換能器的中心頻率、材料的密度、聲速及聲阻抗，主要考察學(xué)生對(duì)基本實(shí)驗(yàn)儀器的操作能力；實(shí)驗(yàn)比較難的部分是確定缺陷的填充物，學(xué)生需要綜合應(yīng)用提供的聲傳播、反射及衰減理論設(shè)計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn).

關(guān)鍵詞：超聲；缺陷；聲阻抗；反射；透射；全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽

作為第3屆全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的綜合實(shí)驗(yàn)題，既要考察學(xué)生的基本動(dòng)手能力，又要考察學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，也就是綜合運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力. 超聲檢測(cè)在實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用，比如醫(yī)院的B超、工業(yè)中材料缺陷的檢測(cè)、粘結(jié)層的監(jiān)測(cè)等. 因此，本文基于超聲學(xué)中超聲波傳播及超聲波在不同聲阻抗介質(zhì)形成的界面上的反射和透射理論，設(shè)計(jì)了超聲檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生應(yīng)用所提供的超聲理論知識(shí)來(lái)檢測(cè)實(shí)際固體材料中的缺陷，真正考察了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和理論綜合運(yùn)用能力.

1超聲波傳播理論

超聲波是頻率高于20 kHz的機(jī)械波. 在超聲檢測(cè)中常用的頻率為0.5～10 MHz. 這種機(jī)械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面(如缺陷或被測(cè)物件的底面等)就會(huì)產(chǎn)生反射、透射和波形轉(zhuǎn)換. 這種現(xiàn)象可被用來(lái)進(jìn)行超聲波檢測(cè)，最常用的是脈沖反射法，檢測(cè)時(shí)，脈沖振蕩器發(fā)出的電壓加在探頭上，探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過(guò)聲耦合介質(zhì)(如機(jī)油或水等)進(jìn)入材料并在其中傳播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上. 根據(jù)缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度，即可測(cè)定缺陷的位置和大致尺寸. 利用超聲法檢測(cè)材料的物理特性時(shí)，還經(jīng)常利用超聲波在材料中的聲速和衰減等特性[1-2].

超聲縱波以一定速度在固體材料中傳播，遇到缺陷時(shí)反射回來(lái). 假設(shè)接收到的反射波與入射波的時(shí)間間隔為t，固體材料中的縱波聲速為c，材料表面到缺陷的距離為l，則有[1]

(1)

因此，知道了材料的縱波聲速，測(cè)得反射波與入射波的時(shí)間間隔，就可由式(1)求得缺陷在材料中的深度.

缺陷的橫向尺寸可以用“半波高法”進(jìn)行測(cè)量[1]，即當(dāng)反射波的幅度是最大值的一半時(shí)，換能器的中心處于缺陷的邊緣，找到2個(gè)邊緣位置，它們之間的距離就是缺陷的橫向尺寸.

當(dāng)超聲縱波垂直入射到固體1-固體2界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和透射，聲能量的反射系數(shù)為[1]

(2)

透射系數(shù)為

(3)

其中，R1=ρ1c1，R2=ρ2c2分別為固體1和固體2的聲阻抗，ρ為固體密度，c為固體中縱波速度.

超聲縱波在固體-空氣界面的反射系數(shù)為1. 因此，在已知固體1的聲阻抗的情況下，測(cè)得入射聲能量，固體1和固體2界面的反射聲能量，由式(2)即可求得固體2的聲阻抗，從而確定固體2是何種材料.

但是，超聲縱波在固體中傳播會(huì)產(chǎn)生衰減，衰減系數(shù)可用以下方法測(cè)量：若固體樣品厚度分別為l1和l2，且l2>l1，相應(yīng)的反射脈沖幅度分別為A1和A2，則衰減系數(shù)為[1-2]

(4)

因此，在測(cè)量固體2的聲阻抗時(shí)，應(yīng)先測(cè)量固體1的聲縱波衰減系數(shù)，對(duì)聲能量反射系數(shù)進(jìn)行校正，再用式(2)來(lái)求，不然會(huì)有較大的誤差.

本綜合實(shí)驗(yàn)基于以上超聲理論進(jìn)行了設(shè)計(jì)，要求學(xué)生領(lǐng)會(huì)以上知識(shí)點(diǎn)，并且能學(xué)以致用，靈活運(yùn)用.

2超聲探測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)

2.1　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

如圖1所示，一均勻固體材料(鋁)中有2個(gè)長(zhǎng)方體缺陷(縱向貫通整個(gè)材料)，缺陷1位于材料底部，里面為空氣，缺陷2位于材料的一個(gè)側(cè)面處，內(nèi)部填充未知固體材料(未知固體下面是空氣). 由于某些原因固體材料只有1個(gè)面可以用于測(cè)量(黑色陰影處為不可測(cè)面). 要求：

1)用超聲學(xué)方法測(cè)量缺陷1的位置(離側(cè)面的距離d1和在材料中的深度l1)及尺寸(寬w1、高h(yuǎn)1).

2)用超聲學(xué)方法測(cè)量缺陷2的位置(在材料中的深度l2)及尺寸(寬w2、高h(yuǎn)2).

3)根據(jù)已給材料(鐵塊、有機(jī)玻璃、玻璃)判斷缺陷2中是何種填充固體(三者之一)，并給出判斷理由.

圖1　樣品結(jié)構(gòu)

2.2　實(shí)驗(yàn)儀器

信號(hào)發(fā)生器、示波器、換能器(2對(duì))30°和45°斜坯各1對(duì)(與固體同材料)、玻璃(1塊)、有機(jī)玻璃(1塊)、長(zhǎng)方體小鐵塊(1個(gè))(用于確定填充的是何種材料)、米尺、三角尺、電子秤、耦合劑，三通(1個(gè))、導(dǎo)線(若干).

2.3　實(shí)驗(yàn)測(cè)量

2.3.1換能器中心頻率的測(cè)量

換能器的中心頻率并未給出，必須先測(cè)量. 如圖2連接每對(duì)換能器，固體材料可選用給出的3個(gè)長(zhǎng)方體小塊之一. 信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的Burst信號(hào)加到換能器1上，被轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)在固體材料中傳播，換能器2接收到傳播過(guò)來(lái)的聲信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)在示波器上顯示. 改變信號(hào)發(fā)生器的頻率，測(cè)量示波器上接收信號(hào)的幅值，就可測(cè)量這對(duì)換能器的頻響曲線，得到它們的中心頻率. 高頻換能器尺寸較小，測(cè)量精度較高，衰減較大；低頻換能器尺寸較大，測(cè)量精度較低，衰減較小. 學(xué)生可根據(jù)實(shí)際情況選用適當(dāng)?shù)膿Q能器進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖2　換能器中心頻率測(cè)量

2.3.2鋁的聲阻抗測(cè)量

鋁的聲阻抗測(cè)量是本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)之一，實(shí)驗(yàn)要求不能把2個(gè)斜坯拼成長(zhǎng)方體來(lái)測(cè)量. 因此可采用圖3方法，1對(duì)換能器分別貼在1對(duì)斜坯上，斜坯貼在樣品表面，其中一個(gè)換能器發(fā)射聲信號(hào)在樣品里傳播，在樣品底面反射后，被另一換能器接收，移動(dòng)接收換能器位置，使示波器上測(cè)得的接收信號(hào)幅值最大，此時(shí)接收換能器處于反射波中心位置. 分別從2個(gè)換能器中心作垂線并與樣品表面相交，2個(gè)交點(diǎn)之間的距離為d，聲波在底面的入射角θ是斜坯的1個(gè)角，設(shè)樣品的高為l，有

(5)

因此，測(cè)得d以及斜坯的1個(gè)角，由式(5)即可求得樣品的高度l.

圖3　樣品厚度測(cè)量

如圖4所示，采用1個(gè)換能器自發(fā)自收的方法，從示波器上測(cè)得入射波與反射波的時(shí)間間隔t，由式(1)計(jì)算出鋁的聲速度.

圖4　樣品聲速度測(cè)量

最后，用電子秤測(cè)得1塊斜坯的質(zhì)量，用直尺測(cè)邊長(zhǎng)，計(jì)算出體積，質(zhì)量除以體積求出鋁的密度，再乘以聲速，就得到鋁的聲阻抗.

2.3.3缺陷1的測(cè)量

如圖4所示，采用1個(gè)換能器自發(fā)自收的方法，把換能器移到缺陷1上方，從示波器上測(cè)得入射波與反射波的時(shí)間間隔t，由式(1)算得l1，缺陷1的高h(yuǎn)1=l-l1，左右平移換能器，采用半波高法即可測(cè)得缺陷1與樣品側(cè)面的距離d1以及缺陷1的寬度w1.

2.3.4缺陷2的測(cè)量及缺陷2中填充物的判定

缺陷2的測(cè)量是本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn).

如圖4所示，采用1個(gè)換能器自發(fā)自收的方法，與2.3.3描述相同，測(cè)得l2和w2. 把換能器移到缺陷2中間，從示波器上測(cè)得入射波與反射波的幅度，求出樣品材料與缺陷2中填充物形成的界面上的聲能量反射系數(shù)r，但此時(shí)示波器的讀數(shù)是樣品表面處的幅度，不是界面處的幅度，必須要進(jìn)行衰減修正.

樣品材料聲衰減的測(cè)量：把換能器移到?jīng)]有缺陷處，測(cè)得反射波幅度A1，然后把換能器移到缺陷1中間，測(cè)得反射波幅度A2，由式(4)算出樣品材料的聲衰減系數(shù)α. 修正后的聲能量反射系數(shù)rcor可表示為

rcor=re2αl2,

(6)

已知聲能量反射系數(shù)和樣品材料的聲阻抗，由式(2)可以求得填充材料的聲阻抗R2.

測(cè)量給出的3塊材料的聲阻抗：用直尺測(cè)出的尺寸，算出體積；用電子秤稱出質(zhì)量，求得密度. 采用自發(fā)自收方法，把換能器分別耦合到待測(cè)材料的表面，測(cè)得它們的聲速，密度乘以聲速求得聲阻抗，與前面測(cè)得的填充材料聲阻抗R2比較,即可判定填充物是何種材料.

最后，采用自發(fā)自收方法，把1個(gè)換能器耦合到樣品表面缺陷2的正上方，從示波器上測(cè)得填充物上下表面反射波的時(shí)間間隔t，由式(1)可以算得h2.

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

實(shí)驗(yàn)中選用的2對(duì)換能器中心頻率分別是2.5 MHz和5 MHz，實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果如表1所示. 由于不同材料的聲阻抗不同，換能器耦合在不同材料上測(cè)得的中心頻率會(huì)有所漂移.

表1　不同材料、不同換能器中心頻率測(cè)量值

鋁、鐵、玻璃、有機(jī)玻璃的密度、聲縱波速度和聲阻抗測(cè)量值與資料上查的參考值[3]如表2所示. 鋁、玻璃、有機(jī)玻璃測(cè)量值與參考值基本接近，鐵可能是材料組成成分的原因，測(cè)量值與參考值相差較大.

樣品材料高度l，缺陷1的位置(離側(cè)面的距離d1和在材料中的深度l1)及尺寸(寬w1、高h(yuǎn)1)和缺陷2的位置(在材料中的深度l2)及尺寸(寬w2、高h(yuǎn)2)的測(cè)量值與實(shí)際值如表3所示，測(cè)量值與實(shí)際值基本接近.

實(shí)驗(yàn)測(cè)得填充物聲阻抗為1.65×107kg/(s·m2)，與玻璃接近，可以判定填充物是玻璃，與實(shí)際情況一致.

表2　鋁、鐵、玻璃、有機(jī)玻璃的密度ρ、聲縱波速度v和聲阻抗R的測(cè)量值與參考值

表3　樣品材料高度l，缺陷1的位置d1及尺寸和缺陷2的位置及尺寸的測(cè)量值與實(shí)際值　mm

4評(píng)論

本實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的綜合實(shí)驗(yàn)，做到了難易結(jié)合，突出了理論與實(shí)踐結(jié)合. 實(shí)驗(yàn)中有比較容易的試題部分，如測(cè)量換能器中心頻率、材料密度、聲速度、求材料的聲阻抗，這部分主要考察學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力. 測(cè)量樣品中缺陷的尺度，要求學(xué)生用所提供的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，這部分內(nèi)容對(duì)學(xué)生是一個(gè)挑戰(zhàn). 而確定缺陷中的填充物，則要求學(xué)生根據(jù)提供的聲傳播、聲反射、聲衰減理論知識(shí)，綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量.

實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽結(jié)果與預(yù)期基本一致，比較容易的部分學(xué)生基本上都能測(cè)出來(lái). 這一部分，主要考察了學(xué)生儀器以及測(cè)量工具的使用，比如用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生需要的Burst信號(hào)，由示波器測(cè)量信號(hào)幅度和信號(hào)之間的時(shí)間間隔，用直尺測(cè)量材料的體積，用電子秤稱材料的質(zhì)量，求密度，這些在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中都有所涉及，學(xué)生做起來(lái)也得心應(yīng)手.

測(cè)量樣品中缺陷的尺度僅有不到一半的學(xué)生做了出來(lái)，而且一部分學(xué)生要了提示卡. 這部分其實(shí)主要考察學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，測(cè)樣品高度最直觀的方法是用直尺直接測(cè)量，但實(shí)驗(yàn)設(shè)置障礙，把能用直尺直接測(cè)量的部分都擋了起來(lái)，這就要求學(xué)生能變換思維，用斜坯把高度的測(cè)量轉(zhuǎn)換成換能器之間距離的測(cè)量，然后利用角度關(guān)系求出樣品高度. 可能大部分大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)都是給出實(shí)驗(yàn)步驟和要求測(cè)量的量，學(xué)生只需按步驟測(cè)量，對(duì)于給出實(shí)際問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)器材、要求自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練比較少，因此約有一半的學(xué)生沒(méi)有完成這部分實(shí)驗(yàn).

最后的部分很少有學(xué)生測(cè)出最終結(jié)果. 2組學(xué)生知道要用聲能量反射系數(shù)測(cè)，也測(cè)出了反射系數(shù)，但由于沒(méi)有考慮聲衰減，沒(méi)有算出正確的填充物聲阻抗值. 分析其中的原因，一方面可能前面的實(shí)驗(yàn)耗時(shí)太多，留給這部分實(shí)驗(yàn)的時(shí)間不夠，來(lái)不及仔細(xì)思考；另一方面可能學(xué)生的理論綜合能力不夠，沒(méi)有把前面的理論知識(shí)點(diǎn)理解好，未能把它們綜合起來(lái)應(yīng)用到實(shí)際測(cè)量當(dāng)中.

綜上所述，學(xué)生基本儀器使用、動(dòng)手能力都比較強(qiáng)，但遇到實(shí)際問(wèn)題的解決能力、理論綜合能力、理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力都有待提高，這也將成為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)目標(biāo)之一.

參考文獻(xiàn)：

[1]《超聲波探傷》編寫(xiě)組. 超聲波探傷[M]. 北京：電力工業(yè)出版社，1986：246.

[2]馮若. 超聲手冊(cè)[M]. 南京：南京大學(xué)出版社，1999：412.

[3]杜功煥，朱哲民，龔秀芬. 聲學(xué)基礎(chǔ)[M]. 南京：南京大學(xué)出版社，2003：543.

[責(zé)任編輯：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

中圖分類(lèi)號(hào)：O426.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)01-0024-04

作者簡(jiǎn)介：陳建軍(1973-)，男，江蘇南通人，南京大學(xué)物理學(xué)院講師，博士，研究方向?yàn)槌暀z測(cè).

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助(No.11174144)

收稿日期：2015-12-18