超聲檢測綜合實驗

陳建軍，龔國斌，高文莉，周　進

(南京大學 物理學院，江蘇 南京 210008)

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超聲檢測綜合實驗

陳建軍，龔國斌，高文莉，周進

(南京大學 物理學院，江蘇 南京 210008)

摘要：基于超聲波在不同聲阻抗介質形成的界面上的反射和透射理論，設計了超聲檢測綜合實驗. 實驗樣品為帶有缺陷的固體材料，采用超聲方法測量缺陷的尺寸及缺陷中的填充物. 作為競賽的綜合實驗，做到了難易結合，突出理論與實踐結合：實驗容易的部分，如測量換能器的中心頻率、材料的密度、聲速及聲阻抗，主要考察學生對基本實驗儀器的操作能力；實驗比較難的部分是確定缺陷的填充物，學生需要綜合應用提供的聲傳播、反射及衰減理論設計測量實驗.

關鍵詞：超聲；缺陷；聲阻抗；反射；透射；全國大學生物理實驗競賽

作為第3屆全國大學生物理實驗競賽的綜合實驗題，既要考察學生的基本動手能力，又要考察學生理論與實踐相結合的能力，也就是綜合運用理論知識解決實際問題的能力. 超聲檢測在實踐中有著廣泛的應用，比如醫院的B超、工業中材料缺陷的檢測、粘結層的監測等. 因此，本文基于超聲學中超聲波傳播及超聲波在不同聲阻抗介質形成的界面上的反射和透射理論，設計了超聲檢測綜合實驗，要求學生應用所提供的超聲理論知識來檢測實際固體材料中的缺陷，真正考察了學生實踐動手能力和理論綜合運用能力.

1超聲波傳播理論

超聲波是頻率高于20 kHz的機械波. 在超聲檢測中常用的頻率為0.5～10 MHz. 這種機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界面(如缺陷或被測物件的底面等)就會產生反射、透射和波形轉換. 這種現象可被用來進行超聲波檢測，最常用的是脈沖反射法，檢測時，脈沖振蕩器發出的電壓加在探頭上，探頭發出的超聲波脈沖通過聲耦合介質(如機油或水等)進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，探頭又將其轉變為電脈沖，經儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上. 根據缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度，即可測定缺陷的位置和大致尺寸. 利用超聲法檢測材料的物理特性時，還經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，遇到缺陷時反射回來. 假設接收到的反射波與入射波的時間間隔為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，測得反射波與入射波的時間間隔，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”進行測量[1]，即當反射波的幅度是最大值的一半時，換能器的中心處于缺陷的邊緣，找到2個邊緣位置，它們之間的距離就是缺陷的橫向尺寸.

當超聲縱波垂直入射到固體1-固體2界面時，會發生反射和透射，聲能量的反射系數為[1]

(2)

透射系數為

(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為1. 因此，在已知固體1的聲阻抗的情況下，測得入射聲能量，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產生衰減，衰減系數可用以下方法測量：若固體樣品厚度分別為l1和l2，且l2>l1，相應的反射脈沖幅度分別為A1和A2，則衰減系數為[1-2]

(4)

因此，在測量固體2的聲阻抗時，應先測量固體1的聲縱波衰減系數，對聲能量反射系數進行校正，再用式(2)來求，不然會有較大的誤差.

本綜合實驗基于以上超聲理論進行了設計，要求學生領會以上知識點，并且能學以致用，靈活運用.

2超聲探測綜合實驗

2.1　實驗內容

如圖1所示，一均勻固體材料(鋁)中有2個長方體缺陷(縱向貫通整個材料)，缺陷1位于材料底部，里面為空氣，缺陷2位于材料的一個側面處，內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個面可以用于測量(黑色陰影處為不可測面). 要求：

1)用超聲學方法測量缺陷1的位置(離側面的距離d1和在材料中的深度l1)及尺寸(寬w1、高h1).

2)用超聲學方法測量缺陷2的位置(在材料中的深度l2)及尺寸(寬w2、高h2).

3)根據已給材料(鐵塊、有機玻璃、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　樣品結構

2.2　實驗儀器

信號發生器、示波器、換能器(2對)30°和45°斜坯各1對(與固體同材料)、玻璃(1塊)、有機玻璃(1塊)、長方體小鐵塊(1個)(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)、導線(若干).

2.3　實驗測量

2.3.1換能器中心頻率的測量

換能器的中心頻率并未給出，必須先測量. 如圖2連接每對換能器，固體材料可選用給出的3個長方體小塊之一. 信號發生器產生的Burst信號加到換能器1上，被轉換成聲信號在固體材料中傳播，換能器2接收到傳播過來的聲信號，并把它轉換成電信號在示波器上顯示. 改變信號發生器的頻率，測量示波器上接收信號的幅值，就可測量這對換能器的頻響曲線，得到它們的中心頻率. 高頻換能器尺寸較小，測量精度較高，衰減較大；低頻換能器尺寸較大，測量精度較低，衰減較小. 學生可根據實際情況選用適當的換能器進行實驗.

圖2　換能器中心頻率測量

2.3.2鋁的聲阻抗測量

鋁的聲阻抗測量是本實驗的難點之一，實驗要求不能把2個斜坯拼成長方體來測量. 因此可采用圖3方法，1對換能器分別貼在1對斜坯上，斜坯貼在樣品表面，其中一個換能器發射聲信號在樣品里傳播，在樣品底面反射后，被另一換能器接收，移動接收換能器位置，使示波器上測得的接收信號幅值最大，此時接收換能器處于反射波中心位置. 分別從2個換能器中心作垂線并與樣品表面相交，2個交點之間的距離為d，聲波在底面的入射角θ是斜坯的1個角，設樣品的高為l，有

(5)

因此，測得d以及斜坯的1個角，由式(5)即可求得樣品的高度l.

圖3　樣品厚度測量

如圖4所示，采用1個換能器自發自收的方法，從示波器上測得入射波與反射波的時間間隔t，由式(1)計算出鋁的聲速度.

圖4　樣品聲速度測量

最后，用電子秤測得1塊斜坯的質量，用直尺測邊長，計算出體積，質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的測量

如圖4所示，采用1個換能器自發自收的方法，把換能器移到缺陷1上方，從示波器上測得入射波與反射波的時間間隔t，由式(1)算得l1，缺陷1的高h1=l-l1，左右平移換能器，采用半波高法即可測得缺陷1與樣品側面的距離d1以及缺陷1的寬度w1.

2.3.4缺陷2的測量及缺陷2中填充物的判定

缺陷2的測量是本實驗的難點.

如圖4所示，采用1個換能器自發自收的方法，與2.3.3描述相同，測得l2和w2. 把換能器移到缺陷2中間，從示波器上測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r，但此時示波器的讀數是樣品表面處的幅度，不是界面處的幅度，必須要進行衰減修正.

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

rcor=re2αl2,

(6)

已知聲能量反射系數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.

測量給出的3塊材料的聲阻抗：用直尺測出的尺寸，算出體積；用電子秤稱出質量，求得密度. 采用自發自收方法，把換能器分別耦合到待測材料的表面，測得它們的聲速，密度乘以聲速求得聲阻抗，與前面測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，采用自發自收方法，把1個換能器耦合到樣品表面缺陷2的正上方，從示波器上測得填充物上下表面反射波的時間間隔t，由式(1)可以算得h2.

3實驗結果和討論

實驗中選用的2對換能器中心頻率分別是2.5 MHz和5 MHz，實驗測得結果如表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得的中心頻率會有所漂移.

表1　不同材料、不同換能器中心頻率測量值

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

樣品材料高度l，缺陷1的位置(離側面的距離d1和在材料中的深度l1)及尺寸(寬w1、高h1)和缺陷2的位置(在材料中的深度l2)及尺寸(寬w2、高h2)的測量值與實際值如表3所示，測量值與實際值基本接近.

實驗測得填充物聲阻抗為1.65×107kg/(s·m2)，與玻璃接近，可以判定填充物是玻璃，與實際情況一致.

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

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

4評論

本實驗作為大學生物理實驗競賽的綜合實驗，做到了難易結合，突出了理論與實踐結合. 實驗中有比較容易的試題部分，如測量換能器中心頻率、材料密度、聲速度、求材料的聲阻抗，這部分主要考察學生基本實驗儀器實驗和實驗動手能力. 測量樣品中缺陷的尺度，要求學生用所提供的實驗器材進行實驗方案設計，這部分內容對學生是一個挑戰. 而確定缺陷中的填充物，則要求學生根據提供的聲傳播、聲反射、聲衰減理論知識，綜合應用設計實驗進行測量.

實驗競賽結果與預期基本一致，比較容易的部分學生基本上都能測出來. 這一部分，主要考察了學生儀器以及測量工具的使用，比如用信號發生器產生需要的Burst信號，由示波器測量信號幅度和信號之間的時間間隔，用直尺測量材料的體積，用電子秤稱材料的質量，求密度，這些在大學物理實驗中都有所涉及，學生做起來也得心應手.

測量樣品中缺陷的尺度僅有不到一半的學生做了出來，而且一部分學生要了提示卡. 這部分其實主要考察學生解決實際問題的能力，測樣品高度最直觀的方法是用直尺直接測量，但實驗設置障礙，把能用直尺直接測量的部分都擋了起來，這就要求學生能變換思維，用斜坯把高度的測量轉換成換能器之間距離的測量，然后利用角度關系求出樣品高度. 可能大部分大學物理實驗都是給出實驗步驟和要求測量的量，學生只需按步驟測量，對于給出實際問題和實驗器材、要求自主設計實驗的訓練比較少，因此約有一半的學生沒有完成這部分實驗.

最后的部分很少有學生測出最終結果. 2組學生知道要用聲能量反射系數測，也測出了反射系數，但由于沒有考慮聲衰減，沒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驗耗時太多，留給這部分實驗的時間不夠，來不及仔細思考；另一方面可能學生的理論綜合能力不夠，沒有把前面的理論知識點理解好，未能把它們綜合起來應用到實際測量當中.

綜上所述，學生基本儀器使用、動手能力都比較強，但遇到實際問題的解決能力、理論綜合能力、理論與實踐相結合的能力都有待提高，這也將成為大學物理實驗培養目標之一.

參考文獻：

[1]《超聲波探傷》編寫組. 超聲波探傷[M]. 北京：電力工業出版社，1986：246.

[2]馮若. 超聲手冊[M]. 南京：南京大學出版社，1999：412.

[3]杜功煥，朱哲民，龔秀芬. 聲學基礎[M]. 南京：南京大學出版社，2003：543.

[責任編輯：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

中圖分類號：O426.6

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)01-0024-04

作者簡介：陳建軍(1973-)，男，江蘇南通人，南京大學物理學院講師，博士，研究方向為超聲檢測.

基金項目：國家自然科學基金資助(No.11174144)

收稿日期：2015-12-18