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材料的性能检测(5) 声学性能及测试方法

作者:5分赛车时间:2020-07-19 19:01

  材料的性能检测(5) 声学性能及测试方法_工学_高等教育_教育专区。声学性能及测试方法

  Northeastern University 材 料 概 论 第5讲 材料的性能检测 讲 李 阳 东北大学 2006 年 11 月 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 第5讲 材料的性能检测 讲 5.1 基本力学性能及测试方法 5.2 磁学性能及测试方法 5.3 热学性能及测试方法 5.4 光学性能及测试方法 5.5 声学性能及测试方法 5.6 电学性能及测试方法 5.7 低维材料的性能与测试技术 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 描述材料声学性能的主要参量是材料的声速、特性声阻抗率和声衰减。 描述材料声学性能的主要参量是材料的声速、特性声阻抗率和声衰减。 声速 由于特性声阻抗率是材料声速与密度的乘积, 由于特性声阻抗率是材料声速与密度的乘积,所以可以直接测量的声参量 是声速和声衰减。 是声速和声衰减。 通过测量声速,可以直接反映材料的弹性常数。通过声速和衰减的测量, 通过测量声速,可以直接反映材料的弹性常数。通过声速和衰减的测量 , 可以了解材料的显微结构和形态(如晶粒尺寸和分布 和弥散的不连续性(如显微 可以了解材料的显微结构和形态 如晶粒尺寸和分布)和弥散的不连续性 如显微 如晶粒尺寸和分布 和弥散的不连续性 疏松和显微裂纹)。 疏松和显微裂纹 。 通过材料的弹性性能、显微结构和形态, 通过材料的弹性性能、显微结构和形态,可以间接地评定材料的力学性能 (如强度、硬度和应力分市等 。 如强度、 如强度 硬度和应力分市等)。 材料的声学特性反映的是材料的动态力学特性。一般而言, 材料的声学特性反映的是材料的动态力学特性。一般而言,材料的动态弹 性模量值总是大于静态模量值。但对于金属和无机非金属材料, 性模量值总是大于静态模量值。但对于金属和无机非金属材料,这种差别较小 黏弹材料,则差异较大。 ;黏弹材料,则差异较大。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 材料的声学性能是通过材料与声波相互作用而呈现。因此, 材料的声学性能是通过材料与声波相互作用而呈现 。 因此 , 材料声学性能的测 试方法及其精度不仅与材料本身性质、几何尺寸及形状有关, 试方法及其精度不仅与材料本身性质 、 几何尺寸及形状有关 , 而且还与材料中所 传播的声波特性和模式有关。声速和衰减的基本测量方法如图所示。 传播的声波特性和模式有关。声速和衰减的基本测量方法如图所示。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 一般而言,根据声波的时间特性,可分为连续波法和脉冲波法两大类。 一般而言,根据声波的时间特性,可分为连续波法和脉冲波法两大类。 连续波法 两大类 的连续波, 连续波法使用的是频率为 f 的连续波,所以可以测量材料的相速度及该 频率上的衰减。而脉冲波法中使用的有宽带窄脉冲, 频率上的衰减。而脉冲波法中使用的有宽带窄脉冲,窄带宽脉冲及线性调频 脉冲等 。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 如果按声波的激发和接收方式,又可分为接触和非接触测量两类。 如果按声波的激发和接收方式,又可分为接触和非接触测量两类。 接触 测量两类 传统的压电换能器的激发和接收声波,一般都是接触式的, 传统的压电换能器的激发和接收声波,一般都是接触式的,它需要用耦 合剂将激发和接收换能器与试样相耦合,实现声波从源传人试样, 合剂将激发和接收换能器与试样相耦合,实现声波从源传人试样,再由试样 传入接收换能器。 传入接收换能器。 这类检测方式简便、灵敏,但必须考虑耦合层对测量的影响,以及耦合 这类检测方式简便、灵敏,但必须考虑耦合层对测量的影响, 剂对材料表面可能产生的污染。 剂对材料表面可能产生的污染。 像电磁声换能器和激光超声技术是非接触式的, 像电磁声换能器和激光超声技术是非接触式的,电磁能和激光能量转变 为声能的过程是发生在试样内的,它们不需要耦合剂, 为声能的过程是发生在试样内的,它们不需要耦合剂,消除了耦合剂对材料 的影响,但测量系统也较复杂。 的影响,但测量系统也较复杂。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 1 材料中声波的激发和接收 2 材料的声速测量方法 3 材料的声衰减及测试方法 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 1 材料中声波的激发和接收 1.1 压电换能器 具有自发极化的单晶或具有剩余极化的多晶陶瓷及有机薄膜等材料, 具有自发极化的单晶或具有剩余极化的多晶陶瓷及有机薄膜等材料,受到应力 作用时会在材料中产生电场,这种效应称为压电效应 这类材料称为压电材料。 压电效应, 作用时会在材料中产生电场,这种效应称为压电效应,这类材料称为压电材料。 同时,压电材料在电场作用下也会产生应力和应变,这称为逆压电效应 逆压电效应。 同时,压电材料在电场作用下也会产生应力和应变,这称为逆压电效应。利用压 电材料的正、逆压电效应,实现电能和声能之间的转换。 电材料的正、逆压电效应,实现电能和声能之间的转换。完成材料中声波的激发 和接收的器件。就是常用的压电换能器。 和接收的器件。就是常用的压电换能器。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 1.2 磁致伸缩换能器 . 某些铁磁材料及其合金和某些铁氧体材 料,在磁场作用下也会随磁场强度的变化发 生长度的变化,这种现象称为磁致伸缩 磁致伸缩。 生长度的变化,这种现象称为磁致伸缩。 它是由于材料内自发磁化的磁畴转向外 磁场方向的结果。因此,和压电材料一样, 磁场方向的结果。因此,和压电材料一样, 磁致伸缩材科也可用来产生振动。 磁致伸缩材科也可用来产生振动。为了得到 与外磁场频率相同的磁致伸缩振动, 与外磁场频率相同的磁致伸缩振动,必须施 加一恒定磁场 B0 和交变磁场 B。 。 利用逆磁致伸缩效应, 利用逆磁致伸缩效应,这类换能器也可 用于接收超声。 用于接收超声。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 1.3 静电换能器 静电换能器又称为电容换能器。它的主要部件是 片面积为 静电换能器又称为电容换能器。它的主要部件是—片面积为 S 、与试样表面距离 的金属膜, 的平板电容。 为 d 的金属膜,与试样的表面电极构成静电容为 C0 的平板电容。当电容上施加电 压 V 时,作用在电极上的静电力 F 为 为了得到与交变电压相同频率变化的静电力, 为了得到与交变电压相同频率变化的静电力,电容换能器上施加的电压 V 应为 静电换能器的输出功率有限, 静电换能器的输出功率有限,灵敏度也 较低,但它是—种宽带频率响应的非接触换 较低,但它是 种宽带频率响应的非接触换 能器,它在精确测量固体声速中非常有用, 能器,它在精确测量固体声速中非常有用, 因为它消除了耦合剂对测量的影响。 因为它消除了耦合剂对测量的影响。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 1.4 电磁声换能器 电磁声换能器是以电流 j 和磁场 B 相互作用的洛仑兹力 现超声的激发和检测的换能器。 现超声的激发和检测的换能器。 为基础实 的磁钢和一线圈组成。 电磁声换能器主要由一产生磁场 B 的磁钢和一线圈组成。对于激发声波的电 磁声换能器,线圈中输入角频率为的交变电流, 磁声换能器,线圈中输入角频率为的交变电流,在导体表面趋肤层 δ = 内激发出涡流电流。 内激发出涡流电流。 2 ??0σω 这样, 平行于导体表面时, 沿表面法向, 这样,当换能器产生的磁场 B 平行于导体表面时,静电力 F 沿表面法向,在试 样内激发出超声纵波。 沿表面法向, 平行于表面, 样内激发出超声纵波。若 B 沿表面法向,静电力 F 平行于表面,在导体内激发超 声横波。 声横波。 反之,当试样内有超声传播, 反之,当试样内有超声传播,垂直于 B 的振速分量 v 将在导体内诱发涡流电 换能器中的线圈也将产生相应的输出电流,实现超声振动的检测。 流,换能器中的线圈也将产生相应的输出电流,实现超声振动的检测。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 图 ( a)是螺旋平饼形 , 在法向磁场 下 , ) 是螺旋平饼形,在法向磁场B下 可以激发和检测径向横波运动。 可以激发和检测径向横波运动。 图(b)是矩形的平饼线圈,当把线圈大 )是矩形的平饼线圈, 部分屏蔽起来, 只留虚线所示的部分, 部分屏蔽起来 , 只留虚线所示的部分 , 只要改变B的方向 的方向,可以分别用于纵波和 只要改变 的方向 可以分别用于纵波和 横波的激发和检测。 横波的激发和检测。 图(c)是用于激发和检测金属板中 Lame波的电磁声换能器。 波的电磁声换能器。 波的电磁声换能器 电磁声换能器是非接触式换能器, 电磁声换能器是非接触式换能器 , 但它 的灵敏度随换能器与试样表面的距离增 大而迅速减小, 般距离不宜超过 般距离不宜超过1mm。 大而迅速减小 , —般距离不宜超过 。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 1.5 激光超声 激光超声是利用激光来激发和检测试样中超声振动的技术。 激光超声是利用激光来激发和检测试样中超声振动的技术。激光超声的激 发主要有热弹激发和熔融激发两种机理。 发主要有热弹激发和熔融激发两种机理。当激光脉冲的光功率密度小于试样的 损伤阈值(对于金属 通常小于100MW/cm2)时,试样吸收脉冲光能而加热, 对于金属, 损伤阈值 对于金属,通常小于 / 时 试样吸收脉冲光能而加热, 由于热弹效应而激发出超声振动。 由于热弹效应而激发出超声振动。 试样表面超声振动的激光检测技术有光偏转技术和光干涉技术两类。 试样表面超声振动的激光检测技术有光偏转技术和光干涉技术两类。 光偏转技术 两类 光偏转技术又称为刀刃技术,它主要是由于超声振动引起试样表面变形, 光偏转技术又称为刀刃技术,它主要是由于超声振动引起试样表面变形, 使入射试样表面的反射激光发生偏转。 使入射试样表面的反射激光发生偏转。 激光干涉技术主要有零差干涉仪,外差干涉仪和法卜里 珀罗 珀罗(Fabry-Perot) 激光干涉技术主要有零差干涉仪,外差干涉仪和法卜里-珀罗 干涉仪三种。 干涉仪三种。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 激光超声技术的优点是非接触的,而且可进行远距离(> 激光超声技术的优点是非接触的 , 而且可进行远距离 > 1.5-5m)的超声激 的超声激 发和检测。所以,可在高腐蚀,高温高压以及辐射环境下进行材料特性检测。 发和检测。所以,可在高腐蚀,高温高压以及辐射环境下进行材料特性检测。 其次,激光脉冲在固体中可以一次同时激发纵波,横波和表面波, 其次,激光脉冲在固体中可以一次同时激发纵波,横波和表面波,在板中 激发Lame波等,而且可以通过简单的光学系统形成理想的点源,线源,面源以 波等, 激发 波等 而且可以通过简单的光学系统形成理想的点源,线源, 及实现光束扫描,因此.对于材料特性的精确测量是非常有利的。 及实现光束扫描,因此.对于材料特性的精确测量是非常有利的。 然而,激光超声系统比较复杂,成本较高。 然而,激光超声系统比较复杂,成本较高。干涉仪检测对环境及试样表面 的要求较高,因此它是实验室中无损表征材料物质特性的新技术。 的要求较高,因此它是实验室中无损表征材料物质特性的新技术。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 2 材料的声速测量方法 声速是材料最重要的声学参量, 声速是材料最重要的声学参量,它可以通过测量声波的传播距离 l 以及所 声时)来精确测量。 需的渡越时间 t (声时)来精确测量。 2.1 行波法 行波法是用连续波来测量薄片 或纤维材料中的声速的方法。 或纤维材料中的声速的方法。 用一适当的换能器作为声源在 试样一端激发纵波或弯曲波。 试样一端激发纵波或弯曲波 。 为了 避免在试件中形成驻波, 避免在试件中形成驻波 , 在试样的 另一端与一吸声器相连。 另一端与一吸声器相连 。 当连续波 在试样中行进时, 在试样中行进时 , 用一个接收换能 器来检测试件的振动幅度和相位。 器来检测试件的振动幅度和相位。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 2.2 谐振法 谐振法是利用连续声波在试件中形成驻波而实现试件某一方向上声波相速度测量的 技术,又称为定程干涉仪。 技术,又称为定程干涉仪。 对于厚度远小于横向尺寸的材料,可把—自发自收的超声换能器与试样表面耦合 对于厚度远小于横向尺寸的材料,可把 自发自收的超声换能器与试样表面耦合 的连续平面声波沿厚度方向传播时, ,当频率为 f0 的连续平面声波沿厚度方向传播时,在另一个自由表面上就会产生一 个反射波,在一些特定的频率上,入射波与反射波相互干涉而在试样内形成驻波, 个反射波,在一些特定的频率上,入射波与反射波相互干涉而在试样内形成驻波, 这时在厚度 L 与第 n 次谐振的频率 fn 时的波长之间满足 到出现第(n+N)次谐振 连续改变频率 fn 到出现第 次谐振 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 2.3 脉冲回波法 脉冲回波法是脉冲法中测量声速最简单的方法。由于脉冲法有测量迅速、 脉冲回波法是脉冲法中测量声速最简单的方法 。 由于脉冲法有测量迅速 、 装置简单、容易实现连续自动测量、适用范围广而得到广泛应用。 装置简单、容易实现连续自动测量、适用范围广而得到广泛应用。 在示波器上得到 t0 时刻的 发射脉冲信号, 发射脉冲信号 , 以及在试样内 多次反射的脉冲信号P 多次反射的脉冲信号 1,P2……, , 每个脉冲信号的传播距离为2L。 每个脉冲信号的传播距离为 。 由实测试样的长度L 由实测试样的长度 , 以 及两相邻反射声脉冲到达的时 间 t1 和 t2 就可以确定材科沿 声传播方向的声速。 声传播方向的声速。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 2.4 脉冲回鸣法 脉冲回鸣法测声速的原理如图所示, 脉冲回鸣法测声速的原理如图所示,由发射换能器产生的超声脉冲在试样中 传播后被捡测换能器所接收,检测换能器的输出再经放大、 传播后被捡测换能器所接收,检测换能器的输出再经放大、整形和鉴别后立即 重新触发发射电路。这样的过程不断地循环进行, 重新触发发射电路。这样的过程不断地循环进行,就可以得到一重复周期 T的 的 脉冲序列。 脉冲序列。该重复周期 T 等于声脉冲在材料中的传播时间和额外声延时之和 如果用频率计测量周期脉冲序列的 的影响, 频率 f,并考虑到温度对长度 L 的影响, , 这时实测的声速可表示为 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 2.5 脉冲重合法 脉冲重合法又称为脉冲回波重合法,是一种绝对测量材料声速的脉冲回波技术。 脉冲重合法又称为脉冲回波重合法,是一种绝对测量材料声速的脉冲回波技术。 单个自发自收的超声换能器发射一个窄带声脉冲后,在低衰减、长度为L的材料中会 单个自发自收的超声换能器发射一个窄带声脉冲后,在低衰减、长度为 的材料中会 的回波。等回波衰减完后,在发射第二个窄带声脉冲。 产生一系列时间间隔为 c 的回波。等回波衰减完后,在发射第二个窄带声脉冲。如 轴扫描, 果用一个连续坡振荡器去控制超声脉冲的发射和示波器的 x 轴扫描,通过接收放大 器将换能器接收到的多次反射回波显示在示波器上。 器将换能器接收到的多次反射回波显示在示波器上。 当连续波振荡周期 T 正好 等于第 q 个回波与第 (p+q) 个回 波之间的时间间隔时, 波之间的时间间隔时 , 示波器 上两个回波重合: 上两个回波重合: Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 2.6 脉冲回波叠加法 与脉冲回波重合法一样,脉冲回波叠加法也是使用单探头的脉冲回波法。 与脉冲回波重合法一样,脉冲回波叠加法也是使用单探头的脉冲回波法。 所不同的是脉冲回波重合法是使用低的重复发射频率, 所不同的是脉冲回波重合法是使用低的重复发射频率 , 把每一次发射中的两次 回波取出,进行正确重合。而脉冲回波叠加法使用高重复发射频率 复发射频率, 回波取出 , 进行正确重合 。 而脉冲回波叠加法使用高重 复发射频率 , 在回波没衰 减完前,接连发射声波,把不同的发射中的回波叠加起来,当正确叠加时, 减完前 , 接连发射声波 , 把不同的发射中的回波叠加起来 , 当正确叠加时 , 叠加 信号幅度最大 。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 2.7 临界角法 把表面光滑且平行的板状固体试样浸在液体中, 把表面光滑且平行的板状固体试样浸在液体中,当超声波从液体中以 α 角入射到 固体试样表面时,一部分反射,一部分透射入固体,形成透射纵波和透射横波, 固体试样表面时,一部分反射,一部分透射入固体,形成透射纵波和透射横波, 其折射角分别为 β 和 γ 。 当 α 逐渐增大时,就会出现两个全反射临界 逐渐增大时, 角。第一个临界角 αlc 相应于纵波全反射 第二个临界角 αtc 相应于横波全反射 利用已知声速为的液体, 利用已知声速为的液体,测量出这两个临界 角和,就可以计算出固体的纵波和横波声速。 角和,就可以计算出固体的纵波和横波声速。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 3 材料的声衰减及测试方法 严格的平面超声波在媒质中传播时,共振幅亦将随传播距离增大而减小, 严格的平面超声波在媒质中传播时, 共振幅亦将随传播距离增大而减小 , 这种现象称为超声波的衰减 造成衰减的主要原因是由于媒质对超声的吸收。 超声波的衰减。 这种现象称为 超声波的衰减 。 造成衰减的主要原因是由于媒质对超声的吸收 。 此外,媒质中的晶粒晶界、 此外 , 媒质中的晶粒晶界 、 微区的不均匀等亦将使超声波在这些区域的界面上 发生散射,引起衰减。这两种衰减分别称为吸收衰减 散射衰减, 吸收衰减和 发生散射 , 引起衰减 。 这两种衰减分别称为 吸收衰减 和 散射衰减 , 井遵循指数 规律。 规律。 对于非平面声波,如球面波、柱面波或者尺寸有限的活塞声辐射源, 对于非平面声波, 如球面波 、柱面波或者尺寸有限的活塞声辐射源,由于 声传播过程中,波阵面随距离增大而增大, 声传播过程中 , 波阵面随距离增大而增大 , 结果声振幅也随传播距离增大而减 这种衰减称为扩散衰减 它一般不遵循指数规律, 扩散衰减, 小 , 这种衰减称为 扩散衰减 , 它一般不遵循指数规律 , 在实际衰减测量中可以 把它作为系统误差而进行修正。 把它作为系统误差而进行修正。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 定量描述材料声衰减的物理量是衰减系数 定量描述材料声衰减的物理量是衰减系数 α 。对于沿 x 方向传播的平面超声 波,当媒质的声衰减系数为 α 时,声波的波矢为 k = 2π/λ - jα。其声波的声压振幅 。 可表示为: 可表示为:P(x)=P0exp(-ax)。这样,通过测量距离 x1和 x2上的声压振幅 P(x1)和 = 。这样, 和 P(x2)就可以来确定材料的衰减系数 就可以来确定材料的衰减系数 另一个描述衰减的物理量是对数衰减率 它描述声波传播过—个波长后的 另一个描述衰减的物理量是对数衰减率 δ ,它描述声波传播过 个波长后的 声衰减大小, 声衰减大小,即 δ = αλ 还有共振品质因数 值是描述一个振动系统中能量的自然衰减的量, 还有共振品质因数 Q 值是描述一个振动系统中能量的自然衰减的量,Q 值与 α 和 δ 之间有关系式 Q = π / δ = π / (αλ) Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 3.1 吸收衰减 超声波在媒质中传播时,如果一部分声能不可逆的转换成其他形式的能量, 超声波在媒质中传播时,如果一部分声能不可逆的转换成其他形式的能量, 对超声波而言,就有—部分声能被媒质吸收 部分声能被媒质吸收, 对超声波而言,就有 部分声能被媒质吸收,结果使超声幅值随传播距离增加 而城小,这种衰减称为吸收衰减, 来描述。 而城小,这种衰减称为吸收衰减,用吸收衰减系数 αa 来描述。 声波的吸收机制是比较复杂的,它涉及媒质的黏滞性 热传导及 黏滞性、 声波的吸收机制是比较复杂的,它涉及媒质的黏滞性、热传导及各种弛豫过 程。 的媒质,由于切变黏性 切变黏性引起的吸收衰减系数 ( 1 ) 动力切变黏滞系数为 η 的媒质 , 由于 切变黏性 引起的吸收衰减系数 αη 为 ρ 为媒质密度; ω 和 c 分别是超声波频率和声速 为媒质密度; Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 (2)当声波在传播过程中,由于绝热压缩而引起温度上升,必然有部分声能转 )当声波在传播过程中,由于绝热压缩而引起温度上升, 换成热能向较低温度的相邻媒质传递,结果也使声能损耗。这部分由热传导 热传导引 换成热能向较低温度的相邻媒质传递,结果也使声能损耗。这部分由热传导引 起的超声吸收衰减系数 αk 为 (3)当一个系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态时,它状态能量改变的速率 )当一个系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态时, 与两平衡态之间的能量差成正比,而过渡过程又是按指数规律逐步趋近, 与两平衡态之间的能量差成正比 , 而过渡过程又是按指数规律逐步趋近 , 这样 的一个过渡过程就称为弛豫过程 对于每一种弛豫过程, 的一个过渡过程就称为弛豫过程 。对于每一种弛豫过程,其声速 c 和吸收衰减 系数 αr 随频率的变化规律为 声吸收衰减系数 αa 一般可表示为 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 3.2 散射衰减 散射衰减是由于材料本身声学不均匀性产生的。 散射衰减是由于材料本身声学不均匀性产生的。当声波入射到材料内声学特 性有变化的界面上时,如材料内的晶粒、晶界、微区的缺陷、裂隙等, 性有变化的界面上时,如材料内的晶粒、晶界、微区的缺陷、裂隙等,声波将在 这些界面上发生散射,这部分被散射的声能最终通过吸收衰减而损耗, 这些界面上发生散射,这部分被散射的声能最终通过吸收衰减而损耗,这类由于 微区声学性质不均匀产生的散射声衰减称为散射衰减 散射衰减。 微区声学性质不均匀产生的散射声衰减称为散射衰减。 散射衰减是一个十分复杂的物理过程,它与散射体的尺寸大小、 散射衰减是一个十分复杂的物理过程,它与散射体的尺寸大小、单位体积内 散射体的数量以及这些散射体的声学性质和基底材料声学性质之间底关系等有关。 散射体的数量以及这些散射体的声学性质和基底材料声学性质之间底关系等有关。 对材料散射衰减的测量,可以用来评估材料中的一些特殊不连续性(夹杂 夹杂、 对材料散射衰减的测量 , 可以用来评估材料中的一些特殊不连续性 夹杂 、 气孔、裂纹和粗晶等)到显微组织的统计特性 到显微组织的统计特性, 气孔 、 裂纹和粗晶等 到显微组织的统计特性 , 像散射体的平均尺寸及其散射体 的平均密度等。 的平均密度等。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 3.3 几何衰减 几何衰减并不是真正能量的损耗而引起的衰减, 几何衰减并不是真正能量的损耗而引起的衰减,它是由于有限大尺寸的激发 声源激发的声波振幅随波阵面的扩展而减小, 声源激发的声波振幅随波阵面的扩展而减小,而检测声波的接收器面积也是有限 结果使检测到的声振幅随距离增大而减小,这种表观的声衰减称为几何衰减 几何衰减。 的,结果使检测到的声振幅随距离增大而减小,这种表观的声衰减称为几何衰减。 由于在衰减测量中,几何衰减也包含在实测结果中,所以, 由于在衰减测量中,几何衰减也包含在实测结果中,所以,在材料衰减测量 需对实测结果作必要修正。 时,需对实测结果作必要修正。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 3.4 声脉冲管法测量声衰减 这是在数十千赫以下频段测量材料纵波衰减的标准方法 (GB 5266-1985)。实 。 验装置如图所示。声脉冲管,又称为声阻抗管,简称声管。它是一厚壁不锈钢管, 验装置如图所示。声脉冲管,又称为声阻抗管,简称声管。它是一厚壁不锈钢管, 长为数米, 由使用的频率上限决定,以保证管内是平面波模式。 长为数米,内径 a 由使用的频率上限决定,以保证管内是平面波模式。 管内充满去气蒸馏水。 管内充满去气蒸馏水 。 通常竖直 放置,样品放在管的上端, 放置 , 样品放在管的上端 , 样品背面 可以用空气作背衬。 可以用空气作背衬 。 也可用不锈钢块 作为样品刚性背衬, 作为样品刚性背衬 , 换能器在声管下 兼作发射和接收。 端,兼作发射和接收。用频率为 f 的 窄带声脉冲进行测量。 窄带声脉冲进行测量 。 由于换能器发 出的声脉冲传至样品表面将被反射回 出的声脉冲传至样 品表面将被反射回 来而为换能器接收。 来而为换能器接收。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 3.5 替代法测量声衰减 这是适用于几百千赫以上的材料衰减的测量方法。主要有水中脉冲透射插入 这是适用于几百千赫以上的材料衰减的测量方法。主要有水中脉冲透射插入 替代法和直接接触法及转板法。 替代法和直接接触法及转板法。 (1)水中脉冲透射插入替代法 ) 通过在水中的发射换能器 T1 和 接收换能器 T2 中间插入厚度 l 的试 样 , 通过测量有无试样或试样厚度 变化而引起接收信号的幅度变化来 测定材料的衰减系数。 测定材料的衰减系数。 该方法样品用量少, 测量简便、 该方法样品用量少 , 测量简便 、 迅速、精度较高,应用最为广泛。 迅速、精度较高,应用最为广泛。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 (2)直接接触法 ) 直接接触法是不将样品放入参考媒质( 直接接触法是不将样品放入参考媒质(水)中,而是通过耦合剂将发射和 是不将样品放入参考媒质 接收换能器直接耦合到样品的前后表面, 接收换能器直接耦合到样品的前后表面,根据透射和反射脉冲的传播时间和幅 也可以同时测得样品的纵波速度和衰减。 度,也可以同时测得样品的纵波速度和衰减。 但是由于耦合层本身的衰减以及对测量重复性的限制,精度不如水中脉冲 但是由于耦合层本身的衰减以及对测量重复性的限制, 透射插入替代法高,但它可以测量声阻抗率与水相差比较大的样品,如塑料、 透射插入替代法高,但它可以测量声阻抗率与水相差比较大的样品,如塑料、 金属、无机非金属等固体, 金属、无机非金属等固体,并可在 0℃ 以下,或 100℃ 以上温度范围内进行 ℃ 以下, ℃ 测量。 测量。 直接接触法使用的仪器和对样品尺寸的要求与水中脉冲透射插入替代法相 测量时,耦合剂必须有适当稠度和铺展性, 同。测量时,耦合剂必须有适当稠度和铺展性,不使样品有任何物理和化学变 耦合剂必须均匀,尽可能的薄,而且不存在气泡。同时, 化。耦合剂必须均匀,尽可能的薄,而且不存在气泡。同时,要进行多次耦合 的重复测量,排除偶然误差。 的重复测量,排除偶然误差。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 (3)转板法(又称为临界角法) )转板法(又称为临界角法) 适用于100kHz以上测量横波衰减系数, 它是水中脉冲透射插入替代法的延伸。 以上测量横波衰减系数,它是水中脉冲透射插入替代法的延伸。 适用于 以上测量横波衰减系数 它的基本原理 基本原理是 它的基本原理是:将纵波声速为 cl,横波声速为 ct,厚度为 d1 的板状固体放在声 的水媒质中, 速为 cwcl 的水媒质中,旋转饭而使发射声波的入射角为纵波临界角 θwc ,这时试 样内只有横波透过试样传播, 样内只有横波透过试样传播,该横波经折射进入水中并转换成纵波而被接收换能 器接收, 器接收,记录下它的脉冲幅值 A1(f)。 。 而后用厚度为 d2 的相同材料的样品插入 发射与接收换能器的声路中, 发射与接收换能器的声路中, 在相同的临 界入射角下, 界入射角下 , 记录下透射声脉冲 A2(f)。 。 这样, 这样 ,该材料在该测试条件下的横波衰减 系数为 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 3.6 谐振法测量声衰减 谐振法测量衰减是在频域上测量材料的共振品质因数 Q 值。用损耗因数 η 来描述衰减大小, 来描述衰减大小, η 定义为 f 为材料的谐振频率;?f 为该谐振峰的 -3dB 带宽。 为材料的谐振频率; 带宽。 最常用的是自由梁的弯曲共振法, 最常用的是 自由梁的弯曲共振法, 自由梁的弯曲共振法 它对杨氏模量大于 3×109Pa 的固体 × 材料很适用。 材料很适用。 试样的横截面应为矩形和圆形。 试样的横截面应为矩形和圆形 。 测量中两悬线应处于试样的各阶共振 模式的节点。 模式的节点。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 自由梁的弯曲共振法 的试样, 对长度为 l 的试样,离两端点最近的节点距离为 测量时,用适度而又恒定的激励信号激振试样, 测量时,用适度而又恒定的激励信号激振试样,调制信号频率并同时观察示波器 上接收波形,使试样达到共振状态。 上接收波形,使试样达到共振状态。 记录下该共振模式对应的共振 频率 fn 及 -3dB 的带宽 (?f)n。 损耗因数可由下式确定。 损耗因数可由下式确定。 Northeastern University 材料概论: 材料概论: 第5讲 材料的性能检测 5.5 声学性能及测试方法 实际上,精确测量材料的声衰减是很困难的,根据声衰减的特性. 实际上,精确测量材料的声衰减是很困难的,根据声衰减的特性.测量中必 须注意以下几点。 须注意以下几点。 (1)实验测得的声衰减是吸收、 散射和扩散衰减量的总和。因此 ,必须对不同距离上的测 )实验测得的声衰减是吸收、散射和扩散衰减量的总和。因此, 量值进行扩散衰减的修正。 量值进行扩散衰减的修正。 (2)衰减测量对换能器与试样之间的耦合是十分灵敏的,有时由于耦合而引起的损耗甚至 )衰减测量对换能器与试样之间的耦合是十分灵敏的, 可能大于材料本身的衰减,所以, 优先采用像激光超声等非接触式测量技术。 可能大于材料本身的衰减,所以,宜优先采用像激光超声等非接触式测量技术。 (3)由于衰减而引起传播中波的频散效应,使实际测量中很难确认和跟踪超声信号的某一 )由于衰减而引起传播中波的频散效应, 特定部分作为传播距离的函数。因此,对于脉冲波,宜采用谱分析技术, 特定部分作为传播距离的函数。因此,对于脉冲波,宜采用谱分析技术,测量一个频率范围 内的衰减测量。 内的衰减测量。 (4)在整个衰减测量过程中,要求源本身的强度是不变的,即要求有一个真正可重复的声 ) 在整个衰减测量过程中, 要求源本身的强度是不变的, 为此,需要采用如多接收的技术 对激发源强度进行归一化处理。 采用如多接收的技术, 源。为此,需要采用如多接收的技术,对激发源强度进行归一化处理。 (5)由于衰减是频率的函数,因此精确的声衰减测量要求在很宽的频率范围上实现高保真 )由于衰减是频率的函数,因此精确的声衰减测量要求在很宽的频率范围上实现高保真 测量。 测量。

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