材料的性能检测(5) 声学性能及测试方法

NortheasternUniversity第5讲材料的性能检测材料概论李阳东北大学2006年11月NortheasternUniversity材料概论：第5讲材料的性能检测第5讲材料的性能检测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NortheasternUniversity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。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。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(如显微疏松和显微裂纹)。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)。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，这种差别较小；黏弹材料，则差异较大。NortheasternUniversity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，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。NortheasternUniversity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。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，窄带宽脉冲及线性调频脉冲等。NortheasternUniversity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。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，再由试样传入接收换能器。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，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，消除了耦合剂对材料的影响，但测量系统也较复杂。NortheasternUniversity材料概论：第5讲材料的性能检测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5.5声学性能及测试方法NortheasternUniversity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，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。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。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。NortheasternUniversity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。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，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，这类换能器也可用于接收超声。NortheasternUniversity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S、与试样表面距离为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，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，灵敏度也较低，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，因为它消除了耦合剂对测量的影响。NortheasternUniversity材料概论：第5讲材料的性能检测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，在导体表面趋肤层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为基础实现超声的激发和检测的换能器。02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。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。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。内激发出涡流电流。NortheasternUniversity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B下，可以激发和检测径向横波运动。图（b）是矩形的平饼线圈，当把线圈大部分屏蔽起来，只留虚线所示的部分，只要改变B的方向,可以分别用于纵波和横波的激发和检测。图（c）是用于激发和检测金属板中Lame波的电磁声换能器。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1mm。NortheasternUniversity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。激光超声的激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，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。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。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(Fabry-Perot)干涉仪三种。NortheasternUniversity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(＞1.5-5m)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。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。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。NortheasternUniversity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，它可以通过测量声波的传播距离l以及所需的渡越时间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。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。为了避免在试件中形成驻波，在试样的另一端与一吸声器相连。当连续波在试样中行进时，用一个接收换能器来检测试件的振动幅度和相位。NortheasternUniversity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。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，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，这时在厚度L与第n次谐振的频率fn时的波长之间满足连续改变频率fn到出现第(n+N)次谐振NortheasternUniversity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脉冲回波法在示波器上得到t0时刻的发射脉冲信号，以及在试样内多次反射的脉冲信号P1,P2……，每个脉冲信号的传播距离为2L。由实测试样的长度L，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。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。NortheasternUniversity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，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、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，就可以得到一重复周期T的脉冲序列。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NortheasternUniversity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。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。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，示波器上两个回波重合：NortheasternUniversity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。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，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，叠加信号幅度最大。NortheasternUniversity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，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，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，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。NortheasternUniversity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，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、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和散射衰减，井遵循指数规律。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，由于声传播过程中，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。NortheasternUniversity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