材料的性能檢測(5)-聲學(xué)性能及測試方法

第5講材料的性能檢測材料概論

第5講

材料的性能檢測

5.1基本力學(xué)性能及測試方法5.2磁學(xué)性能及測試方法5.3熱學(xué)性能及測試方法5.4光學(xué)性能及測試方法5.5聲學(xué)性能及測試方法5.6電學(xué)性能及測試方法5.7低維材料的性能與測試技術(shù)5.5聲學(xué)性能及測試方法

描述材料聲學(xué)性能的主要參量是材料的聲速、特性聲阻抗率和聲衰減。由于特性聲阻抗率是材料聲速與密度的乘積，所以可以直接測量的聲參量是聲速和聲衰減。通過測量聲速，可以直接反映材料的彈性常數(shù)。通過聲速和衰減的測量，可以了解材料的顯微結(jié)構(gòu)和形態(tài)(如晶粒尺寸和分布)和彌散的不連續(xù)性(如顯微疏松和顯微裂紋)。通過材料的彈性性能、顯微結(jié)構(gòu)和形態(tài)，可以間接地評定材料的力學(xué)性能(如強(qiáng)度、硬度和應(yīng)力分市等)。材料的聲學(xué)特性反映的是材料的動態(tài)力學(xué)特性。一般而言，材料的動態(tài)彈性模量值總是大于靜態(tài)模量值。但對于金屬和無機(jī)非金屬材料，這種差別較??；黏彈材料，則差異較大。5.5聲學(xué)性能及測試方法

材料的聲學(xué)性能是通過材料與聲波相互作用而呈現(xiàn)。因此，材料聲學(xué)性能的測試方法及其精度不僅與材料本身性質(zhì)、幾何尺寸及形狀有關(guān)，而且還與材料中所傳播的聲波特性和模式有關(guān)。聲速和衰減的基本測量方法如圖所示。5.5聲學(xué)性能及測試方法

一般而言，根據(jù)聲波的時間特性，可分為連續(xù)波法和脈沖波法兩大類。連續(xù)波法使用的是頻率為f的連續(xù)波，所以可以測量材料的相速度及該頻率上的衰減。而脈沖波法中使用的有寬帶窄脈沖，窄帶寬脈沖及線性調(diào)頻脈沖等。5.5聲學(xué)性能及測試方法

如果按聲波的激發(fā)和接收方式，又可分為接觸和非接觸測量兩類。傳統(tǒng)的壓電換能器的激發(fā)和接收聲波，一般都是接觸式的，它需要用耦合劑將激發(fā)和接收換能器與試樣相耦合，實(shí)現(xiàn)聲波從源傳人試樣，再由試樣傳入接收換能器。這類檢測方式簡便、靈敏，但必須考慮耦合層對測量的影響，以及耦合劑對材料表面可能產(chǎn)生的污染。像電磁聲換能器和激光超聲技術(shù)是非接觸式的，電磁能和激光能量轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷艿倪^程是發(fā)生在試樣內(nèi)的，它們不需要耦合劑，消除了耦合劑對材料的影響，但測量系統(tǒng)也較復(fù)雜。

1材料中聲波的激發(fā)和接收2材料的聲速測量方法3材料的聲衰減及測試方法

5.5聲學(xué)性能及測試方法5.5聲學(xué)性能及測試方法1材料中聲波的激發(fā)和接收1.1壓電換能器

具有自發(fā)極化的單晶或具有剩余極化的多晶陶瓷及有機(jī)薄膜等材料，受到應(yīng)力作用時會在材料中產(chǎn)生電場，這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)，這類材料稱為壓電材料。同時，壓電材料在電場作用下也會產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，這稱為逆壓電效應(yīng)。利用壓電材料的正、逆壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能和聲能之間的轉(zhuǎn)換。完成材料中聲波的激發(fā)和接收的器件。就是常用的壓電換能器。5.5聲學(xué)性能及測試方法1.2磁致伸縮換能器

某些鐵磁材料及其合金和某些鐵氧體材料，在磁場作用下也會隨磁場強(qiáng)度的變化發(fā)生長度的變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。它是由于材料內(nèi)自發(fā)磁化的磁疇轉(zhuǎn)向外磁場方向的結(jié)果。因此，和壓電材料一樣，磁致伸縮材科也可用來產(chǎn)生振動。為了得到與外磁場頻率相同的磁致伸縮振動，必須施加一恒定磁場B0和交變磁場B。

利用逆磁致伸縮效應(yīng)，這類換能器也可用于接收超聲。

5.5聲學(xué)性能及測試方法1.3靜電換能器

靜電換能器又稱為電容換能器。它的主要部件是—片面積為S

、與試樣表面距離為d

的金屬膜，與試樣的表面電極構(gòu)成靜電容為C0的平板電容。當(dāng)電容上施加電壓V

時，作用在電極上的靜電力F

為

為了得到與交變電壓相同頻率變化的靜電力，電容換能器上施加的電壓V

應(yīng)為

靜電換能器的輸出功率有限，靈敏度也較低，但它是—種寬帶頻率響應(yīng)的非接觸換能器，它在精確測量固體聲速中非常有用，因?yàn)樗笋詈蟿y量的影響。

電磁聲換能器主要由一產(chǎn)生磁場B的磁鋼和一線圈組成。對于激發(fā)聲波的電磁聲換能器，線圈中輸入角頻率為的交變電流，在導(dǎo)體表面趨膚層5.5聲學(xué)性能及測試方法1.4電磁聲換能器

電磁聲換能器是以電流j

和磁場B

相互作用的洛侖茲力為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)超聲的激發(fā)和檢測的換能器。

這樣，當(dāng)換能器產(chǎn)生的磁場B平行于導(dǎo)體表面時，靜電力F

沿表面法向，在試樣內(nèi)激發(fā)出超聲縱波。若B

沿表面法向，靜電力F

平行于表面，在導(dǎo)體內(nèi)激發(fā)超聲橫波。反之，當(dāng)試樣內(nèi)有超聲傳播，垂直于B

的振速分量v

將在導(dǎo)體內(nèi)誘發(fā)渦流電流，換能器中的線圈也將產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電流，實(shí)現(xiàn)超聲振動的檢測。內(nèi)激發(fā)出渦流電流。5.5聲學(xué)性能及測試方法圖（a）是螺旋平餅形，在法向磁場B下，可以激發(fā)和檢測徑向橫波運(yùn)動。圖（b）是矩形的平餅線圈，當(dāng)把線圈大部分屏蔽起來，只留虛線所示的部分，只要改變B的方向,可以分別用于縱波和橫波的激發(fā)和檢測。圖（c）是用于激發(fā)和檢測金屬板中Lame波的電磁聲換能器。電磁聲換能器是非接觸式換能器，但它的靈敏度隨換能器與試樣表面的距離增大而迅速減小，—般距離不宜超過1mm。

5.5聲學(xué)性能及測試方法1.5激光超聲

激光超聲是利用激光來激發(fā)和檢測試樣中超聲振動的技術(shù)。激光超聲的激發(fā)主要有熱彈激發(fā)和熔融激發(fā)兩種機(jī)理。當(dāng)激光脈沖的光功率密度小于試樣的損傷閾值(對于金屬，通常小于100MW／cm2)時，試樣吸收脈沖光能而加熱，由于熱彈效應(yīng)而激發(fā)出超聲振動。

試樣表面超聲振動的激光檢測技術(shù)有光偏轉(zhuǎn)技術(shù)和光干涉技術(shù)兩類。

光偏轉(zhuǎn)技術(shù)又稱為刀刃技術(shù)，它主要是由于超聲振動引起試樣表面變形，使入射試樣表面的反射激光發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

激光干涉技術(shù)主要有零差干涉儀，外差干涉儀和法卜里-珀羅(Fabry-Perot)干涉儀三種。

5.5聲學(xué)性能及測試方法

激光超聲技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是非接觸的，而且可進(jìn)行遠(yuǎn)距離(＞1.5-5m)的超聲激發(fā)和檢測。所以，可在高腐蝕，高溫高壓以及輻射環(huán)境下進(jìn)行材料特性檢測。其次，激光脈沖在固體中可以一次同時激發(fā)縱波，橫波和表面波，在板中激發(fā)Lame波等，而且可以通過簡單的光學(xué)系統(tǒng)形成理想的點(diǎn)源，線源，面源以及實(shí)現(xiàn)光束掃描，因此．對于材料特性的精確測量是非常有利的。然而，激光超聲系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高。干涉儀檢測對環(huán)境及試樣表面的要求較高，因此它是實(shí)驗(yàn)室中無損表征材料物質(zhì)特性的新技術(shù)。5.5聲學(xué)性能及測試方法2材料的聲速測量方法

聲速是材料最重要的聲學(xué)參量，它可以通過測量聲波的傳播距離l

以及所需的渡越時間t

（聲時）來精確測量。

2.1行波法

行波法是用連續(xù)波來測量薄片或纖維材料中的聲速的方法。用一適當(dāng)?shù)膿Q能器作為聲源在試樣一端激發(fā)縱波或彎曲波。為了避免在試件中形成駐波，在試樣的另一端與一吸聲器相連。當(dāng)連續(xù)波在試樣中行進(jìn)時，用一個接收換能器來檢測試件的振動幅度和相位。

5.5聲學(xué)性能及測試方法2.2諧振法諧振法是利用連續(xù)聲波在試件中形成駐波而實(shí)現(xiàn)試件某一方向上聲波相速度測量的技術(shù)，又稱為定程干涉儀。對于厚度遠(yuǎn)小于橫向尺寸的材料，可把—自發(fā)自收的超聲換能器與試樣表面耦合，當(dāng)頻率為f0的連續(xù)平面聲波沿厚度方向傳播時，在另一個自由表面上就會產(chǎn)生一個反射波，在一些特定的頻率上，入射波與反射波相互干涉而在試樣內(nèi)形成駐波，這時在厚度L與第n

次諧振的頻率fn時的波長之間滿足連續(xù)改變頻率fn到出現(xiàn)第(n+N)次諧振5.5聲學(xué)性能及測試方法2.3脈沖回波法

在示波器上得到t0時刻的發(fā)射脈沖信號，以及在試樣內(nèi)多次反射的脈沖信號P1,P2……，每個脈沖信號的傳播距離為2L。由實(shí)測試樣的長度L，以及兩相鄰反射聲脈沖到達(dá)的時間t1和t2就可以確定材科沿聲傳播方向的聲速。

脈沖回波法是脈沖法中測量聲速最簡單的方法。由于脈沖法有測量迅速、裝置簡單、容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動測量、適用范圍廣而得到廣泛應(yīng)用。5.5聲學(xué)性能及測試方法2.4脈沖回鳴法

脈沖回鳴法測聲速的原理如圖所示，由發(fā)射換能器產(chǎn)生的超聲脈沖在試樣中傳播后被撿測換能器所接收，檢測換能器的輸出再經(jīng)放大、整形和鑒別后立即重新觸發(fā)發(fā)射電路。這樣的過程不斷地循環(huán)進(jìn)行，就可以得到一重復(fù)周期T的脈沖序列。該重復(fù)周期T

等于聲脈沖在材料中的傳播時間和額外聲延時之和

如果用頻率計(jì)測量周期脈沖序列的頻率f，并考慮到溫度對長度L

的影響，這時實(shí)測的聲速可表示為5.5聲學(xué)性能及測試方法2.5脈沖重合法

脈沖重合法又稱為脈沖回波重合法，是一種絕對測量材料聲速的脈沖回波技術(shù)。單個自發(fā)自收的超聲換能器發(fā)射一個窄帶聲脈沖后，在低衰減、長度為L的材料中會產(chǎn)生一系列時間間隔為c

的回波。等回波衰減完后，在發(fā)射第二個窄帶聲脈沖。如果用一個連續(xù)坡振蕩器去控制超聲脈沖的發(fā)射和示波器的x

軸掃描，通過接收放大器將換能器接收到的多次反射回波顯示在示波器上。

當(dāng)連續(xù)波振蕩周期T

正好等于第q

個回波與第(p+q)個回波之間的時間間隔時，示波器上兩個回波重合：5.5聲學(xué)性能及測試方法2.6脈沖回波疊加法

與脈沖回波重合法一樣，脈沖回波疊加法也是使用單探頭的脈沖回波法。所不同的是脈沖回波重合法是使用低的重復(fù)發(fā)射頻率，把每一次發(fā)射中的兩次回波取出，進(jìn)行正確重合。而脈沖回波疊加法使用高重復(fù)發(fā)射頻率，在回波沒衰減完前，接連發(fā)射聲波，把不同的發(fā)射中的回波疊加起來，當(dāng)正確疊加時，疊加信號幅度最大。5.5聲學(xué)性能及測試方法2.7臨界角法把表面光滑且平行的板狀固體試樣浸在液體中，當(dāng)超聲波從液體中以α

角入射到固體試樣表面時，一部分反射，一部分透射入固體，形成透射縱波和透射橫波，其折射角分別為β和γ

。

當(dāng)α逐漸增大時，就會出現(xiàn)兩個全反射臨界角。第一個臨界角αlc

相應(yīng)于縱波全反射

第二個臨界角αtc

相應(yīng)于橫波全反射

利用已知聲速為的液體，測量出這兩個臨界角和，就可以計(jì)算出固體的縱波和橫波聲速。5.5聲學(xué)性能及測試方法3材料的聲衰減及測試方法

嚴(yán)格的平面超聲波在媒質(zhì)中傳播時，共振幅亦將隨傳播距離增大而減小，這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。造成衰減的主要原因是由于媒質(zhì)對超聲的吸收。此外，媒質(zhì)中的晶粒晶界、微區(qū)的不均勻等亦將使超聲波在這些區(qū)域的界面上發(fā)生散射，引起衰減。這兩種衰減分別稱為吸收衰減和散射衰減，井遵循指數(shù)規(guī)律。對于非平面聲波，如球面波、柱面波或者尺寸有限的活塞聲輻射源，由于聲傳播過程中，波陣面隨距離增大而增大，結(jié)果聲振幅也隨傳播距離增大而減小，這種衰減稱為擴(kuò)散衰減，它一般不遵循指數(shù)規(guī)律，在實(shí)際衰減測量中可以把它作為系統(tǒng)誤差而進(jìn)行修正。5.5聲學(xué)性能及測試方法

定量描述材料聲衰減的物理量是衰減系數(shù)α

。對于沿x

方向傳播的平面超聲波，當(dāng)媒質(zhì)的聲衰減系數(shù)為α

時，聲波的波矢為k=2π/λ-jα。其聲波的聲壓振幅可表示為：P(x)＝P0exp(-ax)。這樣，通過測量距離x1和x2上的聲壓振幅P(x1)和P(x2)就可以來確定材料的衰減系數(shù)

另一個描述衰減的物理量是對數(shù)衰減率δ

，它描述聲波傳播過—個波長后的聲衰減大小，即δ=αλ還有共振品質(zhì)因數(shù)Q

值是描述一個振動系統(tǒng)中能量的自然衰減的量，Q值與α和δ

之間有關(guān)系式

Q=π/δ=π/(αλ)5.5聲學(xué)性能及測試方法3.1吸收衰減

超聲波在媒質(zhì)中傳播時，如果一部分聲能不可逆的轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，對超聲波而言，就有—部分聲能被媒質(zhì)吸收，結(jié)果使超聲幅值隨傳播距離增加而城小，這種衰減稱為吸收衰減，用吸收衰減系數(shù)αa

來描述。聲波的吸收機(jī)制是比較復(fù)雜的，它涉及媒質(zhì)的黏滯性、熱傳導(dǎo)及各種弛豫過程。（1）動力切變黏滯系數(shù)為η

的媒質(zhì)，由于切變黏性引起的吸收衰減系數(shù)αη為

ρ為媒質(zhì)密度；ω和c分別是超聲波頻率和聲速5.5聲學(xué)性能及測試方法（2）當(dāng)聲波在傳播過程中，由于絕熱壓縮而引起溫度上升，必然有部分聲能轉(zhuǎn)換成熱能向較低溫度的相鄰媒質(zhì)傳遞，結(jié)果也使聲能損耗。這部分由熱傳導(dǎo)引起的超聲吸收衰減系數(shù)αk為（3）當(dāng)一個系統(tǒng)從一個平衡態(tài)過渡到另一個平衡態(tài)時，它狀態(tài)能量改變的速率與兩平衡態(tài)之間的能量差成正比，而過渡過程又是按指數(shù)規(guī)律逐步趨近，這樣的一個過渡過程就稱為弛豫過程。對于每一種弛豫過程，其聲速c

和吸收衰減系數(shù)αr

隨頻率的變化規(guī)律為

聲吸收衰減系數(shù)αa

一般可表示為

5.5聲學(xué)性能及測試方法3.2散射衰減

散射衰減是由于材料本身聲學(xué)不均勻性產(chǎn)生的。當(dāng)聲波入射到材料內(nèi)聲學(xué)特性有變化的界面上時，如材料內(nèi)的晶粒、晶界、微區(qū)的缺陷、裂隙等，聲波將在這些界面上發(fā)生散射，這部分被散射的聲能最終通過吸收衰減而損耗，這類由于微區(qū)聲學(xué)性質(zhì)不均勻產(chǎn)生的散射聲衰減稱為散射衰減。散射衰減是一個十分復(fù)雜的物理過程，它與散射體的尺寸大小、單位體積內(nèi)散射體的數(shù)量以及這些散射體的聲學(xué)性質(zhì)和基底材料聲學(xué)性質(zhì)之間底關(guān)系等有關(guān)。對材料散射衰減的測量，可以用來評估材料中的一些特殊不連續(xù)性(夾雜、氣孔、裂紋和粗晶等)到顯微組織的統(tǒng)計(jì)特性，像散射體的平均尺寸及其散射體的平均密度等。5.5聲學(xué)性能及測試方法3.3幾何衰減

幾何衰減并不是真正能量的損耗而引起的衰減，它是由于有限大尺寸的激發(fā)聲源激發(fā)的聲波振幅隨波陣面的擴(kuò)展而減小，而檢測聲波的接收器面積也是有限的，結(jié)果使檢測到的聲振幅隨距離增大而減小，這種表觀的聲衰減稱為幾何衰減。由于在衰減測量中，幾何衰減也包含在實(shí)測結(jié)果中，所以，在材料衰減測量時，需對實(shí)測結(jié)果作必要修正。5.5聲學(xué)性能及測試方法3.4聲脈沖管法測量聲衰減

這是在數(shù)十千赫以下頻段測量材料縱波衰減的標(biāo)準(zhǔn)方法

(GB5266-1985)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。聲脈沖管，又稱為聲阻抗管，簡稱聲管。它是一厚壁不銹鋼管，長為數(shù)米，內(nèi)徑a由使用的頻率上限決定，以保證管內(nèi)是平面波模式。

管內(nèi)充滿去氣蒸餾水。通常豎直放置，樣品放在管的上端，樣品背面可以用空氣作背襯。也可用不銹鋼塊作為樣品剛性背襯，換能器在聲管下端，兼作發(fā)射和接收。用頻率為f

的窄帶聲脈沖進(jìn)行測量。由于換能器發(fā)出的聲脈沖傳至樣品表面將被反射回來而為換能器接收。

5.5聲學(xué)性能及測試方法3.5替代法測量聲衰減

這是適用于幾百千赫以上的材料衰減的測量方法。主要有水中脈沖透射插入替代法和直接接觸法及轉(zhuǎn)板法。

（1）水中脈沖透射插入替代法

通過在水中的發(fā)射換能器T1和接收換能器T2中間插入厚度l

的試樣，通過測量有無試樣或試樣厚度變化而引起接收信號的幅度變化來測定材料的衰減系數(shù)。該方法樣品用量少，測量簡便、迅速、精度較高，應(yīng)用最為廣泛。

5.5聲學(xué)性能及測試方法

（2）直接接觸法

直接接觸法是不將樣品放入?yún)⒖济劫|(zhì)（水）中，而是通過耦合劑將發(fā)射和接收換能器直接耦合到樣品的前后表面，根據(jù)透射和反射脈沖的傳播時間和幅度，也可以同時測得樣品的縱波速度和衰減。但是由于耦合層本身的衰減以及對測量重復(fù)性的限制，精度不如水中脈沖透射插入替代法高，但它可以測量聲阻抗率與水相差比較大的樣品，如塑料、金屬、無機(jī)非金屬等固體，并可在0℃以下，或100℃以上溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測量。直接接觸法使用的儀器和對樣品尺寸的要求與水中脈沖透射插入替代法相同。測量時，耦合劑必須有適當(dāng)稠度和鋪展性，不使樣品有任何物理和化學(xué)變化。耦合劑必須均勻，盡可能的薄，而且不存在氣泡。同時，要進(jìn)行多次耦合的重復(fù)測量，排除偶然誤差。5.5聲學(xué)性能及測試方法

（3）轉(zhuǎn)板法(又稱為臨界角法)適用于100kHz以上測量橫波衰減系數(shù)，它是水中脈沖透射插入替代法的延伸。它的基本原理是：將縱波聲速為cl，橫波聲速為ct，厚度為d1的板狀固體放在聲速為cw<cl的水媒質(zhì)中，旋轉(zhuǎn)飯而使發(fā)射聲波的入射角為縱波臨界角θwc

，這時試樣內(nèi)只有橫波透過試樣傳播，該橫波經(jīng)折射進(jìn)入水中并轉(zhuǎn)換成縱波而被接收換能器接收，記錄下它的脈沖幅值A(chǔ)1(f)。

而后用厚度為d2的相同材料的樣品插入發(fā)射與接收換能器的聲路中，在相同的臨界入射角下，記錄下透射聲脈沖A2(f)。這樣，