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超声波的谐振特性及应用

超声波是一种机械振动波,我们可以利用超声谐振仪把频率可调的超声波(主要利用纵波)入射到被检工件中,当超声波与工件的固有频率发生频率共振时,相向传播的入射波与反射波互相叠加形成驻波,此即纵波垂直入射的厚度共振。具体超声波的谐振特性及应用如下所述。

谐振即物理的简谐振动,物体的加速度在跟偏离平衡位置的位移成正比,且总是指向平衡位置的回复力的作用下的振动。利用这种谐振特性,可以应用于:

(1)测厚
试样厚度为d,在其中传播的超声波波长为λ,则在发生谐振时得到:d=λ1/2=2λ2/2=3λ3/2=…=n·λn/2,式中n为任意正整数,亦即此时被检工件的厚度等于谐振超声波半波长的整数倍。

当试件材料的超声波速C为已知时,根据声速、波长和频率的关系式:C=λ·f,可以得到在厚度共振时的超声波频率:fn=C/λn=n·C/2d,当n=1时,f1=C/2d,这f1就是厚度共振的基频,由于任何两个相邻谐波的频率之差等于基频,则有:fn-fn-1=nf1-(n-1)f1=f1,因此可以利用谐振仪确定厚度共振时两个相邻谐波的频率,则工件厚度为:d=C/[2(fn-fn-1)],或者在两个不相邻谐波的频率分别为fm和fn时,由于:fm-fn=(m-n)f1,因此d=(m-n)·C/[2(fm-fn)]

(2)检测缺陷
当被检工件中存在缺陷时,与无缺陷的相同工件相比,其国有频率将会发生改变,因而谐振状态也会发生变化(谐振频率改变),从而可以据此检测出缺陷的存在。例如用于测定金属的硬度、检查薄板点焊的质量,特别是用于复合材料及胶接结构的胶接缺陷(如未粘合、脱粘、贫胶等)以及胶接强度的检测,成为专门用于检查胶接质量的“声振检测法”。

超声波谐振特性的一个典型应用是超声硬度计,它是借助超声传感器杆谐振频率的变化来测量硬度,主要用于测定金属的洛氏硬度,采用比较法也可用于其他测量。超声硬度测量的优点是对试件表面的破坏极小、测量速度很快、操作程序简单,特别适合于成品工件百分之百检验,并且可以手握测头直接对工件检测,特别适合于不易移动的大型工件、不易拆卸的部件进行测量。

在均匀的接触压力下,变幅杆顶尖的压头与试件表面接触,则变幅杆的谐振频率会随试件的硬度而改变,通过测量变幅杆的这种谐振频率变化,即可确定试件的硬度。

测头中的变幅杆一端和一个大质量刚体固定在一起,另一端镶有金刚石压头,当压头与试件不接触时,压头处于自由状态。在形成纵向振动后,变幅杆的固定端是振动的波节点,压头端由于振幅最大而成为振动的波腹点,因此杆的长度等于振动波长的1/4,此时的频率是传感器处于自由状态下的谐振频率。

当变幅杆的压头端完全被试件与大质量刚体紧固地夹住时,这是理想情况下,变幅杆的两端都将成为振动的波节点,则杆的长度等于振动波长的1/2,这时的谐振频率等于压头端处于自由状态时起始频率的两倍。

当压头被压到试件上,一般是介于上述两者之间,在固定负荷作用下,对于弹性模量相同的试件来说,若试件的硬度越低,则压头与其表面的接触面积愈大,使变幅杆的压头端被夹紧的程度也愈大,于是此端振动幅度也愈小,相应的振动波腹点愈向杆的固定端方向移动,因此振动波长就愈小,即杆的谐振频率也就愈高。通过测量变幅杆谐振频率的变化,就可确定试件的硬度。

试件的弹性模量不同,也会影响接触面积的大小,即影响变幅杆谐振频率的变化。因此,超声硬度试验法是一种比较测量的方法,需要以弹性模量和被测试件相同的试块作为校准试块来消除这种影响。

在测头中有一个具有磁致伸缩效应的变幅杆,一端焊到一个钢圆柱体上,此圆柱体质量要比变幅杆大得多,另一端镶有136金刚石角锥压头,激励线圈绕在变幅杆上,在靠近变幅杆与圆柱体的连接处固定上压电晶体片。

变幅杆作为一个机械谐振子,插入到激励放大器的反馈电路中,在激励线圈的作用下,使变幅杆产生纵向超声振动,由压电晶片检出这个信号,正反馈到激励放大器的输入端,构成一个自激振荡器,其振荡频率就是变幅杆的谐振频率,反映了试件的硬度。

从激励放大器输出一个信号,馈送到脉冲电路中,形成一个重复频率,是上述振荡频率1/2的方波脉冲,经脉冲功率放大器放大,启动鉴频器。在鉴频器中,把反映不同硬度的频率变化转换成直流电流的变化,然后用一个直接用硬度单位标度的直流微安表指示出来。在硬度刻度事先用标准试块校准后,就可从指示表上直接读出试件的硬度值。

超声硬度计采用充电装置来直接由220V交流电对电池组充电,用稳压器消除工作过程中电池组电压下降对示值稳定性的影响。按照目前的电子技术发展而言,以上的超声硬度计应该可以实现数字化,从而进一步提高测量的精度、稳定性与可靠性。

超声检测技术应用的方法是多种多样的,并且还在不断探索和发展新的应用方法和开拓新的应用领域,如现在已经发展的超声频谱分析法,这是根据超声反射回波的频谱特性分析,用以检查评估材料的显微组织形态,评估缺陷的形状、种类和性质,以及评定胶接结构的胶接质量等等。此外还有超声波计算机层析扫描技术、超声全息技术等等。特别应该指出,随着计算机技术的飞跃发展,超声检测信号的数字化处理、分析与显示,更为超声检测技术的应用与拓展提供了更大的空间,具有很大的发展潜力。

杭州泛索能超声

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