材料声学性能及其测试方法

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　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　材料中声波的激发和接收

　　一、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。

　　二、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。

　　三、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。

　　四、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F=j×B为基础实现超声的激发和检测的换能器。

　　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 内激发出涡流电流。


　　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。

　　      · 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。

　　五、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。


　　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。

　　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。

　　一、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。

　　二、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fn 到出现第(n+N)次谐振

　　三、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、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，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。

　　四、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

　　五、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：

　　六、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 。

　　七、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。材料的声衰减及测试方法

　　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。

　　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：P(x)=P0exp(-ax)。这样，通过测量距离x1和x2上的声压振幅P(x1)和P(x2)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δ，它描述声波传播过—个波长后的声衰减大小，即δ =αλ

　　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

　　一、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，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，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、热传导及各种弛豫过程。

　　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

　　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，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

　　二、散射衰减
　　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，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。

　　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，像散射体的平均尺寸及其散射体的平均密度等。

　　三、几何衰减
　　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，而检测声波的接收器面积也是有限的，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，在材料衰减测量时，需对实测结果作必要修正。

　　四、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，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。通常竖直放置，样品放在管的上端，样品背面可以用空气作背衬。也可用不锈钢块作为样品刚性背衬，换能器在声管下端，兼作发射和接收。用频率为f 的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来而为换能器接收。

　　五、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。

　　该方法样品用量少，测量简便、迅速、精度较高，应用最为广泛。

　　2. 直接接触法
　　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，并可在0℃以下，或100℃以上温度范围内进行测量。

　　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。

　　3. 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。它的基本原理是：将纵波声速为cl，横波声速为ct，厚度为d1 的板状固体放在声速为cw<cl 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，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，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，在相同的临界入射角下，记录下透射声脉冲A2(f)。这样，该材料在该测试条件下的横波衰减系数为

　　六、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，η定义为

　　f 为材料的谐振频率;Δf 为该谐振峰的 -3dB 带宽。

　　最常用的是自由梁的弯曲共振法，它对杨氏模量大于3×10&#8313;Pa的固体材料很适用。

　　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。

　　自由梁的弯曲共振法

　　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，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。

　　记录下该共振模式对应的共振频率fn及 -3dB 的带宽 (Δf)n。

　　损耗因数可由下式确定：

　　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：
　　      · 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量值进行扩散衰减的修正。

　　      · 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。


　　      · 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。


　　      · 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。


　　      · 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。


　　来源：《材料概论——材料的性能检测》PPT
　　作者：李阳 东北大学