2025年大學(xué)《聲學(xué)》專業(yè)題庫——超聲波對材料性能的影響研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填在題干后的括號內(nèi)）1.在理想介質(zhì)中，超聲波縱波的傳播速度主要取決于（）。A.介質(zhì)的密度和彈性模量B.介質(zhì)的溫度和聲強(qiáng)C.介質(zhì)的導(dǎo)電性和磁化率D.超聲波的頻率和波形2.當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)垂直入射到另一種介質(zhì)時，若反射波強(qiáng)度較大，則說明兩種介質(zhì)（）。A.聲阻抗相近B.聲阻抗相差很大C.波速相等D.密度相同3.超聲波在介質(zhì)中傳播時，能量會逐漸減弱，這種現(xiàn)象稱為（）。A.繞射B.衰減C.多普勒效應(yīng)D.折射4.超聲波空化是指超聲波在液體中傳播時，液體局部產(chǎn)生（）的現(xiàn)象。A.高溫高壓B.低溫低壓C.均勻加熱D.恒定壓力5.超聲波清洗利用的是超聲波的（）特性。A.傳播B.反射C.空化D.干擾6.超聲波加工可以用來加工硬質(zhì)材料，主要是因為超聲波能夠（）。A.直接切削材料B.產(chǎn)生高溫熔化材料C.使材料疲勞斷裂D.塑性變形材料7.利用超聲波檢測材料內(nèi)部缺陷的主要原理是利用超聲波在缺陷處發(fā)生的（）。A.干涉B.繞射C.反射或透射D.衰減8.聲速法測量材料彈性模量通常利用的是（）。A.縱波B.橫波C.表面波D.任何波型均可9.超聲波處理能夠促進(jìn)某些化學(xué)反應(yīng)，主要是利用了超聲波的（）效應(yīng)。A.熱效應(yīng)B.空化效應(yīng)C.壓強(qiáng)效應(yīng)D.機(jī)械振動效應(yīng)10.超聲霧化制備液體微滴主要是利用了超聲波的（）效應(yīng)。A.空化B.機(jī)械破碎C.加熱D.萃取二、填空題（每空1分，共15分。請將正確答案填在題干橫線上）1.超聲波在介質(zhì)中傳播時，頻率越高，______越小，方向性越好。2.材料的聲學(xué)阻抗是其密度與該介質(zhì)中______的乘積。3.超聲波與介質(zhì)相互作用的主要方式包括______、______和______。4.超聲波處理引起的材料性能變化可能涉及力學(xué)性能、物理性能和______性能等多個方面。5.超聲波空化產(chǎn)生的局部高溫高壓可以對材料表面進(jìn)行______，實(shí)現(xiàn)表面改性。6.超聲波檢測中，回波的高度通常反映了缺陷的______。7.聲發(fā)射技術(shù)利用材料內(nèi)部發(fā)生______時釋放的彈性波進(jìn)行無損檢測。8.超聲波在固體中傳播主要以______和______兩種波型為主。9.超聲波加工中，超聲振動通常需要與______、______等輔助能源結(jié)合。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述超聲波在固體中傳播時會發(fā)生哪些主要現(xiàn)象？2.簡述超聲波空化效應(yīng)對材料可能產(chǎn)生的影響。3.簡述超聲波清洗的原理及其主要應(yīng)用領(lǐng)域。4.簡述利用超聲波進(jìn)行材料無損檢測的基本原理。四、計算題（共10分）已知超聲波在某種金屬棒中傳播的速度為5800m/s，從發(fā)射超聲波到接收到反射回波的總時間為0.0008s。假設(shè)超聲波在棒中傳播的路徑是直線的，且發(fā)射和接收在棒的兩端。求：（1）該金屬棒的長度；（2）如果該金屬棒的聲阻抗為27.2x10^6kg/(m^2·s)，求超聲波從空氣（聲阻抗約為4.13x10^3kg/(m^2·s)）垂直入射到該金屬棒表面時，反射系數(shù)是多少？（提示：反射系數(shù)R=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)，其中Z1和Z2分別為兩種介質(zhì)的聲阻抗）五、論述題（共25分）論述超聲波處理（如選擇合適的頻率、功率、時間等參數(shù)）對改善材料力學(xué)性能（如提高強(qiáng)度、硬度或耐磨性）的潛在機(jī)制，并結(jié)合具體實(shí)例說明其應(yīng)用效果。在論述中，應(yīng)考慮超聲波可能引起的微觀結(jié)構(gòu)變化（如晶粒細(xì)化、相變、缺陷減少等）及其與宏觀力學(xué)性能的關(guān)系。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.B4.A5.C6.C7.C8.A9.B10.B二、填空題1.衰減2.聲速3.反射、折射、散射4.化學(xué)5.熔化或擊穿6.尺寸或大小7.應(yīng)變能釋放8.縱波、橫波9.振動、磨料三、簡答題1.解析思路：超聲波在固體中傳播時，會與介質(zhì)發(fā)生多種相互作用，導(dǎo)致一系列現(xiàn)象。首先要列出主要的物理現(xiàn)象，然后簡述其含義。*答案：超聲波在固體中傳播時會發(fā)生反射、折射、散射、衰減等現(xiàn)象。反射發(fā)生在波從一種介質(zhì)界面返回原介質(zhì)時；折射發(fā)生在波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時方向發(fā)生改變；散射是超聲波在介質(zhì)中遇到微小的不均勻性（如缺陷、顆粒）時向各方向散開；衰減是超聲波能量隨傳播距離增加而減弱的現(xiàn)象。2.解析思路：空化效應(yīng)涉及超聲波在液體中產(chǎn)生局部高溫高壓氣泡及其潰滅過程。需要從空化氣泡的形成、潰滅過程以及由此產(chǎn)生的物理效應(yīng)來闡述對材料的影響。*答案：超聲波空化效應(yīng)是指超聲波在液體中傳播時，液體局部產(chǎn)生瞬時高溫（可達(dá)幾千攝氏度）和高壓（可達(dá)幾千個大氣壓）的微小氣泡，這些氣泡隨后迅速潰滅。其對材料的影響包括：產(chǎn)生沖擊波和微射流，能沖擊、剝離材料表面的污垢或涂層；產(chǎn)生局部高溫高壓，能使材料表面熔化、汽化或產(chǎn)生相變；氣泡潰滅時的機(jī)械剪切作用能導(dǎo)致材料疲勞、斷裂或細(xì)化晶粒。3.解析思路：超聲波清洗的原理核心是空化效應(yīng)及其產(chǎn)生的清洗作用。要說明空化氣泡在液體中潰滅時產(chǎn)生的沖擊波、微射流和局部高溫如何去除附著物。然后列舉其主要應(yīng)用。*答案：超聲波清洗的原理是利用超聲波在液體中產(chǎn)生空化效應(yīng)?？栈瘹馀菰谝后w中快速形成和潰滅時，產(chǎn)生強(qiáng)大的微射流沖擊和局部高溫高壓，這些作用能夠剝離附著在物體表面的污垢、雜質(zhì)或微小顆粒。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：精密零部件的清洗、醫(yī)療器械的消毒滅菌、電子元件的清洗、玻璃器皿的清洗、以及去除金屬表面的氧化層等。4.解析思路：無損檢測利用超聲波的前提是超聲波能有效地進(jìn)入待測物體并攜帶內(nèi)部信息。要說明超聲波如何在物體中傳播，以及當(dāng)遇到內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)（如缺陷、界面）時會發(fā)生什么變化，這些變化如何被檢測到并用于判斷內(nèi)部狀態(tài)。*答案：利用超聲波進(jìn)行材料無損檢測的基本原理是：將超聲波能量導(dǎo)入被測材料中，超聲波在材料內(nèi)部傳播時，如果遇到材料內(nèi)部的缺陷（如氣孔、裂紋）、不同材料界面或密度不均勻區(qū)域，會發(fā)生反射、折射或散射。通過接收這些返回的或散射的超聲波信號，并分析其幅度、時間、頻率等信息，可以判斷缺陷的存在、大小、位置和性質(zhì)，從而評估材料的完整性或性能，而無需破壞材料。四、計算題（1）解析思路：總時間包括超聲波去程和回程，因此單程時間為總時間的一半。根據(jù)距離=速度x時間計算棒長。*答案：單程時間t=0.0008s/2=0.0004s。棒長L=v*t=5800m/s*0.0004s=2.32m。（2）解析思路：使用反射系數(shù)公式R=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)，代入金屬棒和空氣的聲阻抗值計算。*答案：Z1=4.13x10^3kg/(m^2·s)，Z2=27.2x10^6kg/(m^2·s)。R=(27.2x10^6-4.13x10^3)/(27.2x10^6+4.13x10^3)=(27200-4.13)/(27200+4.13)≈27195.87/27204.13≈0.9985。反射系數(shù)約為0.9985。五、論述題解析思路：1.引言：點(diǎn)明超聲波處理作為材料改性手段的潛力，引出影響機(jī)制和實(shí)例應(yīng)用。2.超聲波作用機(jī)制：詳細(xì)闡述超聲波如何通過其物理效應(yīng)（主要是空化效應(yīng)、機(jī)械振動、熱效應(yīng)等）作用于材料。*空化機(jī)制：氣泡形成、潰滅產(chǎn)生沖擊波、微射流、高溫高壓，導(dǎo)致材料表面能被擊穿、微觀裂紋萌生擴(kuò)展、雜質(zhì)顆粒被清除、材料表面熔化或汽化。*機(jī)械振動/攪拌機(jī)制：超聲波引起的介質(zhì)流動和宏觀振動，有助于去除加工液中的氣泡、懸浮顆粒，改善傳熱傳質(zhì)，防止粘結(jié)，對材料表面進(jìn)行拋光或刻蝕。*熱效應(yīng)：超聲波能量轉(zhuǎn)化為熱量，引起材料局部或整體溫度升高，可能導(dǎo)致材料軟化、相變、燒結(jié)或促進(jìn)某些化學(xué)反應(yīng)。3.微觀結(jié)構(gòu)變化：將上述機(jī)制與材料微觀結(jié)構(gòu)的變化聯(lián)系起來。*表面改性：空化沖擊和高溫可能改變材料表面化學(xué)成分、形成新相或改變表面形貌。*內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變：強(qiáng)烈的空化沖擊波或機(jī)械振動可能導(dǎo)致材料內(nèi)部微小區(qū)域損傷、缺陷（如微裂紋）產(chǎn)生或愈合、晶粒細(xì)化（通過動態(tài)再結(jié)晶）、相變（如馬氏體相變）。4.宏觀力學(xué)性能關(guān)聯(lián)：分析微觀結(jié)構(gòu)變化如何影響宏觀力學(xué)性能。*強(qiáng)度/硬度：晶粒細(xì)化（Hall-Petch關(guān)系）、表面硬化、引入壓應(yīng)力、缺陷減少通常能提高強(qiáng)度和硬度。*韌性：適量的缺陷（如微裂紋）可能引入應(yīng)力集中，但過度損傷會降低韌性；晶粒細(xì)化通常能提高韌性；表面改性層的存在也可能影響整體韌性。*耐磨性：表面硬化、形成耐磨涂層、去除表面疏松或夾雜物、改善表面光潔度都能提高耐磨性。5.實(shí)例說明：*超聲強(qiáng)化合金：通過超聲處理（如超聲攪拌焊、超聲噴丸）引入細(xì)小等軸晶，顯著提高合金的強(qiáng)度和塑性。*超聲表面處理：利用超聲波進(jìn)行材料表面織構(gòu)化、微納米結(jié)構(gòu)化、化學(xué)蝕刻或沉