超聲試驗報告

1、超聲實驗報告超聲實驗學號：姓名：班級:日期：【摘要】超聲學是一門主要研究超聲的產生方法和探測技術、超聲在介質中 的傳播規(guī)律、超聲與物質的相互作用，包括在微觀尺度的相互作用以 及超聲的眾多應用的學科。本實驗利用超聲在介質中的傳播規(guī)律測量 了超聲探頭的延遲時間、橫波在不同介質中傳播的折射角和縱、橫波 在不同介質中的傳播速度，并利用測量得到的傳播速度求出了不同介 質的彈性模量和泊松比。最后利用超聲測距的原理模擬了超聲水下勘 測，了解了超聲在水下勘測和醫(yī)療中的作用?！娟P鍵詞】超聲,水下勘測”彈性模量2、實驗背景超聲的研究和發(fā)展與媒質中超聲的產生和接收的研 究密切相關。自1883年人類首次制成超聲氣哨，

2、這一類機械型超聲換能器在不 斷改進后至今仍廣泛地應用于流體媒質的超聲應用當中。20世紀初，隨著電子學的發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)了一些晶體材料的壓電效 應和磁致伸縮效應，1917年，法國人朗之萬利用天然石英晶體制成 了第一個夾心式超聲換能器用來探查海底的潛艇。隨著軍事和國民經 濟各部門中超聲應用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換 能器，以及各種不同用途的電動型、電磁力型、靜電型換能器等多種 超聲換能器。隨著材料科學的發(fā)展,機電耦合系數(shù)高、價格低廉、性能良好的壓 電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導體以及塑料壓電薄膜等材料的出現(xiàn) 使得產生和檢測超聲波的頻率，由幾十千赫提高到上干兆赫，波型也 由單純的縱波擴大

3、為橫波、扭轉波、彎曲波、表面波等。超聲學的一 個發(fā)展方向便是不斷的提高超聲的頻率，利用超高頻超聲聲子來進行 物質結構方面的等基礎研究。同時，近10年來隨著計算機圖像學的迅猛發(fā)展，超聲由于其具有 的對身體無創(chuàng)傷，機器技術門檻低，檢查費用低廉等優(yōu)勢,超聲診斷 也隨之發(fā)展起來，并被廣泛地應用于工業(yè)機械探傷和醫(yī)療診斷方面。 此外,超聲潔牙器、超聲洗碗機等產品也相繼問世。超聲技術已經越 來越多地出現(xiàn)在我們生活的方方面面。本實驗通過學習用超聲法來測量固體介質常用參數(shù)的方法，學習超 聲掃描成像技術的應用,來促進對超聲波產生和發(fā)射的機理，以及聲 探頭的結構及作用的了解，并通過讀取超聲信號的波形圖鍛煉讀圖分 析

4、的能力，激發(fā)學生在超聲探測和成像應用及其信號處理方面的興趣 和思考。二、實驗原理 本實驗的主要器材是CSS-1超聲波掃描成像儀。該 掃描成像儀由超聲卡,A/D卡和計算機以及配套的探頭組成，其中超 聲卡產生100-400V高壓電脈沖激勵，探頭的壓電晶片在脈沖激勵 下發(fā)出超聲波，同時也將回波信號轉化為電信號發(fā)送給A/D卡，A/D 卡對模擬量進行二進制編碼，同時產生協(xié)調聲卡與A/D卡的同步信 號,最終由計算機對數(shù)字信號進行顯示。實驗時首先在試塊上涂抹機油使探頭與試塊緊密耦合，然后在試塊 上移動探頭獲得由小孔產生的回波信號，根據已知的孔的深度與測得 的回波時間求得直探頭與斜探頭的探頭延遲，再求解得到超

5、聲在不同 介質中的傳播速度。測量斜探頭的折射角時首先將探頭對準小孔，移動探頭找到不同小 孔的回波并記錄移動間距，即可求解得到折射角。再根據以上數(shù)據和 波速與彈性模量的關系即可求出試塊的彈性模量。測量超聲的波長時,可以減小電腦的顯示范圍，使得波包展開，即 可測得超聲的頻率，再由波速即可算出超聲在不同試塊中的波長。超聲水下勘測模擬時，首先將閘門調節(jié)到大致深度，并處于樣品的 左上角，切換到水下勘測模式，換用水浸式直探頭，轉動手柄即可。3圖9超聲波分析測試儀工作原理三、實驗儀器設備實驗使用的 是一臺數(shù)字智能化的超聲波分析測試儀。它主要有主機，超聲波發(fā)射 接收卡，A/D轉換卡和超聲波換能器（探頭）；超聲

6、波卡和A/D卡 在使用時，是插在微機ISA插槽中。超聲波分析測試儀工作原理示意圖如圖9所示。主機是一臺微處理機,它是整個系統(tǒng)的樞紐，由它完成系統(tǒng)的控制操作、數(shù)據采集、 數(shù)據存儲和數(shù)據的分析處理。超聲卡實現(xiàn)超聲波發(fā)射和接收功能，發(fā) 射功能：產生100-400V高壓電脈沖，激勵探頭上的壓電晶片發(fā)出 超聲波；接收功能:把經探頭聲電轉換而得到的微弱電信號，經三級 頻帶放大和視頻放大輸至A/D卡輸入接口。A/D卡或A/D轉換 器就是一個編碼器，它對輸入模擬量進行二進制編碼，輸出一個與模 擬量大小成一定比例關系的數(shù)字量。A/D轉換實現(xiàn)了超聲波接收信 號的數(shù)字化。利用計算機強大的控制功能和高速運算功能對數(shù)字

7、信號 進行數(shù)字處理可以實現(xiàn)超聲波分析測試智能化。探頭有：縱波直探頭，橫波斜探頭，水浸式聚焦探頭。測試試塊: 本實驗中作用的試塊為鉆有6個1mm橫通孔鋼和鋁試塊各一塊。 尺寸如圖10所示。圖10試塊的尺寸(mm)超聲測量水槽和若干掃描成像試塊用于 模擬水下地貌測繪、水下地殼掃描、水下地藏勘測。探頭和試塊之間 所用耦合劑為機油。在實驗中，我們利用脈沖反射方法進行測量，儀器首先產生一個高 壓負脈沖激勵超聲波換能器，換能器則產生一個有一定周期的波包， 該波包在材料中傳播遇到缺陷或障礙物時發(fā)生反射，反射波被同一個 換能器接收，通過儀器顯示在示波器上，如圖11所示。在示波器 上顯示的波包的振幅正比于接收到

8、聲波的聲壓，而波包的波峰對應的 時間為超聲波從發(fā)射至I被接收在探頭內部和材料中的傳播時間。圖11測量聲速及探傷原理示意圖圖12探頭的擴散和衰減在實驗中，由于探頭聲源的尺寸（晶片 大?。┫鄬τ趯嶒灢捎玫某暡úㄩL不是足夠大,因此探頭發(fā)射的超 聲波不是嚴格的平面波，并且聲束呈發(fā)散狀，如圖12所示，因此 在聲波傳播方向上，聲壓隨聲程的增大而減??；而在垂直聲波傳播方 向上，聲束中心軸線上聲壓最大。當聲程足夠大，聲波可以看成按球 面波規(guī)律傳播,在分析測試中，聲程由反射回波波幅的最大點對應的 聲程確定。本儀器是基于微機的分析測試設備，其操作使用是通過軟件界面實 現(xiàn)的。軟件界面的操作和使用請參考儀器的操作說

9、明。四、實驗目的1 了解超聲波產生和發(fā)射的機理；2了解超聲探頭的結構及作用;3.學習用超聲法來測量固體介質常用參數(shù)的方法；4 .學習超聲掃描成像技術的應用。五、實驗內容、步驟1 了解儀器的軟件操作界面和界面中各個功 能的意義；利用超聲探傷的原理探測試塊中的橫孔位置，分析示波器 界面上各回波對應試塊中反射面的位置。2. 了解探頭結構及直探頭和斜探頭的異同;測量直探頭和斜探頭的 延遲及斜探頭在不同材質中的折射角。實驗中可以采用橫孔人工反射體測量探頭的延遲及折射角o設探頭 的延遲為10,兩個橫孔的深度（已知）分別是H1和H2 ,在示波器 上可以測得兩波對應的聲時分別為tl和12 ,它們里面都包含有探

10、 頭延遲to,這樣通過聯(lián)立方程計算，我們就可以得到探頭延遲。注意：由于斜探頭上并未標明超聲波入射點的位置，因此要得到折 射角，必須測量圖13所示的I值。請考慮為什么及如何測量？直探頭53. 鋼、鋁二種材質中超聲縱波速度和橫波速度;并分別計算鋼、鋁 二種固體材料的楊氏模量、體彈性模量和汩松比。4探頭和試塊設置中系統(tǒng)的頻率,測量直探頭發(fā)射的超聲波的中心 頻率，探究本實驗中超聲發(fā)射的機理和決定探頭振動頻率的主要因 素。利用測量到的頻率計算縱波在鋁和鋼中的波長。5. 重復頻率，分析重復頻率對檢測的影響及其和工作頻率的關系。6. 超聲掃描成像進行水下模擬觀測,了解超聲技術在水中探測和醫(yī) 療領域的應用原理

11、。7. （選做）設計實驗，測量探頭的近場區(qū)長度和發(fā)散角，并分析它 們對實驗測量的影響。（選做）設計實驗，測量較薄樣品的厚度，分析超聲波包寬度對薄 樣品厚度測量的影響。（選做）設計實驗,分析超聲波型轉換對測量和探傷的影響。9.（選做）縱波測量時試塊底面的兩次回波信號之間是一系列衰減 的波包，通過實驗分析其產生原因和影響因素。六、實驗數(shù)據及處理分析1、儀器了解與原始實驗數(shù)據處理：直探頭測量數(shù)據鋼孑L距離距離/cm聲時t/s右1 20.003.92左 1 60.0010.64右 2 100.0017.36左 2 140.0024.30右 3 180.0030.91左 3 220.0037.74直探頭

12、測量數(shù)據鋁孑L距離距W/cm聲時t/s左1 20.003.77右 1 60.0010.12左 2 100.0016.40右 2 140.0022.62左 3 180.0028.95右 3 220.0035.2967備注：由于在測量左邊三個孔和右邊三個孔時，為了方便測量， 是將試塊上下倒轉之后再測的,因此在作差計算折射角時，只能左邊 孔的數(shù)據內部作差，右邊孔的數(shù)據內部作差。(3)超聲波中心頻率測得為2.49MHz (二)實驗數(shù)據處理(1)測量探頭延遲由聲時t和缺陷位置h ,探頭延遲t0 ,聲速v之間 的關系：)tOvh( 2 t可以得到:)ht h- (t 21t0采用直線擬合法可以得到th圖，

13、其截距的一半即為探頭的延遲。 由于探頭延遲與介質無關所以對于兩種探頭各自任取一組數(shù)據即可。8從圖中可得:直探頭延遲：0.26s斜探頭延遲：3.19s ( 2 )測量斜探頭橫波折 射角不妨假設橫波折射角為，如下圖橫波折射示意圖可以看出，對 于橫波有：lh) (tan該式中，Ah已知，Al則根據之前斜探頭數(shù)據中斜探頭位置一欄數(shù) 據做差得到。采用多次測量求平均的方法可得橫波折射角：橫波折射角/tan()平均值/rad 鋼 0.92 1.13 1.00 0.82 0.765 鋁0.92 1.43 1.17 0.90 0.825 y = 0.3368x + 0.5212 R = 1 0510152025

14、3035400 20 40 60 80 100 120 直探頭延遲 y 二 0.8832X + 6.2789 R = 0.9993 0204060801001200 20 40 60 80100 120斜探頭延遲9(3 )測量超聲聲速3.1.縱波波速由于直探頭發(fā)出的超聲波在界面上不會發(fā)生折射，所以直探頭發(fā)出 的全為縱波。對于直探頭，由聲時t和缺陷位置h ,探頭延遲t0 ,聲速v之間的 關系：)tOvh( 2t可知t-h圖擬合直線的斜率的一半的倒數(shù)即為所求聲速，各介質中 直探頭擬合直線圖如下圖所示:從圖中可得:直探頭縱波在鋁中的波速為：6369.43 m/s直探頭縱波在鋼中的 波速為：5938.

15、24 m/s 3.2.橫波波速 對于斜探頭由聲時t和缺陷位 置h ,探頭延遲tO ,聲速v ,折射角之間的關系：)t0) sin(vh(2t )可知t-h圖擬合直線的斜率的一半的倒數(shù)再除以sin()即 為所求聲速，各介質中斜探頭擬合直線圖如圖4所示:y = 0.3368x + 0.5212 R = 1 y = 0.314x + 0.5017 R = 1 05101520253035400 20 40 60 80 100 120 縱波 t-h 圖 鋼鋁線 性(鋼)線性(鋁)y = 0.8832X + 6.2789 R = 0.9993 0204060801001200 20 40 60 80 1

16、00 120 斜探頭延遲鋼鋁線 性(鋼)10從圖中可得:斜探頭橫波在鋁中的波速為：3057.57m/s斜探頭橫波在鋼中的波 速為：3269.85m/s (4)測量試塊的彈性模量根據彈性模量的計算公式：1)4 3 (22 2 TT cEs)1 ( 2222 TT)34(2 2Tcks其中sIccT將所求出的各介質中的波速帶入即可解得:表6 .試塊彈性參數(shù)E/GPaK/GPa鋼2160.28166鋁680.3576（5則量試塊中的超聲波長調節(jié)示波器的顯示范圍使得波包展開, 截取波包即可測量得到超聲頻率。為：2.49Mhz關于中心頻率：在 測量探頭的中心頻率時，發(fā)現(xiàn)了這樣一個事實，即無論怎樣改變程序

17、 中參數(shù)設定里的工作頻率，所測得的探頭的中心頻率其實是不會變 的。也就是說，探頭的中心頻率應當是儀器本身的一個固定特性。經 查證，決定中心頻率的是壓電晶片的厚度。關于重復頻率:重復頻率又稱脈沖重復頻率（PRF ）,是指探頭在 秒內發(fā)出脈沖的次數(shù)。重復頻率的適當選擇有助于進行精確的探 傷。因為探頭在移動的過程中，超聲波信號是間斷發(fā)射的，如果移動 的速度過快（特別對于自動化檢測設備，探頭的掃查速度可以高達 500mm/s )而PRF太低，可能會造成探頭劃過某處缺陷時，還沒有 超聲波照射到缺陷，造成漏檢。而如果PRF過高就會發(fā)生另一種情 況:儀器第一次發(fā)射的超聲波還沒有被探頭接收到，就接著發(fā)出了第

18、二次、第三次超聲波，結果第一次超聲波的回波也許夾雜在了第二次 激發(fā)后，這樣儀器會在信號處理時發(fā)生邏輯混亂，在顯示屏上無規(guī)律 的顯示回波跳動，對檢測造成干擾。根據波長和頻率f ,波速v的關系：f v,可得超聲波長如下：橫波波長/m縱波波長/m鋼1.24*1032.26*103鋁1.16*1032.42*103從結果可以看出，試塊與超聲的波長相比為無窮大，故可以忽略近 場波的影響。(6 )超聲水下勘測模擬將水浸式直探頭浸入到液體中，設置好閘 門位置，轉動轉動手柄即可，模擬勘測圖如下：11結論:本實驗在CSS-1超聲掃描成像儀下利用超聲傳播的規(guī)律和材料的 彈性參數(shù)與波速的規(guī)律，利用線性擬合和多次測量求平均值的方法獲 得