超聲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、近代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告超聲實(shí)驗(yàn)何昊東工物 50指導(dǎo)老師：王合英2017-3-9【摘要】: 超聲學(xué)是一門主要研究超聲的產(chǎn)生方法和探測(cè)技術(shù)、超聲在介質(zhì)中的傳播規(guī)律、超聲與物質(zhì)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(yīng)用的學(xué)科。本實(shí)驗(yàn)利用超聲在介質(zhì)中的傳播規(guī)律測(cè)量了超聲探頭的延遲時(shí)間、橫波在不同介質(zhì)中傳播的折射角和縱、橫波在不同介質(zhì)中的傳播速度，并利用測(cè)量得到的傳播速度求出了不同介質(zhì)的彈性模量和泊松比。 最后利用超聲測(cè)距的原理模擬了超聲水下勘測(cè)，了解了超聲在水下勘測(cè)和醫(yī)療中的作用。關(guān)鍵詞 : 超聲水下勘測(cè)彈性模量一、引言超聲的研究和發(fā)展與媒質(zhì)中超聲的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。自 1883

2、年人類首次制成超聲氣哨，這一類機(jī)械型超聲換能器在不斷改進(jìn)后至今仍廣泛地應(yīng)用于流體媒質(zhì)的超聲應(yīng)用當(dāng)中。20 世紀(jì)初，隨著電子學(xué)的發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)了一些晶體材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)，1917 年，法國(guó)人朗之萬(wàn)利用天然石英晶體制成了第一個(gè)夾心式超聲換能器用來(lái)探查海底的潛艇。隨著軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中超聲應(yīng)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(dòng)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(xué)的發(fā)展，機(jī)電耦合系數(shù)高、價(jià)格低廉、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導(dǎo)體以及塑料壓電薄膜等材料的出現(xiàn)使得產(chǎn)生和檢測(cè)超聲波的頻率，由幾十千赫提高到上千兆赫，波型也由單純

3、的縱波擴(kuò)大為橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、表面波等。超聲學(xué)的一個(gè)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(lái)進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的等基礎(chǔ)研究。同時(shí)，近 10 年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)圖像學(xué)的迅猛發(fā)展，超聲由于其具有的對(duì)身體無(wú)創(chuàng)傷，機(jī)器技術(shù)門檻低， 檢查費(fèi)用低廉等優(yōu)勢(shì)， 超聲診斷也隨之發(fā)展起來(lái)， 并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械探傷和醫(yī)療診斷方面。 此外， 超聲潔牙器、 超聲洗碗機(jī)等產(chǎn)品也相繼問(wèn)世。超聲技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地出現(xiàn)在我們生活的方方面面。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)學(xué)習(xí)用超聲法來(lái)測(cè)量固體介質(zhì)常用參數(shù)的方法， 學(xué)習(xí)超聲掃描成像技術(shù)的應(yīng)用，來(lái)促進(jìn)對(duì)超聲波產(chǎn)生和發(fā)射的機(jī)理， 以及聲探頭的結(jié)構(gòu)及作用的了解， 并通過(guò)讀取超聲信號(hào)的波形

4、圖鍛煉讀圖分析的能力， 激發(fā)學(xué)生在超聲探測(cè)和成像應(yīng)用及其信號(hào)處理方面的興趣和思考。二、實(shí)驗(yàn)原理與方法本實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)以及配套的探頭組成，其中超聲卡產(chǎn)生100400V高壓電脈沖激勵(lì)，探頭的壓電晶片在脈沖激勵(lì)下發(fā)出超聲波，同時(shí)也將回波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)發(fā)送給A/D 卡， A/D 卡對(duì)模擬量進(jìn)行二進(jìn)制編碼，同時(shí)產(chǎn)生協(xié)調(diào)聲卡與A/D 卡的同步信號(hào)，最終由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行顯示。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先在試塊上涂抹機(jī)油使探頭與試塊緊密耦合，然后在試塊上移動(dòng)探頭獲得由小孔產(chǎn)生的回波信號(hào)，根據(jù)已知的孔的深度與測(cè)得的回波時(shí)間求得直探頭與斜探頭的探頭延遲

5、，再求解得到超聲在不同介質(zhì)中的傳播速度。測(cè)量斜探頭的折射角時(shí)首先將探頭對(duì)準(zhǔn)小孔， 移動(dòng)探頭找到不同小孔的回波并記錄移動(dòng)間距，即可求解得到折射角。 再根據(jù)以上數(shù)據(jù)和波速與彈性模量的關(guān)系即可求出試塊的彈性模量。測(cè)量超聲的波長(zhǎng)時(shí)，可以減小電腦的顯示范圍，使得波包展開，即可測(cè)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(zhǎng)。超聲水下勘測(cè)模擬時(shí)， 首先將閘門調(diào)節(jié)到大致深度， 并處于樣品的左上角， 切換到水下勘測(cè)模式，換用水浸式直探頭，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄即可。三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄由于本實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)之間相互關(guān)聯(lián)，故在此將所有數(shù)據(jù)綜合一起表示如下：(1)表 1.直探頭測(cè)量數(shù)據(jù)鋁鋼孔位置聲時(shí) /s孔位置 /mm聲時(shí)

6、 /s左 1左 1左 2左 2左 3左 3右 1右 1右 2右 2右 3右 3(2)表 2. 斜探頭測(cè)量數(shù)據(jù)鋁鋼孔位置聲時(shí) /us探頭位置孔位置聲時(shí) /us探頭位置/cm/cm右 1右 1右 2右 2右 3右 3左 1左 1左 2左 2左 3左 3備注：由于在測(cè)量左邊三個(gè)孔和右邊三個(gè)孔時(shí)， 為了方便測(cè)量， 是將試塊上下倒轉(zhuǎn)之后再測(cè)的，因此在作差計(jì)算折射角時(shí)，只能左邊孔的數(shù)據(jù)內(nèi)部作差，右邊孔的數(shù)據(jù)內(nèi)部作差。（3 ）超聲波中心頻率測(cè)得為四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理（ 1）測(cè)量探頭延遲由聲時(shí) t 和缺陷位置h ，探頭延遲t0 ，聲速 v 之間的關(guān)系：t 2 ( h t0 ) v可以得到：t01(t - ht )

7、2h采用直線擬合法可以得到t-h 圖，其截距的一半即為探頭的延遲。由于探頭延遲與介質(zhì)無(wú)關(guān)所以對(duì)于兩種探頭各自任取一組數(shù)據(jù)即可。圖 1從圖中可得：直探頭延遲： s斜探頭延遲： s（ 2）測(cè)量斜探頭橫波折射角不妨假設(shè)橫波折射角為，如圖 2 橫波折射示意圖可以看出，對(duì)于橫波有：圖 2.橫波折射示意圖tan(h)l該式中， ?h 已知， ?l 則根據(jù)之前斜探頭數(shù)據(jù)中“斜探頭位置一欄數(shù)據(jù)做差得到。 ”采用多次測(cè)量求平均的方法可得：表 5.橫波折射角橫波折射角 /tan( )平均值 /rad鋼鋁（ 3）測(cè)量超聲聲速. 縱波波速由于直探頭發(fā)出的超聲波在界面上不會(huì)發(fā)生折射，所以直探頭發(fā)出的全為縱波。對(duì)于直探頭

8、，由聲時(shí)t 和缺陷位置h ，探頭延遲t0，聲速 v 之間的關(guān)系：t2 ( ht0 )v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(zhì)中直探頭擬合直線圖如圖 3 所示：圖 3.直探頭 t-h 圖從圖中可得，直探頭縱波在鋁中的波速為：m/s直探頭縱波在鋼中的波速為：m/s. 橫波波速對(duì)于斜探頭由聲時(shí)t 和缺陷位置h，探頭延遲t0，聲速 v，折射角之間的關(guān)系：ht0）)t 2(v sin( )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(zhì)中斜探頭擬合直線圖如圖4 所示：圖 4.斜探頭 t-h 圖從圖中可得，斜探頭橫波在鋁中的波速為：s斜探頭橫波在鋼中的

9、波速為：s（ 4）測(cè)量試塊的彈性模量根據(jù)彈性模量的計(jì)算公式：Ecs2 (3T 24)T 22kcs2 (T 2 4)T 212(T 21)3其中clTcs將所求出的各介質(zhì)中的波速帶入即可解得：表 6. 試塊彈性參數(shù)E/GPaK/GPa鋼216166鋁6876（ 5）測(cè)量試塊中的超聲波長(zhǎng)調(diào)節(jié)示波器的顯示范圍使得波包展開，截取波包即可測(cè)量得到超聲頻率。為：關(guān)于中心頻率： 在測(cè)量探頭的中心頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)事實(shí)，即無(wú)論怎樣改變程序中參數(shù)設(shè)定里的工作頻率，所測(cè)得的探頭的中心頻率其實(shí)是不會(huì)變的。也就是說(shuō)，探頭的中心頻率應(yīng)當(dāng)是儀器本身的一個(gè)固定特性。經(jīng)查證， 決定中心頻率的是壓電晶片的厚度。關(guān)于重復(fù)頻

10、率： 重復(fù)頻率又稱脈沖重復(fù)頻率（PRF ），是指探頭在一秒內(nèi)發(fā)出脈沖的次數(shù)。 重復(fù)頻率的適當(dāng)選擇有助于進(jìn)行精確的探傷。因?yàn)樘筋^在移動(dòng)的過(guò)程中，超聲波信號(hào)是間斷發(fā)射的， 如果移動(dòng)的速度過(guò)快 （特別對(duì)于自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備， 探頭的掃查速度可以高達(dá) 500mm/s ）而 PRF 太低，可能會(huì)造成探頭劃過(guò)某處缺陷時(shí)，還沒(méi)有超聲波“照射”到缺陷，造成漏檢。而如果PRF 過(guò)高就會(huì)發(fā)生另一種情況：儀器第一次發(fā)射的超聲波還沒(méi)有被探頭接收到，就接著發(fā)出了第二次、第三次超聲波， 結(jié)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(huì)在信號(hào)處理時(shí)發(fā)生邏輯混亂， 在顯示屏上無(wú)規(guī)律的顯示回波跳動(dòng)，對(duì)檢測(cè)造成干擾。根據(jù)波長(zhǎng)和頻率 f，波速 v 的關(guān)系： vf ，可得：表 7. 超聲波長(zhǎng)橫波波長(zhǎng) /m縱波波長(zhǎng) /m鋼*10-3*10-3鋁*10-3*10-3從結(jié)果可以看出，試塊與超聲的波長(zhǎng)相比為無(wú)窮大，故可以忽略近場(chǎng)波的影響。（ 6）超聲水下勘測(cè)模擬將水浸式直探頭浸入到液體中，設(shè)置好閘門位置，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄即可，模擬勘測(cè)圖如圖 5：圖 5.水下勘測(cè)模擬圖四、結(jié)論本實(shí)驗(yàn)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(cè)量求平均值的方法獲得了各種超聲探頭