FD-UDE-A型A類超聲實驗儀儀器說明

1、儀器使用說明TEACHER'SGUIDEBOOKFD-UDE-AA類超聲實驗儀中國.上海復旦天欣科教儀器有限公司ShanghaiFudanTianxinScientific_EducationInstrumentsCo.,Ltd.FD-UDE-A型A類超聲實驗儀使用說明一、概述超聲波是指頻率高于人耳聽覺上限（20K）的聲波。超聲技術(shù)是聲學領(lǐng)域中發(fā)展最迅速、應用最廣泛的現(xiàn)代聲學技術(shù)。其中超聲檢測已成為保證設(shè)備質(zhì)量的重要手段，B超儀器已是人類健康的有利助手，工業(yè)超聲提局了處理工業(yè)廣品的能力，并能完成一般技術(shù)不能完成的工作。本儀器是一種無損傷的超聲脈沖反射式探測實驗儀器，既可以作為醫(yī)學用超聲

2、診斷實驗儀，也可以作為工業(yè)用超聲探傷實驗儀，F(xiàn)D-UDE-A型A類超聲實驗儀具有以下優(yōu)點：1 .兩組高頻脈沖輸出信號，脈沖間隔、相移、同步信號均為單片機控制，操作方便，波形穩(wěn)定。.儀器可用于水及其它物質(zhì)中超聲波傳播速率的測量、超聲波探傷、水中探物及超聲波經(jīng)過不同材料衰減程度的研究等實驗。儀器已將2.5MHz探頭信號合成5PS脈寬的矩形波，有利于降低示波器頻率響應要求，方便與計算機連接。3. 兩組探頭可任意選擇一組作單跡顯示，其性能符合一般臨床診斷要求。4. 任一組探頭可作單發(fā)單收，加入一些外配設(shè)備可做多種超聲實驗及醫(yī)用多普勒效應實驗。該儀器實驗內(nèi)容豐富，安全可靠，使用面廣，既可以用于醫(yī)學類專業(yè)

3、醫(yī)學物理實驗，也可用于高等院校、大專、中專院校的基礎(chǔ)物理實驗、近代物理實驗及綜合性設(shè)計性物理實驗。二、儀器簡介本儀器主要由FD-UDE-A型A類超聲實驗儀主機、數(shù)字示波器（選配）、有機玻璃水箱、金屬反射板、探頭及接線兩根、Q9線一根、樣品架組成。圖1A類超聲實驗儀儀器裝置三、技術(shù)指標1. 探測方式：2. 工作頻率：3. 發(fā)射脈沖振幅:4.輸出脈沖寬度:5. 接收電路增益:6. 探頭盲區(qū)：7. 探測深度：8. 夕卜接電源：9. 消耗功率：10. 儀器重量：11. 外形尺寸：雙探頭可雙發(fā)雙收，也可單發(fā)單收2.5MHz大于300V（峰峰值）小于5S不小于50分貝小于0.5cm水中小于100cm220

4、V土10%50Hz50W5Kg380X320X120四、實驗項目1. 用A類超聲實驗儀測量水中聲速或測量水層厚度；用A類超聲實驗儀測量固體厚度及超聲無損探傷；五、注意事項1. 需選配60M（最低配置）雙蹤數(shù)字存儲示波器；2. 數(shù)字存儲示波器應使用其配套探頭，否則會使波形失真，影響讀數(shù)精度；3. 探頭與探測物間要涂上聲耦合劑，常用的耦合劑為對人體無刺激性且不易流失的油類，如:甘油、蹺麻油、石蠟油等；4. 儀器配置外接電源線為三芯電源線，要求實驗室電源插座為三芯插座，且接地端良好；超聲波探頭及示波器探頭注意不要插錯（超聲探頭連接的Q9插座輸出為300V以上的高壓），否則會損壞示波器的外觸發(fā)電路。5

5、. 超聲探頭處有380VWj壓，插拔注意安全。A類超聲實驗【引言】超聲學是聲學的一個分支，它主要研究超聲的產(chǎn)生方法和探測技術(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用。超聲的用途可分為兩大類，一類是利用它的能量來改變材料的某些狀態(tài)，為此需要產(chǎn)生比較大能量的超聲，這類用途的超聲通常稱為功率超聲，如超聲加濕、超聲清洗、超聲焊接、超聲手術(shù)刀、超聲馬達等等；另一類是利用它來采集信息，超聲波測試分析包括對材料和工件進行檢驗和測量，由于檢測的對象和目的不同，具體的技術(shù)和措施也是不同的，因而產(chǎn)生了名稱各異的超聲檢測項目，如超聲測厚、超聲發(fā)射、超聲測硬度、測應力

6、、測金屬材料的晶粒度及超聲探傷等。1. 【實驗目的】了解超聲波產(chǎn)生和發(fā)射的機理用A類超聲實驗儀測量水中聲速或測量水層厚度用A類超聲實驗儀測量固體厚度及超聲無損探傷【實驗原理】超聲波是指頻率高于20KHz的聲波，與電磁波不同，它是彈性機械波，不論材料的導電性、導磁性、導熱性、導光性如何，只要是彈性材料，它都可以傳播進去，并且它的傳播與材料的彈性有關(guān),如果彈性材料發(fā)生變化，超聲波的傳播就會受到干擾，根據(jù)這個擾動，就可了解材料的彈性或彈性變化的特征，這樣超聲就可以很好地檢測到材料特別是材料內(nèi)部的信息，對某些其它輻射能量不能穿透的材料，超聲更顯示出了這方面的實用性。與X射線、丫射線相比，超聲的穿透本領(lǐng)

7、并不優(yōu)越，但由于它對人體的傷害較小，使得它的應用仍然很廣泛。產(chǎn)生超聲波的方法有很多種，如熱學法、力學法、靜電法、電磁法、磁致伸縮法、激光法以及壓電法等等，但應用得最普遍的方法是壓電法。壓電效應：某些介電體在機械壓力的作用下會發(fā)生形變，使得介電體內(nèi)正負電荷中心相對位移以致介電體兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與壓力成正比，這種由“壓力”產(chǎn)生“電”的現(xiàn)象稱為正壓電效應；反之，如果將具有壓電效應的介電體置于外電場中，電場會使介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心位移，從而導致介電體發(fā)生形變，這種由“電”產(chǎn)生“機械形變”的現(xiàn)象稱為逆壓電效應，逆壓電效應只產(chǎn)生于介電體，形變與外電場呈線性關(guān)系，且隨外電場反向而改

8、變符號。壓電體的正壓電效應與逆壓電效應統(tǒng)稱為壓電效應。如果對具有壓電效應的材料施加交變電壓，那么它在交變電場的作用下將發(fā)生交替的壓縮和拉伸形變，由此而產(chǎn)生了振動，并且振動的頻率與所施加的交變電壓的頻率相同，若所施加的電頻率在超聲波頻率范圍內(nèi)，則所產(chǎn)生的振動是超聲頻的振動，我們把這種振動耦合到彈性介質(zhì)中去，那么在彈性介質(zhì)中傳播的波即為超聲波，這利用的是逆壓電效應。若利用正壓電效應，可將超聲能轉(zhuǎn)變成電能，這樣就可實現(xiàn)超聲波的接收。超聲探頭：把其它形式的能量轉(zhuǎn)換為聲能的器件，亦稱為超聲波換能器。在超聲波分析測試中常用的換能器既能發(fā)射聲波，又能接收聲波，我們稱之為可逆探頭。在實際應用中要根據(jù)需要使用不

9、同類型的探頭，主要有：直探頭，斜探頭，水浸式聚焦探頭，輪式探頭，微型表面波探頭，雙晶片探頭及其它型式的組合探頭等。本實驗儀器采用的是直探頭。超聲波的分類。按振動質(zhì)點與波傳播方向的關(guān)系可分為縱波和橫波：當介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與超聲波的傳播方向平行時，稱為縱波；當介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與超聲波傳播方向垂直時，稱為橫波。按波陣面的形狀可分為球面波和平面波。按發(fā)射超聲的類型可分為連續(xù)波和脈沖波。本實驗儀器直探頭發(fā)出來的是縱波、平面波、脈沖波，脈沖頻率為2.5MHz。超聲的衰減。超聲在介質(zhì)中傳播時，其聲強將隨著距離的增加而減弱。衰減的原因主要有兩類，一類是聲束本身的擴散，使單位面積中的能量下降。另一類是由于介

10、質(zhì)的吸收，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，而使聲能減少。超聲波的反射。如果介質(zhì)的聲阻抗相差很大，比如說聲波從固體傳至固/氣或從液體傳至液/氣界面時將產(chǎn)生全反射。因此可以認為聲波難以從固體或液體中進入氣體。超聲回波信號的顯示方式。主要有幅度調(diào)制顯示（A型）和亮度調(diào)制顯示及兩者的綜合顯示，其中亮度調(diào)制顯示按調(diào)制方式的不同又可分為B型、C型、M型、P型等。A型顯示是以回波幅度幅度的大小表示界面反射的強弱，即在熒光屏上以橫坐標代表被測物體的深度，縱坐標代表回波脈沖的幅度，橫坐標有時間或距離的標度，可借以確定產(chǎn)生回波的界面所處的深度。本實驗儀器采用的顯示方式即A型。超聲的生物效應。機械效應、溫熱效應、空化效應、化學效

11、應等，以上幾種效應對人體組織有一定的傷害作用，必須重視安全劑量。一般認為超聲對人體的安全閾值為l00mW/cm2。本儀器小于10mW/cm2,可安全使用?！緦嶒瀮x器】該實驗主要由FD-UDE-A型A類超聲實驗儀主機、數(shù)字示波器（選配）、有機玻璃水箱、金屬反射板、探頭及接線兩根、Q9線一根、樣品架（鋁、鐵、銅、有機玻璃、冕玻璃和帶缺陷鋁柱按高度不同各配有2個，總共12個樣品）組成。如圖1所示：圖1A類超聲實驗裝置其中實驗主機面板如圖2所示：圖2A類超聲實驗儀主機面板面板示意圖1. 復位2. 減小減小同步信號（掃描信號）的低電平持續(xù)時間3. 增加增加同步信號（掃描信號）的低電平持續(xù)時間4. 選擇工

12、作模式選擇a為A路，b為B路，c為雙路5. 示波器探頭（A路）：接示波器CH1或CH2通道6. 接示波器（A路）：接示波器的EXT通道，同步性好的數(shù)字示波器可以不接此線7. 超聲探頭（A路）：接超聲探頭8. 示波器探頭（B路）：接示波器CH1或CH2通道9. 接示波器（B路）：接示波器的EXT通道，同步性好的數(shù)字示波器可以不接此線10. 超聲探頭（B路）：接超聲探頭11. 電源開關(guān)主機內(nèi)部工作原理見下面框圖：本儀器做成了雙路輸出（A路和B路），兩路信號一樣，實驗時可任選一路完成實驗。以A路信圖3主機內(nèi)部工作原理框圖號為例解釋儀器的工作原理：主機內(nèi)由單片機控制同步脈沖信號與A（或B）路信號同步。

13、在同步脈沖信號的上升沿，電路發(fā)出一個高速高壓脈沖A至換能器，這是一個幅度呈指數(shù)形式減小的脈沖。此脈沖信號有兩個用途：一是作為被取樣的對象，在幅度尚未變化時被取樣處理后輸入示波器形成始波脈沖；二是作為超聲振動的振動源，即當此脈沖幅度變化到一定程度時，壓電晶體將產(chǎn)生諧振，激發(fā)出頻率等于諧振頻率的超聲波（本儀器采用的壓電晶體的諧振頻率點是2.5MHz）。第一次反射回來的超聲波又被同一探頭接收，此信號經(jīng)處理后送入示波器形成第一回波，根據(jù)不同材料中超聲波的衰減程度、不同界面超聲波的反射率，還可能形成第二回波等多次回波。見下圖所示。圖4示波器上觀察到的回波波形由儀器工作原理可知，始波脈沖產(chǎn)生的時刻并非超聲

14、波發(fā)出的時刻，超聲波發(fā)出的時刻要延退約0.5PS,所以實驗時應該盡可能取第一回波到第二回波這個時間差作為測量結(jié)果，以減小實驗慶2o1. 【實驗步驟】準備工作：在有機玻璃水箱側(cè)面裝上超聲波探頭后注入清水，至超過探頭位置1cm左右即可。探頭另一端與儀器A路（或B路，以下同）“超聲探頭”相接?！笆静ㄆ魈筋^”左邊搭口與Q9線的輸出端相連，右邊搭口與Q9線的地端相連。這根Q9線的另一端與示波器的CH1或CH2相連。如果示波器的同步性能不穩(wěn)，可以再拿一根Q9線將儀器的“接示波器”頭與示波器的“EXT”相連，以此同步信號作為示波器的外接掃描信號。2. 打開機箱電源，按“選擇”鍵選擇合適的工作狀態(tài)，a為A路工

15、作，b為B路工作，c為兩路一起同步工作（很少用）?！懊}沖信號設(shè)定”中的“增加”和“減少”按鈕是設(shè)定同步脈沖信號（也即外部掃描信號）的低電平持續(xù)時間，出廠設(shè)置已滿足一般的實驗要求，可以不動。3. 將金屬擋板放在水箱中的不同位置，測出每個位置下超聲波的傳播時間，可每隔5cm測一個點，將結(jié)果作X-1/2的線性擬合，根據(jù)擬合系數(shù)求出水中的聲速，與理論值比較。注意實驗時有時能看到水箱壁反射引起的回波，應該分辨出來并且舍棄之。4. 測定樣品架上不同材料，不同高度的樣品中超聲波傳播的速度（選做）。在樣品表面上涂上耦合劑（如甘油），測出第一回波到第二回波的時間差，量出樣品高度，算出速度。注意：（1）由于樣品中

16、材料不純，所測值可能與理論值有較大偏差。（2）有些材料由于吸收超聲波的能力較強或者材料/空氣界面反射太弱，沒有第二回波，此時只好取始波到第一回波的時間差作為估測。始波第一回波圖5超聲探傷原理圖測出始波到缺陷引起的回波的時間差ti,始波到第一回波的時間差t2,樣品的總長度D,根據(jù)公式X=D算出缺陷位置。有兩個有缺陷的鋁樣品可供實驗。t2【實驗數(shù)據(jù)】（注：此實驗數(shù)據(jù)僅供參考，不作為儀器驗收標準。）表1水箱中金屬擋板在不同位置時超聲波傳播的時間X/cmX/mt/四t/2(此)t/2(S)0025.612.81.2810'50.059346.54.6510'100.1015979.57

17、.95710150.15225112.5_41.125V0200.20292.5146.25一一一41.462510250.25359179.5_41.795V0作X-t/2的線性擬合X-t/2t/2(s)圖6Xt/2關(guān)系圖線性擬合出的公式為X=1501.2.'11-0.0194，斜率就是水中超聲波的傳播速度，為1501.2m/s。2水在25C時超聲波聲速約1500m/s，實測值與理論值誤差小于3%?！緟⒖嘉墨I】1、范毅明，范世忠，李祥杰.醫(yī)用B超儀與超聲多普勒系統(tǒng).上海：第二軍醫(yī)大學出版社，1999.92、應崇福主編.超聲學.北京：科學出版社，19903、鄭中興，騰永平編.超聲檢測技術(shù).北京：北方交通大學，19984、陳澤民主編.近代物理與高新技術(shù)物理基礎(chǔ).北京：清華大學出版社，2001一些材料在室溫下的聲速(頻率為1MHz時)材料縱波波速CL(103m/s)橫波波速Cs(103m/s