超声波特性实验

Ir
=
( Z2 Z2
− +
Z1 Z1
)2
Ii
式中Ii为入射波强度，Ir为反射波强度，Z1，Z2分别为两种媒质的声阻抗。声 阻抗Z=ρ C, ρ媒质的密度，C媒质中的声波速度。（临床上B超成像就依据人体不 同组织器官（正常组织与病态组织）的声阻抗的不同形成不同强度的反射波而实 现的。）
超声波入射到两种媒质的界面上时，如果两种媒质都是固体或其中之一是固 体，一般情况下在发生反射和折射的同时还会发生波型的变化。例如入射纵波在 反射和折射出纵波的同时，会反射或折射出横波。对于横波，情况也类似。超声 波的这种现象称为波型转换。通常使用的横波和表面波都是通过斜探头或可变角 探头利用波型转换得到的。（由探头晶片发出的一般都是纵波）
式中t1是第 1 次反射回波的时间，t2是第 2 次反射回波的时间。
1）、利用直探头(纵波)测量试块的厚度和宽度(采样多次反射回波方式) ，如 图 20-6。
2）、利用表面波测量R2弧面的长度。 表面波测量R2弧面长度的方法如图 20-9 所示，出现的两个反射回波分别对 应于表面波传播路径上两个突变点B1 和B2。 将实验参数及测量结果填入表 20-3。 获得表面波的方法：
板与探头间往返传播的时间 t，隔 2cm 取一个点，共取 6 个点，重复测量 3 次。
测量结果填入表 20-4。档板位置 x 与时间 t 的关系：
x
=
C
t 2
−
x0
（20-6）
C 为声速，将实验数据作线性拟合，根据拟合的直线斜率求出水的声速，与
标准值比较。
20°C 纯水的声速 1483m/s
注意：
1）、时间 t 是超声波由探头发射经档板反射后返回探头所经历的时间。在测量过程中不 要改变示波器水平位移旋钮。
图 20-7 观察反射回波
（2）把斜探头放在位置 3 处，适当调节超声仪衰减（大约 70-80dB），调节 示波器衰减。在该处适当移动探头，使圆弧面R1、R2的回波同时达到最大幅度， 观察反射回波，并用斜探头探查试块中小孔A、B的回波。
注意：
1）、示波器应选择外触发方式。
2）、回波幅度受超声仪衰减，示波器衰减及探头位置的影响，首先应调节探头位置，使
二、超声波探头（超声波的发射与探测接收器件） 在超声波分析测试中，利用超声波探头产生脉冲超声波。常用的超声波探头 有直探头和斜探头两种，其结构如图 20-2 所示。探头通过保护膜或斜楔向外发 射超声波；吸收背衬的作用是吸收晶片向背面发射的声波，以减少杂波；匹配电 感的作用是调整脉冲波的波形。一般用直探头产生纵波，用斜探头产生横波或表 面波。 还有一种可变角探头，如图 20-3 所示。其探头芯可以旋转，通过改变探头 的入射角θ，得到不同折射角的斜探头。当θ = 0 时成为直探头。
超声波入射到两种介质的界面时发生反射或折射遵循斯特令定律：当超声波 以入射角α按纵波或横波波速 v 传到异质界面后，反射角或折射角满足：
反射：
sinα = sinαL = sinαS
v
v1L
v1S
（20-1）
折射：
sin α = sin βL = sin βS
v
v2L
v2S
（20-2）
其中，αL和αS分别是纵波反射角和横波反射角；βL和βS分别是纵波折射角和 横波折射角；v1L和v1S分别是声波在第 1 种介质中的纵波声速和横波声速；v2L和 v2S分别是声波在第 2 种介质中的纵波声速和横波声速。
在斜探头或可变角探头中，超声波
以纵波经有机玻璃入射到铝质试块中，
如图 20-4 所示。由于机玻璃中声速v小 于铝中横波声速vS，而铝中横波声速vS 又小于纵波声速vL。因此，当入射角α
大于 α1 = sin−1(v vL ) 时，铝介质中只有 折射横波；同理，当入射角α大于
α2 = sin−1(v vS ) 时，铝介质中既无折射
利用试块 40 mm 的厚度方向进行测量。多次测量，求 平均值。
（2）、测量斜探头的延迟 如图 20-6 把斜探头放在试块上 3 的位置，使探头的斜 射声束能够同时入射在R1和R2圆弧面上。适当移动探头使在 示波器上同时观测到两个弧面的回波B1和B2为最大。测量它 们对应的时间t1和t2。由于R1 = 2R2，因此斜探头延迟的计算 同（20-3）式。多次测量，求平均值。
回波幅度最大，然后适当调节超声仪衰减，要求被测信号幅度不超过 2V。在此前提下调节
示波器衰减（可用微调）使回波幅度增大到满幅的 80％左右。
2、测量直探头和斜探头的延迟
超声波在晶片到被测试块表面这段距离往复传播的时间称为探头的延迟（如
图 20-8）。由于探头的延迟 使距离的测量出现误差，因此需要测量探头的延迟时
可变角探头入射角继续增加，横波幅度减弱并消失，在此过程中又会出现两个回波，测
量这两个回波对应的时间差，可确定其为表面波，用手指轻压试块表面，可发现回波幅值变
化。
探头
水槽
挡板
图 20-9 表面波测量弧面长度
图 20-10 水声速测量示意图
4．测量水中的声速
如图 20-10，将金属档板放在水槽的不同位置 x，用示波器测量超声波在档
试块 图 20-8 探头的延迟
3、超声测长实验 一般在超声波测长中，被测物体首先必须是各向同性的（声速在不同方向上
速度相同），同时物体必须有规则的反射面。如果己知物体的声速，通过测量超
声波在被测物中传播时间，则可计算物体的长度。
利用反射回波进行测长时，测量公式如下：
L = v(t − t0 ) 2
（20-4）
实验内容 1、熟悉仪器使用、观察反射回波 （1）、如图 20-7 所示，把直探头放在位置 1、2 等处，先适当调节超声仪衰 减（大约 90dB），再调节示波器衰减，要求被测信号最大幅度不超过 2V（估算 一下）。观察试块底面对纵波反射的多次反射回波（反射底波），多次回波是部分 超声波在平行的两个界面之间来回反射的结果。
用来调节反射回波的电压幅度；超声仪的发射接口与探头连接，并向探头发射 400V 的高压脉冲，用来激发超声波；仪器面板上射频、检波接口与示波器的 CH1、 CH2 通道连接，以射频或检波方式在示波器上显示探头接收到的反射回波；触 发接口与示波器的外触发（TRG）相连，使超声的发射信号与示波器扫描同步。
石英晶体结
拉力作用下的极化
晶体的宏观极化
将产生和接收超声波的材料制成片状，并在其正反两面镀上导电层作为正负 电极。如果在电极两端施加一脉冲电压，晶片发生弹性形变，随后自由振动，并 在晶片厚度方向形成驻波，如果晶片的两侧存在其它弹性介质，则会向两侧发射 弹性波。在晶片的振动过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，因此它发 射出的是一个超声波波包，如图 20-1 所示，通常称为脉冲波。波的频率与晶片 的厚度有关，适当选择晶片的厚度，使其产生弹性波的频率在超声波频率范围内， 则该晶片即可产生超声波。
1、外壳，2、晶片，3、吸收背衬，4、电极接线， 5、匹配电感，6、接插头，7、保护膜，8、斜楔
图 20-2 直探头（a）和斜探头（b）的结构
图 20-3 可变角探头示意图
三、超声波的反射与折射 超声波在传播过程中遇到不同媒质界面时会发生反射和折射。理论证明，在 垂直入射时，反射波强度与入射波强度有如下关系
图 20-5 仪器连接示意图
检波输出波形
射频输出波形
图 20-6 超声波传播时间测量
超声探头与试块间需要使用耦合剂（凡士林，机油，水等），声波才能进入 试块。如果在传播的路径上遇到介质畸变，如人工反射体、介质界面等，则部分 声波会沿原来的路径反射回去，被探头所接收，称为反射回波。接收到的超声信 号被探头转换成电信号，通过相关电路放大后由射频和检波接口输出到示波器， 在示波器上显示出来，如图 20-6 所示。回波在示波器扫描线上的位置对应于超 声波在探头与反射体之间的往复传播的时间，如果超声波波速已知则可计算超声 波传播的距离。回波的振幅与反射体的大小及材料性质有关。
2）、x 是档板的位置坐标，并非探头与档板的距离
其中v是试块中的声速，t0是探头的延迟，t是从发射到接收到第 1 次反射回
波的时间。
如果被测试块厚度和宽度方向的界面间可以产生多次反射回波，相邻两回波
之间的时间差对应于超声波在两界面间往复传播的距离。因此，通过测量相邻两
个回波之间的时间差，可计算试块的厚度为：
L = v(t2 − t1 ) 2
（20-5）
通过本实验可以了解利用压电效应产生脉冲超声波的原理和方法；分辨超声 波的三种波型；了解超声波检查的基本原理和方法。
实验原理 一、超声波的产生 能将其它形式的能量转换成超声振动能量的方式都可以用来发生超声波。例 如压电效应、磁致伸缩效应、电磁声效应和机械声效应等。目前普遍使用的是利 用压电效应来产生和接收超声波。 某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生变形，从而使物质本身极化， 在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。通常具有压电 效应的物质同时也具有逆压电效应，即当对其施加电压后会发生形变。超声波探 头利用逆压电效应产生超声波，而利用压电效应接收超声波。
间。
（1）、测量直探头的延迟
如果直探头对试块底面产生的 1 次底面回波和 2 次底
面回波的时间分别为t1、 t2。令∆t为探头的延迟时间，t为超 声波在试块内往复 1 次的时间，则t1 = t +∆t, t2 = 2t +∆t. 探头 的延迟时间∆t为
晶片 探头
有机玻璃Fra Baidu bibliotek
∆t = 2t1 − t2 （20-3）
实验二十 超声波特性研究
声波是一种弹性机械波，超声波是频率在 2×104～1012 Hz的声波。超声波具 有方向性好、穿透力强、易于产生和接收、探头体积小等特点，并且能够在所有 弹性介质中传播，因此超声波广泛应用在生产和人们生活中。超声波可对介质产 生机械作用，空化效应以及热效应和化学效应。超声波在医学领域有广泛应用， 如我们熟知的使用B超、彩超等进行医学诊断，在治疗方面可用于体外碎石、理 疗，肿瘤治疗，牙齿洁治等。其他方面的应用有：超声测距，超声测速，超声清 洗，超声焊接，液体的乳化、水下探测，工业探伤等。
横波波型：当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，此种超 声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能承受剪切变形，因 此，当有剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传 播。
表面波波型：这是沿着固体表面传播的具有纵波和横波双重性质的波．表面 波可以看成是由平行于表面振动的纵波和垂直于表面振动的横波合成，质点合成 振动的轨迹为一椭圆，在距表面 1/4 波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰 减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。
图 20-1 脉冲超声波的产生
如果晶片内部质点的振动方向垂直于晶片平面，那么晶片向外发射的就是超 声纵波。超声波在介质中传播可以有不同的形式，它取决于介质可以承受何种作 用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种：
纵波波型：当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，此超声波为 纵波波型．任何介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。纵波可在固体、液 体中传播。
把可变角探头的入射角调整为 0，（在图 20-6 位置 3 附近）使超声波入射在试块两个圆 弧R1和R2的下部边缘，观察反射回波。
增大可变角探头入射角，注意回波幅度的变化。当入射角达到某一值后，纵波的幅度会
减小，在其后面又会出现两个回波，并且幅度不断增大。测量新出现的两个回波对应的时间
差，可确定其为横波。入射角增加到某值时，纵波消失，只剩横波。
注意：
发射接口只能与接收接口或探头相连，而不能与超声仪的射频、检波、触发，或者示波
器的 CH1、CH2、TRG 相连；否则会损坏仪器！
实验中所使用的超声波探头既可以用来发射超声波，又可以用来接收超声 波。仪器面板上发射接口和接收接口是相连的，如图 20-5 所示。采用这种方式， 发射脉冲可被显示在示波器上，我们称发射脉冲波形为始波(如图 20-6)。
横波，也无折射纵波。我们把α1称为由 有机玻璃入射到有机玻璃-铝界面上的 第一临界角；α2 称为第二临界角。
图 20-7 图波20型-4转波化型转化
实验仪器 JDUT-2 型超声波实验仪由同步电路，发射电路，接收电路，放大衰减电路， 显示电路等电路模块组成(原理框图见附录 1)。在仪器面板上有衰减调节按键，