超声实验报告

超声实验报告

超声实验

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【摘要】

超声学是一门主要研究超声的产生方法和探测技术、超声在介质中的传播规律、超声与物质的相互作用，包括在微观尺度的相互作用以及超声的众多应用的学科。本实验利用超声在介质中的传播规律测量了超声探头的延迟时间、横波在不同介质中传播的折射角和纵、横波在不同介质中的传播速度，并利用测量得到的传播速度求出了不同介质的弹性模量和泊松比。最后利用超声测距的原理模拟了超声水下勘测，了解了超声在水下勘测和医疗中的作用。

【关键词】

超声，水下勘测，弹性模量

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一、实验背景超声的研究和发展与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。

自1883年人类首次制成超声气哨，这一类机械型超声换能器在不断改进后至今仍广泛地应用于流体媒质的超声应用当中。

20世纪初，随着电子学的发展人们发现了一些晶体材料的压电效

应和磁致伸缩效应，1917年，法国人朗之万利用天然石英晶体制成了第一个夹心式超声换能器用来探查海底的潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型换能器等多种超声换能器。

随着材料科学的发展，机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜等材料的出现使得产生和检测超声波的频率，由几十千赫提高到上千兆赫，波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。超声学的一个发展方向便是不断的提高超声的频率，利用超高频超声声子来进行物质结构方面的等基础研究。

同时，近10年来随着计算机图像学的迅猛发展，超声由于其具有的对身体无创伤，机器技术门槛低，检查费用低廉等优势，超声诊断也随之发展起来，并被广泛地应用于工业机械探伤和医疗诊断方面。此外，超声洁牙器、超声洗碗机等产品也相继问世。超声技术已经越来越多地出现在我们生活的方方面面。

本实验通过学习用超声法来测量固体介质常用参数的方法，学习超声扫描成像技术的应用，来促进对超声波产生和发射的机理，以及声探头的结构及作用的了解，并通过读取超声信号的波形图锻炼读图分析的能力，激发学生在超声探测和成像应用及其信号处理方面的兴趣和思考。

二、实验原理本实验的主要器材是CSS-1超声波扫描成像仪。该

扫描成像仪由超声卡，A/D卡和计算机以及配套的探头组成，其中超声卡产生100~400V高压电脉冲激励，探头的压电晶片在脉冲激励下发出超声波，同时也将回波信号转化为电信号发送给A/D卡，A/D 卡对模拟量进行二进制编码，同时产生协调声卡与A/D卡的同步信号，最终由计算机对数字信号进行显示。

实验时首先在试块上涂抹机油使探头与试块紧密耦合，然后在试块上移动探头获得由小孔产生的回波信号，根据已知的孔的深度与测得的回波时间求得直探头与斜探头的探头延迟，再求解得到超声在不同介质中的传播速度。

测量斜探头的折射角时首先将探头对准小孔，移动探头找到不同小孔的回波并记录移动间距，即可求解得到折射角。再根据以上数据和波速与弹性模量的关系即可求出试块的弹性模量。

测量超声的波长时，可以减小电脑的显示范围，使得波包展开，即可测得超声的频率，再由波速即可算出超声在不同试块中的波长。超声水下勘测模拟时，首先将闸门调节到大致深度，并处于样品的左上角，切换到水下勘测模式，换用水浸式直探头，转动手柄即可。3

图9 超声波分析测试仪工作原理三、实验仪器设备实验使用的是一台数字智能化的超声波分析测试仪。它主要有主机，超声波发射接收卡，A/D 转换卡和超声波换能器（探头）；超声波卡和A/D 卡在使用时，是插在微机ISA 插槽中。

超声波分析测试仪工作原理示意图如图9 所示。主机是一台微处

理机，它是整个系统的枢纽，由它完成系统的控制操作、数据采集、数据存储和数据的分析处理。超声卡实现超声波发射和接收功能，发射功能：产生100-400V 高压电脉冲，激励探头上的压电晶片发出超声波；接收功能：把经探头声电转换而得到的微弱电信号，经三级频带放大和视频放大输至A/D 卡输入接口。A/D 卡或A/D 转换器就是一个编码器，它对输入模拟量进行二进制编码，输出一个与模拟量大小成一定比例关系的数字量。A/D 转换实现了超声波接收信号的数字化。利用计算机强大的控制功能和高速运算功能对数字信号进行数字处理可以实现超声波分析测试智能化。

探头有：纵波直探头，横波斜探头，水浸式聚焦探头。测试试块：本实验中作用的试块为钻有６个1mm 横通孔钢和铝试块各一块。尺寸如图10 所示。

图10 试块的尺寸(mm) 超声测量水槽和若干扫描成像试块用于模拟水下地貌测绘、水下地壳扫描、水下地藏勘测。探头和试块之间所用耦合剂为机油。

在实验中，我们利用脉冲反射方法进行测量，仪器首先产生一个高压负脉冲激励超声波换能器，换能器则产生一个有一定周期的波包，该波包在材料中传播遇到缺陷或障碍物时发生反射，反射波被同一个换能器接收，通过仪器显示在示波器上，如图11 所示。在示波器上显示的波包的振幅正比于接收到声波的声压，而波包的波峰对应的时间为超声波从发射到被接收在探头内部和材料中的传播时间。

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图11

测量声速及探伤原理示意图

图12 探头的扩散和衰减在实验中，由于探头声源的尺寸（晶片大小）相对于实验采用的超声波波长不是足够大，因此探头发射的超声波不是严格的平面波，并且声束呈发散状，如图12 所示，因此在声波传播方向上，声压随声程的增大而减小；而在垂直声波传播方向上，声束中心轴线上声压最大。当声程足够大，声波可以看成按球面波规律传播，在分析测试中，声程由反射回波波幅的最大点对应的声程确定。

本仪器是基于微机的分析测试设备，其操作使用是通过软件界面实现的。软件界面的操作和使用请参考仪器的操作说明。

四、实验目的1.了解超声波产生和发射的机理；

2.了解超声探头的结构及作用；

3.学习用超声法来测量固体介质常用参数的方法；

4.学习超声扫描成像技术的应用。

五、实验内容、步骤1.了解仪器的软件操作界面和界面中各个功能的意义；利用超声探伤的原理探测试块中的横孔位置，分析示波器界面上各回波对应试块中反射面的位置。

2.了解探头结构及直探头和斜探头的异同；测量直探头和斜探头的延迟及斜探头在不同材质中的折射角。

实验中可以采用横孔人工反射体测量探头的延迟及折射角。设探头的延迟为t0，两个横孔的深度(已知)分别是H1 和H2，在示波器