大学物理实验论文

浅谈快速寻找超声波在示波器上成像的方法

2011年10月5日

电子信息工程学院

浅谈快速寻找超声波在示波器上成像的方法

摘要：

在我们做超声波的专题实验中，必不可少的要在示波器上在寻找出清晰可见的超声波型。而且，在进行固体弹性常数的测量和测量扩散角和缺陷深度的各种实验中，清晰的波形是测量的关键。笔者通过多次的实验，发现了快速寻找波型的方法，希望能为同学们今后的超声波系列的实验提供一些帮助。

关键词：超声波原理及应用快速成像

一、引言

超声波是指任何声波或振动，其频率超过人类耳朵可以听到的最高阈值20千赫。超声波由于其高频特性而被广泛应用于众多领域，比如金属探伤，工件清洗等。某些动物，如犬只、海豚、以及蝙蝠等等都有着超乎人类的耳朵，也因此可以听到超声波。亦有人利用这个特性制成能产生超声波来呼唤犬只的犬笛。超声波在军事、医疗及工业中有较大的用途。它应用按功率的大小可分为功率超声和检测超声。功率超声的应用包括焊接、钻孔、粉碎、清洗、乳化等，它们多属于只发射不接受的超声设备。目前人们对超声加工的确切理论仍未透彻认识。检测超声在军事中的应用有雷达定位等。医用超声波可以看穿肌肉及软组织，使得这项技术常用来扫描很多器官，以协助医疗上的诊断和治疗。产科超声波也常用在怀孕时期的检查。医生可以利用超声波成像法透视身体，但由于超声波不能穿透骨头，所以虽然超声波对人体伤害比较低，但仍不能完全取代Ｘ光。典型超声波大约2MHz

到10MHz的频率，较高频率通常用在泌尿道碎石振波。检测超声波设备有发射又有接受。

二、理论

某些固体物质，在压力的作用下产生形变，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。物质的压电效应与其内部的结构有关，例如一类晶体，如钛酸钡，在室温下即使不受外力作用，正负电中心也不重合，但仍具有压电效应和逆压电效应。它们多是由人工制成的陶瓷材料，本实验中超声波换能器采用的是压电材料，在我们进行实验的过程中，需要在换能器上施加适当的力，这样才能使信号较大程度的接收。

根据大量实验证明，频率越大，声波越沿着一条直线传播。在实验中，我们可以减小衰减程度，使波的传播方向性增强。

在实验过程中，根据数学知识，由波的入射方向迁移到探测部位，通过入射直线的的夹角，判断大致位置。

三、实验过程

（一）、在进行第一个实验的过程中，我们要用直探头测量CSK-IB 试块的厚度。首先，我们要调出很清晰的波的像，在调像过程中，一

般如果我们只是将直探头放在试块上时，回出现在示波器上波形调动较大，波幅较小，甚至有时会出现杂乱无章的波，这时如果在试块表面涂上一层水，会使波稳定下来变得清晰，如果在探头上施加压力，会是波的幅度增大。这样的波便于观察在试块和空气层的反射的效果。

（二）、在进行第二个实验时，由于要测量两个半圆反射的波，如果探头不在半径较小的圆块的上面，而检测到波幅交大而且很清晰的波的话，有可能是测到了D孔的反射波。在第二次试验测量斜探头的折射角时，由于使用斜探头，对于某些机器，会出现波形不明显的情况，这时就需要我们将衰减度减小，使波的能量增强。

（三）、在进行第三个实验时，需要测量B孔的反射情况，从而计算扩散角，实验通过直探头和斜探头分别测量。对于直探头的测量，由于A孔在B孔的斜上方，所以在示波器上就有两个反射波间距不同的现象。依据间距不同来判断哪一个为A孔反射波或者B孔反射波。对于用斜探头测扩散角，由于有些小的波不能很好的察觉，笔者建议，先画出示意图，依据波反射原理，在试块上定位出，波反射的大致区域，然后就可以在这一区域内找到具体的位置，简单准确快速。

四、实验数据测量

1、测声速（纵波声速和横波声速）

纵波声速：试块的厚度为L.

纵波声速为：CL=2L t2−t1 延迟为: 横波声速：两个圆弧的半径长分别为R2和R1

试块横波声速为：CS=

2（R2−R1）t2−t1 延迟为： 2、测量试块的杨氏模量和泊松系数。

通过测量试块的纵波声速和横波声速可以计算试块的杨氏模量2

12t t t -=2

12t t t -=

和泊松系数。

超声波速度与传播介质的弹性模量和密度有关，不同的介质，有不同的声速；并且当波型不同时，介质弹性形变形式不同，声速也不一样。 在各同向性固体介质中，各种波型的超声声速为： 纵波声速：)21)(1()1(σσρσ-+-=

E C L 横波声速：)1(2σρ+=E C S

其中E 为杨氏模量，σ为泊松系数，ρ为材料密度。

相应地，通过测量介质的纵波声速和横波声速，利用以上公式可以计算介质的弹性常数。计算公式如下：

杨氏模量： 1)

43(222--=T T c E S ρ

泊松系数： )1(2222--=T T σ

其中：S

L c c T =，L c 为介质中纵波声速，S c 为介质中横波声速，ρ为介质的密度。

3、超声波探测

（1）直探头探测缺陷深度：

在超声波探测中，可以利用直探头来探测较厚工件内部缺陷的位置和当量大小。观察其波形。其中底波是工件底面的反射回波。本实验采用绝对探测法，绝对探测法是通过直接测量反射回波时间，根据声速计算出缺陷的深度。方法是：（1）在试块上仔细移动探头的位置找到钻孔（缺陷）的最大回波，这时示波器上缺陷波清楚明显，探头

处于钻孔的中心线上，（2）调节示波器的分辨率，测量缺陷回波的时间，（3）利用己测得的声速计算钻孔的深度。

（2）利用斜探头，探测CSK-IB 试块中缺陷D 的深度和距试块右边沿的距离。

第1步：测量延迟1次。

第2步：按图把探头放置在试块圆弧的圆心附近，找到R2的反射回波最大的位置，用钢尺测量探头前沿到试块端点的距离L1，确定斜探头的入射点

第3步：按图2，把探头分别对准A ，B 两孔，找到最大反射回波，求 第4步： 斜探头测量声速 第5步： 找到D 孔最大的回波位置LD ，测回波的时间 ，则 第6步： 则 第7步：最后 五、注意事项

（1）超声仪的发射接口向外发射400V 的高压脉冲，因此它只能 与接收接口或探头相连，而不能够与超声仪的射频、检波、 触发，或者示波器的CH1、CH2、TRG 相连；否则会损坏仪器；

（2）超声仪的输出信号被限制在5V 左右，因此示波器在测量过程中，一般要求被测信号幅度不超过2V ；

（3）利用CSK-IB 钢试块时，可以用水或机油作为耦合剂；利用CSK-IC 120L R L -=t '20

t t C S s D '-'⋅=)(1H

L L L tg A B s --=-β'-'-=

1

212)(2t t R R C s 2

0L L L X D D -+=β

cos D D S Y =β

sin 2D S L =