A型超声探测

一． 实验原理
实验中使用压电法产生超声波。压电法采用了压电式换能器，也称为探头，它是应用某 些晶体的压电效应制成的。所谓压电效应是指压电晶片相对两个表面受到压力或拉力其厚度 发生改变时，晶体两表面上出现等量异号电荷的现象。在一定范围内，受力越大产生的电荷 越多，当晶片受到变化的压力和拉力作用时，晶片两表面之间产生同样规律的压力变化。当 晶体两表面加上交变电压时晶片的厚度也会随之发生改变，称为逆压电效应。对压电晶片施 加大于 20000Hz 的电压时，压电晶片会产生超声振动。
A 型超声探测
频率大于 20000Hz 的机械波称为超声波。超声波具有声波的一切性质以外还有方向性 好、强度大、深层反射波易探测等特性。超声波与物质相互作用的时候可以产生机械效应、 热效应、空化效应等。1917 年法国科学家郎之万研制出超声发射器。1946 年超声脉冲回声 技术开始用于医学诊断。超声诊断的基本原理是通过采集和在荧光屏上显示超声波透入体内 后的回波信号的位置及幅度大小来分析病变组织的位置、形态以及性质。回波信号以幅度显 示的称为 A 类超声仪。本实验要求掌握超声波的产生、发射和接受的基本原理；了解超声波 的性质及生物效应；掌握用 A 型超声波实验仪器测量声速和水层厚度的原理以及方法；掌 握超声探伤的物理基础。
间隔 t1。 （4） 移动金属块，使探头对准无缺陷位置，测出金属块前表面回波和后表面回波的时
间间隔 t2；
（5） 用游标卡尺测出样品的总长度 D，根据公式 x=t1D 算出缺陷的位置。
t2
（二） 选做内容 1. 测金属样品的声速 （1） 重复 1 中的（1）（2）（3）； （2） 选一种金属材料，放入样品架并且固定，用 2 中的（2）（4），在示波器的荧光
uDB=√σ3=0.√0302=0.001cm.
所以 uD=√uD2 A + uD2 B=√0.0022 + 0.0032=0.004cm
根据公式：右边缺陷 x=TT̅̅12D=1129..70x6.464=3.94cm
ux
=
√(u1
2
)
+
(u2
2
)
+
(uD)2=√(
0.1
2
)
+
(
0.1
2
)
+
(0.004)2
示在示波器上。根据两回波出现的时间间隔 t 以及媒质中的声速 C，可以计算出媒质的厚度：
X=Ct/2。
二． 实验装置及材料
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A 类超声综合实验仪主机和数字示波器。此外，还配有有机玻璃水箱、样品架三个、游 标卡尺以及电缆线两根。样品包括：铝、铁、铜、有机玻璃、冕玻璃和有缺陷的金属块。
三． 实验内容
（一） 必做内容：水声测定及金属材料探伤 1. 水声速测定
2. 金属探伤 测量次数 i 1 2 3
T1/μs（右缺陷） T2/μs（无缺陷） D/cm
12.0
19.6
6.464
12.0
20.0
6.458
12.0
19.6
6.470
T̅1
=
T11+T12+T13=12.0+12.0+12.0
3
3
=12.0s
u1A=√(T̅̅̅1̅−������11)2+(T̅̅̅1̅3−×������212)2+(T̅̅̅1̅−������13)2=√(12.0−12.0)2+(12.03−×122.0)2+(12.0−12.0)2=0.0μs 读数中考虑到示波器线有宽度，以及读数可能有一定范围偏差，认为σ为半小格的时间
值，0.02μs.
u1B=√σ3=0√.32=0.1μs
所以 u1= u1B =0.1μs
T1=(12.0±0.1)μs
T̅2
=
T21+T22+T23=19.6+20.0+19.6
3
3
=19.7s
u2A=√(T̅̅̅2̅−������21)2+(T̅̅̅2̅3−×������222)2+(T̅̅̅2̅−������23)2=√(19.7−19.6)2+(19.73−×220.0)2+(19.7−19.6)2=0.1μs 读数中考虑到示波器线有宽度，以及读数可能有一定范围偏差，认为σ为半小格的时间
超声波在传播过程中遇到声阻抗不同的介质面，在垂直入射的的条件下，反射波与入射
波的强度的关系：Ir
=
(
z2−zI
2
)
z2+z1
Ii，其中
Ir
是反射波强度，Z1、Z2
分别表示第一种和第二种
媒介的声阻抗。声阻抗 Z=ρ*C；ρ表示媒介密度，C 是超声波在改接至终的波速。
用超声波测量媒质厚度时，将超声波所经过的媒质界面的回波通过探头转换为电信号显
t̅1
=
t11+t12+t13+t14+t15=16+16+16+16+16=16μs
5
5
uA=√(t̅1−������11)2+(t̅1
−������12)2+(t̅1−������13)2+(t̅1−������14)2+(t̅1−������15)2=√(16−16)2+(16−16)2+(16−16)2+(16−16)2+(16−16)2
0.036
0.036
0.036
0.050
0.104
0.100
0.104
0.100
0.172
0.168
0.168
0.150
0.236
0.236
0.236
0.200
0.296
0.300
0.300
0.250
0.364
0.364
0.364
实验温度：21.8℃
相对湿度：54.0%
计算出平均时间以后用 origin 进行线性拟合，得到拟合图：
屏上测出该金属材料前表面与后表面的回波时间间隔 t，测量五次求出平均值。 （3） 用游标卡尺测出金属样品高度 H，测量三次。 （4） 计算金属材料的声速，并于标准值比较。 2. 测量 A 超仪器的纵向分辨率和横向分辨率
四． 实验记录
1. 测量水中超声波的速度
x/m
T1/ms
T2/ms
T3/ms
0.000
u=√uA2 + uB2 =√0.0092 + 0.0012=0.009cm
ΔH=（0.203±0.009）cm 样品实际长度 H0=H-ΔH=5.231-0.203=5.028cm
u0=√u12 + u22=√0.0112 + 0.0092=0.014cm
H0=(5.028±0.014)cm 在Δt 时间内，声波传播了两端样品长度的距离，所以有：
3
3
uA=√(Δ̅̅̅���̅���̅̅̅−Δ������1)2+(ΔH̅̅̅̅3̅−×Δ2������2)2+(Δ̅̅̅H̅̅̅̅−Δ������3
)2=√(0.203−0.188)2
+(0.203−0.220)2+(0.203−0.200)2=0.009cm
3×2
uB=0.√0302=0.001cm
3×2
+(5.231−5.244)2=0.011cm
u1B=0.√0302=0.001cm
u1=√uA2 + uB2 =√0.0112 + 0.0012=0.011cm
所以 H=（5.231±0.011）cm
Δ̅̅̅H̅=������������1+������H2+������H3=0.188+0.220+0.200=0.203cm
（3） 取样品放入样品架的圆孔中，将样品架放在水箱上面的轨道上，并观察样品底面 是否与水平面垂直。调节样品架和并观察示波器上反射回波信号的大小，直到脉 冲幅度最大为止。
（4） 移动样品架，测出探头表面与样品之间的垂直距离 x，利用示波器测出每个位置 下超声波的传播时间 t，每隔 5cm 取一个点，每个测量三次求平均值。
=0.01
x
T1
T2
D
12.0
19.7
6.464
ux=x*0.01=3.94x0.01=0.04cm
所以 x=（3.94±0.04）cm
选做内容
3. 金属样品中声速的测量
测量次数 i
t/μs
1
16
2
16
3
16
4
16
5
16
H/cm 5.228 5.240 5.244
ΔH/cm 0.188 0.220 0.200
4×5
4×5
=0μs
H̅ = ������1+H2+H3=5.228+5.240+5.244=5.231cm
3
3
u1A=√(���̅̅���̅̅̅−������1)2+(H̅̅̅̅3̅−×���2���2
)2+(H̅̅̅̅̅−������3
)2=√(5.231−5.228)2+(5.231−5.240)2
（5） 将实验数据作 t-x 的线性拟合，根据拟合直线的斜率求水的声速，并于理论值比 较。实验中有时看到水箱壁反射引起的回波，舍弃之。
（6） 求水中声速 C 的不确定度。 2. 金属材料探伤
（1） 重复内容 1 中的（1）（2）（3） （2） 另一样品放在水箱轨道上，把内部有缺陷的金属通过挂钩挂在样品架上。 （3） 使金属的缺陷位置与探头对应，测出金属块前表面回波与缺陷位置回波的时间
（1） 准备工作：信号幅度调节至最小位置。在有机玻璃水箱侧面装上超声波探头后注 入清水，至超过探头位置 1cm 左右即可。用一根电缆线把探头与“超声探头” 接线柱相接；用另一根电缆把回波“信号输出”接线柱与示波器相连接。
（2） 打开主机电源，预热后将信号幅度旋钮右旋至适当位置。打开示波器开关，预热 五分钟。
值，0.2μs.
u2B=√σ3=0√.32=0.1μs. 所以 u2=√u22A + u22B=√0.12 + 0.12=0.1μs
T2=(19.7±0.1)μs
D̅ = D1+D2+D3 =6.464+6.458+6.470=6.464cm
3
3
UDA=√(D̅̅̅̅̅−������1)2+(D̅̅̅̅3̅−×���2���2)2+(D̅̅̅̅̅−������3)2=√(6.464−6.464)2+(6.4643−×62.458)2+(6.464−6.470)2=0.003cm σ取千分尺一小格的读数 0.002cm
次数 i 1
2
3
4
5
6
7
8
x/cm 11.50 11.00 10.50 10.30 10.10 9.90
9.70
9.50
I/v
1.74
1.74
1.70
1.30
0.82
0.34
细微 无
其中从前两组数据可以看出脉冲反射回探头时的峰值在示波器上显示的为 1.74V
而最后两组数据则用来判断此时“声斑”已经被完全遮挡。
V=2H0=2×5.028=0.63cm/μs=6.3x104m/s
Δt
16
实验分析：
对比标准值，本次测量值与铝中声波的速度标准值偏大。然而考虑到样品的长度有限，以及
示波器的档位的局限性，所给出的数据只有两位有效数字。同时，超声脉冲在调节到易读数
的档位时其宽度对与读数的影响已经较为明显。所以本次实验在读数上可能会有一定的偏差
T̅/ms 0.036 0.103 0.169 0.236 0.299 0.364
同时给出数据：slope=0.76245，standard error=0.00384
此处斜率即为水中声速的二分之一，取三位有效数字，有： V=2×(0.762±0.003)km/s=(1524±6)m/s 实验分析：
在豆丁网《温度与水中声速对照表》中查到 21.8℃时，声波中的水速是 1487.6m/s。 本次实验测得的数据比理论值偏大一些。考虑到实验过程中没有其他引入误差之处，同 时 origin 给出的实验数据线性度 r=0.9995，线性度较好。所以分析认为是实验仪器导致了 本次测量的声速值与标准值不符。本次实验所使用的水放置时间较长而且所处实验环境相对 湿度 54%，长时间放置后会有较多的水蒸腾，导致残留的水中原本自来水中的各种成分质量 分数上升，使得测得的声速大于纯净的水中的声速。也就是说本次实验所测得的数据应该是 “声波在久置后浓缩的自来水中的传播规律”。（个人建议实验中使用的水应该更加频繁地更 换，本次实验前水面上有许多难以名状的恶心的泡泡。） 此外，样品架和两边刻度尺的架子中间存在一定空隙，使得样品架存在一定程度的扭转 偏移。 在测量声速的过程中，发现示波器上显示的脉冲波具有一定的宽度，在读数时难以确定 准确的读数位置，引入了一定的误差。在查阅其他书籍时发现更加普遍的测量方法是用正弦 波信号形成干涉驻波，对应的驻波波长是声波的一半，更具可以读取的频率计算声速。这种 方法的优势在于，正弦波衰减速度相对本实验中采用的脉冲波较小，而且正弦波在水中衰减 后对于实验读数的影响也比脉冲衰减的影响小。
导致了测量结果的偏差。在实验中应该尽量挑选长度最长的一个金属样品来做金属中声速测
定的实验。
4. 探索 A 超仪器的横向和纵向分辨率
（1） 横向分辨率
使用一块金属挡板在横向支架上从左到右缓慢移动，在水槽中部位置逐渐遮挡探头发出的超
声波，观察由容器反射回来的反射脉冲峰值，并将与之对应的遮挡片支架位置记录下来。