实验四 超声波成像基本原理

实验四超声波成像基本原理

一、超声波简介及应用

超声波指的是频率超过2×104 Hz，人耳不能听到的声波。超声广泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫声中含有超声成分，蝙蝠利用超声导航和觅食；金属片撞击和小孔漏气也能发出超声。在实验和工业生产中，人们利用压电效应（piezoelectric effect）产生超声波。压电效应是指对于某些不导电的固体物质（称为压电材料），当它们在压力（或拉力）的作用下产生变形时，在物体相对的表面会出现正、负束缚电荷，从而得产生电势差的现象。利用压电效应的逆效应，即在压电材料相对的两个表面施加电压信号，使得材料发生机械变形，就可以得到超声波。

作为一种探测方法，超声波技术在军事、工业和医疗上有非常广泛的应用（探测对象包括潜水艇、固体材料内部的缺陷、体内脏器的病变以及胎儿的发育状况等。）超声检测的具有以下突出的优点：

1. 高穿透性，可以探测到材料深处的缺陷。

2. 灵敏度高, 可以探测到非常小的缺陷。

3. 非破坏性，只需要在材料的表面工作。

4. 对操作者以及周围的设备和材料没有伤害和干扰。

二、超声波C扫描成像基本原理

通过探头在试块顶部的X-Y扫描记录，得到来自试块内部缺陷的平面分布、埋藏深度Z 方向的信息，利用测量到的三维数据进行计算机图象重建，得到试块内部缺陷的立体图象。

超声成像是通过测量反射波来获得物体内部的信息。在进行缺陷定位时，测量缺陷反射回波对应的时间，根据被测材料的声速可以计算出缺陷到探头入射点的垂直深度或水平距离。在超声成像时，探头在试块顶部二维扫描，得到来自试块内部缺陷深度的分布，再利用计算机进行图像重建，就可以得到试块内部缺陷的立体图像。

由于衍射的存在，实际的超声波总有一定的发散性。通常我们用偏离中心轴线后振幅减小一半的位置表示声束的边界。如图1所示，在同一深度位置，中心轴线上的能量最大，当偏离中线到位置A、A’时，能量减小到最大值的一半。其中θ角定义为探头的扩散角。θ越小，探头方向性越好，定位精度越高。与光学仪器的成像一样，波长越短（频率越高），探头越大（相当于透镜的孔径越大），超声探头发射能量的指向性就越好。

图1超声波探头的指向性

三、实验内容

1、调整仪器灵敏度

2、采集数据

3、处理数据

四、实验仪器

超声波实验仪；示波器；5Mφ6专用直探头；超声波成像专用试块；

直探头和斜探头的结构如图2所示。在工作时，一个探头同时负责超声的产生和接收。探头的核心器件是一片由具有压电效应的陶瓷材料制成的晶片，其工作原理是：仪器先给压电晶片的两极施加一个电压短脉冲, 由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡，振荡频率与晶片的声速和厚度有关, 适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波, 即超声波。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，通常称为脉冲波脉冲波脉冲波。超声波在材料内部传播时，在被检对象处发生散射，散射波被同一压电晶片接收, 由于正压效应, 振荡的晶片在两极产生振荡的电压, 电压被放大后可以用示波器显示。

图2直探头和斜探头的基本结构

超声仪与示波器的连接方法见图3。示波器采用“外触发”工作方式，触发信号由超声仪触发给出。分别把信号检波输出和射频输出与示波器第一、第二通道输入口相连，或则根据需要只接其中一种输出方式。在进行实验时，需要适当设置超声波实验仪的衰减大小以及示波器的电压与时间灵敏度，使示波器上的波形清晰适中。

图3仪器连接示意图

五、实验步骤

1、调整仪器灵敏度：

试块放置字在下标尺在上，表面洒水，手持探头均匀用力使探头与试块有较

好的耦合，将探头放在试块无缺陷处调整灵敏度，调超声波实验仪衰减器在50dB 处左右；调整示波器使第一、二次底面回波B1,B2出现在5格、10格处，分别代表20mm、40mm深度，调Y放大使B1垂直高度2格。

2、数据记录

如图，探头①位置的XY坐标是0.5；0.5

探头②位置的XY坐标是3.0；0.5

探头③位置的XY坐标是0.5；3.0

探头④位置的XY坐标是3.0；3.0

记录回波在示波器的水平坐标，记录缺陷深度，以mm为单位。有时会同时出现不止一个回波，例如图3，前面的回波高于调整灵敏度时底波的高度（2格）时记录前面回波的水平坐标，否则记录后面的。

六、数据处理

下表为实验所得数据：

下图为经excel处理数据后所生成的的图像

七、思考题

怎样提高成像的精度？你有怎样的设想；用普通的直探头可以吗？斜探头可以做成像吗？

答：减小探头直径，增加测量点，提高仪器灵敏度，等等。

用普通直探头不行，因为精度太差。

斜探头不可做成像。定位很难。

八、注意事项

1. 超声仪的发射接口向外发射400V的高压脉冲，它只能与探头相连，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. 必须点滴耦合剂后，才能移动探头。

4. 实验完成后，必须擦干净试块上残余的耦合剂，否则会损坏试块。

5. 测量脉冲波的时间应采用“检波”信号，并以其前沿对应的时间为准。

6. 注意迟到波的干扰，所谓“迟到”是指：由于超声波是发散的，有一部分会被试块的壁

反射（甚至多次反射）后再到达我们要探测的缺陷，然后返回到探头。