超聲實驗
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【摘要】
超聲學是一門主要研究超聲的產生方法和探測技術、超聲在介質中的傳播規律、超聲與物質的相互作用，包括在微觀尺度的相互作用以及超聲的眾多應用的學科。本實驗利用超聲在介質中的傳播規律測量了超聲探頭的延遲時間、橫波在不同介質中傳播的折射角和縱、橫波在不同介質中的傳播速度，并利用測量得到的傳播速度求出了不同介質的彈性模量和泊松比。最后利用超聲測距的原理模擬了超聲水下勘測，了解了超聲在水下勘測和醫療中的作用。
【關鍵詞】
超聲，水下勘測，彈性模量
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一、實驗背景 超聲的研究和發展與媒質中超聲的產生和接收的研究密切相關。
自1883年人類首次制成超聲氣哨，這一類機械型超聲換能器在不斷改進后至今仍廣泛地應用于流體媒質的超聲應用當中。
20世紀初，隨著電子學的發展人們發現了一些晶體材料的壓電效應和磁致伸縮效應，1917年，法國人朗之萬利用天然石英晶體制成了第一個夾心式超聲換能器用來探查海底的潛艇。隨著軍事和國民經濟各部門中超聲應用的不斷發展，又出現更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動型、電磁力型、靜電型換能器等多種超聲換能器。
隨著材料科學的發展，機電耦合系數高、價格低廉、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導體以及塑料壓電薄膜等材料的出現使得產生和檢測超聲波的頻率，由幾十千赫提高到上千兆赫，波型也由單純的縱波擴大為橫波、扭轉波、彎曲波、表面波等。超聲學的一個發展方向便是不斷的提高超聲的頻率，利用超高頻超聲聲子來進行物質結構方面的等基礎研究。
同時，近10年來隨著計算機圖像學的迅猛發展，超聲由于其具有的對身體無創傷，機器技術門檻低，檢查費用低廉等優勢，超聲診斷也隨之發展起來，并被廣泛地應用于工業機械探傷和醫療診斷方面。此外，超聲潔牙器、超聲洗碗機等產品也相繼問世。超聲技術已經越來越多地出現在我們生活的方方面面。
本實驗通過學習用超聲法來測量固體介質常用參數的方法，學習超聲掃描成像技術的應用，來促進對超聲波產生和發射的機理，以及聲探頭的結構及作用的了解，并通過讀取超聲信號的波形圖鍛煉讀圖分析的能力，激發學生在超聲探測和成像應用及其信號處理方面的興趣和思考。
二、實驗原理 本實驗的主要器材是CSS-1超聲波掃描成像儀。該掃描成像儀由超聲卡，A/D卡和計算機以及配套的探頭組成，其中超聲卡產生100~400V高壓電脈沖激勵，探頭的壓電晶片在脈沖激勵下發出超聲波，同時也將回波信號轉化為電信號發送給A/D卡，A/D卡對模擬量進行二進制編碼，同時產生協調聲卡與A/D卡的同步信號，最終由計算機對數字信號進行顯示。
實驗時首先在試塊上涂抹機油使探頭與試塊緊密耦合，然后在試塊上移動探頭獲得由小孔產生的回波信號，根據已知的孔的深度與測得的回波時間求得直探頭與斜探頭的探頭延遲，再求解得到超聲在不同介質中的傳播速度。
測量斜探頭的折射角時首先將探頭對準小孔，移動探頭找到不同小孔的回波并記錄移動間距，即可求解得到折射角。再根據以上數據和波速與彈性模量的關系即可求出試塊的彈性模量。
測量超聲的波長時，可以減小電腦的顯示范圍，使得波包展開，即可測得超聲的頻率，再由波速即可算出超聲在不同試塊中的波長。
超聲水下勘測模擬時，首先將閘門調節到大致深度，并處于樣品的左上角，切換到水下勘測模式，換用水浸式直探頭，轉動手柄即可。
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圖 9 超聲波分析測試儀工作原理 三、實驗儀器設備 實驗使用的是一臺數字智能化的“超聲波分析測試儀”。它主要有主機，超聲波發射接收卡，A/D 轉換卡和超聲波換能器（探頭）；超聲波卡和 A/D 卡在使用時，是插在微機 ISA 插槽中。
超聲波分析測試儀工作原理示意圖如圖 9 所示。主機是一臺微處理機，它是整個系統的樞紐，由它完成系統的控制操作、數據采集、數據存儲和數據的分析處理。超聲卡實現超聲波發射和接收功能，發射功能：產生 100-400V 高壓電脈沖，激勵探頭上的壓電晶片發出超聲波；接收功能：把經探頭聲電轉換而得到的微弱電信號，經三級頻帶放大和視頻放大輸至 A/D 卡輸入接口。A/D 卡或 A/D 轉換器就是一個編碼器，它對輸入模擬量進行二進制編碼，輸出一個與模擬量大小成一定比例關系的數字量。A/D 轉換實現了超聲波接收信號的數字化。利用計算機強大的控制功能和高速運算功能對數字信號進行數字處理可以實現超聲波分析測試智能化。
探頭有：縱波直探頭，橫波斜探頭，水浸式聚焦探頭。測試試塊：本實驗中作用的試塊為鉆有６個 Φ1mm 橫通孔鋼和鋁試塊各一塊。尺寸如圖 10 所示。
圖 10 試塊的尺寸(mm) 超聲測量水槽和若干掃描成像試塊用于模擬水下地貌測繪、水下地殼掃描、水下地藏勘測。探頭和試塊之間所用耦合劑為機油。
在實驗中，我們利用脈沖反射方法進行測量，儀器首先產生一個高壓負脈沖激勵超聲波換能器，換能器則產生一個有一定周期的波包，該波包在材料中傳播遇到缺陷或障礙物時發生反射，反射波被同一個換能器接收，通過儀器顯示在示波器上，如圖 11 所示。在示波器上顯示的波包的振幅正比于接收到聲波的聲壓，而波包的波峰對應的時間為超聲波從發射到被接收在探頭內部和材料中的傳播時間。
4
圖 11
測量聲速及探傷原理示意圖
圖 12 探頭的擴散和衰減 在實驗中，由于探頭聲源的尺寸（晶片大小）相對于實驗采用的超聲波波長不是足夠大，因此探頭發射的超聲波不是嚴格的平面波，并且聲束呈發散狀，如圖 12 所示，因此在聲波傳播方向上，聲壓隨聲程的增大而減小；而在垂直聲波傳播方向上，聲束中心軸線上聲壓最大。當聲程足夠大，聲波可以看成按球面波規律傳播，在分析測試中，聲程由反射回波波幅的最大點對應的聲程確定。
本儀器是基于微機的分析測試設備，其操作使用是通過軟件界面實現的。軟件界面的操作和使用請參考儀器的操作說明。
四、實驗目的 1.了解超聲波產生和發射的機理；
2.了解超聲探頭的結構及作用；
3.學習用超聲法來測量固體介質常用參數的方法；
4.學習超聲掃描成像技術的應用。
五、實驗內容、步驟 1.了解儀器的軟件操作界面和界面中各個功能的意義；利用超聲探傷的原理探測試塊中的橫孔位置，分析示波器界面上各回波對應試塊中反射面的位置。
2.了解探頭結構及直探頭和斜探頭的異同；測量直探頭和斜探頭的延遲及斜探頭在不同材質中的折射角。
實驗中可以采用橫孔人工反射體測量探頭的延遲及折射角。設探頭的延遲為 t0，兩個橫孔的深度(已知)分別是 H1 和 H2，在示波器上可以測得兩波對應的聲時分別為 t1 和 t2，它們里面都包含有探頭延遲 t0，這樣通過聯立方程計算，我們就可以得到探頭延遲。
注意：由于斜探頭上并未標明超聲波入射點的位置，因此要得到折射角，必須測量圖 13 所示的 l 值。請考慮為什么及如何測量？
直探頭
5
3.鋼、鋁二種材質中超聲縱波速度和橫波速度；并分別計算鋼、鋁二種固體材料的楊氏模量、體彈性模量和泊松比。
4.“探頭和試塊設置”中系統的頻率，測量直探頭發射的超聲波的中心頻率，探究本實驗中超聲發射的機理和決定探頭振動頻率的主要因素。利用測量到的頻率計算縱波在鋁和鋼中的波長。
5.重復頻率，分析重復頻率對檢測的影響及其和工作頻率的關系。
6.超聲掃描成像進行水下模擬觀測，了解超聲技術在水中探測和醫療領域的應用原理。
7.（選做）設計實驗，測量探頭的近場區長度和發散角，并分析它們對實驗測量的影響。
(選做) 設計實驗，測量較薄樣品的厚度，分析超聲波包寬度對薄樣品厚度測量的影響。
（選做）設計實驗，分析超聲波型轉換對測量和探傷的影響。
9.（選做）縱波測量時試塊底面的兩次回波信號之間是一系列衰減的波包，通過實驗分析其產生原因和影響因素。
六、實驗數據及處理分析 1 、儀器了解與原始實驗數據處理：
直探頭測量數據 鋼 孔距離 距離/cm 聲時 t/μs 右 1 20.00
3.92
左 1 60.00
10.64
右 2 100.00
17.36
左 2 140.00
24.30
右 3 180.00
30.91
左 3 220.00
37.74
直探頭測量數據 鋁 孔距離 距離/cm 聲時 t/μs 左 1 20.00
3.77
右 1 60.00
10.12
左 2 100.00
16.40
右 2 140.00
22.62
左 3 180.00
28.95
右 3 220.00
35.29
6
7
備注：由于在測量左邊三個孔和右邊三個孔時，為了方便測量，是將試塊上下倒轉之后再測的，因此在作差計算折射角時，只能左邊孔的數據內部作差，右邊孔的數據內部作差。
（3）超聲波中心頻率測得為2.49MHz （二）
實驗數據處理
（ （1）
）
測量探頭延遲 由聲時t和缺陷位置h，探頭延遲t0，聲速v之間的關系：
) t0vh( 2 t
? ?
可以得到：
)ht h- (t 21t0???
采用直線擬合法可以得到t-h圖，其截距的一半即為探頭的延遲。由于探頭延遲與介質無關所以對于兩種探頭各自任取一組數據即可。
8
從圖中可得：
直探頭延遲：0.26μs 斜探頭延遲：3.19μs （2）測量斜探頭橫波折射角 不妨假設橫波折射角為θ，如下圖橫波折射示意圖可以看出，對于橫波有：
lh) ( tan??? ?
該式中，?h已知，?l則根據之前斜探頭數據中“斜探頭位置一欄數據做差得到。”采用多次測量求平均的方法可得橫波折射角：
橫波折射角/tan(θ) 平均值/rad 鋼 0.92 1.13 1.00 0.82 0.765 鋁 0.92 1.43 1.17 0.90 0.825 y = 0.3368x + 0.5212 R² = 1 05101520253035400 20 40 60 80 100 120直探頭延遲 y = 0.8832x + 6.2789 R² = 0.9993 0204060801001200 20 40 60 80 100 120斜探頭延遲
9
（3）測量超聲聲速 3.1. 縱波波速
由于直探頭發出的超聲波在界面上不會發生折射，所以直探頭發出的全為縱波。
對于直探頭，由聲時t和缺陷位置h，探頭延遲t0，聲速v之間的關系：
) t0vh( 2 t
? ?
可知t-h圖擬合直線的斜率的一半的倒數即為所求聲速，各介質中直探頭擬合直線圖如下圖所示：
從圖中可得：
直探頭縱波在鋁中的波速為：6369.43 m/s 直探頭縱波在鋼中的波速為：5938.24 m/s 3.2. 橫波波速 對于斜探頭由聲時t和缺陷位置h，探頭延遲t0，聲速v，折射角θ之間的關系：
) t0) sin( vh( 2 t ）
???? 可知t-h圖擬合直線的斜率的一半的倒數再除以sin(θ)即為所求聲速，各介質中斜探頭擬合直線圖如圖4所示：
y = 0.3368x + 0.5212 R² = 1 y = 0.314x + 0.5017 R² = 1 05101520253035400 20 40 60 80 100 120縱波t-h圖 鋼 鋁 線性 (鋼) 線性 (鋁) y = 0.8832x + 6.2789 R² = 0.9993 0204060801001200 20 40 60 80 100 120斜探頭延遲 鋼 鋁 線性 (鋼)
10
從圖中可得：
斜探頭橫波在鋁中的波速為：3057.57m/s 斜探頭橫波在鋼中的波速為：3269.85m/s （ （4）
）
測量試塊的彈性模量 根據彈性模量的計算公式：
1) 4 3 (22 2???TT cEs?
) 1 ( 2222???TT?
)34(2 2? ? T c ks?
其中
slccT ?
將所求出的各介質中的波速帶入即可解得：
表6.試塊彈性參數
E/GPa
σ
K/GPa
鋼
216
0.28
166
鋁
68
0.35
76
（5）測量試塊中的超聲波長 調節示波器的顯示范圍使得波包展開，截取波包即可測量得到超聲頻率。為：2.49Mhz 關于中心頻率：在測量探頭的中心頻率時，發現了這樣一個事實，即無論怎樣改變程序中參數設定里的工作頻率，所測得的探頭的中心頻率其實是不會變的。也就是說，探頭的中心頻率應當是儀器本身的一個固定特性。經查證，決定中心頻率的是壓電晶片的厚度。
關于重復頻率：重復頻率又稱脈沖重復頻率（PRF），是指探頭在一秒內發出脈沖的次數。重復頻率的適當選擇有助于進行精確的探傷。因為探頭在移動的過程中，超聲波信號是間斷發射的，如果移動的速度過快（特別對于自動化檢測設備，探頭的掃查速度可以高達500mm/s）而PRF太低，可能會造成探頭劃過某處缺陷時，還沒有超聲波“照射”到缺陷，造成漏檢。而如果PRF過高就會發生另一種情況：儀器第一次發射的超聲波還沒有被探頭接收到，就接著發出了第二次、第三次超聲波，結果第一次超聲波的回波也許夾雜在了第二次激發后，這樣儀器會在信號處理時發生邏輯混亂，在顯示屏上無規律的顯示回波跳動，對檢測造成干擾。
根據波長λ和頻率f，波速v的關系：
f v ? ? ，可得超聲波長如下：
橫波波長/m
縱波波長/m
鋼
1.24*10^-3
2.26*10^-3
鋁
1.16*10^-3
2.42*10^-3
從結果可以看出，試塊與超聲的波長相比為無窮大，故可以忽略近場波的影響。
（6）超聲水下勘測模擬 將水浸式直探頭浸入到液體中，設置好閘門位置，轉動轉動手柄即可，模擬勘測圖如下：
11
結論：
本實驗在CSS-1超聲掃描成像儀下利用超聲傳播的規律和材料的彈性參數與波速的規律，利用線性擬合和多次測量求平均值的方法獲得了各種超聲探頭的延遲，折射角度，波速波長，介質彈性參數并模擬了超聲水下勘測，驗證了超聲在工業探傷和水下勘測中的重要作用，也深刻地理解了成像儀的工作原理，熟悉了它的適用方法。
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