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。
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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 Φ1mm 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，在示波器上可以测得两波对应的声时分别为 t1 和 t2，它们里面都包含有探头延迟 t0，这样通过联立方程计算，我们就可以得到探头延迟。
注意：由于斜探头上并未标明超声波入射点的位置，因此要得到折射角，必须测量图 13 所示的 l 值。请考虑为什么及如何测量？
直探头
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3.钢、铝二种材质中超声纵波速度和横波速度；并分别计算钢、铝二种固体材料的杨氏模量、体弹性模量和泊松比。
4.“探头和试块设置”中系统的频率，测量直探头发射的超声波的中心频率，探究本实验中超声发射的机理和决定探头振动频率的主要因素。利用测量到的频率计算纵波在铝和钢中的波长。
5.重复频率，分析重复频率对检测的影响及其和工作频率的关系。
6.超声扫描成像进行水下模拟观测，了解超声技术在水中探测和医疗领域的应用原理。
7.（选做）设计实验，测量探头的近场区长度和发散角，并分析它们对实验测量的影响。
(选做) 设计实验，测量较薄样品的厚度，分析超声波包宽度对薄样品厚度测量的影响。
（选做）设计实验，分析超声波型转换对测量和探伤的影响。
9.（选做）纵波测量时试块底面的两次回波信号之间是一系列衰减的波包，通过实验分析其产生原因和影响因素。
六、实验数据及处理分析 1 、仪器了解与原始实验数据处理：
直探头测量数据 钢 孔距离 距离/cm 声时 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
直探头测量数据 铝 孔距离 距离/cm 声时 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
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7
备注：由于在测量左边三个孔和右边三个孔时，为了方便测量，是将试块上下倒转之后再测的，因此在作差计算折射角时，只能左边孔的数据内部作差，右边孔的数据内部作差。
（3）超声波中心频率测得为2.49MHz （二）
实验数据处理
（ （1）
）
测量探头延迟 由声时t和缺陷位置h，探头延迟t0，声速v之间的关系：
) t0vh( 2 t
可以得到：
)ht h- (t 21t0
采用直线拟合法可以得到t-h图，其截距的一半即为探头的延迟。由于探头延迟与介质无关所以对于两种探头各自任取一组数据即可。
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从图中可得：
直探头延迟：0.26μs 斜探头延迟：3.19μs （2）测量斜探头横波折射角 不妨假设横波折射角为θ，如下图横波折射示意图可以看出，对于横波有：
lh) ( tan
该式中，∆h已知，∆l则根据之前斜探头数据中“斜探头位置一栏数据做差得到。”采用多次测量求平均的方法可得横波折射角：
横波折射角/tan(θ) 平均值/rad 钢 0.92 1.13 1.00 0.82 0.765 铝 0.92 1.43 1.17 0.90 0.825 y = 0.3368x + 0.5212 R² = 1 05101520253035400 20 40 60 80 100 120直探头延迟 y = 0.8832x + 6.2789 R² = 0.9993 0204060801001200 20 40 60 80 100 120斜探头延迟
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（3）测量超声声速 3.1. 纵波波速
由于直探头发出的超声波在界面上不会发生折射，所以直探头发出的全为纵波。
对于直探头，由声时t和缺陷位置h，探头延迟t0，声速v之间的关系：
) t0vh( 2 t
可知t-h图拟合直线的斜率的一半的倒数即为所求声速，各介质中直探头拟合直线图如下图所示：
从图中可得：
直探头纵波在铝中的波速为：6369.43 m/s 直探头纵波在钢中的波速为：5938.24 m/s 3.2. 横波波速 对于斜探头由声时t和缺陷位置h，探头延迟t0，声速v，折射角θ之间的关系：
) t0) sin( vh( 2 t ）
可知t-h图拟合直线的斜率的一半的倒数再除以sin(θ)即为所求声速，各介质中斜探头拟合直线图如图4所示：
y = 0.3368x + 0.5212 R² = 1 y = 0.314x + 0.5017 R² = 1 05101520253035400 20 40 60 80 100 120纵波t-h图 钢 铝 线性 (钢) 线性 (铝) y = 0.8832x + 6.2789 R² = 0.9993 0204060801001200 20 40 60 80 100 120斜探头延迟 钢 铝 线性 (钢)
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从图中可得：
斜探头横波在铝中的波速为：3057.57m/s 斜探头横波在钢中的波速为：3269.85m/s （ （4）
）
测量试块的弹性模量 根据弹性模量的计算公式：
1) 4 3 (22 2TT cEs
) 1 ( 2222TT
)34(2 2 T c ks
其中
slccT
将所求出的各介质中的波速带入即可解得：
表6.试块弹性参数
E/GPa
σ
K/GPa
钢
216
0.28
166
铝
68
0.35
76
（5）测量试块中的超声波长 调节示波器的显示范围使得波包展开，截取波包即可测量得到超声频率。为：2.49Mhz 关于中心频率：在测量探头的中心频率时，发现了这样一个事实，即无论怎样改变程序中参数设定里的工作频率，所测得的探头的中心频率其实是不会变的。也就是说，探头的中心频率应当是仪器本身的一个固定特性。经查证，决定中心频率的是压电晶片的厚度。
关于重复频率：重复频率又称脉冲重复频率（PRF），是指探头在一秒内发出脉冲的次数。重复频率的适当选择有助于进行精确的探伤。因为探头在移动的过程中，超声波信号是间断发射的，如果移动的速度过快（特别对于自动化检测设备，探头的扫查速度可以高达500mm/s）而PRF太低，可能会造成探头划过某处缺陷时，还没有超声波“照射”到缺陷，造成漏检。而如果PRF过高就会发生另一种情况：仪器第一次发射的超声波还没有被探头接收到，就接着发出了第二次、第三次超声波，结果第一次超声波的回波也许夹杂在了第二次激发后，这样仪器会在信号处理时发生逻辑混乱，在显示屏上无规律的显示回波跳动，对检测造成干扰。
根据波长λ和频率f，波速v的关系：
f v ，可得超声波长如下：
横波波长/m
纵波波长/m
钢
1.24*10^-3
2.26*10^-3
铝
1.16*10^-3
2.42*10^-3
从结果可以看出，试块与超声的波长相比为无穷大，故可以忽略近场波的影响。
（6）超声水下勘测模拟 将水浸式直探头浸入到液体中，设置好闸门位置，转动转动手柄即可，模拟勘测图如下：
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结论：
本实验在CSS-1超声扫描成像仪下利用超声传播的规律和材料的弹性参数与波速的规律，利用线性拟合和多次测量求平均值的方法获得了各种超声探头的延迟，折射角度，波速波长，介质弹性参数并模拟了超声水下勘测，验证了超声在工业探伤和水下勘测中的重要作用，也深刻地理解了成像仪的工作原理，熟悉了它的适用方法。
七、参考文献 [1] 应崇福 主编 《超声学》 科学出版社（1990）
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