近代物理实验实验报告
超声实验
何昊东工物50
指导老师：王合英2017-3-9
【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
一、引言
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、实验原理与方法
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。
三、实验数据记录
由于本实验各项实验的数据之间相互关联，故在此将所有数据综合一起表示如下：
(1)
表1.直探头测量数据
铝钢孔位置声时/μs 孔位置/mm 声时/μs 左1 左1
左2 左2
左3 左3
右1 右1
右2 右2
右3 右3
(2)
表2. 斜探头测量数据
铝钢
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
四、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：
可以得到：
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。
图1
从图中可得：
直探头延迟：μs
斜探头延迟：μs
（2）测量斜探头横波折射角
不妨假设横波折射角为θ，如图2横波折射示意图可以看出，对于横波有：
图2.横波折射示意图
l
h )(tan ∆∆=
θ 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：
表5.横波折射角
（3）测量超声声速
. 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： )t0v
h
(
2t += 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图3所示：
横波折射角/tan(θ) 平均值/rad 钢 铝
图3.直探头t-h 图 从图中可得，
直探头纵波在铝中的波速为： m/s 直探头纵波在钢中的波速为： m/s . 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(v h
(
2t ）+⋅=θ
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：
图4.斜探头t-h 图
从图中可得，
斜探头横波在铝中的波速为：s
斜探头横波在钢中的波速为：s
（4）测量试块的弹性模量
根据弹性模量的计算公式：
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
（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：
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 λ=，可得：
表7.超声波长
横波波长/m 纵波波长/m 钢 *10^-3 *10^-3 铝
*10^-3
*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，模拟勘测图如图5：
图5.水下勘测模拟图
四、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。
五、参考文献
[1] 蒋危平,王务同 . 超声波探伤仪发展简史 . 无损检测NDT . ,vo19,: 1
[2] 杨理践，于振华，高松巍，水下超声波测距技术的研究，绿色质量工程-可靠性分析，。