超声波实验

FD-UDE-AA类超声实验********大学学号：********姓名：***学院：****专业：物理学实验时间：2015.5.808:00~11:30【实验目的】1．了解超声波产生和发射的机理2．用A类超声实验仪测量水中声速或测量水层厚度3．用A类超声实验仪测量固体厚度及超声无损探伤【实验原理】超声波是指频率高于20KHz的声波，与电磁波不同，它是弹性机械波，不论材料的导电性、导磁性、导热性、导光性如何，只要是弹性材料，它都可以传播进去，并且它的传播与材料的弹性有关，如果弹性材料发生变化，超声波的传播就会受到干扰，根据这个扰动，就可了解材料的弹性或弹性变化的特征，这样超声就可以很好地检测到材料特别是材料内部的信息，对某些其它辐射能量不能穿透的材料，超声更显示出了这方面的实用性。与X射线、γ射线相比，超声的穿透本领并不优越，但由于它对人体的伤害较小，使得它的应用仍然很广泛。产生超声波的方法有很多种，如热学法、力学法、静电法、电磁法、磁致伸缩法、激光法以及压电法等等，但应用得最普遍的方法是压电法。压电效应：某些介电体在机械压力的作用下会发生形变，使得介电体内正负电荷中心相对位移以致介电体两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与压力成正比，这种由“压力”产生“电”的现象称为正压电效应；反之，如果将具有压电效应的介电体置于外电场中，电场会使介质内部正负电荷中心位移，从而导致介电体发生形变，这种由“电”产生“机械形变”的现象称为逆压电效应，逆压电效应只产生于介电体，形变与外电场呈线性关系，且随外电场反向而改变符号。压电体的正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。如果对具有压电效应的材料施加交变电压，那么它在交变电场的作用下将发生交替的压缩和拉伸形变，由此而产生了振动，并且振动的频率与所施加的交变电压的频率相同，若所施加的电频率在超声波频率范围内，则所产生的振动是超声频的振动，我们把这种振动耦合到弹性介质中去，那么在弹性介质中传播的波即为超声波，这利用的是逆压电效应。若利用正压电效应，可将超声能转变成电能，这样就可实现超声波的接收。超声探头：把其它形式的能量转换为声能的器件，亦称为超声波换能器。在超声波分析测试中常用的换能器既能发射声波，又能接收声波，我们称之为可逆探头。在实际应用中要根据需要使用不同类型的探头，主要有：直探头，斜探头，水浸式聚焦探头，轮式探头，微型表面波探头，双晶片探头及其它型式的组合探头等。本实验仪器采用的是直探头。超声波的分类。按振动质点与波传播方向的关系可分为纵波和横波：当介质中质点振动方向与超声波的传播方向平行时，称为纵波；当介质中质点振动方向与超声波传播方向垂直时，称为横波。按波阵面的形状可分为球面波和平面波。按发射超声的类型可分为连续波和脉冲波。本实验仪器直探头发出来的是纵波、平面波、脉冲波，脉冲频率为2.5MHz。超声的衰减。超声在介质中传播时，其声强将随着距离的增加而减弱。衰减的原因主要有两类，一类是声束本身的扩散，使单位面积中的能量下降。另一类是由于介质的吸收，将声能转化为热能，而使声能减少。超声波的反射。如果介质的声阻抗相差很大，比如说声波从固体传至固／气或从液体传至液／气界面时将产生全反射。因此可以认为声波难以从固体或液体中进入气体。超声回波信号的显示方式。主要有幅度调制显示（A型）和亮度调制显示及两者的综合显示，其中亮度调制显示按调制方式的不同又可分为B型、C型、M型、P型等。A型显示是以回波幅度幅度的大小表示界面反射的强弱，即在荧光屏上以横坐标代表被测物体的深度，纵坐标代表回波脉冲的幅度，横坐标有时间或距离的标度，可借以确定产生回波的界面所处的深度。本实验仪器采用的显示方式即A型。超声的生物效应。机械效应、温热效应、空化效应、化学效应等，以上几种效应对人体组织有一定的伤害作用，必须重视安全剂量。一般认为超声对人体的安全阈值为1002/cmmW。本仪器小于102/cmmW，可安全使用。【实验仪器】该实验主要由FD-UDE-A型A类超声实验仪主机、数字示波器（选配）、有机玻璃水箱、金属反射板、探头及接线两根、Q9线一根、样品架（铝、铁、铜、有机玻璃、冕玻璃和带缺陷铝柱按高度不同各配有2个，总共12个样品）组成。如图1所示：图1A类超声实验装置其中实验主机面板如图2所示：上海复旦天欣科教仪器有限公司FD-UDE-AA类超声实验仪脉冲信号设定us复位选择增加减小电源接示波器超声探头示波器探头超声波探测器A接示波器超声探头示波器探头超声波探测器B２３４５６７８１０９１１1图2A类超声实验仪主机面板面板示意图1．复位2．减小减小同步信号（扫描信号）的低电平持续时间3．增加增加同步信号（扫描信号）的低电平持续时间4．选择工作模式选择a为A路，b为B路，c为双路5．示波器探头（A路）：接示波器CH1或CH2通道6．接示波器（A路）：接示波器的EXT通道，同步性好的数字示波器可以不接此线7．超声探头（Ａ路）：接超声探头8．示波器探头（Ｂ路）：接示波器CH1或CH2通道9．接示波器（Ｂ路）：接示波器的EXT通道，同步性好的数字示波器可以不接此线10.超声探头（Ｂ路）：接超声探头11.电源开关主机内部工作原理见下面框图：本仪器做成了双路输出（A路和B路），两路信号一样，实验时可任选一路完成实验。以A路信图3主机内部工作原理框图号为例解释仪器的工作原理：主机内由单片机控制同步脉冲信号与A（或B）路信号同步。在同步脉冲信号的上升沿，电路发出一个高速高压脉冲Ａ至换能器，这是一个幅度呈指数形式减小的脉冲。此脉冲信号有两个用途：一是作为被取样的对象，在幅度尚未变化时被取样处理后输入示波器形成始波脉冲；二是作为超声振动的振动源，即当此脉冲幅度变化到一定程度时，压电晶体将产生谐振，激发出频率等于谐振频率的超声波（本仪器采用的压电晶体的谐振频率点是MHz5.2）。第一次反射回来的超声波又被同一探头接收，此信号经处理后送入示波器形成第一回波，根据不同材料中超声波的衰减程度、不同界面超声波的反射率，还可能形成第二回波等多次回波。见下图所示。第一回波始波第二回波图4示波器上观察到的回波波形由仪器工作原理可知，始波脉冲产生的时刻并非超声波发出的时刻，超声波发出的时刻要延迟约0.5S，所以实验时应该尽可能取第一回波到第二回波这个时间差作为测量结果，以减小实验误差。【实验步骤】同步信号Ａ高压脉冲同步脉冲至EXT激发2.5MHz振荡，换能器发射超声波，接收反射波发射、接收信号取样处理示波器至CH1或CH2Ｂ高压脉冲激发2.5MHz振荡，换能器发射超声波，接收反射波发射、接收信号取样处理至CH1或CH21．准备工作：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。探头另一端与仪器A路（或B路，以下同）“超声探头”相接。“示波器探头”左边搭口与Q9线的输出端相连，右边搭口与Q9线的地端相连。这根Q9线的另一端与示波器的CH1或CH2相连。如果示波器的同步性能不稳，可以再拿一根Q9线将仪器的“接示波器”头与示波器的“EXT”相连，以此同步信号作为示波器的外接扫描信号。2．打开机箱电源，按“选择”键选择合适的工作状态，a为A路工作，b为B路工作，c为两路一起同步工作（很少用）。“脉冲信号设定”中的“增加”和“减少”按钮是设定同步脉冲信号（也即外部扫描信号）的低电平持续时间，出厂设置已满足一般的实验要求，可以不动。3．将金属挡板放在水箱中的不同位置，测出每个位置下超声波的传播时间，可每隔5cm测一个点，将结果作2/tX的线性拟合，根据拟合系数求出水中的声速，与理论值比较。注意实验时有时能看到水箱壁反射引起的回波，应该分辨出来并且舍弃之。4．测定样品架上不同材料，不同高度的样品中超声波传播的速度（选做）。在样品表面上涂上耦合剂（如甘油），测出第一回波到第二回波的时间差，量出样品高度，算出速度。注意：（1）由于样品中材料不纯，所测值可能与理论值有较大偏差。（2）有些材料由于吸收超声波的能力较强或者材料/空气界面反射太弱，没有第二回波，此时只好取始波到第一回波的时间差作为估测。5．超声探伤（选做）。缺陷回波始波第一回波t1XD样品图5超声探伤原理图测出始波到缺陷引起的回波的时间差1t，始波到第一回波的时间差2t，样品的总长度D，根据公式Dttx21算出缺陷位置。有两个有缺陷的铝样品可供实验。【实验数据】（注：此实验数据仅供参考，不作为仪器验收标准。）表1水箱中金属挡板在不同位置时超声波传播的时间X/cmX/mt/St/2(S)t/2(S)0025.612.851028.150.059346.551065.4100.1015979.551095.7150.15225112.5410125.1200.20292.5146.254104625.1250.25359179.5410795.1作2/tX的线性拟合X-t/2-0.0500.050.10.150.20.250.300.000050.00010.000150.0002t/2(s)X/(m)图62/tX关系图线性拟合出的公式为0194.022.1501tX，斜率就是水中超声波的传播速度，为1501.2m/s。水在25℃时超声波声速约1500m/s，实测值与理论值误差小于3%。实验数据：1、超声探测声波在水中的传播速度