超声波原理专题实验报告及论文

授课教师：王保军

学院：电气工程学院

专业：电气信息类(轨道牵引电气化)

班级：电气1109班

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目录

实验一.超声波的产生与传播............................................................................................. 3

一．实验方案............................................................................................................ 3

1.直探头延迟的测量........................................................................................... 3

2.脉冲波频率和波长的测量................................................................................. 3

3.波型转换的观察与测量.................................................................................... 4

4.折射角的测量.................................................................................................. 4

二．实验内容及要求................................................................................................. 5

1.测量直探头的延迟........................................................................................... 5

2.测量脉冲超声波频率和波长............................................................................. 5

3.波形转换的观察和测量.................................................................................... 5

4.验证斯特令定律（选做）................................................................................. 5

三．分析与思考........................................................................................................ 5

实验二.固体弹性常数的测量............................................................................................. 6

一．实验方案............................................................................................................ 6

1.声速的直接测量方法........................................................................................ 6

2.速的相对测量方法........................................................................................... 7

二．实验内容与要求................................................................................................. 8

1.测量直探头和斜探头的延迟............................................................................. 8

2.利用直探头测量铝试块的纵波声速................................................................... 8

3.利用斜探头测量铝试块的横波声速................................................................... 8

4.计算铝试块的杨氏模量和泊松系数................................................................... 8

三．分析与思考........................................................................................................ 8

实验三.超声波探测........................................................................................................... 8

一．实验方案..................................................................................................... 9

1.声束扩散角的测量........................................................................................... 9

2.直探头探测缺陷深度........................................................................................ 9

4.斜探头测量缺陷的深度和水平距离................................................................. 10

二．实验内容及要求................................................................................................ 11

1.测量直探头的扩散角...................................................................................... 11

2.探测CSK-IB试块中缺陷C的深度.................................................................. 11

3.探测CSK-IB试块中缺陷D的深度和距试块右边沿的距离.............................. 11

三． 分析与思考..................................................................................................... 11

超声波原理及应用科技小论文......................................................................................... 12

——超声波在工业及医学上的应用.................................................................................. 12

四．论述................................................................................................................. 12

2.临界角的测量................................................................................................ 14

五.结论.................................................................................................................... 15

3.超声波探测.................................................................................................... 16

六.扩展——超声波在工业及医学上的应用............................................................... 19

七、结语................................................................................................................. 22

八、参考文献.......................................................................................................... 22

 

实验一.超声波的产生与传播

一．实验方案

1.直探头延迟的测量

参照附录A连接JDUT-2型超声波实验仪和示波器。超声波实验仪接上直探头，并把探头放在CSK-IB试块的正面，仪器的射频输出与示波器第1通道相连，触发与示波器外触发相连，示波器采用外触发方式，适当设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电压范围与时间范围，使示波器上看到的波形如图1.7所示。

在图1.7中，S称为始波，t₀对应于发射超声波的初始时刻；B₁称为             图1.7直探头延迟的测量

试块的1次底面回波，t₁对应于超声波传播到试块底面，并被发射回来后，被超声波探头接收到的时刻，因此t₁对应于超声波在试块内往复传播的时间；B₂ 称为试块的2次底面回波，它对应于超声波在试块内往复传播到试块的上表面后，部分超声波被上表面反射，并被试块底面再次反射，即在试块内部往复传播两次后被接收到的超声波。依次类推，有3次、4次和多次底面反射回波。

从示波器上读出传播t₁和t₂，则直探头的延迟为

                 (1.6)

2.脉冲波频率和波长的测量

调节示波器时间范围，使试块的1次底面回波出现在示波屏的中央，脉冲波的振幅小于1V。测量两个振动波峰之间的时间间隔，则得到一个脉冲周期的振动时间t，则脉冲波的频率为f=1/t；已知铝试块的纵波声速为6.32mm/us，则脉冲波在铝试块中的波长为l=6.32t。

3.波型转换的观察与测量

把超声波实验仪换上可变角探头，参照图1 .8把探头放在试块上，并使探头靠近试块背面，使探头的斜射声束只打在R₂圆弧面上。适当设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电压范围                                     图1.8观察波型转换现象

与时间范围。改变探头的入射角，并在改变的过程中适当移动探头的位置，使每一个入射角对应的R₂圆弧面的反射回波最大。则在探头入射角由小变大的过程中，我们可以先后观察到回波B₁、B₂和B₃；它们分别对应于纵波反射回波、横波反射回波和表面波反射回波。

让探头靠近试块背面，通过调节入射角调，使能够同时观测到回波B₁和B₂（如图1.9），且它们的幅度基本相等；再让探头逐步靠近试块正面，则又会在B₁前面观测到一个回波b₁，

             

参照附录B给出铝试块的纵波声速与横波 声速，通过简单测量和计算，可以确定b、B₁和B₂对应的波型和反射面。

4.折射角的测量

确定B₁、B₂的波型后，可以分别测量纵波和横波的折射角。参照图1.10首先让把探头的纵波声束对正（回波幅度最大时为正对位置）CSK-IB试块上的横孔A，用钢板尺测量正对时探头的前沿到试块右边沿的距离L_A1；然后向左移动探头，再让纵波声束对正横孔B，并   测量距离L_B1。测量A和B的水平距离L和垂直距离H，则探头的折射角为：

              （1.7）

同样的方法可以测量横波的折射角b₂。

图1.10 折射角的测量

二．实验内容及要求

1.测量直探头的延迟

利用CSK-IB试块60毫米的厚度进行测量。多次测量，求平均值。

2.测量脉冲超声波频率和波长

利用CSK-IB试块40毫米厚度的1次回波进行测量；测量脉冲波4个振动周期的时间t，求其频率和波长。多次测量，求平均值。

3.波形转换的观察和测量

通过简单计算和测量，分析确定图1.9中b1、B1和B2对应的波型和反射面。

4.验证斯特令定律（选做）

利用CSK-IA钢试块，测量可变角探头在同一入射角下的纵波折射角和横波折射角。钢中纵波声速与横波声速，验证斯特令定律折射定律。已知可变角探头中有机玻璃纵波声速为2.73mm/s，试计算可变角探头的入射角数值。

三．分析与思考

实验二.固体弹性常数的测量

 

一．实验方案

1.声速的直接测量方法

根据公式（2.1），当利用确定反射体（界面或人工反射体）测量声速时，我们只需要测量该反射体的回波时间，就可以计算得到声速。而对于单个的反射体，得到的反射波如图2.1所示。能够直接测量的时间包含了超声波在探头内部的传播时间t₀，即探头的延迟。对于任何一种探头，其延迟只与探头本身有关，而与被测的材料无关。因此，首先需要测量探头的延迟，然后才能利用该探头直接测量反射体回波时间。

图2.1 纵波延迟测量

（1）直探头延迟测量（参看实验一）。

（2）斜探头延迟测量

参照图2.2把斜探头放在试块上，并使探头靠近试块正面，使探头的斜射声束能够同时入射在R1和R2圆弧面上。适当设置超声波实验仪衰减器的数值和示波器的电压范围与时间范围。在示波器上同时观测到两个弧面的回波B₁和B₂。测量它们对应的时间t₁和t₂。由于R₂=2R₂，因此斜探头的延迟为：

              (2.7)

（3）斜探头入射点测量（选做）

在确定斜探头的传播距离时，通常还要知道斜探头的入射点，即声束与被测试块表面的相交点，用探头前沿到该点的距离表示，又称前沿距离。

参照图2.2把斜探头放在试块上，并使探头靠近试块正面，使探头的斜射声束入射在R₂圆弧面上，左右移动探头，使回波幅度最大（声束通过弧面的圆心）。这时，用钢板尺测量探头前沿到试块左端的距离L，则前沿距离为：

                     (2.8)

图2.2 斜探头延迟和入射点测量

2.速的相对测量方法

如果被测试块有两个确定的反射体，那么通过测量两个反射体回波对应的时间差，再计算出试块的声速。这种方法称为声速的相对测量方法。

对于直探头，可以利用均匀厚度底面的多次反射回波中的任意两个回波进行测量。

对于斜探头，则利用CSK-IB试块的两个圆弧面的回波进行测量。

二．实验内容与要求

1.测量直探头和斜探头的延迟

利用CSK-IB试块60毫米厚度，采用相对测量方法测量直探头延迟；多次测量，求平均值。利用R1、R2圆弧面，采用相对测量方法测量斜探头延迟；多次测量，求平均值。

2.利用直探头测量铝试块的纵波声速

分别利用直接法和相对法测量。多次测量，求平均值。

3.利用斜探头测量铝试块的横波声速

分别利用直接法和相对法测量。多次测量，求平均值。

4.计算铝试块的杨氏模量和泊松系数

与理论值比较，分析误差产生原因。

三．分析与思考

实验三.超声波探测

一．实验方案

1.声束扩散角的测量

如图3.3所示，利用直探头分别找到BF1通孔对应的回波，移动探头使回波幅度最大，并记录该点的位置x₀及对应回波的幅度；然后向左边移动探头使回波幅度减小到最大振幅的一半，并记录该点的位置x₁；同样的方法记录下探头右移时回波幅度下降到最大振幅一半对应点的位置x₂；则直探头扩散角为：

           （3.2）

图3.3  探头扩散角的测量

对于斜探头，首先必须测量出探头的折射角b，然后利用测量直探头同样的方法，按下式计算斜探头的扩散角近似为：

            （3.3）

2.直探头探测缺陷深度

在超声波探测中，可以利用直探头来探测较厚工件内部缺陷的位置和当量大小。把探头按图3.4位置放置，观察其波形。其中底波是工件底面的反射回波。

图3.4 直探头探测缺陷深度

对底面回波和缺陷波对应时间（深度）的测量，可以采用绝对测量方法，也可以采用相对测量方法。利用绝对测量方法时，必须首先测量（或已知）探头的延迟和被测材料的声速，具体方法请参看实验二直探头延迟和声速的绝对测量方法。利用相对测量方法时，必须有与被测材料同材质试块，并已知该试块的厚度，具体方法请参看实验二直探头延迟和声速的相对测量方法。

4.斜探头测量缺陷的深度和水平距离

利用斜探头进行探测时，如果测量得到超声波在材料中传播的距离为S，则其深度H和水平距离L为：

           (3.4)

          (3.5)

其中b是斜探头在被测材料中的折射角。

要实现对缺陷进行定位，除了必须测量（或已知）探头的延迟、入射点外，还必须测量（或已知）探头在该材质中的折射角和声速。通常我们利用与被测材料同材质的试块中两个不同深度的横孔对斜探头的延迟、入射点、折射角和声速进行测量。

参看图3.5，A、B为试块中的两个横孔，让斜探头先后对正A和B，测量得到它们的回波时间tA、tB，探头前沿到横孔的水平距离分别为xA、xB，已知它们的深度为HA、HB，则有：                                                                    图3.5斜探头参数测量

                            (3.6)

                         (3.7)

折射角：                                       (3.8)

声速：                                  (3.9)

延迟：                                    (3.10)

前沿距离：                           (3.11)

二．实验内容及要求

1.测量直探头的扩散角

利用CSK-IB试块横孔A和B进行测量，画出声束图形。

2.探测CSK-IB试块中缺陷C的深度

利用直探头，采用绝对测量方法测量；多次测量，求平均值。

3.探测CSK-IB试块中缺陷D的深度和距试块右边沿的距离

先测量斜探头的延迟、入射点、折射角和声速，在探测缺陷。

三．分析与思考

超声波原理及应用科技小论文

       ——超声波在工业及医学上的应用

一．摘要：本文主要就超声波原理与应用专题实验过程进行的一些讨论和总结，并扩展到超声波在现实生活中的广泛应用。

二．关键字：超声波，产生，实验理论，应用。

三．背景：超声波是频率在2´10⁴Hz~10¹²Hz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。

      人们研究超声始于1830年，F. Savart曾用一个多齿轮，第一次人工产生了频率为2.4´10⁴Hz的超声；1912年Titanic客轮事件后，科学家提出利用超声预测冰山；1916年第一次世界大战期间P. Langevin领导的研究小组开展了水下潜艇超声侦察的研究，为声纳技术奠定了基础；1927年，R. W. Wood 和A. E. Loomis 发表超声能量作用实验报告，奠定功率超声基础；1929年俄国学者Sokolov提出利用超声波良好穿透性来检测不透明体内部缺陷，以后美国科学家Firestone使超声波无损检测成为一种实用技术。

      超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在海洋探查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。例如，在海洋应用中，超声波可以用来探测鱼群或冰山、潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探等。在检测中，利用超声波检验固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等。在医学中，可以利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描（B超诊断）和血流速度的测量（彩超诊断）等。

四．论述

定义：超声波是频率高于20000赫兹的声波；

超声波的种类和特点：由超声波的定义可知，超声波是一种声波，所以它具有波的性质，即反射和折射。波分为横波和纵波，超声波也不例外，所以超声波又分为纵波、横波除此之外还有一个表面波。实验中采用直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。超声波在界面上的反射、折射和波型转换满足如下斯特令折射定律：

1.波形转换：我们用一个可变角探头来研究它们的转换过程及临界角

第1步：把可变角探头的入射角调整为0，使超声波入射在试块两个圆弧R₁和R₂的下部边缘，观察反射回波，确定其波型（纵波）。横向移动探头，观察其位置如何变化。

第2步：增大可变角探头入射角，注意回波幅度的变化。当入射角达到某一值后，纵波的幅度会减小，在其后面又会出现两个回波，并且幅度不断增大，确定其波型（横波）。横向移动探头，观察其位置如何变化。

第3步：可变角探头入射角增加到某值时，纵波消失，只剩横波

第4步：可变角探头入射角继续增加，横波幅度减弱并消失，在此过程中又会出现两个回波，确定其波型（表面波）。用手指轻压试块表面，观察其幅值如何变化。

2.临界角的测量

第1步：按图，把探头放置在试块圆弧的圆心附近，找到R₂的反射回波最大的位置，用钢尺测量探头前沿到试块端点的距离L₁，确定斜探头的入射点                

第2步：把探头分别对准A，B两孔，找到最大反射回波。

第3步：求

第4步：通过  求入射纵波的入射角。

第5步：利用                            ，求   、   ，并比较  与    、    理解波形转换。

（在铝试块中的横波声速为3.10mm/ms，纵波声速为5.90mm/ms。）

3.描述超声波的两个重要参数：频率和波长。

测量一个脉冲波4个振动周期的时间t，频率 为         波长为               

五.结论

1.测声速（纵波声速和横波声速）

纵波声速：试块的厚度为L.

 

纵波声速为：C_L=   延迟为:

横波声速：两个圆弧的半径长分别为R₂和R₁

试块横波声速为：C_S=   延迟为：

2.测量试块的杨氏模量和泊松系数。

通过测量试块的纵波声速和横波声速可以计算试块的杨氏模量和泊松系数。

超声波速度与传播介质的弹性模量和密度有关，不同的介质，有不同的声速；并且当波型不同时，介质弹性形变形式不同，声速也不一样。

在各同向性固体介质中，各种波型的超声声速为：

纵波声速：                        

横波声速：                          

其中E为杨氏模量，σ为泊松系数，r为材料密度。

相应地，通过测量介质的纵波声速和横波声速，利用以上公式可以计算介质的弹性常数。计算公式如下：

杨氏模量：                              

泊松系数：                                  

其中：，为介质中纵波声速，为介质中横波声速，r为介质的密度。

3.超声波探测

1．直探头探测缺陷深度：

在超声波探测中，可以利用直探头来探测较厚工件内部缺陷的位置和当量大小。把探头按图1-8位置放置，观察其波形。其中底波是工件底面的反射回波。

                   图1-8直探头探测缺陷深度

本实验采用绝对探测法，绝对探测法是通过直接测量反射回波时间，根据声速计算出缺陷的深度。方法是：（1）在试块上仔细移动探头的位置找到钻孔（缺陷）的最大回波，这时示波器上缺陷波清楚明显，探头处于钻孔的中心线上，（2）调节示波器的分辨率，测量缺陷回波的时间，（3）利用己测得的声速计算钻孔的深度。

2、利用斜探头，探测CSK-IB试块中缺陷D的深度和距试块右边沿的距离。

   第1步：测量延迟1次。

  第2步：按图把探头放置在试块圆弧的圆心附近，找到R₂的反射回波最大的位置，用钢尺测量探头前沿到试块端点的距离L₁，确定斜探头的入射点    

  第3步：按图2，把探头分别对准A，B两孔，找到最大反射回波，求

  第4步： 斜探头测量声速                             

第5步： 找到D孔最大的回波位置L_D，测回波的时间  ，则

第6步：  则

第7步：最后   

测量直探头的扩散角q 。q越小，探头方向性越好，定位精度越高。

第1步：利用直探头分别找到A、B孔对应的回波，移动探头使回波幅度最大 ，并用钢尺测量该点的位置x₀及对应的回波的幅度；

第2步：向左边移动探头使回波幅度减小大最大幅度的一半，用钢尺测量该点的位置x₁；

第3步：同样的方法测量探头右移时回波幅度下降到最大幅度的一半时对应点的位置x₂。

则扩散角为：

实验中的注意事项：

（1）超声仪的发射接口向外发射400V的高压脉冲，因此它只能 与接收接口或探头相连，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）利用CSK-IB钢试块时，可以用水或机油作为耦合剂；利用CSK-IC铝试块时，必须用机油作为耦合剂。本实验为铝试块。

（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。并保持实验室卫生。

六.扩展——超声波在工业及医学上的应用

　　在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。赛福瑞家用超声治疗机属于超声波治疗学的运用范畴。

　　1.工业：水下定位与通讯、地下资源勘查等。

　　2.生物：剪切大分子、生物工程及处理种子等。

　　3.医学：A型、B型、M型、D型、双功及彩超、理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。

　　　在这里我们主要了解在工业上和医学上的应用。

工业自动化控制

　　利用声波反射、衍射、多普勒效应，制造超声波物位计、超声波液位计、超声波流量计等。

　　超声效应 当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应：

　　①机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化。

　　②空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。

　　③热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。

　　④化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。

　　超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：

①超声检验

　　　超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。

②超声处理

　　利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。

③超声波还可以进行雷达探测.清洗较为精细的物品，如钟表，可以利用超声波来击碎病人体内胆结石，还可以利用超声波测距.

医学

　　超声治疗学是超声医学的重要组成部分。超声治疗时将超声波能量作用于人体病变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。

　　　医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。

七、结语

     超声波实验具有比较严格实验步骤，又是一个比较细致的实验，因此，要求学生实验前进行必要的预习，熟悉实验步骤，了解仪器结构，掌握仪器调节方法，实验时要耐心调节，细心观察，相信做到这些就能得到正确的实验结果并掌握实验核心理论知识。

八、参考文献

《大学物理实验》——北京交通大学出版社