超声波专题

超声波专题实验论文报告专业：交通运输（城市轨道交通）姓名：郑庭月学号：11253028摘要：介绍三次超声波专题实验原理及方法，总结了做本专题实验的经验和注意事项，提出了一些改进方法，特别就超声波和激光的一些性质进行了对比分析，并对相关技术的实际应用前景进行了总结和展望。关键词：超声波专题实验总结扩展应用绪论：超声波是频率在Hz以上的声波，它本质上也是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量和动量的传播形式。由于频率高、波长短,在传播过程中具有方向性好、能量大、穿透能力强、引起空化作用等特有的性质，超声波在海洋探查与开发、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。一、背景从1830年，F·Savart用齿轮第一次产生4104.2HZ的超声到1876年F·Galton用气哨产生了4103Hz的超声，再到科学家郎之万和他的朋友利用当时已出现的功率很大的放大器和石英压电晶体结合起来、能向水下发射几十千赫兹的超声波，成功的将超声波应用到实际中。一直到19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。二、理论与实验方法1、超声波性质超声波是一种弹性振动波，与电磁波、光波等不一样，只要是具有弹性的材料，它都可以传播进去；超声波的某些传播性质与材料的弹性有关，如果材料的弹性性质有所改变。超声波的传播情况就会受到扰动，根据这种扰动的情况，可以了解材料内部结构的情况，超声波具有反映物件内部弹性和弹性变化的特征，据此可以检测密度、成分以至分子组成、晶体结构；当行进中的超声波遇到两种物质大的分界面时，由于声速的不同，按照波动的规律就发生反射和折射，检测材料内部的分界面、空洞、裂缝、突人杂质等就是这个原理；当超声波以一定的入射角从声速低的物质进入声速高的物质时，有波型转换现象出现，这是固体材料中特有的现象，利用这个特点可以用纵波产生横波及表面波。2、超声波的产生与传播以及固体弹性常数测量超声波的产生与传播：能将其它形式的能量转换成超声振动能量的方式都可以用来发生超声波。例如压电效应、磁致伸缩效辱、电磁声效应和机械声效应等。本实验采用压电效应，用超声波探头（直探头、斜探头、可变角探头）产生脉冲电压。当超声波探头产生脉冲声波后，通过耦合剂进入介质。如果在传播的路径上遇到介质畸变，如人工反射体、介质界面等，则部分声波会沿原来的路径反射回去，被探头所接收。接收到的超声信号被探头转换成电信号，通过相关电路放大后输出，在示波器上以射频方式或检波方式显示出来。脉冲波在示波器扫描线上的位置对应于超声波在探头与反射体之间的往复传播的时间，通过及等公式即可计算出直斜探头延迟与横纵波声速等相应值。通过调节可变角探头的角度，观察各种波形之间的转换，加深对超声波横纵波的理解认识。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。杨氏模量：1)43(222TTcES泊松系数：)1(2222TT其中：SLccT=arctan也可以测出斜探头的折射角3、超声波的探测与成像基本原理：超生探头发射能量的指向与探头的几何尺寸和波长有直接关系。找到相应孔对应回波最大值，通过最大值找到回波振幅为最大值的一半，记录位置。利用公式=2arctan()=可求得声速扩散角。利用直探头探测缺陷C的深度：=探测试块中缺陷C的深度及距离试块右侧的距离：；折射角；声速C=；延迟=；前沿距离D孔深度D孔离试块边缘的距离•tan三、总结与扩展(1)、超声波实际应用：超声波独特的性质让其在多个领域发挥着无可取代的作用。超声加工和处理技术是利用高强度的超声波来改变物质的性质和状态的技术。超声钻孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚、萃取、催化等都是这类技术中的典型应用。超声检测与控制技术是利用较弱的超声波来进行各种检验和测量，必要时可以进行自动控制的技术。超声通过一些实质性器官，会发生形态及强度各异的反射。声束通过肿瘤组织，声能的吸收和衰减现象也比较明显。由于人体组织器官的生理、病理及解剖情况的不同，对超声波的反射、折射和吸收衰减也各不相同。超声诊断就是根据这些反射信号的多少、强弱、分布规律来判断各种疾病。超声在医药学的各个领域，诸如基础医学、临床医学的诊断和治疗、制药业、微生物学、卫生学及外科、口腔科等，都有应用，并取得飞速发展，从而产生了超声医学这一分支学科。（2）、实验注意事项：1、注意放置试块以及探头的方向和位置，尤其是斜探头，按照书中例图放置斜探头，否则可能得不到信号或是错误信号。2、如果探头在试块上滑动没有回波或是回波不稳定，可调节衰减值以及在试块表面多加点水；若找不到始波，可通过复原程序得到找到。3、在固体弹性常数的测量实验中，注意把分清楚横波、纵波、表面波。4、在寻找小孔反射波时，要将之和类似的大棱反射波区分开，应首先找到大棱的反射波（最容易出现的），然后倒回去慢慢平移试块找到小孔回波。（3）、对于实验改进：在测量探头发出超声波的扩散角时，本实验方法忽略了小孔的尺寸对扩散角值的影响。也就是说，相同的超声波，利用同一深度不同尺寸的小孔进行上述测量时，得到的会有所不同，从而影响了超声波扩散角的测量结果。改进：使用多点测量方法，考虑小孔影响即可减小误差。选用直径较大的小孔作为反射孔，将原来的取三点测值改为取多点测值，获得小孔反射波的强度分布曲线，在此基础上，利用计算机进行数据处理以获得小孔反射波强度分布曲线的半峰全宽的测量值，然后采用计算超声波的扩散角。（4）、超声波与激光对比：超声波与激光的比较：很多人分不清超声波与激光，通过这个实验我们也更全面得认识了超声波。激光是一种受到激发之后才会发出的光，有定向发光的特点。对于超声测距，其原理是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。由于超声波受周围环境影响较大，所以一般测量距离比较短，测量精度比较低。激光测距是利用激光对目标的距离进行准确测定，首先向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。超声波作用于人体时只对频率相同的物体起作用，而激光是无差别损伤。当照射到任何物质都会在局部快速形成高温，使被照射物体因高温而烧毁或熔化；当被照射物体是可燃物时，可以引起立即燃烧；当被照射物体是肉或毛时，表现为燃烧汽化；当被照射物体是金属，可以使金属熔化。（5）、实验收获：通过完成超声波专题实验，对超声波有了更全面的认识，提高了自己的动手动脑能力，也明白了在实验过程中要细心，更要有耐心，带着探索的心情认真完成每一个实验！撰写时间:2012年10月14日参考文献:[1]成正维，牛原.大学物理实验[M].北京:北京交通大学出版社,2012.226-240.[2]孙天希，白在桥，熊俊，等.超声波扩散角的测量方法改进[J].物理实验，2011,31(6):31-32.[3]王慕冰，袁泽惠.超声波在医学中的应用[J].中国西部科技，2004（13）:125-126.