大学物理实验论文.docx

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1、浅谈快速寻找超声波在示波器上成像的方法摘要：在我们做超声波的专题实验中，必不可少的要在示波器上在寻找出清晰可见的超声波型。而且，在进行固体弹性常数的测量和测量扩散角和缺陷深度的各种实验中，清晰的波形是测量的关键。笔者通过多次的实验，发现了快速寻找波型的方法，希望能为同学们今后的超声波系列的实验提供一些帮助。关键词：超声波原理及应用 快速成像一、引言超声波是指任何声波或振动，其频率超过人类耳朵可以听到的最高阈值20千赫。超声波由于其高频特性而被广泛应用于众多领域，比如金属探伤，工件清洗等。某些动物，如犬只、海豚、以及蝙蝠等等都有着超乎人类的耳朵，也因此可以听到超声波。亦有人利用这个特性制成能产生

2、超声波来呼唤犬只的犬笛。超声波在军事、医疗及工业中有较大的用途。它应用按功率的大小可分为功率超声和检测超声。功率超声的应用包括焊接、钻孔、粉碎、清洗、乳化等，它们多属于只发射不接受的超声设备。目前人们对超声加工的确切理论仍未透彻认识。 检测超声在军事中的应用有雷达定位等。医用超声波可以看穿肌肉及软组织，使得这项技术常用来扫描很多器官，以协助医疗上的诊断和治疗。产科超声波也常用在怀孕时期的检查。医生可以利用超声波成像法透视身体，但由于超声波不能穿透骨头，所以虽然超声波对人体伤害比较低，但仍不能完全取代光。典型超声波大约2MHz到10MHz的频率，较高频率通常用在泌尿道碎石振波。检测超声波设备有发

3、射又有接受。二、 理论某些固体物质，在压力的作用下产生形变，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。物质的压电效应与其内部的结构有关，例如一类晶体，如钛酸钡，在室温下即使不受外力作用，正负电中心也不重合，但仍具有压电效应和逆压电效应。它们多是由人工制成的陶瓷材料，本实验中超声波换能器采用的是压电材料，在我们进行实验的过程中，需要在换能器上施加适当的力，这样才能使信号较大程度的接收。根据大量实验证明，频率越大，声波越沿着一条直线传播。在实验中，我们可以减小衰减程度，使波的传播方向性增强。在实验过程中，根据数学知识，由波的入射方向迁移到探测部位，通过入射直线的

4、的夹角，判断大致位置。三、 实验过程（一）、在进行第一个实验的过程中，我们要用直探头测量CSK-IB试块的厚度。首先，我们要调出很清晰的波的像，在调像过程中，一般如果我们只是将直探头放在试块上时，回出现在示波器上波形调动较大，波幅较小，甚至有时会出现杂乱无章的波，这时如果在试块表面涂上一层水，会使波稳定下来变得清晰，如果在探头上施加压力，会是波的幅度增大。这样的波便于观察在试块和空气层的反射的效果。（二）、在进行第二个实验时，由于要测量两个半圆反射的波，如果探头不在半径较小的圆块的上面，而检测到波幅交大而且很清晰的波的话，有可能是测到了D孔的反射波。在第二次试验测量斜探头的折射角时，由于使用斜

5、探头，对于某些机器，会出现波形不明显的情况，这时就需要我们将衰减度减小，使波的能量增强。（三）、在进行第三个实验时，需要测量B孔的反射情况，从而计算扩散角，实验通过直探头和斜探头分别测量。对于直探头的测量，由于A孔在B孔的斜上方，所以在示波器上就有两个反射波间距不同的现象。依据间距不同来判断哪一个为A孔反射波或者B孔反射波。对于用斜探头测扩散角，由于有些小的波不能很好的察觉，笔者建议，先画出示意图，依据波反射原理，在试块上定位出，波反射的大致区域，然后就可以在这一区域内找到具体的位置，简单准确快速。四、实验数据测量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：CL=2L

6、t2-t1 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：CS=2（R2-R1）t2-t1 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，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

7、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。观察其波形。其中底波是工件底面的反射回波。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

8、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LD，测回波的时间 ，则 第6步： 则 第7步：最后 五、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、撰写时间：2011年10月5日七、参考文献维基参考文献 （Wikipedia和维基百科标志是维基媒体基金会的注册商标；维基是维基媒体基金会的商标。）大学物理实验 北京交通大学出版社