超聲波擴散角的測量方法改進

孫天希,白在橋,熊 俊,劉志國

(北京師范大學a.核科學與技術學院;b.物理學系,北京100875)

1 引 言

在現設的大學物理實驗課和實際應用中,都是采用超聲波探頭測量某個小孔對應的反射波的方法來測量超聲波的擴散角.但是,利用小孔三點反射法測量超聲波擴散角時,測量值會受到小孔尺寸等因素的影響.為了克服小孔三點反射法在測量超聲波擴散角時的弊端,本文對原有方法進行了改進.

2 小孔三點反射法測量超聲波擴散角的原理

在利用小孔三點反射法測量超聲波擴散角時,通常采用偏離中心軸線后振幅減小一半的位置表示聲束的邊界.以直探頭為例,如圖1(a)所示,在同一深度位置,中心軸線上的能量最大,當偏離中軸線到位置A和A′時,能量減小到最大值的一半,其中θ角定義為探頭的擴散角.如圖1(b)所示,移動直探頭C使試塊D中深度為 HB的小孔B對應的回波幅度最大,記錄該點對應的位置x0,然后分別左右移動探頭,使回波幅度減小到一半,記錄對應的位置 x1和 x2,則直探頭的擴散角為

圖1 小孔反射法測量超聲波擴散角的示意圖

3 小孔三點反射法測量超聲波擴散角的弊端

小孔三點反射法忽略了小孔的尺寸對θ角的影響.實際上相同的超聲波,利用同一深度不同尺寸的小孔進行上述小孔三點反射法測量時,得到的(1)式中的|x1-x2|會不同,即小孔的尺寸會影響|x1-x2|值,從而影響了超聲波擴散角的測量結果.在實驗課上,對于直探頭,學生測量結果的相對誤差范圍為12%～45%;對于斜探頭,學生測量結果的相對誤差范圍為14%～50%.這是因為,(1)式中的|x1-x2|值對應于小孔反射波強度分布曲線的半峰全寬值,它與小孔B的直徑 d有關,對應于超聲波擴散角的實際的半峰全寬

式中(x1-x2)detect是小孔反射波強度分布曲線半峰全寬的測量值.顯然,如果小孔的直徑很小,并且 HB較大,則(1)式中由于忽略小孔尺寸而帶來的誤差會較小.但此時小孔反射波的強度也變小,這會導致在確定 x1和 x2的位置時產生較大誤差,從而影響了測量結果的準確度.如果選擇直徑較大的小孔,此時小孔尺寸對反射波強度曲線的半峰全寬的測量值(x1-x2)detect的影響不應該被忽略,即應該采用(2)式中|x1-x2|real代替(1)式中|x1-x2|.

4 改進方法

鑒于以上討論,可以采用如下測量方法:以直探頭為例,選用直徑 d較大的小孔作為反射孔,將原來的小孔三點反射法中三點測量改為多點測量,獲得小孔反射波的強度分布曲線,在此基礎上,利用數據處理軟件得到小孔反射波強度分布|x1-x2|real應是[1-2]曲線的半峰全寬的測量值(x1-x2)detect,然后采用

計算超聲波的發散角.由于該種多點測量方法充分考慮了小孔的影響,所以減小了誤差,對于直探頭,測量結果的相對誤差范圍在3%～7%,對于斜探頭,測量結果的相對誤差范圍在3%～8%.

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