基于超聲脈沖反射回波法的聲速設計性實驗

祝 昆 ，邱學云

（1.六盤水師范學院 物理與電子科學系，貴州 六盤水 553004；2.文山學院 數理系，云南 文山 663000）

無損檢測是目前工業生產中重要檢測方法，其中，超聲檢測是無損檢測中應用最廣泛的方法之一。隨著工業生產對檢測效率和檢測可靠性要求的不斷提高，利用超聲波技術進行材料特性評價也成為了重要的研究方向。聲速是表征介質聲學特性的參量，測量聲速對于了解材料性質，試件缺陷定位和定量分析都有重要意義。超聲脈沖反射回波法是由超聲探頭發射脈沖波到試件內部，通過觀察來自內部缺陷或試件底面的反射波的情況來對試件進行檢測的方法［1］。該方法是已經在醫學、海洋漁業、軍事、工業產品檢驗等方面得到了較為廣泛的應用。但目前在高校開設的超聲波測量聲速實驗項目中，都是采用共振法和相位法的原理測量聲速。這兩種方法是利用超聲波脈沖信號穿透試件的原理來了解試件內部情況，需要設置發散探頭與接受探頭。而在實際應用中，通常是將兩個探頭合為一個探頭，原理上是采用脈沖反射方法來判斷試件內部情況。脈沖反射法與穿透法比較，具有檢測靈敏度高、可對缺陷定位精確、操作方便、適用范圍廣等優點［2］。超聲脈沖反射法早就作為了超聲波探測儀器的主要原理。因此，將超聲脈沖反射回波法引入超聲波測聲速實驗，對于理工科學生聯系實踐掌握基本原理、應用基本原理解決實際問題，提高學生實驗操作和分析處理問題的能力具有重要的意義。

本文報道了我們通過實驗室現有實驗設備，設計和自制的超聲波綜合聲速測量儀測量聲速的實驗內容。該實驗項目即可作為驗證性實驗項目開設，也可作為設計性研究性實驗項目開設。他對于學生掌握超聲反射回波法原理、提高實驗技能具有重要作用。其裝置也可作為高校教師從事超聲波實驗專項研究的參考。

1 實驗內容

1.1 實驗原理及裝置

超聲波脈沖波在同種介質中傳播中如果遇到不同介質，就會兩種介質的界面產生反射回波。根據接收到的回波信號，就可以分析研究被檢測介質的信息。如圖1所示。

由反射面返回的脈沖回到超聲探頭處形成第一回波。由于第一回波在試件內未被完全衰減，將再次形成第二回波、第三回波直至消逝。若測量出試件兩表面之間的距離，通過示波器測量出始波與反射回波時間間隔。即可由下面的公式計算出超聲波在試件內的聲速。

式中，υ為超聲波在試件中傳播的聲速，t為發射脈沖波與接收回波信號的時間，x為試件的兩表面之間的距離。n=2，4，6……為整數，分別對應第一回波、第二回波、第三回波等。

圖1 測量原理示意圖

實驗裝置主要由主機（含UT2025B型數字示波器），超聲探頭（含發射換能器和接收換能器，使用頻率2.5 MHz）、測量附件（有機玻璃水箱（帶滑塊、米尺）、滑塊式樣品板、樣品、耦合劑等）三部分組成。圖2為水中超聲波聲速測量實驗裝置圖。

圖2 超聲波聲速測量實驗裝置圖

圖3 主機內部原理框圖

圖3為主機內部原理框圖，主機內由單片機控制同步脈沖信號，在同步脈沖信號的上升沿電路發出一個高速高壓脈沖至換能器，這是一個幅度呈指數形式衰減的脈沖。此脈沖信號分為兩路：一路取樣信號，在幅度尚未變化時被取樣處理后輸入示波器形成始波參考脈沖；另一路作為超聲波的激勵信號，具體過程是當此脈沖信號幅度衰減到一定程度時，與壓電晶體產生諧振，激發出頻率等于諧振頻率的超聲波（實驗中采用的壓電晶體的諧振頻率是2.5 MHz）。第一次反射回來的超聲波又被同一探頭接收，此信號經處理后送入示波器形成第一回波，根據不同材料中超聲波的衰減程度、不同界面超聲波的反射率，還可形成第二回波等多次回波。通過示波器測量出始波與回波的時間間隔。

2 實驗內容及分析

根據上述實驗原理及裝置分別對超聲波在固體、液體中的聲速進行測量。固體選用鋁合金圓柱體，液體采用水。測量方法及實驗過程如下。

2.1 鋁合金中聲速的測量

先用游標卡尺測出鋁合金圓柱體的高x。然后在鋁合金圓柱體（小）表面涂上耦合劑（風油精），將超聲探頭與鋁合金圓柱體緊密結合。適當調節探頭位置尋找鋁合金圓柱體底面回波信號，利用示波器測量出回波時間。利用（1）式求出超聲波在鋁合金中傳播速度。

表1 鋁合金中超聲波速度的測量

表1為采用超聲脈沖反射回波法測量頻率為2.5 MHz超聲波在鋁合金中的相關測量數據。通過（1）式分別計算四個回波的聲速值，取平均值得υ=5892.97 m/s。測量數值處于超聲波在鐵5.82×103m/s和鋁 6.34×103m/s［2］聲速之間，說明測量方法可行。由于超聲波在固體中的聲速與超聲波的頻率、固體材料的密度、均勻分布、溫度等因素有關，所以上述測量結果是合理可信的。

2.2 水的聲速測量

在水箱中注入清水，水位超過探頭約1 cm左右；將薄銅圓板固定在滑塊下端，侵入水中，在水箱的米尺上讀出銅圓板位置；測出超聲波在薄銅圓板與探頭表面之間回波信號在水中傳播的時間。改變超聲探頭與銅板距離x測量多組數據如表2，利用（1）式作超聲探頭與銅板距離x與回波時間t擬合曲線，曲線斜率即為超聲波在水中的傳播速度。

表2 超聲波在水中傳播時樣品表面位置與回波時間測量數據

利用表2中測量的樣品表面到探頭之間距離與反射回波時間進行擬合，得到擬合曲線如圖4所示。圖中直線為擬合曲線，點為實驗測量數據。所測數據可決系數均在0.99以上，說明擬合程度較好。除圖4d外，其他擬合斜率都接近1.49。由圖4可知超聲波在溫度為28.0 ℃時，水中傳播速度取平均值為1490.6 m/s。與超聲波在水中傳播的聲速公認值υ=1505.5 m/s［3］的百分誤差為0.9%，說明測量結果較為合理。

圖4 超聲波脈沖反射回波距離&時間擬合曲線

3 結束語

超聲脈沖反射回波法測量聲速具有測量精度高，實驗原理清晰、儀器設備操作簡單等特點。具有與單片機技術有機結合的優勢，是實現智能化儀器儀表首選的實驗技術手段。也是超聲波無損檢測儀器的主要原理。因此，在聲速測量實驗中將超聲脈沖反射回波法作為設計性實驗原理進行實驗是具有意義的，通過這個實驗項目可以讓學生掌握聲速測量的基本原理，了解設計性實驗的基本理念，同時，也可讓學生把本實驗裝置作為制作和設計檢測儀器的項目進行研究。對于培養學生創新設計能力和開闊實驗視野具有促進作用，值得作為設計性實驗項目進行推廣。

［1］何金田.自動檢測技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006：186.

［2］王寅觀.超聲波速度的精密測里理論及其應用［J］.聲學技術，1989（2）：18-23.

［3］中國無損檢測學會編譯.超聲波探傷［M］.北京：機械工業出版社，1987：10.