利用狹縫掃描法測量超聲波擴散角

孫天希，白在橋，劉志國，熊 俊

（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

超聲波技術被廣泛地應用于工業探傷、材料分析、海洋探測與導航、醫學治療與成像等領域［1-4］.超聲探頭發射的能量具有較強的指向性（指向性是指超聲波探頭發射的超聲束擴散角的大小，擴散角越小，則指向性越好，對目標定位的準確性越高）.超聲波的擴散角是重要的參量，它決定著超聲波應用過程的具體設計方案.超聲波的擴散角與超聲發射探頭的幾何尺寸和波長有直接的關系，一般情況，波長越小，頻率越高，擴散角越小；超聲波源的尺寸越大，擴散角越小.為了更好利用超聲波，要對超聲波的擴散角進行表征.在現設的大學物理實驗課和實際應用中，都采用利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.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，另外，這種利用小孔反射的測量方法，反射波信號弱，從而也會帶來較大的實驗誤差.為了消除小孔尺寸的影響，文獻［5］提出了利用小孔掃描超聲波束橫截面的多點掃描測量方法，給出了消除小孔尺寸影響的定量公式，得到了較好的結果.但是，文獻［5］沒有克服小孔反射測量方法中小孔反射波信號弱這一弊端，這是因為：小孔反射回波的強度隨著小孔尺寸的增加而增強，雖然文獻［5］給出了對小孔尺寸影響進行校正的理論公式，但若為了提高小孔反射回波強度而無限地增加小孔的尺寸，則過大尺寸的小孔不能用于對超聲波束橫截面多點掃描測量.為了克服小孔反射法在測量超聲波擴散角時反射波信號弱的缺點，本文采用了狹縫掃描測量方法.

2 實驗儀器和狹縫掃描方法

實驗儀器如圖1所示，超聲波實驗儀通過3根信號線與示波器相連接，超聲波探頭發出的超聲波信號可采用檢波和射頻2種方式通過示波器顯示.

圖1 實驗儀器

“小孔三點反射法”測量超聲波擴散角的弊端見文獻［5］中的描述，為了校正小孔尺寸對測量結果的影響，文獻［5］給出了定量的校正公式，為了徹底校正“小孔反射法”的弊端，本文采用“狹縫掃描法”.

如圖2所示，超聲波直探頭A放在試塊B上，其發出的超聲波束對應的θ角定義為探頭的擴散角.探頭發出的超聲波束在垂直于其傳播方向的截面上分布不均勻，中心線處最強.所謂“狹縫掃描法”是指：如圖2所示，在試塊上設計狹縫S，當探頭在試塊上向左掃描時，狹縫剛接觸到超聲波束，就會觀測到狹縫上表面對應的反射超聲波的峰，該峰的大小與狹縫進入到超聲波束的距離有關，通過探頭掃描，記錄每個掃描點對應的反射超聲波峰的強度，就可得到圖3中的反射超聲波的強度積分分布曲線，將該積分曲線微分得到其對應的微分分布曲線，該微分曲線的半峰全寬就是距離探頭H 處（圖2）超聲波束橫截面的直徑d，由幾何關系可知［5］：

圖2 狹縫掃描

圖3 反射超聲波的強度分布曲線

在利用這種“狹縫掃描法”時，狹縫的水平寬度要大于狹縫處超聲波橫截面的直徑.

利用這種“狹縫掃描法”測量了直探頭和斜探頭超聲波的擴散角，它們分別為12.4°和6.7°.實驗發現，對于直探頭和斜探頭，不同學生測量結果的相對偏差范圍分別為1%～5%和2%～6%，該誤差的來源：測量時采用了水作為耦合劑，相對于油而言，由于水的耦合效果較差，這會對探測信號產生影響，從而產生誤差.另外，當狹縫剛接觸超聲波束時，可能觀測到只有狹縫右邊側面反射的超聲波，所以，這種側面反射回波也會對實驗結果產生影響，為了減小這種影響，狹縫的豎直高度不能太大.

［1］馮軍勤，吳福根，鐘會林.超聲波專題設計性實驗［J］.物理實驗，2012，32（6）：30-32.

［2］鄭志遠，王思雯，金子梁.巖石特性對超聲波傳播速度的影響［J］.物理實驗，2012，31（9）：30-33.

［3］馬龍，陳玉林.超聲波多點定位［J］.物理實驗，2011，31（3）：41-46.

［4］潘帥，萬雨挺，陳洪山.超聲波在液體中相速與群速的測量［J］.物理實驗，2011，31（4）：39-41.

［5］孫天希，白在橋，熊俊，等.超聲波擴散角的測量方法改進［J］.物理實驗，2011，31（6）：31-32.