基于超聲脈沖反射回波法的聲速設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

祝 昆 ，邱學(xué)云

（1.六盤(pán)水師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)系，貴州 六盤(pán)水 553004；2.文山學(xué)院 數(shù)理系，云南 文山 663000）

無(wú)損檢測(cè)是目前工業(yè)生產(chǎn)中重要檢測(cè)方法，其中，超聲檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛的方法之一。隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)檢測(cè)效率和檢測(cè)可靠性要求的不斷提高，利用超聲波技術(shù)進(jìn)行材料特性評(píng)價(jià)也成為了重要的研究方向。聲速是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的參量，測(cè)量聲速對(duì)于了解材料性質(zhì)，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(fā)射脈沖波到試件內(nèi)部，通過(guò)觀察來(lái)自?xún)?nèi)部缺陷或試件底面的反射波的情況來(lái)對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)的方法［1］。該方法是已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、海洋漁業(yè)、軍事、工業(yè)產(chǎn)品檢驗(yàn)等方面得到了較為廣泛的應(yīng)用。但目前在高校開(kāi)設(shè)的超聲波測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，都是采用共振法和相位法的原理測(cè)量聲速。這兩種方法是利用超聲波脈沖信號(hào)穿透試件的原理來(lái)了解試件內(nèi)部情況，需要設(shè)置發(fā)散探頭與接受探頭。而在實(shí)際應(yīng)用中，通常是將兩個(gè)探頭合為一個(gè)探頭，原理上是采用脈沖反射方法來(lái)判斷試件內(nèi)部情況。脈沖反射法與穿透法比較，具有檢測(cè)靈敏度高、可對(duì)缺陷定位精確、操作方便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)［2］。超聲脈沖反射法早就作為了超聲波探測(cè)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(cè)聲速實(shí)驗(yàn)，對(duì)于理工科學(xué)生聯(lián)系實(shí)踐掌握基本原理、應(yīng)用基本原理解決實(shí)際問(wèn)題，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和分析處理問(wèn)題的能力具有重要的意義。

本文報(bào)道了我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)和自制的超聲波綜合聲速測(cè)量?jī)x測(cè)量聲速的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目即可作為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)設(shè)，也可作為設(shè)計(jì)性研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)設(shè)。他對(duì)于學(xué)生掌握超聲反射回波法原理、提高實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)專(zhuān)項(xiàng)研究的參考。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

超聲波脈沖波在同種介質(zhì)中傳播中如果遇到不同介質(zhì)，就會(huì)兩種介質(zhì)的界面產(chǎn)生反射回波。根據(jù)接收到的回波信號(hào)，就可以分析研究被檢測(cè)介質(zhì)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(nèi)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(cè)量出試件兩表面之間的距離，通過(guò)示波器測(cè)量出始波與反射回波時(shí)間間隔。即可由下面的公式計(jì)算出超聲波在試件內(nèi)的聲速。

式中，υ為超聲波在試件中傳播的聲速，t為發(fā)射脈沖波與接收回波信號(hào)的時(shí)間，x為試件的兩表面之間的距離。n=2，4，6……為整數(shù)，分別對(duì)應(yīng)第一回波、第二回波、第三回波等。

圖1 測(cè)量原理示意圖

實(shí)驗(yàn)裝置主要由主機(jī)（含UT2025B型數(shù)字示波器），超聲探頭（含發(fā)射換能器和接收換能器，使用頻率2.5 MHz）、測(cè)量附件（有機(jī)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(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖2 超聲波聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖3 主機(jī)內(nèi)部原理框圖

圖3為主機(jī)內(nèi)部原理框圖，主機(jī)內(nèi)由單片機(jī)控制同步脈沖信號(hào)，在同步脈沖信號(hào)的上升沿電路發(fā)出一個(gè)高速高壓脈沖至換能器，這是一個(gè)幅度呈指數(shù)形式衰減的脈沖。此脈沖信號(hào)分為兩路：一路取樣信號(hào)，在幅度尚未變化時(shí)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(lì)信號(hào)，具體過(guò)程是當(dāng)此脈沖信號(hào)幅度衰減到一定程度時(shí)，與壓電晶體產(chǎn)生諧振，激發(fā)出頻率等于諧振頻率的超聲波（實(shí)驗(yàn)中采用的壓電晶體的諧振頻率是2.5 MHz）。第一次反射回來(lái)的超聲波又被同一探頭接收，此信號(hào)經(jīng)處理后送入示波器形成第一回波，根據(jù)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(guò)示波器測(cè)量出始波與回波的時(shí)間間隔。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)原理及裝置分別對(duì)超聲波在固體、液體中的聲速進(jìn)行測(cè)量。固體選用鋁合金圓柱體，液體采用水。測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下。

2.1 鋁合金中聲速的測(cè)量

先用游標(biāo)卡尺測(cè)出鋁合金圓柱體的高x。然后在鋁合金圓柱體（?。┍砻嫱可像詈蟿L(fēng)油精），將超聲探頭與鋁合金圓柱體緊密結(jié)合。適當(dāng)調(diào)節(jié)探頭位置尋找鋁合金圓柱體底面回波信號(hào)，利用示波器測(cè)量出回波時(shí)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(cè)量

表1為采用超聲脈沖反射回波法測(cè)量頻率為2.5 MHz超聲波在鋁合金中的相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)（1）式分別計(jì)算四個(gè)回波的聲速值，取平均值得υ=5892.97 m/s。測(cè)量數(shù)值處于超聲波在鐵5.82×103m/s和鋁 6.34×103m/s［2］聲速之間，說(shuō)明測(cè)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(guān)，所以上述測(cè)量結(jié)果是合理可信的。

2.2 水的聲速測(cè)量

在水箱中注入清水，水位超過(guò)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(cè)出超聲波在薄銅圓板與探頭表面之間回波信號(hào)在水中傳播的時(shí)間。改變超聲探頭與銅板距離x測(cè)量多組數(shù)據(jù)如表2，利用（1）式作超聲探頭與銅板距離x與回波時(shí)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(shí)樣品表面位置與回波時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)

利用表2中測(cè)量的樣品表面到探頭之間距離與反射回波時(shí)間進(jìn)行擬合，得到擬合曲線如圖4所示。圖中直線為擬合曲線，點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。所測(cè)數(shù)據(jù)可決系數(shù)均在0.99以上，說(shuō)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(shí)，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(rèn)值υ=1505.5 m/s［3］的百分誤差為0.9%，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果較為合理。

圖4 超聲波脈沖反射回波距離&時(shí)間擬合曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

超聲脈沖反射回波法測(cè)量聲速具有測(cè)量精度高，實(shí)驗(yàn)原理清晰、儀器設(shè)備操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。具有與單片機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)智能化儀器儀表首選的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段。也是超聲波無(wú)損檢測(cè)儀器的主要原理。因此，在聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中將超聲脈沖反射回波法作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是具有意義的，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以讓學(xué)生掌握聲速測(cè)量的基本原理，了解設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的基本理念，同時(shí)，也可讓學(xué)生把本實(shí)驗(yàn)裝置作為制作和設(shè)計(jì)檢測(cè)儀器的項(xiàng)目進(jìn)行研究。對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和開(kāi)闊實(shí)驗(yàn)視野具有促進(jìn)作用，值得作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行推廣。

［1］何金田.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006：186.

［2］王寅觀.超聲波速度的精密測(cè)里理論及其應(yīng)用［J］.聲學(xué)技術(shù)，1989（2）：18-23.

［3］中國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)編譯.超聲波探傷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987：10.