FDUDEA型A類超聲實驗儀儀器說明修訂

1、儀器使用說明 TEACHER'S GUIDEBOOKFD-UDE-AA類超聲實驗儀中國.上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.FD-UDE-A型A類超聲實驗儀使用說明一、概述超聲波是指頻率高于人耳聽覺上限（20K）的聲波。超聲技術(shù)是聲學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)代聲學(xué)技術(shù)。其中超聲檢測已成為保證設(shè)備質(zhì)量的重要手段，B超儀器已是人類健康的有利助手，工業(yè)超聲提高了處理工業(yè)產(chǎn)品的能力，并能完成一般技術(shù)不能完成的工作。本儀器是一種無損傷的超聲脈沖反射式探測實驗儀器，既可以

2、作為醫(yī)學(xué)用超聲診斷實驗儀，也可以作為工業(yè)用超聲探傷實驗儀，F(xiàn)D-UDE-A型A類超聲實驗儀具有以下優(yōu)點：1 兩組高頻脈沖輸出信號，脈沖間隔、相移、同步信號均為單片機(jī)控制，操作方便，波形穩(wěn)定。2 儀器可用于水及其它物質(zhì)中超聲波傳播速率的測量、超聲波探傷、水中探物及超聲波經(jīng)過不同材料衰減程度的研究等實驗。3 儀器已將2.5MHz探頭信號合成5脈寬的矩形波，有利于降低示波器頻率響應(yīng)要求，方便與計算機(jī)連接。4 兩組探頭可任意選擇一組作單跡顯示，其性能符合一般臨床診斷要求。5 任一組探頭可作單發(fā)單收，加入一些外配設(shè)備可做多種超聲實驗及醫(yī)用多普勒效應(yīng)實驗。該儀器實驗內(nèi)容豐富，安全可靠，使用面廣，既可以用于

3、醫(yī)學(xué)類專業(yè)醫(yī)學(xué)物理實驗，也可用于高等院校、大專、中專院校的基礎(chǔ)物理實驗、近代物理實驗及綜合性設(shè)計性物理實驗。二、儀器簡介本儀器主要由FD-UDE-A型A類超聲實驗儀主機(jī)、數(shù)字示波器（選配）、有機(jī)玻璃水箱、金屬反射板、探頭及接線兩根、Q9線一根、樣品架組成。圖1 A類超聲實驗儀儀器裝置三、技術(shù)指標(biāo)1探測方式： 雙探頭 可雙發(fā)雙收，也可單發(fā)單收2工作頻率： 2.5MHz3發(fā)射脈沖振幅： 大于300V（峰峰值）4輸出脈沖寬度： 小于55接收電路增益： 不小于50分貝6探頭盲區(qū)： 小于0.5cm7探測深度： 水中小于100cm8外接電源： 220V±10% 50Hz9消耗功率： 50W10儀

4、器重量： 5Kg11外形尺寸： 380×320×120四、實驗項目1用A類超聲實驗儀測量水中聲速或測量水層厚度；2用A類超聲實驗儀測量固體厚度及超聲無損探傷； 五、注意事項1 需選配60M（最低配置）雙蹤數(shù)字存儲示波器；2數(shù)字存儲示波器應(yīng)使用其配套探頭，否則會使波形失真，影響讀數(shù)精度；3探頭與探測物間要涂上聲耦合劑，常用的耦合劑為對人體無刺激性且不易流失的油類，如：甘油、蓖麻油、石蠟油等；4儀器配置外接電源線為三芯電源線，要求實驗室電源插座為三芯插座，且接地端良好；5 超聲波探頭及示波器探頭注意不要插錯（超聲探頭連接的Q9插座輸出為300V以上的高壓），否則會損壞示波器的外

5、觸發(fā)電路。6. 超聲探頭處有380V高壓，插拔注意安全。A類超聲實驗【引言】超聲學(xué)是聲學(xué)的一個分支，它主要研究超聲的產(chǎn)生方法和探測技術(shù)、超聲在介質(zhì)中的傳播規(guī)律、超聲與物質(zhì)的相互作用，包括在微觀尺度的相互作用以及超聲的眾多應(yīng)用。超聲的用途可分為兩大類，一類是利用它的能量來改變材料的某些狀態(tài)，為此需要產(chǎn)生比較大能量的超聲，這類用途的超聲通常稱為功率超聲，如超聲加濕、超聲清洗、超聲焊接、超聲手術(shù)刀、超聲馬達(dá)等等；另一類是利用它來采集信息，超聲波測試分析包括對材料和工件進(jìn)行檢驗和測量，由于檢測的對象和目的不同，具體的技術(shù)和措施也是不同的，因而產(chǎn)生了名稱各異的超聲檢測項目，如超聲測厚、超聲發(fā)射、超聲測硬

6、度、測應(yīng)力、測金屬材料的晶粒度及超聲探傷等。【實驗?zāi)康摹? 了解超聲波產(chǎn)生和發(fā)射的機(jī)理2 用A類超聲實驗儀測量水中聲速或測量水層厚度3 用A類超聲實驗儀測量固體厚度及超聲無損探傷【實驗原理】超聲波是指頻率高于20KHz的聲波，與電磁波不同，它是彈性機(jī)械波，不論材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)光性如何，只要是彈性材料，它都可以傳播進(jìn)去，并且它的傳播與材料的彈性有關(guān)，如果彈性材料發(fā)生變化，超聲波的傳播就會受到干擾，根據(jù)這個擾動，就可了解材料的彈性或彈性變化的特征，這樣超聲就可以很好地檢測到材料特別是材料內(nèi)部的信息，對某些其它輻射能量不能穿透的材料，超聲更顯示出了這方面的實用性。與X射線、射線相比，

7、超聲的穿透本領(lǐng)并不優(yōu)越，但由于它對人體的傷害較小，使得它的應(yīng)用仍然很廣泛。產(chǎn)生超聲波的方法有很多種，如熱學(xué)法、力學(xué)法、靜電法、電磁法、磁致伸縮法、激光法以及壓電法等等，但應(yīng)用得最普遍的方法是壓電法。壓電效應(yīng)：某些介電體在機(jī)械壓力的作用下會發(fā)生形變，使得介電體內(nèi)正負(fù)電荷中心相對位移以致介電體兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與壓力成正比，這種由“壓力”產(chǎn)生“電”的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)；反之，如果將具有壓電效應(yīng)的介電體置于外電場中，電場會使介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移，從而導(dǎo)致介電體發(fā)生形變，這種由“電”產(chǎn)生“機(jī)械形變”的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，逆壓電效應(yīng)只產(chǎn)生于介電體，形變與外電場呈線性關(guān)系，且隨

8、外電場反向而改變符號。壓電體的正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。如果對具有壓電效應(yīng)的材料施加交變電壓，那么它在交變電場的作用下將發(fā)生交替的壓縮和拉伸形變，由此而產(chǎn)生了振動，并且振動的頻率與所施加的交變電壓的頻率相同，若所施加的電頻率在超聲波頻率范圍內(nèi)，則所產(chǎn)生的振動是超聲頻的振動，我們把這種振動耦合到彈性介質(zhì)中去，那么在彈性介質(zhì)中傳播的波即為超聲波，這利用的是逆壓電效應(yīng)。若利用正壓電效應(yīng)，可將超聲能轉(zhuǎn)變成電能，這樣就可實現(xiàn)超聲波的接收。超聲探頭：把其它形式的能量轉(zhuǎn)換為聲能的器件，亦稱為超聲波換能器。在超聲波分析測試中常用的換能器既能發(fā)射聲波，又能接收聲波，我們稱之為可逆探頭。在實際應(yīng)用中要

9、根據(jù)需要使用不同類型的探頭，主要有：直探頭，斜探頭，水浸式聚焦探頭，輪式探頭，微型表面波探頭，雙晶片探頭及其它型式的組合探頭等。本實驗儀器采用的是直探頭。超聲波的分類。按振動質(zhì)點與波傳播方向的關(guān)系可分為縱波和橫波：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與超聲波的傳播方向平行時，稱為縱波；當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與超聲波傳播方向垂直時，稱為橫波。按波陣面的形狀可分為球面波和平面波。按發(fā)射超聲的類型可分為連續(xù)波和脈沖波。本實驗儀器直探頭發(fā)出來的是縱波、平面波、脈沖波，脈沖頻率為2.5MHz。超聲的衰減。超聲在介質(zhì)中傳播時，其聲強(qiáng)將隨著距離的增加而減弱。衰減的原因主要有兩類，一類是聲束本身的擴(kuò)散，使單位面積中的能量下降。

10、另一類是由于介質(zhì)的吸收，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，而使聲能減少。超聲波的反射。如果介質(zhì)的聲阻抗相差很大，比如說聲波從固體傳至固氣或從液體傳至液氣界面時將產(chǎn)生全反射。因此可以認(rèn)為聲波難以從固體或液體中進(jìn)入氣體。超聲回波信號的顯示方式。主要有幅度調(diào)制顯示（A型）和亮度調(diào)制顯示及兩者的綜合顯示，其中亮度調(diào)制顯示按調(diào)制方式的不同又可分為B型、C型、M型、P型等。A型顯示是以回波幅度幅度的大小表示界面反射的強(qiáng)弱，即在熒光屏上以橫坐標(biāo)代表被測物體的深度，縱坐標(biāo)代表回波脈沖的幅度，橫坐標(biāo)有時間或距離的標(biāo)度，可借以確定產(chǎn)生回波的界面所處的深度。本實驗儀器采用的顯示方式即A型。超聲的生物效應(yīng)。機(jī)械效應(yīng)、溫?zé)嵝?yīng)、空化效

11、應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等，以上幾種效應(yīng)對人體組織有一定的傷害作用，必須重視安全劑量。一般認(rèn)為超聲對人體的安全閾值為100。本儀器小于10，可安全使用?！緦嶒瀮x器】該實驗主要由FD-UDE-A型A類超聲實驗儀主機(jī)、數(shù)字示波器（選配）、有機(jī)玻璃水箱、金屬反射板、探頭及接線兩根、Q9線一根、樣品架（鋁、鐵、銅、有機(jī)玻璃、冕玻璃和帶缺陷鋁柱按高度不同各配有2個，總共12個樣品）組成。如圖1所示：圖1 A類超聲實驗裝置其中實驗主機(jī)面板如圖2所示：圖2A類超聲實驗儀主機(jī)面板面板示意圖1 復(fù)位 2 減小 減小同步信號（掃描信號）的低電平持續(xù)時間3 增加 增加同步信號（掃描信號）的低電平持續(xù)時間4 選擇 工作模式選擇

12、a為A路，b為B路，c為雙路5 示波器探頭（A路）：接示波器CH1或CH2通道6 接示波器（A路）：接示波器的EXT通道，同步性好的數(shù)字示波器可以不接此線7 超聲探頭（路）：接超聲探頭8 示波器探頭（路）：接示波器CH1或CH2通道9 接示波器（路）：接示波器的EXT通道，同步性好的數(shù)字示波器可以不接此線10. 超聲探頭（路）：接超聲探頭11. 電源開關(guān)主機(jī)內(nèi)部工作原理見下面框圖：本儀器做成了雙路輸出（A路和B路），兩路信號一樣，實驗時可任選一路完成實驗。以A路信同步信號高壓脈沖同步脈沖至EXT激發(fā)2.5MHz振蕩，換能器發(fā)射超聲波，接收反射波發(fā)射、接收信號取樣處理示波器至CH1或CH2高壓脈

13、沖激發(fā)2.5MHz振蕩，換能器發(fā)射超聲波，接收反射波發(fā)射、接收信號取樣處理至CH1或CH2圖3 主機(jī)內(nèi)部工作原理框圖號為例解釋儀器的工作原理：主機(jī)內(nèi)由單片機(jī)控制同步脈沖信號與A（或B）路信號同步。在同步脈沖信號的上升沿，電路發(fā)出一個高速高壓脈沖至換能器，這是一個幅度呈指數(shù)形式減小的脈沖。此脈沖信號有兩個用途：一是作為被取樣的對象，在幅度尚未變化時被取樣處理后輸入示波器形成始波脈沖；二是作為超聲振動的振動源，即當(dāng)此脈沖幅度變化到一定程度時，壓電晶體將產(chǎn)生諧振，激發(fā)出頻率等于諧振頻率的超聲波（本儀器采用的壓電晶體的諧振頻率點是）。第一次反射回來的超聲波又被同一探頭接收，此信號經(jīng)處理后送入示波器形成

14、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，還可能形成第二回波等多次回波。見下圖所示。圖4 示波器上觀察到的回波波形由儀器工作原理可知，始波脈沖產(chǎn)生的時刻并非超聲波發(fā)出的時刻，超聲波發(fā)出的時刻要延遲約0.5，所以實驗時應(yīng)該盡可能取第一回波到第二回波這個時間差作為測量結(jié)果，以減小實驗誤差?！緦嶒灢襟E】1 準(zhǔn)備工作：在有機(jī)玻璃水箱側(cè)面裝上超聲波探頭后注入清水，至超過探頭位置1cm左右即可。探頭另一端與儀器A路（或B路，以下同）“超聲探頭”相接。“示波器探頭”左邊搭口與Q9線的輸出端相連，右邊搭口與Q9線的地端相連。這根Q9線的另一端與示波器的CH1或CH2相連。如果示波器的同

15、步性能不穩(wěn)，可以再拿一根Q9線將儀器的“接示波器”頭與示波器的“EXT”相連，以此同步信號作為示波器的外接掃描信號。2 打開機(jī)箱電源，按“選擇”鍵選擇合適的工作狀態(tài)，a為A路工作，b為B路工作，c為兩路一起同步工作（很少用）?！懊}沖信號設(shè)定”中的“增加”和“減少”按鈕是設(shè)定同步脈沖信號（也即外部掃描信號）的低電平持續(xù)時間，出廠設(shè)置已滿足一般的實驗要求，可以不動。3 將金屬擋板放在水箱中的不同位置，測出每個位置下超聲波的傳播時間，可每隔5cm測一個點，將結(jié)果作的線性擬合，根據(jù)擬合系數(shù)求出水中的聲速，與理論值比較。注意實驗時有時能看到水箱壁反射引起的回波，應(yīng)該分辨出來并且舍棄之。4 測定樣品架上不

16、同材料，不同高度的樣品中超聲波傳播的速度（選做）。在樣品表面上涂上耦合劑（如甘油），測出第一回波到第二回波的時間差，量出樣品高度，算出速度。注意：（1）由于樣品中材料不純，所測值可能與理論值有較大偏差。（2）有些材料由于吸收超聲波的能力較強(qiáng)或者材料/空氣界面反射太弱，沒有第二回波，此時只好取始波到第一回波的時間差作為估測。5 超聲探傷（選做）。圖5 超聲探傷原理圖測出始波到缺陷引起的回波的時間差，始波到第一回波的時間差，樣品的總長度D，根據(jù)公式算出缺陷位置。有兩個有缺陷的鋁樣品可供實驗?！緦嶒灁?shù)據(jù)】（注：此實驗數(shù)據(jù)僅供參考，不作為儀器驗收標(biāo)準(zhǔn)。）表1 水箱中金屬擋板在不同位置時超聲波傳播的時間

17、X/cmX/mt/t/2()t/2(S)0025.612.850.059346.5100.1015979.5150.15225112.5200.20292.5146.25250.25359179.5作的線性擬合圖6 關(guān)系圖線性擬合出的公式為，斜率就是水中超聲波的傳播速度，為1501.2m/s。水在25時超聲波聲速約1500m/s，實測值與理論值誤差小于3%。【參考文獻(xiàn)】1、 范毅明，范世忠，李祥杰. 醫(yī)用B超儀與超聲多普勒系統(tǒng). 上海：第二軍醫(yī)大學(xué)出版社，1999.92、 應(yīng)崇福主編. 超聲學(xué). 北京：科學(xué)出版社，19903、 鄭中興，騰永平編. 超聲檢測技術(shù). 北京：北方交通大學(xué)，19984、 陳澤民主編. 近代物理與高新技術(shù)物理基礎(chǔ). 北京：清華大學(xué)出版社，2001附錄1一些材料在室溫下的聲速（頻率為1MHz時）材料縱波波速橫波波速鐵5.853.2