1、儀器使用說明 TEACHERS GUIDEBOOKFD-UDE-AA類超聲實驗儀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。超聲技術是聲學領域中發展最迅速、應用最廣泛的現代聲學技術。其中超聲檢測已成為保證設備質量的重要手段，B超儀器已是人類健康的有利助手，工業超聲提高了處理工業產品的能力，并能完成一般技術不能完成的工作。本儀器是一種無損傷的超聲脈沖反射式探測實驗儀器，既可以作為醫學用超聲診斷實驗儀，也可以作為工業用超

2、聲探傷實驗儀，FD-UDE-A型A類超聲實驗儀具有以下優點：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控制，操作方便，波形穩定。2 儀器可用于水及其它物質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過不同材料衰減程度的研究等實驗。3 Hz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要求，方便與計算機連接。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單收，加入一些外配設備可做多種超聲實驗及醫用多普勒效應實驗。該儀器實驗內容豐富，安全可靠，使用面廣，既可以用于醫學類專業醫學物理實驗，也可用于高等院校、大專、中專院校的基

3、礎物理實驗、近代物理實驗及綜合性設計性物理實驗。二、儀器簡介本儀器主要由FD-UDE-A型A類超聲實驗儀主機、數字示波器（選配）、有機玻璃水箱、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、技術指標1探測方式： 雙探頭 可雙發雙收，也可單發單收3發射脈沖振幅： 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7探測深度： 水中小于100cm8外接電源： 220V10% 50Hz9消耗功率： 50W10儀器重量： 5Kg11外形尺寸： 380320120四、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

4、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）雙蹤數字存儲示波器；2數字存儲示波器應使用其配套探頭，否則會使波形失真，影響讀數精度；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觸發電路。6. 超聲探頭處有380V高壓，插拔注意安全。A類超聲實驗【引言】超聲學是聲學的一個分支，它主要研究超聲的產生方法和探測技術、超聲在介質中的

5、傳播規律、超聲與物質的相互作用，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，為此需要產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、超聲手術刀、超聲馬達等等；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行檢驗和測量，由于檢測的對象和目的不同，具體的技術和措施也是不同的，因而產生了名稱各異的超聲檢測項目，如超聲測厚、超聲發射、超聲測硬度、測應力、測金屬材料的晶粒度及超聲探傷等?！緦嶒災康摹? 了解超聲波產生和發射的機理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

6、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，它是彈性機械波，不論材料的導電性、導磁性、導熱性、導光性如何，只要是彈性材料，它都可以傳播進去，并且它的傳播與材料的彈性有關，如果彈性材料發生變化，超聲波的傳播就會受到干擾，根據這個擾動，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，超聲的穿透本領并不優越，但由于它對人體的傷害較小，使得它的應用仍然很廣泛。產生超聲波的方法有很多種，如熱學法、力學法、靜電法、電磁法、磁致伸縮法、激光

7、法以及壓電法等等，但應用得最普遍的方法是壓電法。壓電效應：某些介電體在機械壓力的作用下會發生形變，使得介電體內正負電荷中心相對位移以致介電體兩端表面出現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”產生“電”的現象稱為正壓電效應；反之，如果將具有壓電效應的介電體置于外電場中，電場會使介質內部正負電荷中心位移，從而導致介電體發生形變，這種由“電”產生“機械形變”的現象稱為逆壓電效應，逆壓電效應只產生于介電體，形變與外電場呈線性關系，且隨外電場反向而改變符號。壓電體的正壓電效應與逆壓電效應統稱為壓電效應。如果對具有壓電效應的材料施加交變電壓，那么它在交變電場的作用下將發生交替的壓縮和拉

8、伸形變，由此而產生了振動，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，則所產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中去，那么在彈性介質中傳播的波即為超聲波，這利用的是逆壓電效應。若利用正壓電效應，可將超聲能轉變成電能，這樣就可實現超聲波的接收。超聲探頭：把其它形式的能量轉換為聲能的器件，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射聲波，又能接收聲波，我們稱之為可逆探頭。在實際應用中要根據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

9、頭。超聲波的分類。按振動質點與波傳播方向的關系可分為縱波和橫波：當介質中質點振動方向與超聲波的傳播方向平行時，稱為縱波；當介質中質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。按發射超聲的類型可分為連續波和脈沖波。本實驗儀器直探頭發出來的是縱波、平面波、脈沖波，脈沖頻率為2.5MHz。超聲的衰減。超聲在介質中傳播時，其聲強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散，使單位面積中的能量下降。另一類是由于介質的吸收，將聲能轉化為熱能，而使聲能減少。超聲波的反射。如果介質的聲阻抗相差很大，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生全

10、反射。因此可以認為聲波難以從固體或液體中進入氣體。超聲回波信號的顯示方式。主要有幅度調制顯示（A型）和亮度調制顯示及兩者的綜合顯示，其中亮度調制顯示按調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弱，即在熒光屏上以橫坐標代表被測物體的深度，縱坐標代表回波脈沖的幅度，橫坐標有時間或距離的標度，可借以確定產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。機械效應、溫熱效應、空化效應、化學效應等，以上幾種效應對人體組織有一定的傷害作用，必須重視安全劑量。一般認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

11、】該實驗主要由FD-UDE-A型A類超聲實驗儀主機、數字示波器（選配）、有機玻璃水箱、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面板如圖2所示：圖2A類超聲實驗儀主機面板面板示意圖1 復位 2 減小 減小同步信號（掃描信號）的低電平持續時間3 增加 增加同步信號（掃描信號）的低電平持續時間4 選擇 工作模式選擇 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，同步性好的數字示波器可以不接

12、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. 電源開關主機內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2.5MHz振蕩，換能器發射超聲波，接收反射波發射、接收信號取樣處理示波器至CH1或CH2高壓脈沖激發2.5MHz振蕩，換能器發射超聲波，接收反射波發射、接收信號取樣處理至CH1或CH2圖3 主機內部工作原理框圖號為例解釋儀器的工作原理：主機內由

13、單片機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，電路發出一個高速高壓脈沖至換能器，這是一個幅度呈指數形式減小的脈沖。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，即當此脈沖幅度變化到一定程度時，壓電晶體將產生諧振，激發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

14、理可知，始波脈沖產生的時刻并非超聲波發出的時刻，超聲波發出的時刻，所以實驗時應該盡可能取第一回波到第二回波這個時間差作為測量結果，以減小實驗誤差?！緦嶒灢襟E】1 準備工作：在有機玻璃水箱側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?！笆静ㄆ魈筋^”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。如果示波器的同步性能不穩，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 打開機箱電源，按“選擇”鍵選擇合適的工作狀態

15、，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}沖信號設定”中的“增加”和“減少”按鈕是設定同步脈沖信號（也即外部掃描信號）的低電平持續時間，出廠設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，將結果作的線性擬合，根據擬合系數求出水中的聲速，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，應該分辨出來并且舍棄之。4 測定樣品架上不同材料，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

16、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?！緦嶒灁祿浚ㄗⅲ捍藢嶒灁祿H供參考，不作為儀器驗收標準。）表1 水箱中金屬擋板在不同位置時超聲波傳播的時間X/cmX/mt/t/2()t/2(S)0059310159152252025359作的線性擬合圖6 關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】1、 范毅明，范世忠，李祥杰.2、 應崇福主編. 超聲學. 北京：科學出版社，19903、 鄭中興，騰永平編. 超聲檢測技術. 北京：北方交通大學，19984、 陳澤民主編. 近代物理與高新技術物理基礎. 北京：清華大學出版社，2001附錄1一些材料