超声波在物质中的传播与超声成像
【数据处理】
实验者信息：专业班级：材料 学号：北科大 姓名：大学物理实验 1、斜探头所产生的超声波（横波）入射铝块时的折射角 测量的数据如下表：
表1 斜探头所产生的超声波在铝块中传播的折射角测量数据
根据折射角βs的计算公式：
LB1−LA1−L
βs=arctan(
H
代入数据得折射角
βs=arctan(
2
、铝块的弹性模量和泊松系数
表2 铝试块CSK-IB参数
8.42−3.81−3.0
)=28.22︒
3.0
表3铝块的弹性模量和泊松系数测量数据表
表中物理单位： us
（1）直探头的延迟时间与纵波声波在试块中的传播速度 直探头的延迟时间为
t直=2t1−t2
代入数据得：
t直=(2⨯38.0−50.3)us=25.7us
在试块内纵波的声速为
2L′2×45×10−3
3
cL==(m/s=7.32×10m/s
(50.3−38.0)×10−6t2−t1
（2）斜探头的延迟时间与横波声波在试块中的传播速度 斜探头的延迟时间为（R2=2R1的情况下）为：
t斜=2t1−t2
代入数据得：
t斜=(2⨯47.9−77.1)us=18.7us
在试块内横波的声速为
2(R2−R1)2×(60−30)×10−3
3
cS==(m/s=2.05×10m/s
(77.1−47.9)×10−6t2−t1
（3）铝试块CSK-IB弹性模量和泊松系数 弹性模量：
ρcS2(3T2−4)E=T2−1
泊松系数：
T2−2σ=2(T2−1)
式中，T为纵横波速度比，即T=vL=cL=2.05=3.57，ρ为材料的密度。
S
S
vc7.32
①弹性模量E:
根据弹性模量计算公式，代入数据得：
ρcS2(3T2−4)2.7×103×(2.05×103)2×(3×3.572−4)E===35.98Gpa T2−13.57−1（铝的密度因随纯度的变化而变化，此处暂用纯铝的密度ρ=2.7×103(kg∙m−3)） ②泊松系数σ：
根据泊松系数计算公式，代入数据得：
T2−23.572−2
σ===0.457
2(T−1)2×(3.57−1)
3、超声成像
（1）5Mφ6直探头产生的超声在试块材料中的传播速度
表4 超声在无缺陷超声成像试块内传播速度的测量
表中物理单位： us
2L
t2−t1
已知试块厚度L=2.0cm，5Mφ6直探头产生的超声在试块材料中的传播速度c:
c=
代入数据得：
2×2.0×10−2
c=(m/s=2.88×103m/s (50.8−36.9)×10
（2）计算缺陷深度
表5超声波成像测试数据表
表中物理单位： us
由测量数据知，缺陷波的接收时间为t=5.5us，设缺陷深度为d,则超声波在试块中的实际传播距离为:
L实际=2(L−d)
d=L−
L实际2
又已知L=2cm，L实际=ct=2.88×103×5.5×10−6m=1.584cm 代入上式得
d=L−
即缺陷深度为d=1.21cm。
（3）绘制超声波成像专用试块的缺陷分布图
由于缺陷厚度基本相同，为了便于观察图像信息，将图形绘制成二维平面图像，直接在数据表格中将有缺陷的数据点标记，即可绘制缺陷分布图。图像如下：
L实际2
=(2−
1.584
)cm=1.21cm 2
【误差分析】
（1）在探头的延迟时间测量中，延迟时间t=2t1−t2，实验中未把S始波对应零刻度，导致延迟时间的测量结果偏大。由于速度计算时取t2−t1,故对声速的测量结果无影响。
（2）超声波的回波波形不太稳定以及人为因素会导致读数结果存在一定的误差。 （3）示波器现实信号的最大值并不是很明显，所以会造成t的读取也存在一定误差。
【讨论】
是否可以使用普通探头进行超声成像实验？
不可以。在进行缺陷定位时，必须要准确找到缺陷反射回波最大的位置，即将被测缺陷处于探头的中心轴上，普通探头尺寸偏大，不能满足这一需求，故不可以使用普通探头进行超声成像实验。
【结论】
（1）①数据处理结果汇总：
②本实验测得的纵波声速偏大，横波声速偏小（查资料得cL=6320m/s,cS=3130m/s），导致铝块弹性模量偏小，泊松比的测量结果偏大。
（2）根据实验结果可得出以下结论：
①通过提取超声波在物质传播特性中的特征信息量，可以实现工业上非声学参数的测量，如密度、厚度、弹性、强度、粘度等。本次实验用超声波在铝试块中传播的相关信息测得铝块的弹性模量和泊松系数就是就应用了超声波的传播特性。
②超声测量时超声波直接入射材料，并采集透过材料的信号，通过反馈信息检测测试材料相关特性。本实验中缺陷深度的测量和缺陷分布图就是利用超声测量和超声成像原理。
③超声测量和超声成像的优点就是不用破坏材料就可以检测材料的内部结构，因此在生活中尤其是医学诊断上应用（B超诊断和彩超诊断等）十分广泛。