基于超声脉冲反射回波法的声速设计性实验

祝 昆 ，邱学云

（1.六盘水师范学院 物理与电子科学系，贵州 六盘水 553004；2.文山学院 数理系，云南 文山 663000）

无损检测是目前工业生产中重要检测方法，其中，超声检测是无损检测中应用最广泛的方法之一。随着工业生产对检测效率和检测可靠性要求的不断提高，利用超声波技术进行材料特性评价也成为了重要的研究方向。声速是表征介质声学特性的参量，测量声速对于了解材料性质，试件缺陷定位和定量分析都有重要意义。超声脉冲反射回波法是由超声探头发射脉冲波到试件内部，通过观察来自内部缺陷或试件底面的反射波的情况来对试件进行检测的方法［1］。该方法是已经在医学、海洋渔业、军事、工业产品检验等方面得到了较为广泛的应用。但目前在高校开设的超声波测量声速实验项目中，都是采用共振法和相位法的原理测量声速。这两种方法是利用超声波脉冲信号穿透试件的原理来了解试件内部情况，需要设置发散探头与接受探头。而在实际应用中，通常是将两个探头合为一个探头，原理上是采用脉冲反射方法来判断试件内部情况。脉冲反射法与穿透法比较，具有检测灵敏度高、可对缺陷定位精确、操作方便、适用范围广等优点［2］。超声脉冲反射法早就作为了超声波探测仪器的主要原理。因此，将超声脉冲反射回波法引入超声波测声速实验，对于理工科学生联系实践掌握基本原理、应用基本原理解决实际问题，提高学生实验操作和分析处理问题的能力具有重要的意义。

本文报道了我们通过实验室现有实验设备，设计和自制的超声波综合声速测量仪测量声速的实验内容。该实验项目即可作为验证性实验项目开设，也可作为设计性研究性实验项目开设。他对于学生掌握超声反射回波法原理、提高实验技能具有重要作用。其装置也可作为高校教师从事超声波实验专项研究的参考。

1 实验内容

1.1 实验原理及装置

超声波脉冲波在同种介质中传播中如果遇到不同介质，就会两种介质的界面产生反射回波。根据接收到的回波信号，就可以分析研究被检测介质的信息。如图1所示。

由反射面返回的脉冲回到超声探头处形成第一回波。由于第一回波在试件内未被完全衰减，将再次形成第二回波、第三回波直至消逝。若测量出试件两表面之间的距离，通过示波器测量出始波与反射回波时间间隔。即可由下面的公式计算出超声波在试件内的声速。

式中，υ为超声波在试件中传播的声速，t为发射脉冲波与接收回波信号的时间，x为试件的两表面之间的距离。n=2，4，6……为整数，分别对应第一回波、第二回波、第三回波等。

图1 测量原理示意图

实验装置主要由主机（含UT2025B型数字示波器），超声探头（含发射换能器和接收换能器，使用频率2.5 MHz）、测量附件（有机玻璃水箱（带滑块、米尺）、滑块式样品板、样品、耦合剂等）三部分组成。图2为水中超声波声速测量实验装置图。

图2 超声波声速测量实验装置图

图3 主机内部原理框图

图3为主机内部原理框图，主机内由单片机控制同步脉冲信号，在同步脉冲信号的上升沿电路发出一个高速高压脉冲至换能器，这是一个幅度呈指数形式衰减的脉冲。此脉冲信号分为两路：一路取样信号，在幅度尚未变化时被取样处理后输入示波器形成始波参考脉冲；另一路作为超声波的激励信号，具体过程是当此脉冲信号幅度衰减到一定程度时，与压电晶体产生谐振，激发出频率等于谐振频率的超声波（实验中采用的压电晶体的谐振频率是2.5 MHz）。第一次反射回来的超声波又被同一探头接收，此信号经处理后送入示波器形成第一回波，根据不同材料中超声波的衰减程度、不同界面超声波的反射率，还可形成第二回波等多次回波。通过示波器测量出始波与回波的时间间隔。

2 实验内容及分析

根据上述实验原理及装置分别对超声波在固体、液体中的声速进行测量。固体选用铝合金圆柱体，液体采用水。测量方法及实验过程如下。

2.1 铝合金中声速的测量

先用游标卡尺测出铝合金圆柱体的高x。然后在铝合金圆柱体（小）表面涂上耦合剂（风油精），将超声探头与铝合金圆柱体紧密结合。适当调节探头位置寻找铝合金圆柱体底面回波信号，利用示波器测量出回波时间。利用（1）式求出超声波在铝合金中传播速度。

表1 铝合金中超声波速度的测量

表1为采用超声脉冲反射回波法测量频率为2.5 MHz超声波在铝合金中的相关测量数据。通过（1）式分别计算四个回波的声速值，取平均值得υ=5892.97 m/s。测量数值处于超声波在铁5.82×103m/s和铝 6.34×103m/s［2］声速之间，说明测量方法可行。由于超声波在固体中的声速与超声波的频率、固体材料的密度、均匀分布、温度等因素有关，所以上述测量结果是合理可信的。

2.2 水的声速测量

在水箱中注入清水，水位超过探头约1 cm左右；将薄铜圆板固定在滑块下端，侵入水中，在水箱的米尺上读出铜圆板位置；测出超声波在薄铜圆板与探头表面之间回波信号在水中传播的时间。改变超声探头与铜板距离x测量多组数据如表2，利用（1）式作超声探头与铜板距离x与回波时间t拟合曲线，曲线斜率即为超声波在水中的传播速度。

表2 超声波在水中传播时样品表面位置与回波时间测量数据

利用表2中测量的样品表面到探头之间距离与反射回波时间进行拟合，得到拟合曲线如图4所示。图中直线为拟合曲线，点为实验测量数据。所测数据可决系数均在0.99以上，说明拟合程度较好。除图4d外，其他拟合斜率都接近1.49。由图4可知超声波在温度为28.0 ℃时，水中传播速度取平均值为1490.6 m/s。与超声波在水中传播的声速公认值υ=1505.5 m/s［3］的百分误差为0.9%，说明测量结果较为合理。

图4 超声波脉冲反射回波距离&时间拟合曲线

3 结束语

超声脉冲反射回波法测量声速具有测量精度高，实验原理清晰、仪器设备操作简单等特点。具有与单片机技术有机结合的优势，是实现智能化仪器仪表首选的实验技术手段。也是超声波无损检测仪器的主要原理。因此，在声速测量实验中将超声脉冲反射回波法作为设计性实验原理进行实验是具有意义的，通过这个实验项目可以让学生掌握声速测量的基本原理，了解设计性实验的基本理念，同时，也可让学生把本实验装置作为制作和设计检测仪器的项目进行研究。对于培养学生创新设计能力和开阔实验视野具有促进作用，值得作为设计性实验项目进行推广。

［1］何金田.自动检测技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2006：186.

［2］王寅观.超声波速度的精密测里理论及其应用［J］.声学技术，1989（2）：18-23.

［3］中国无损检测学会编译.超声波探伤［M］.北京：机械工业出版社，1987：10.