实验二十 超声波特性研究
声波是一种弹性机械波，超声波是频率在2×104～1012 Hz的声波。超声波具有方向性好、穿透力强、易于产生和接收、探头体积小等特点，并且能够在所有弹性介质中传播，因此超声波广泛应用在生产和人们生活中。超声波可对介质产生机械作用，空化效应以及热效应和化学效应。超声波在医学领域有广泛应用，如我们熟知的使用B超、彩超等进行医学诊断，在治疗方面可用于体外碎石、理疗，肿瘤治疗，牙齿洁治等。其他方面的应用有：超声测距，超声测速，超声清洗，超声焊接，液体的乳化、水下探测，工业探伤等。
通过本实验可以了解利用压电效应产生脉冲超声波的原理和方法；分辨超声波的三种波型；了解超声波检查的基本原理和方法。
实验原理
一、超声波的产生
能将其它形式的能量转换成超声振动能量的方式都可以用来发生超声波。例如压电效应、磁致伸缩效应、电磁声效应和机械声效应等。目前普遍使用的是利用压电效应来产生和接收超声波。
某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。通常具有压电效应的物质同时也具有逆压电效应，即当对其施加电压后会发生形变。超声波探头利用逆压电效应产生超声波，而利用压电效应接收超声波。
拉力作用下的极化石英晶体结晶体的宏观极化
将产生和接收超声波的材料制成片状，并在其正反两面镀上导电层作为正负电极。如果在电极两端施加一脉冲电压，晶片发生弹性形变，随后自由振动，并在晶片厚度方向形成驻波，如果晶片的两侧存在其它弹性介质，则会向两侧发射弹性波。在晶片的振动过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，因此它发射出的是一个超声波波包，如图20-1所示，通常称为脉冲波。波的频率与晶片的厚度有关，适当选择晶片的厚度，使其产生弹性波的频率在超声波频率范围内，则该晶片即可产生超声波。
图20-1 脉冲超声波的产生
如果晶片内部质点的振动方向垂直于晶片平面，那么晶片向外发射的就是超声纵波。超声波在介质中传播可以有不同的形式，它取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种：
纵波波型：当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，此超声波为纵波波型．任何介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。纵波可在固体、液体中传播。
横波波型：当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能承受剪切变形，因此，当有剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。
表面波波型：这是沿着固体表面传播的具有纵波和横波双重性质的波．表面波可以看成是由平行于表面振动的纵波和垂直于表面振动的横波合成，质点合成振动的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。
二、超声波探头（超声波的发射与探测接收器件）
在超声波分析测试中，利用超声波探头产生脉冲超声波。常用的超声波探头有直探头和斜探头两种，其结构如图20-2所示。探头通过保护膜或斜楔向外发射超声波；吸收背衬的作用是吸收晶片向背面发射的声波，以减少杂波；匹配电感的作用是调整脉冲波的波形。一般用直探头产生纵波，用斜探头产生横波或表面波。
还有一种可变角探头，如图20-3所示。其探头芯可以旋转，通过改变探头的入射角θ，得到不同折射角的斜探头。当θ = 0时成为直探头。
1、外壳，2、晶片，3、吸收背衬，4、电极接线， 5、匹配电感，6、接插头，7、保护膜，8、斜楔
图20-2 直探头（a）和斜探头（b）的结构
图20-3 可变角探头示意图
三、超声波的反射与折射
超声波在传播过程中遇到不同媒质界面时会发生反射和折射。理论证明，在垂直入射时，反射波强度与入射波强度有如下关系
Ir=(
Z2?Z12
)Ii
Z2+Z1
式中Ii为入射波强度，Ir为反射波强度，Z1，Z2分别为两种媒质的声阻抗。声
（临床上B超成像就依据人体不阻抗Z=ρ C, ρ媒质的密度，C媒质中的声波速度。
同组织器官（正常组织与病态组织）的声阻抗的不同形成不同强度的反射波而实现的。）
超声波入射到两种媒质的界面上时，如果两种媒质都是固体或其中之一是固体，一般情况下在发生反射和折射的同时还会发生波型的变化。例如入射纵波在反射和折射出纵波的同时，会反射或折射出横波。对于横波，情况也类似。超声波的这种现象称为波型转换。通常使用的横波和表面波都是通过斜探头或可变角探头利用波型转换得到的。（由探头晶片发出的一般都是纵波）
超声波入射到两种介质的界面时发生反射或折射遵循斯特令定律：当超声波以入射角α按纵波或横波波速v传到异质界面后，反射角或折射角满足：
反射：
sinαsinαLsinαS
== vv1Lv1SsinαsinβLsinβS
== vv2Lv2S
（20-1）
折射： （20-2）
其中，αL和αS分别是纵波反射角和横波反射角；βL和βS分别是纵波折射角和
横波折射角；v1L和v1S分别是声波在第1种介质中的纵波声速和横波声速；v2L和v2S分别是声波在第2种介质中的纵波声速和横波声速。
在斜探头或可变角探头中，超声波以纵波经有机玻璃入射到铝质试块中，如图20-4所示。由于机玻璃中声速v小于铝中横波声速vS，而铝中横波声速vS又小于纵波声速vL。因此，当入射角α大于α1=sin?1(vvL)时，铝介质中只有折射横波；同理，当入射角α大于
α2=sin?1(vvS)时，铝介质中既无折射
横波，也无折射纵波。我们把α1称为由
图20-4 波型转化 图20-7 波型转化 有机玻璃入射到有机玻璃-铝界面上的
第一临界角；α2 称为第二临界角。
实验仪器
JDUT-2型超声波实验仪由同步电路，发射电路，接收电路，放大衰减电路，显示电路等电路模块组成(原理框图见附录1)。在仪器面板上有衰减调节按键，
超声波特性实验
