超声波波型转换与表面波的检测

第26卷第2期 2006年2月 物理实验 PHYSICSEXPERIMENTATION Vol_26No．2 Feb．，2006 超声波波型转换与表面波的 张连芳，柯伟平 (清华大学物理系，北京100084) 摘要：分析了超声波纵波、横渡、表面波3种渡型的产生条件和声速关系。检测了超声波在固体表面的波型转换 并测量了声表面波的速度，讨论了声表面波在超声延迟线方面的应用． 关键词：超声波；波型转换；声表面波；声速；延迟线 中国分类号：0426．2 文献标识码：A 文章编号：1005—4642(2006)02，0008—03 1引 言 超声波是在弹性介质中传播质点位移运动的 一种声波．在气体和液体中传播的都是纵波，质 点运动方向与渡的传播方向相同，固体中除纵波 外还有横波，质点运动方向与传播方向垂直，在2 种介质(至少有一种为固体时)交界处，纵波和横 渡之间可能发生渡型转换，在一定条件下还可能 产生表面波．所谓表面渡是沿着固体表面传播 的，具有纵波和横波双重性质的波，可看作振动平 行表面的纵波和振动垂直表面的横波的合成，质 点振动轨迹位于包括传播方向又垂直于固体表面 的平面内的椭圆运动．表面渡的质点振动局限于 固体表面下l～2倍波长范围内，且随深度增加很 快衰减．在实验中研究波形转换和表面波的特性 对了解波动特性及超声波应用都很有意义口“]， 2波形转换与表面波的产生 当超声纵波或横渡入射到2种介质界面上 时，若介质都是固体或其中之一是固体时，在发生 反射折射时，一般会同时反射或折射出另一种波 形，如图1所示，入射纵波在反射折射出纵波的同 时会反射或折射出横波．超声波的这种现象称为 波型转换．设8为介质1中的入射角确为介质1 中的波速，岛．和岛分别为介质2中纵波和横波的 折射角确，和c2s分别为介质2中的纵波、横渡的 波速．根据折射定律： 图1超声波在2种介质面上的反射折射简图 若qas，在表 C2S 面条件适合时将产生沿固体表面传播的表面波． 3观察波型转换及表面波的实验 图2为纵波、横波、表面渡质点振动的示意 图．为了通过实验观察波型转换及表面波的产 生，可使用改良的2一w型试样块n]、可变角超声 波探头、超声波信号源和存储示波器，实验仪器框 图见图3．改良的2一w型试样块材料为硬铝。左 半部分有R，和尺z圆弧，主要用于检测横波，右 半部分为长方块，主要用于检测纵波和缺陷探测． 试样外围大小约160mm×80mm×60mlTl．表 收稿日期：2005—08—25；修改日期：2005-10—18 作者简介：张连芳(1946一)，男+江苏宜兴人，清华大学物理系教授．研究方向为实验物理 万方数据 ctgusol 高亮 纵波、横渡、表面波3种渡型的产生条件和声速关系。检测了超声波在固体表面的波型转换 并测量了声表面波的速度，讨论了声表面波在超声延迟线方面的应用． 关键词：超声波；波型转换；声表面波；声速； ctgusol 高亮 移运动的 一种声波．在气体和液体中传播的都是纵波 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 第2期 张莲芳，等：超声波波型转换与表面波的检测 9 纵波 横渡 表面波露国鳓 图2纵波、横波和表面波的质点振动示意图 面CAB可用于观察表面渡的产生．压电晶体探 头嵌在声速为c，一2680m／s的有机玻璃中，成 为产生纵波人射角在0～90。可变的可变角超声 波探头．实验中用1个探头发射信号和接收反射 回波．超声波信号源为自制的qw1型信号测量 仪，产生超声波频率约1MHz，可产生单个或2～ 3 kHz的重复脉冲信号． 图3铡量装置示意图 观察波形转换的方法为： 1)把可变角探头放在图3位置c，探头的入 射角调整为0，使超声波以纵波入射并且经试样 底面多次反射，在示波器上可以看到一系列等间 隔的反射回波Ft，F：，R，⋯，如图4(a)所示．测 0≈O。 _1：? ’ 美撕目 ●_t● r k Ca)纵波 量时间间隔，计算声速约为6320m／s，确定其渡 型为纵波． 2)把可变角探头放在图3位置A，使入射点 (超声波进入被测工件的位置)基本与试样块两圆 弧圆心重合．当超声波传人试块后，声波可以被 Rt和R。圆弧面或试样底面反射，在示波器上可 以看到反射回波Ft和R[如图4(b>3．反射回波 F。和Fz对应的时间差t2一t，与声速有关．不同 渡型，声速不同，由此可知反射回波的波型．入射 角小时为纵波．增大可变角探头人射角，注意回 波幅度的变化．当入射角达到纵波临界角品一 25．10后，纵波回波会消失，入射角增大又会新出 现2个回波，且幅度不断增大．测量新出现的2 个回波时问差t，一t。，计算声速约为3130m／s， 确定其波型为横波． 3)可变角探头入射角继续增加，至横渡临界 角巩一58．9。后横波消失．当口一65。时出现新的 回波．沿AC方向移动探头，回波也顺势移动，幅 度基本不变．但当表面状态变化，如有水滴，回波 立即消失．擦去水滴回波又恢复，可见回波是沿 表面传播后遇到尖锐界面B反射回来的一种渡： 表面波．波型图见图4(c)． 0≈45。 ●； n’ l m l II； LE』L 二]Lo“L 0≈65。 ●_'● ‰--L··‘_J (b)横渡 (c)表面渡 图4声速波形示意图 簏氧<／B＼ 一 ／＼ 一 ＼南 万方数据 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 高亮 量时间间隔，计算声速约为6 320 m／s，确定其渡 型为纵波． 10 物理实验 第26卷 4超声表面波速度的测量 5声表面波的应用 超声波的速度与固体介质的弹性模量、密度 等有关，不同的介质有不同的声速，且传播渡型不 同，介质的形变方式不同，声速也不同．测量固体 中声速对研究固体介质的弹性模量等力学量的性 质有很太意义．根据波动方程可得到，在各向同 性介质中，纵波声速CL、横波声速c。分别为o]： ／ E(1--a) flr刮孑讦万万=：j万 厂—E一 “刮—2p(1—-kg)‘ (2) (3) 式中：E为介质的弹性模量；口为泊松系数，与 CS／CI．!}的值有关；p为材料密度． 超声表面波有多种形式，其中最重要的是质 点振动在包括传播方向而垂直于固体表面的平面 中作椭圆运动的波，又称为瑞利(Rayleigh)渡． 根据波动方程和相关边界条件，表面渡波速c。应 满足瑞利波速方程“。： 矿一8n4-k8rt2(3—2譬)+16(擎一1)一0．(4) 其中：口一cR／cs，}=cs／c。(4)式有1个实根： 由此可求出表面渡波速c。 (5) 实验中根据表面波在传播中遇到尖锐界面后 反射回波的特性，测定起始表面波脉冲与回波脉 冲的时间间隔以及传播距离L，即可测出表面波 的波速．可采用2种方法测量： 1)固定法．如图3所示，可变探头转到约 65。时，发射的声波以口角入射到试样表面A处产 生表面波，传播到B处后反射回波，测量在A处 产生起始波至反射回波的时问血，由几何尺寸计 算AB的距离L^B后，可以算出“，c。一2L。／At． 实验中测得L"=128．2mm，At一90．0“s，则 cR一2849m／s． 2)移动法．和固定法一样先找出从_B处的 反射回波在示波器时间轴的位置t。，沿传播方向 移动探头到C处，再找出反射回波在示波器时间 轴的第2个位置t2，则cR一2L^c／(如一t，)．实验 测得L^c一75．omm，t2一t1—52．4pS，则CR= 2862m／s． 2种方法的测量结果基本一致．c。的不确定 度可根据t和L的不确定度求出． 声表面波的研究最先开始于地震后波在地球 表面的波型转换和地震波在地球表面的传播，从 而在实际中得到表面波存在的证据和传播特性． 在超声波应用中，用半导体集成电路制作的超声 换能器，使声表面波的产生、接收和传送成为可 能．由于声波速度为103m／s量级，比电磁波速 108m／sd、5个数量级，原来用电缆使电信号延时 l“m，需用电缆200～300m，丽采用声表面波器 件只需要几个mm．声表面波器件如超声延迟 线、超声滤波器等大量器件进入电子技术世界． 图5为超声延迟线的示意图，电信号经过发射换 能器转变为超声表面波沿基片表面传播，由于基 片一般采用石英晶体、锗酸铋等压电材料做成，其 表面波声速约为3160m／s，1680m／s，延时1ⅡS 只需4～2mm¨]，再经过接收换能器还原为电信 号，就实现了电信号的延时．这种电信号的延时 技术在信号检测技术中有广泛的应用． 图5超声延迟线示意图 6结束语 我们采用超声信号源和存储示波器等基本仪 器，在大学基础物理实验课程中。使学生接触到纵 波、横渡、表面波的产生和声速的测量等内容，对 扩展物理实验内容，增加物理实验和应用技术的 结合等方面做了一些有益的尝试，并且已经在2 届约2000多名学生的物理实验中得到应用，其 教学效果良好． 参考文献： [1]罗斯J．固体中的超声波[M]．北京：科学出版社． 2004．73～81．323～325． [23马文君，橥家惠．反射式CT用于物理实验教学 [J]-物理实验，2004，24(4)：6～8， [3]马大猷，沈壕．声学手册[M]．北京：科学出版社， 1983．151～160． [4]应崇福．我们身边的超声世界[M]．北京：清华大 学出版社，2002．120～138． (下转第17页) 万方数据 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 ctgusol 铅笔 第2期 韩力．等：有机单分子修饰的半导体界面瞬态光电特性 7 ofwateratasemiconductorelectrode[J]．Nature， 1972，238：37． D1TrykDA，FujishimaA，HondaK．Recenttopics inphotoelectrochemistry：achievementsandfuture pmspects[J]．ElectrochimicaAeta，2000，45：2363 ～2376． [33FujishimaA．RaoTN，TrykDA．Titanimndiox— idephotocatalysisCJ]．j．Photochem．PhotobioC： Photochem．Rev．，2000，l：1～2i． [43KobayakawaK，SatoC，SatoY．eta1．Continuous flowphotoreactorpackedwithtitaniumdioxideim— mobilizedonlargesilicagetbeadstodecomposeox- alicacidinexcessw“er[J]，J．Photoehem．Photo- bio．A．1998，118(1)：55～69． [5]李淑红，穆健，高学喜．等．有机功能超薄铁电性研 究进展[J]．物理实验，2004．24(10)：15～18． [83SubramaniaV，WolfE．KamatPV．Semiconductor metalcompositenanostructures．Towhatextentdo metalnanoparticlesimprovethephotocatalyticae— tivityofTiOz[j]．PhysChem．B，2001．105 (46)：儿439～1l446． [73HufschmidtD，BahnemannD。Testaj J，eta1．En— hancementofthephotocatalyticactivityofvarious Ti02materialsbyplatinisatioa[J]．J．Photochem． andPhotobio．A：Chem．，2002，148(2)：223～231． [83HeC，XiongY，ShuD，eta1．Enhancedphotocata— lyticefficiencyofTiO?bycombiningthemodifica— tionofAgnanoparticleswiththeapplicationofa— uodicbias[』]。ChineseChemicalLetter。3003，14 (5)：539～542． [93王守武．半导体器件研究与进展(第一册)[M]．北 京：科学出版社，1988，16l～165． Interracialtransientphotoelectronicpropertiesof semiconductormodifiedbyorganicsupramolecularfilm HANLi．LuJie (DepartmentofPhysics，JilinUniversity，Changchun130021，China) Abstract：Thedynamicsofphoticchargetransferonthesurfaceofsemiconductormodifiedbyor— ganicsupramoleeularfilmisstudiedbyusingpulsedlaserinducedtransientsurfacephotovohaictech— nique．11isfoundthatthesi02filmonthesurfaceofP—Si(HI)influncesthechargetransferefficient— ly． Keywords：transientphotoelectronicvoltage；organicsupramolecular；LBfilm (上接第10页) Transfolrmationofultrasonicwavesanddetectionofsurfacawave ZHANGLian—fang，KEWei‘ping (DepartmentofPhysics，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China) Abstract：Therelationshipofconditionandsoundvelocityisanalyzedforlongitudinewave， transversewaveandsurfacewave．Thetransformationsofultrasonicwavesonsolidsurfaceshave beendetected．Thevelocityofultrasonicsurfacewavesismeasured．Theapplicationofsurfacewave inultrasonicdelaywiresisintroduced． Keywords：uhrasonicwave；shapetransformation；acousticsurfacewave；soundvelocity；delay wjre 万方数据 超声波波型转换与表面波的检测 作者： 张连芳， 柯伟平， ZHANG Lian-fang， KE Wei-ping 作者单位： 清华大学,物理系,北京,100084 刊名： 物理实验 英文刊名： PHYSICS EXPERIMENTATION 年，卷(期)： 2006，26(2) 被引用次数： 0次 参考文献(4条) 1.罗斯J 固体中的超声波 2004 2.马文君.梁家惠 反射式CT用于物理实验教学[期刊论文]-物理实验 2004(04) 3.马大猷.沈壕 声学手册 1983 4.应崇福 我们身边的超声世界 2002 相似文献(10条) 1.会议论文 冯宝伟.胡亚民 光弹可视化方法在超声波无损检测中的应用 1999 超声波脉冲的可视化方法在超声波检测中具有很重要的指导作用，特别是对于高可靠性、高精度的超声波无损检测。该文阐述了光弹可视化的方法 ，以及其在超声波无损检测中的应用。图解说明了获得超声波脉冲在固体中传播图象的可视化设备构成。 2.学位论文 刘庆凯 胫骨定量超声测量骨矿密度原理与方法研究 2006 骨质疏松症是一种常见病，主要危及绝经后妇女与老年人，其特点是骨量减少、骨组织微细结构受损和脆性骨折的风险增加。随着人口老龄化，骨 质疏松症已逐渐成为世界各国日益关注的公共健康问

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。测量骨矿密度是目前骨质疏松症早期诊断主要技术手段。利用定量超声测量骨密度是近些年来 国际医疗器械界研究开发的诊断新方法。本文重点研究目前商用仪器尚较少采用的胫骨定量超声测量骨矿密度方法的原理及其关键技术，采用自行设计 制作的超声波探头测量了人体胫骨中皮质骨的超声横波传播速度(Speed of Sound,，SOS)，所得SOS实验数据可定量反映骨密度和骨弹性状况，评价人体 的骨质量，说明胫骨定量超声测量骨密度技术可为骨质疏松诊断提供一种有价值的手段。其主要工作和创新点如下： 1.提出了利用超声横波在胫骨中传播速度测量骨密度的检测原理，并根据胫骨实际解剖结构和波型转换条件分析了超声波在胫骨中传播路径，自行 推导了其横波SOS计算公式，制定了先定位后测量的骨密度定量超声检测方法。 2.自行设计并制作了专用的超声探头，含定位和检测两部分。其定位探头设计注重考虑了软组织层厚度的测量，检测探头设计则优先考虑了胫骨中 超声波型转换机理以便于检测其横波速度，经实验证明该设计合理、工作有效。 3.提出了一种去除皮下软组织误差的新方法。即先用定位探头测出被测部位软组织层厚度，再在测量探头检测横波SOS速度时扣除软组织层厚误差以 减少个体差异对测量精度的影响。 4.建立了一套较为完善的SOS数据采集处理系统，具有高速A/D数据采集和友好人-机接口界面的技术特点。 5.分别进行了牛骨离体和人体在体检测实验，其结果合理、有效。并测量了不同年龄段健康志愿者的SOS值，数据分析结果表明：SOS值随年龄增长 逐渐降低、绝经期中老年女性SOS值略低于同年龄段男性，与通常诊断结论一致。 3.期刊论文 张忠平.车俊.刘志毅.杨尊袍.张建邦 用超声波确定应力强度因子时对波型的选择 -空军工程大学学报 (自然科学版)2001,2(2) 利用与超声纵波相应的材料声折射率和应力强度因子的关系，并考虑到横波、纵波在材料中的传播速度及其与入射角、反射角的关系，研究了用超 声波确定应力强度因子时对波型的选择。发现：一列超声纵波入射于含裂纹的受力试件表面时，由于反射与折射，将有两列超声纵波透过试件后表面 ，四列超声纵波穿出试件前表面。要用超声波确定应力强度因子，只能采用透出试件前(或后)表面的第一个纵波信号。 4.期刊论文 项东.XIANG Dong 不同温度下超声波横波声速变化的研究 -山东建筑工程学院学报2000,15(4) 研究在0～130℃范围内超声波横波声速的变化规律,即0～40℃时声速基本不变,随温度升高,声速增加,在70～80℃附近声速达到最大值,随后声速反 而减少.讨论了不同温度下,超声探头K值的选择方法,为保证超声波检测的准确性提供了参考依据. 5.学位论文 刘庆凯 定量超声诊断骨质疏松症的关键技术研究 2002 该课题采用定量超声检测技术用特殊设计的超声波探头测量人体胫骨中皮质骨的超声传播速度（SOS）,根据超声速度值所反映的骨密度信息诊断骨 质疏松症.超声诊断系统中,超声波探头是整个系统的关键部件.该课题根据实际检测需要设计并制作了超声波探头.该文第4章从探头结构、设计原理及制 作工艺等几个方面阐述了该系统所用的探头的设计及制作过程.研究采用实际制作好的探头进行了离体和在体试验,对试验中发现的一些问题进行了分析 并提出了初步解决方法.在理论方面,根据波型转换的原理使探头发出的纵波在股骨皮质骨内转换为横波,并由实际检测情况推导出系统所测SOS的测量公 式,最终经试验推导出的公式消除了皮肤软组织的影响.在数据采集和人机接口方面,提出了采用先进的计算机外设接口技术

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,并指出了系统自身发展的方向. 6.期刊论文 陈自强.倪纯珍.陈立功.薛锦 周期性固-气粗糙界面的超声波衍射 -上海交通大学学报2001,35(5) 建立了基于模式匹配法的周期性固-气界面声波衍射理论模型，其求解稳定、精确，优于直接边界积分法.采用该模型进行银-气锯齿界面的超声频谱 预测，结果表明，周期性粗糙界面导致在某些频率处的反射频谱奇异极小值为波型转换的结果. 7.会议论文 蔡家藩.聂勇.许远欢.杨崇安 浅谈核设备缺陷自身高度超声波测量技术 2007 超声检测是核电站设备常用的一种体积检验方法,在核设备各个阶段都有广泛地应用。超声检测在保证核设备的安全运行方面起着不可替代的作用。 而在核设备的超声检测技术中,由于超声检测能测量缺陷的长度和壁厚方向的自身高度,在含缺陷部件的安全评定时,是一种较好的无损检测手段。根据国 内外经验,目前普遍认为缺陷的自身高度测量技术也是属于较难的课题。 此处，所介绍的缺陷自身高度超声波测量技术是尖端衍射信号测量法,从目前国内外的经验来看,尖端衍射信号测量法,是比较通用而有效的一种缺陷 自身高度的测量方法。所谓尖端衍射信号是根据惠更斯原理,超声波入射到缺陷(如裂纹)上时,在裂纹上下尖端会形成次波源而产生衍射(称为衍射波)。 端点衍射波测量法是通过测量裂纹端点衍射回波的传播时间差值来求得裂纹自身高度的一种方法。 论述了核容器设备和管道焊缝缺陷自身高度超声波测量技术的试验研究和测量方法,对提高在用核设备超声检测技术的可靠性和有效性有一定的适用 价值。对于容器设备焊缝缺陷自身高度测量,介绍了深埋缺陷的高度测量和表面开口缺陷的高度测量的测量方法及计算公式。对于管道焊缝缺陷自身高度 测量技术,介绍了绝对传播时间技术、相对传播时间技术和波型转换技术的测量方法及计算公式。最后，介绍了对于缺陷自身高度超声波测量技术的试验 研究,重点叙述了四类试验:从裂纹背面侧进行扫查试验、从裂纹开口侧进行扫查试验、深埋缺陷的高度测量试验和堆焊层下缺陷高度测量试验。通过试 验进行了试验结果分析并进行总结。 8.学位论文 杨建刚 定量超声诊断骨质疏松症的数据采集与传输系统设计 2005 随着人们寿命的增加和老年型社会的形成，作为老年性疾病之一的骨质疏松症及其引发的骨折使越来越多的人们深受其害。随着患者的增加，医疗 费用的上涨，给许多家庭和社会带来了巨大的精神压力和经济压力。 与其它诊断方法相比，利用定量超声技术检测骨质疏松症具有精确度高、重复性好、无放射性损伤等优势。它是从一种新的角度评估人体的骨质量 ，而且因其价格便宜，对大面积人群的普查及筛选尤有实用性。本课题采用定量超声检测人体胫骨中皮质骨的超声传播速度(SOS)，根据超声波速度值所 反映的骨密度信息来诊断骨质疏松症。在理论方面，根据波型转换原理确定了入射纵波在胫骨皮质骨内转换为横波的物理条件，由实际检测情况推导出 系统所适用的SOS测量公式，并经试验消除了测量公式中皮肤软组织的影响。 本论文的重点任务是数据采集和传输系统的设计。由于采集芯片达到了40Msps属于高速采集，所以该系统选用了复杂可编程逻辑器件 (ComplexProgammableLogicDevice，CPLD)作为控制部件。其功能主要是负责将采集到的数据先存储到SRAM中，然后再配合带有通用串行总线(USB)接口 的单片机传递到主机上。因此该部件除设计了产生访问SRAM的19位地址以外，还设计了读写控制逻辑和定时器功能块以完成整个数据采集存储和传输功 能。此外，在这部分设计中，还巧妙地运用了二进制累加器，达到了两块SRAM之间数据切换的目的。论文第三章分别介绍了采集系统中数据采集、存储 和传输等各个

单元

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的设计以及协调这些单元工作的控制单元的设计。在传输系统的设计中，使用了现代流行的USB技术，由于其“热插拔”的方便性和传 递数据的高速性，因此采用该技术作为传递数据到主机的方法。第四章从浅入深地介绍了USB的固件设计、驱动设计以及界面设计，使繁琐的USB协议及 其开发过程变得简单易懂。 论文的最后两章对所设计系统的初步试用结果进行了分析和展望，并与有关临床类似检测结果进行了比较，得到令人满意的效果，为今后进一步研 制开发智能型的定量超声骨质疏松诊断仪奠定了基础。 9.会议论文 陈友兴.王召巴.郑建利.赵霞.李媛 超声波在杆中传播的声线理论及有限元分析 2008 针对超声波在金属杆中传播存在的尾随信号，采用声线理论分析了超声波在杆中传播的波型转换形式及对回波的影响，得出尾随信号的间隔由杆的 直径和声速决定，并借助有限元的仿真技术分析超声波在杆中的传播过程及回波情况。在实际的检测中，根据检测对象的特点先采用有限元方法进行计 算，然后选择杆的材料和设计杆的结构，在时域内充分区分出检测特征信号与尾随信号，达到有效提取特征信号的目的。 10.期刊论文 陆铭慧.杨奕.陈以方.付德永.LU Ming-hui.YANG Yi.CHEN Yi-fang.FU De-yong 声学法测量复合绝缘 子弹性常数 -材料工程2005,""(11) 提出了一种实用的声学法测量复合材料弹性常数的方法.依据复合材料中声波速度与材料弹性常数之间的本构关系,测量不同传播方向的少数几个声 速,就可以得到其弹性常数矩阵.以复合绝缘子为测量样品,为提高测量横波的精度,根据超声波在边界上的波型转换条件,使用常规纵波探头对由掠入射纵 波产生的横波进行测量. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wlsy200602002.aspx 授权使用：三峡大学(sxdx)，授权号：a542a353-24ee-42c6-a6c1-9e38010f62f5 下载时间：2010年11月24日