孫天希,白在橋,熊 俊,劉志國(guó)

(北京師范大學(xué)a.核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;b.物理學(xué)系,北京100875)

1 引 言

在現(xiàn)設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課和實(shí)際應(yīng)用中,都是采用超聲波探頭測(cè)量某個(gè)小孔對(duì)應(yīng)的反射波的方法來(lái)測(cè)量超聲波的擴(kuò)散角.但是,利用小孔三點(diǎn)反射法測(cè)量超聲波擴(kuò)散角時(shí),測(cè)量值會(huì)受到小孔尺寸等因素的影響.為了克服小孔三點(diǎn)反射法在測(cè)量超聲波擴(kuò)散角時(shí)的弊端,本文對(duì)原有方法進(jìn)行了改進(jìn).

2 小孔三點(diǎn)反射法測(cè)量超聲波擴(kuò)散角的原理

在利用小孔三點(diǎn)反射法測(cè)量超聲波擴(kuò)散角時(shí),通常采用偏離中心軸線后振幅減小一半的位置表示聲束的邊界.以直探頭為例,如圖1(a)所示,在同一深度位置,中心軸線上的能量最大,當(dāng)偏離中軸線到位置A和A′時(shí),能量減小到最大值的一半,其中θ角定義為探頭的擴(kuò)散角.如圖1(b)所示,移動(dòng)直探頭C使試塊D中深度為 HB的小孔B對(duì)應(yīng)的回波幅度最大,記錄該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置x0,然后分別左右移動(dòng)探頭,使回波幅度減小到一半,記錄對(duì)應(yīng)的位置 x1和 x2,則直探頭的擴(kuò)散角為

圖1 小孔反射法測(cè)量超聲波擴(kuò)散角的示意圖

3 小孔三點(diǎn)反射法測(cè)量超聲波擴(kuò)散角的弊端

小孔三點(diǎn)反射法忽略了小孔的尺寸對(duì)θ角的影響.實(shí)際上相同的超聲波,利用同一深度不同尺寸的小孔進(jìn)行上述小孔三點(diǎn)反射法測(cè)量時(shí),得到的(1)式中的|x1-x2|會(huì)不同,即小孔的尺寸會(huì)影響|x1-x2|值,從而影響了超聲波擴(kuò)散角的測(cè)量結(jié)果.在實(shí)驗(yàn)課上,對(duì)于直探頭,學(xué)生測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差范圍為12%～45%;對(duì)于斜探頭,學(xué)生測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差范圍為14%～50%.這是因?yàn)?(1)式中的|x1-x2|值對(duì)應(yīng)于小孔反射波強(qiáng)度分布曲線的半峰全寬值,它與小孔B的直徑 d有關(guān),對(duì)應(yīng)于超聲波擴(kuò)散角的實(shí)際的半峰全寬

式中(x1-x2)detect是小孔反射波強(qiáng)度分布曲線半峰全寬的測(cè)量值.顯然,如果小孔的直徑很小,并且 HB較大,則(1)式中由于忽略小孔尺寸而帶來(lái)的誤差會(huì)較小.但此時(shí)小孔反射波的強(qiáng)度也變小,這會(huì)導(dǎo)致在確定 x1和 x2的位置時(shí)產(chǎn)生較大誤差,從而影響了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度.如果選擇直徑較大的小孔,此時(shí)小孔尺寸對(duì)反射波強(qiáng)度曲線的半峰全寬的測(cè)量值(x1-x2)detect的影響不應(yīng)該被忽略,即應(yīng)該采用(2)式中|x1-x2|real代替(1)式中|x1-x2|.

4 改進(jìn)方法

鑒于以上討論,可以采用如下測(cè)量方法:以直探頭為例,選用直徑 d較大的小孔作為反射孔,將原來(lái)的小孔三點(diǎn)反射法中三點(diǎn)測(cè)量改為多點(diǎn)測(cè)量,獲得小孔反射波的強(qiáng)度分布曲線,在此基礎(chǔ)上,利用數(shù)據(jù)處理軟件得到小孔反射波強(qiáng)度分布|x1-x2|real應(yīng)是[1-2]曲線的半峰全寬的測(cè)量值(x1-x2)detect,然后采用

計(jì)算超聲波的發(fā)散角.由于該種多點(diǎn)測(cè)量方法充分考慮了小孔的影響,所以減小了誤差,對(duì)于直探頭,測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差范圍在3%～7%,對(duì)于斜探頭,測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差范圍在3%～8%.

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