孫天希，白在橋，劉志國(guó)，熊 俊

（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

超聲波技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)探傷、材料分析、海洋探測(cè)與導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)治療與成像等領(lǐng)域［1-4］.超聲探頭發(fā)射的能量具有較強(qiáng)的指向性（指向性是指超聲波探頭發(fā)射的超聲束擴(kuò)散角的大小，擴(kuò)散角越小，則指向性越好，對(duì)目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性越高）.超聲波的擴(kuò)散角是重要的參量，它決定著超聲波應(yīng)用過(guò)程的具體設(shè)計(jì)方案.超聲波的擴(kuò)散角與超聲發(fā)射探頭的幾何尺寸和波長(zhǎng)有直接的關(guān)系，一般情況，波長(zhǎng)越小，頻率越高，擴(kuò)散角越小；超聲波源的尺寸越大，擴(kuò)散角越小.為了更好利用超聲波，要對(duì)超聲波的擴(kuò)散角進(jìn)行表征.在現(xiàn)設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課和實(shí)際應(yīng)用中，都采用利用超聲波探頭測(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.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，另外，這種利用小孔反射的測(cè)量方法，反射波信號(hào)弱，從而也會(huì)帶來(lái)較大的實(shí)驗(yàn)誤差.為了消除小孔尺寸的影響，文獻(xiàn)［5］提出了利用小孔掃描超聲波束橫截面的多點(diǎn)掃描測(cè)量方法，給出了消除小孔尺寸影響的定量公式，得到了較好的結(jié)果.但是，文獻(xiàn)［5］沒(méi)有克服小孔反射測(cè)量方法中小孔反射波信號(hào)弱這一弊端，這是因?yàn)椋盒】追瓷浠夭ǖ膹?qiáng)度隨著小孔尺寸的增加而增強(qiáng)，雖然文獻(xiàn)［5］給出了對(duì)小孔尺寸影響進(jìn)行校正的理論公式，但若為了提高小孔反射回波強(qiáng)度而無(wú)限地增加小孔的尺寸，則過(guò)大尺寸的小孔不能用于對(duì)超聲波束橫截面多點(diǎn)掃描測(cè)量.為了克服小孔反射法在測(cè)量超聲波擴(kuò)散角時(shí)反射波信號(hào)弱的缺點(diǎn)，本文采用了狹縫掃描測(cè)量方法.

2 實(shí)驗(yàn)儀器和狹縫掃描方法

實(shí)驗(yàn)儀器如圖1所示，超聲波實(shí)驗(yàn)儀通過(guò)3根信號(hào)線與示波器相連接，超聲波探頭發(fā)出的超聲波信號(hào)可采用檢波和射頻2種方式通過(guò)示波器顯示.

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器

“小孔三點(diǎn)反射法”測(cè)量超聲波擴(kuò)散角的弊端見(jiàn)文獻(xiàn)［5］中的描述，為了校正小孔尺寸對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，文獻(xiàn)［5］給出了定量的校正公式，為了徹底校正“小孔反射法”的弊端，本文采用“狹縫掃描法”.

如圖2所示，超聲波直探頭A放在試塊B上，其發(fā)出的超聲波束對(duì)應(yīng)的θ角定義為探頭的擴(kuò)散角.探頭發(fā)出的超聲波束在垂直于其傳播方向的截面上分布不均勻，中心線處最強(qiáng).所謂“狹縫掃描法”是指：如圖2所示，在試塊上設(shè)計(jì)狹縫S，當(dāng)探頭在試塊上向左掃描時(shí)，狹縫剛接觸到超聲波束，就會(huì)觀測(cè)到狹縫上表面對(duì)應(yīng)的反射超聲波的峰，該峰的大小與狹縫進(jìn)入到超聲波束的距離有關(guān)，通過(guò)探頭掃描，記錄每個(gè)掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反射超聲波峰的強(qiáng)度，就可得到圖3中的反射超聲波的強(qiáng)度積分分布曲線，將該積分曲線微分得到其對(duì)應(yīng)的微分分布曲線，該微分曲線的半峰全寬就是距離探頭H 處（圖2）超聲波束橫截面的直徑d，由幾何關(guān)系可知［5］：

圖2 狹縫掃描

圖3 反射超聲波的強(qiáng)度分布曲線

在利用這種“狹縫掃描法”時(shí)，狹縫的水平寬度要大于狹縫處超聲波橫截面的直徑.

利用這種“狹縫掃描法”測(cè)量了直探頭和斜探頭超聲波的擴(kuò)散角，它們分別為12.4°和6.7°.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于直探頭和斜探頭，不同學(xué)生測(cè)量結(jié)果的相對(duì)偏差范圍分別為1%～5%和2%～6%，該誤差的來(lái)源：測(cè)量時(shí)采用了水作為耦合劑，相對(duì)于油而言，由于水的耦合效果較差，這會(huì)對(duì)探測(cè)信號(hào)產(chǎn)生影響，從而產(chǎn)生誤差.另外，當(dāng)狹縫剛接觸超聲波束時(shí)，可能觀測(cè)到只有狹縫右邊側(cè)面反射的超聲波，所以，這種側(cè)面反射回波也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，為了減小這種影響，狹縫的豎直高度不能太大.

［1］馮軍勤，吳福根，鐘會(huì)林.超聲波專題設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2012，32（6）：30-32.

［2］鄭志遠(yuǎn)，王思雯，金子梁.巖石特性對(duì)超聲波傳播速度的影響［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2012，31（9）：30-33.

［3］馬龍，陳玉林.超聲波多點(diǎn)定位［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（3）：41-46.

［4］潘帥，萬(wàn)雨挺，陳洪山.超聲波在液體中相速與群速的測(cè)量［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（4）：39-41.

［5］孫天希，白在橋，熊俊，等.超聲波擴(kuò)散角的測(cè)量方法改進(jìn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（6）：31-32.