利用狭缝扫描法测量超声波扩散角

孙天希，白在桥，刘志国，熊 俊

（北京师范大学a.核科学与技术学院；b.物理学系，北京100875）

1 引 言

超声波技术被广泛地应用于工业探伤、材料分析、海洋探测与导航、医学治疗与成像等领域［1-4］.超声探头发射的能量具有较强的指向性（指向性是指超声波探头发射的超声束扩散角的大小，扩散角越小，则指向性越好，对目标定位的准确性越高）.超声波的扩散角是重要的参量，它决定着超声波应用过程的具体设计方案.超声波的扩散角与超声发射探头的几何尺寸和波长有直接的关系，一般情况，波长越小，频率越高，扩散角越小；超声波源的尺寸越大，扩散角越小.为了更好利用超声波，要对超声波的扩散角进行表征.在现设的大学物理实验课和实际应用中，都采用利用超声波探头测量某个小孔对应的反射波的方法来测量超声波的扩散角.利用“小孔三点反射法”测量超声波扩散角时，测量值会受到小孔尺寸等因素的影响，另外，这种利用小孔反射的测量方法，反射波信号弱，从而也会带来较大的实验误差.为了消除小孔尺寸的影响，文献［5］提出了利用小孔扫描超声波束横截面的多点扫描测量方法，给出了消除小孔尺寸影响的定量公式，得到了较好的结果.但是，文献［5］没有克服小孔反射测量方法中小孔反射波信号弱这一弊端，这是因为：小孔反射回波的强度随着小孔尺寸的增加而增强，虽然文献［5］给出了对小孔尺寸影响进行校正的理论公式，但若为了提高小孔反射回波强度而无限地增加小孔的尺寸，则过大尺寸的小孔不能用于对超声波束横截面多点扫描测量.为了克服小孔反射法在测量超声波扩散角时反射波信号弱的缺点，本文采用了狭缝扫描测量方法.

2 实验仪器和狭缝扫描方法

实验仪器如图1所示，超声波实验仪通过3根信号线与示波器相连接，超声波探头发出的超声波信号可采用检波和射频2种方式通过示波器显示.

图1 实验仪器

“小孔三点反射法”测量超声波扩散角的弊端见文献［5］中的描述，为了校正小孔尺寸对测量结果的影响，文献［5］给出了定量的校正公式，为了彻底校正“小孔反射法”的弊端，本文采用“狭缝扫描法”.

如图2所示，超声波直探头A放在试块B上，其发出的超声波束对应的θ角定义为探头的扩散角.探头发出的超声波束在垂直于其传播方向的截面上分布不均匀，中心线处最强.所谓“狭缝扫描法”是指：如图2所示，在试块上设计狭缝S，当探头在试块上向左扫描时，狭缝刚接触到超声波束，就会观测到狭缝上表面对应的反射超声波的峰，该峰的大小与狭缝进入到超声波束的距离有关，通过探头扫描，记录每个扫描点对应的反射超声波峰的强度，就可得到图3中的反射超声波的强度积分分布曲线，将该积分曲线微分得到其对应的微分分布曲线，该微分曲线的半峰全宽就是距离探头H 处（图2）超声波束横截面的直径d，由几何关系可知［5］：

图2 狭缝扫描

图3 反射超声波的强度分布曲线

在利用这种“狭缝扫描法”时，狭缝的水平宽度要大于狭缝处超声波横截面的直径.

利用这种“狭缝扫描法”测量了直探头和斜探头超声波的扩散角，它们分别为12.4°和6.7°.实验发现，对于直探头和斜探头，不同学生测量结果的相对偏差范围分别为1%～5%和2%～6%，该误差的来源：测量时采用了水作为耦合剂，相对于油而言，由于水的耦合效果较差，这会对探测信号产生影响，从而产生误差.另外，当狭缝刚接触超声波束时，可能观测到只有狭缝右边侧面反射的超声波，所以，这种侧面反射回波也会对实验结果产生影响，为了减小这种影响，狭缝的竖直高度不能太大.

［1］冯军勤，吴福根，钟会林.超声波专题设计性实验［J］.物理实验，2012，32（6）：30-32.

［2］郑志远，王思雯，金子梁.岩石特性对超声波传播速度的影响［J］.物理实验，2012，31（9）：30-33.

［3］马龙，陈玉林.超声波多点定位［J］.物理实验，2011，31（3）：41-46.

［4］潘帅，万雨挺，陈洪山.超声波在液体中相速与群速的测量［J］.物理实验，2011，31（4）：39-41.

［5］孙天希，白在桥，熊俊，等.超声波扩散角的测量方法改进［J］.物理实验，2011，31（6）：31-32.