超声波扩散角的测量方法改进

孙天希,白在桥,熊 俊,刘志国

(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

在现设的大学物理实验课和实际应用中,都是采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.但是,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.为了克服小孔三点反射法在测量超声波扩散角时的弊端,本文对原有方法进行了改进.

2 小孔三点反射法测量超声波扩散角的原理

在利用小孔三点反射法测量超声波扩散角时,通常采用偏离中心轴线后振幅减小一半的位置表示声束的边界.以直探头为例,如图1(a)所示,在同一深度位置,中心轴线上的能量最大,当偏离中轴线到位置A和A′时,能量减小到最大值的一半,其中θ角定义为探头的扩散角.如图1(b)所示,移动直探头C使试块D中深度为 HB的小孔B对应的回波幅度最大,记录该点对应的位置x0,然后分别左右移动探头,使回波幅度减小到一半,记录对应的位置 x1和 x2,则直探头的扩散角为

图1 小孔反射法测量超声波扩散角的示意图

3 小孔三点反射法测量超声波扩散角的弊端

小孔三点反射法忽略了小孔的尺寸对θ角的影响.实际上相同的超声波,利用同一深度不同尺寸的小孔进行上述小孔三点反射法测量时,得到的(1)式中的|x1-x2|会不同,即小孔的尺寸会影响|x1-x2|值,从而影响了超声波扩散角的测量结果.在实验课上,对于直探头,学生测量结果的相对误差范围为12%～45%;对于斜探头,学生测量结果的相对误差范围为14%～50%.这是因为,(1)式中的|x1-x2|值对应于小孔反射波强度分布曲线的半峰全宽值,它与小孔B的直径 d有关,对应于超声波扩散角的实际的半峰全宽

式中(x1-x2)detect是小孔反射波强度分布曲线半峰全宽的测量值.显然,如果小孔的直径很小,并且 HB较大,则(1)式中由于忽略小孔尺寸而带来的误差会较小.但此时小孔反射波的强度也变小,这会导致在确定 x1和 x2的位置时产生较大误差,从而影响了测量结果的准确度.如果选择直径较大的小孔,此时小孔尺寸对反射波强度曲线的半峰全宽的测量值(x1-x2)detect的影响不应该被忽略,即应该采用(2)式中|x1-x2|real代替(1)式中|x1-x2|.

4 改进方法

鉴于以上讨论,可以采用如下测量方法:以直探头为例,选用直径 d较大的小孔作为反射孔,将原来的小孔三点反射法中三点测量改为多点测量,获得小孔反射波的强度分布曲线,在此基础上,利用数据处理软件得到小孔反射波强度分布|x1-x2|real应是[1-2]曲线的半峰全宽的测量值(x1-x2)detect,然后采用

计算超声波的发散角.由于该种多点测量方法充分考虑了小孔的影响,所以减小了误差,对于直探头,测量结果的相对误差范围在3%～7%,对于斜探头,测量结果的相对误差范围在3%～8%.

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