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超声波学基础实验方案 
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概述

这套实验设备可以对超声技术的基本物理技术以及在医学,自然科学和工程科学中的应用进行相关实验。通过实验,可以学习回波镜测量技术的基本技术术语,也可以了解超声的基本物理特性。

通过GS200超声波回波镜(10400)和相关软件,可以清楚地演示从发射脉冲到反射回波,再到A扫描(A-Scan)和B扫描(B-Scan)图像的信号生成和处理。实验的要素包括传输功率,接收增益和时间增益控制(TGC),探头频率和耦合等基本技术术语。

在物理特性中,尤其是振幅,频率依赖性,声速,衰减和反射系数等变量都是研究的对象。 通过演示超声波B-Scan图像,无损检测的基础知识以及简单的工业应用(如液位测量),可以学习进一步学习超声在医学,自然科学和工程科学中的应用的。借助其他设备或附件,还可以将物理基础实验扩展到有趣的主题,例如频谱研究,共振效应和超声波散射。


实验课程覆盖

1. 脉冲回波方法(A扫描)的基础

2. 固体中的声速

3. 分辨率功率的频率依赖性

4. 超声波B扫描

5. 无损检测(NDT)

6. 液位测量


方案包含以下设备  

10400   超声波回波镜GS200   1套     

10151   超声波探头1 MHz   1套     

10152   2个超声波探头2 MHz   1套     

10154   超声波探头4 MHz   1套     

10201   测试块(透明)   1套     

10207   测试柱套件   1套     

70200   超声波凝胶   1瓶     



实验1   脉冲回波方法(A扫描)的基础


实验主题

通过脉冲回波方法检查内置有不连续性的样品。 从样品的不同侧面进行幅度扫描。 检查并分析记录在A扫描图像中的回波信号。


实验的理论和实践方面

脉冲回波方法构成了非侵入性医学诊断和非破坏性测试中许多成像方法的基础。 在这种方法中,电脉冲通过超声波探头转换为机械振动。 这些耦合到被检查的样本中,并作为声波通过。 在不连续处反射的波返回到探头,并转换回电信号。 该信号的振幅按时间顺序记录(振幅扫描)以图形方式成像为所谓的超声A扫描图像。 根据A扫描图像中的反射回波,可以确定飞行时间,计算出材料中的声速以及检测到的样品中的不连续性。



实验2   固体中的声速


实验主题

在实验中,丙烯酸酯的纵向声速将在两个不同的声频下进行检查和确定。 为此,根据脉冲回波方法(超声波A扫描)在三个不同长度的丙烯酸圆柱体上进行飞行时间测量。


实验的理论和实践方面

超声波在材料中传播的速度取决于材料,该速度可能与频率相关。 在气体和液体中,声音的传播仅以纵波的形式发生。 另一方面,在固体中,由于其弹性特性,也会产生剪切波。 剪切波和纵向波通常以不同的速度传播。 可以通过使用脉冲回波方法的飞行时间测量,简单地确定在具有垂直声耦合的固体中生成的纵波的声速。 通过使用不同长度的样本和具有不同频率的声音探头,实验的目的是陈述声音传播的频率依赖性以及由所使用的超声波探头的结构引起的误差源。



实验3   分辨率功率的频率依赖性


实验主题

基于两个较小且间隔很近的不连续点,研究了两个不同频率的超声波探头的轴向分辨率。 通过分析记录的A扫描图像,证明了波长,频率,脉冲长度和分辨率功率之间的联系。


实验的理论和实践方面

超声系统的调查方法是基于将测试区域中某个点上的信息准确分配给已记录的超声回波。 因此,超声探头的分辨能力极为重要。 分辨率能力可以描述为两点之间的最小可能距离,其回声仍然可以单独检测到。 在实验中,将使用1 MHz探头和4 MHz探头研究测试块中的两个相邻不连续点。 选择不连续性的大小,位置和间距,以便仅使用两个测试探针之一才能进行区分。 这样,可以清楚地显示出频率对超声波探头的轴向分辨率功率的影响。



实验4   超声波B扫描


实验主题

通过使用超声波回波镜“手动”记录简单测试对象的超声波截面图像,可以清楚地说明B扫描方法的基本原理。 研究和分析了有关扫描质量的特殊功能,例如声聚焦,空间分辨率或成像错误。


实验的理论和实践方面

将幅度扫描的幅度值转换为灰度或颜色值,以及将飞行时间表示为穿透深度会产生具有不同亮度和/或颜色值的点线。 在测试区域上沿着一条线引导的超声波探头的这种相邻深度扫描的串在一起会产生断层图像,即所谓的B扫描图像。 沿着这条线的定位基于探头的位置及其移动速度。 获得B扫描图像的一种简单方法是用手缓慢引导超声探头(复合扫描)。 扫描质量在此取决于扫描点的坐标准确传递,超声探头的轴向和横向分辨率,灰度和/或色值分辨率,行数和成像误差。 为了实现例如 要获得精确的横向分辨率,还需要一个附加的坐标记录系统,例如线性扫描仪。



实验5   无损检测(NDT)


实验主题

为了根据脉冲回波方法定位并确定不连续的大小,针对常规超声探头对超声设备进行了校准。 为此,使用时间增益控制(TGC)编译DGS图(距离增益大小),并在DGS图中为一系列不同深度的相同大小的替换反射器设置水平评估线。


实验的理论和实践方面

对于根据垂直回声耦合的脉冲回波方法进行的超声测试,使用标准的普通探头。 不连续性的定位在此通过声波的反射来实现,其中飞行时间充当对不连续性深度的度量。 相反,由于材料衰减和声场特性,尺寸的精确确定通常是有问题的。 大空间扩展的不连续性的大小可以通过扫描来确定。 通过从距离增益尺寸图中与理想的替换反射器进行比较,可以确定小的不连续点的大小。 在实验中,将使用带有定义的替换反射器(不同大小和深度的钻孔)的测试块制作此类DGS图。



实验6   液位测量


实验主题

在实验中,为任何形状的两相液体罐建立超声波液位测量。 记录填充量的校准曲线,并根据定义的填充量进行检查。 超声波限位开关已经过测试,可以最大程度地填充储罐。


实验的理论和实践方面

对于大量的工业过程,特别是工业过程的自动化,液位计例如在油库中,反应堆,收集罐等。以及不同的机械,电容,光学和电磁传感器,在许多领域,超声波传感器也用于液位测量。它们几乎可以在任何介质中使用,包括多种材料彼此叠置,形成泡沫甚至在腐蚀性极强的液体中使用,因为它可以从外部通过容器壁进行测量。在实验中,液位测量装置配置为连续测量。对于两种不同的液体(水和油),确定了可检测的最小填充量,并对每种液体进行了体积校准。借助于校准,在两种液体的两层系统上进行液位测量。此外,记录并分析用于限位开关的合适超声波信号。



各项实验所需要的实验设备表格


实验

设备

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10400

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