实验2.10 用超声波探测物体的厚度
实验目的
1.学习A型超声波诊断仪的使用；
2.学习用超声波测物体的深度及厚度。
实验器材
CTS-5型超声诊断仪、液体容器、有机玻璃圆柱、耦合剂。
实验原理及仪器
超声波就是频率高于20kHz并不引起声感的机械波。其主要特性为：频率高，波长短，方向性强，并与其他波一样，当它从一种媒质进入另一种媒质时，在媒质的交界面上要发生折射与反射现象。反射波强度Ir与入射波强度Ii之比称为反射系数R。
R决定于两种媒质的阻抗差。上式中Z1=ρ1c1，Z2=ρ2c2，分别表示第一媒质与第二媒质的声阻抗。由上式可知，当两种媒质的声阻抗差愈大时，超声波在其分界面上的反射就愈强烈。即使在媒质阻抗差不大的情况下，反射强度只有原来强度的万分之一，但是由于超声波强度很高，反射波仍可监控探测出来。
超声诊断就是根据人体内部不同组织有不同的声阻抗，由于病变组织与正常组织的声阻抗不同，超声波在声阻抗不同的界面会产生反射波，不同的界面反射系数不同，反射波的强度也不同，据此对反射波进行分析，就可诊断出组织的病变情况。超声诊断仪种类较多，有A型、B型、M型、D型（彩色多普勒型）。由于超声波易于产生和控制，不像X射线那样对人体有损伤作用，又由于它对软组织可明显鉴别，所以它在无损探测方面具有重要地位。下面仅对A型超声仪做一介绍。
A型单迹超声诊断仪原理如图2-25所示。
图2-25 A型单迹超声诊断仪工作原理方框图
A型超声诊断仪是根据超声测距原理制作而成的。探头内有一块电压晶体片，当外加高频电压时，它能将电场振荡转化成机械振动，从而发射超声波。当接收到超声波时，它又能将其转化成电信号。同步电路是该机的指令中心，能使示波管扫描和探头发射超声波协调地工作。同步电路触发扫描电路，使其输出扫描电压加于示波管的水平偏转板上，使示波管扫描，称为扫描基线。另外，同步电路触发高频发生器，使之产生高频脉冲并送到探头，探头将高频脉冲转化成机械振动而发射超声波，与此同时，高频脉冲经过接收放大电路后加在示波管的垂直偏转板上，使荧光屏出现第一个脉冲，称为始波。始波的出现与发射超声波是同时的。超声波在传播过程中，当遇到声阻抗不同的界面时，均产生反射波，反射波被探头接收，转化成电信号，即回波信号，回波信号经过接收放大电路，加在示波管的垂直偏转板上，在荧光屏上显示一个脉冲，称回波。回波信号越大，脉冲越高。因此，A型超声诊断仪为脉冲显示。设反射面与探头相距为s，声波在媒质小的传播速度为c，则超声波往返所需的时间为t=2s/c。可见反射面离探头越远，超声往返传播所需的时间就越长，荧光屏上回波与始波的距离就越大。因此，根据回波与始波之间的距离可确定媒质中各界面之间的距离。应当指出，由于空气的声阻抗比液体或固体的声阻抗大得多，所以在空气中传播的超声波到达空气与液体或固体的分界面处时，几乎全部被反射，即超声波很难从空气中进入液体或固体。因此在做超声探测时，必须在探头与物体表面之间涂上凡士林或液状石蜡（水），以防止存在空气间隙。
CTS-5型超声诊断仪附有标距电路，可产生标距脉冲。其振荡频率为75kHz，周期为1.33×10-5s，所以在荧光屏上显示出两个相邻标距脉冲之间的时间间隔相当于1.33×10-5s（相当于超声波在水中传播距离1cm往返所需的时间）。标距脉冲如图2-26所示。
图2-26 （探测回波）标距脉冲示意图
当超声波在物体中传播时，超声波在被测物体的射入面与射出面均产生回波且被同一探头接收，按先后顺序显示于荧光屏上的不同位置。两回波相隔时间t可由它们之间的标距脉冲个数来表示，若其间有n个标距脉冲，则
t=n×1.33×10-5s
t就是超声波在被测物体中传播时往返一次所用的时间。设超声波在某物体中速度为c，则物体的厚度为
若探测水的深度，设温度为20℃，c水=1.48×105cm/s，则
1.33×10-5≈n（cm）。水的温度不同，水中声速也不同，但变化不大，所以探测水的深度时，在始波与回波之间有多少个标距脉冲，则水的深度就是多少厘米。
若探测有机玻璃的厚度，c玻=2.734×105cm/s，则
1.84n（cm）。所以在测量不同物体的厚度时，只要将始波与回波间的标距脉冲数n乘上不同的系数，就是物体的厚度。在实际测量中，为了使标距脉冲数n的读数更准确，还可利用面板上的刻度值进行读数。
如图2-26所示为CTS-5型超声诊断仪的面板图。
面板上各旋钮的作用如下：
垂直移位、水平移位：调节波形在荧光屏上的位置。
辉度：调节波形的亮度。
聚焦、辅助聚焦：调节波形的清晰度。
单向、双向：用单探头Ⅰ工作时（插入“探头Ⅰ”插座），开关拨向“单向”。此时上基线显示探测波形，下基线为标距脉冲。用双探头工作时（两探头分别插入“探头Ⅰ”和“探头Ⅱ”插座），开关拨向“双向”。此时，上基线显示探头Ⅰ波形，下基线显示探头Ⅱ波形。双边显示主要是测量脑中线波的位移。
频率：选择超声波频率，分为1.25MHz，2.5MHz，5MHz三种。工作频率变化时，应配合相同频率的探头使用。通常使用的频率为2.5MHz，做颅脑探测时，用1.25MHz，做浅表部位探测时（如眼球），用5MHz。(https://www.daowen.com)
图2-27 CTS-5型超声诊断仪面板图
粗调、微调：调整深度测量范围。
增益：调节波幅的高低。
抑制：用以抑制杂波，但对波幅也有影响。应配合“增益”调节而使波幅足够大。
输出Ⅰ、输出Ⅱ：分别控制探头Ⅰ和探头Ⅱ的发射强度。
始波位置：调节始波的位置。
实验步骤
1.仪器调节
（1）将面板旋钮置于下表规定的位置。
表2-21
（2）接通电源，荧光屏刻度板上有红色亮光显示，约2分钟仪器工作正常。
（3）调节“辉度”旋钮，使屏上出现扫描基线，调节“聚焦”“辅助聚焦”，使波形清晰，调节“垂直移位”“水平移位”，使位波形移到便于观察的位置。
2.测水槽的长度、宽度
（1）调节“微调”和“水平移位”，使标距脉冲间隔与面板刻度之比为1∶2，调节“始波位置”和“水平移位”，使始波、标距脉冲和刻度尺长线三者对齐。
（2）将容器（水槽）中放入3/4的水，将探头通过连线与“输出Ⅰ”接好。
（3）在探头上涂上少许耦合剂（水或液状石蜡），然后与容器的一个纵向端面耦合（此时入射面回波与始波重叠）。借助于面板刻度读出始波与第一反射回波（水容器另一个纵向端面回波）间的标距脉冲数n，记入表2-22中。
（4）以同样的方法测出水槽的横向深度，记入表2-22中。
3.测有机玻璃柱体的厚度
（1）将调节深度的“粗调”旋钮置于10cm挡级，调节“微调”和“水平移位”，使标距脉冲与面板刻度之比为1∶10，并调节“始波位置”“水平移位”，使始波、标距脉冲和面板刻度尺长线三者对齐。
（2）把三个高低不同的有机玻璃柱分别竖立放在桌面上，在探头的端面上涂上少量耦合剂，轻轻接触柱体上端面，观察波形，记下相应的始波与第一回波间的标距脉冲数，记入表2-22中。
（3）用同样的方法测另外两柱体的厚度。将数据记入表2-22中。
注意事项
1.读数时，始、回波在刻度尺上的位置均应以前沿为准。
2.探头要轻拿轻放，用后擦净放入盒内，切勿受震。
3.本仪器配有稳压电源，仪器切勿靠近稳压器，以免稳压器漏磁对仪器显示系统造成干扰，使波形倾斜或基线弯曲。
数据记录与处理
表2-22
