《大学物理实验》课程教学资源（教案）超声定位和形貌成像

大学物理实验教案超声定位和形貌成像实验题目实验性质4教师综合实验实验学时1、了解脉冲回波型声成像的原理。2、掌握脉冲回波型声成像实验仪的使用方法。3、观察脉冲回波波形。4、利用脉冲回波测量水中声速。教学目的5、应用脉冲回波法对目标物体进行定位。6、应用脉冲回波法来研究物体的运动状态。7、利用脉冲回波型声成像实验仪对给定目标物体进行扫描成像实验。重点学习超声波探测原理和基本方法观察确定目标物体回波波形难点成像实验中，如何得到相对好的成像效果。课前的准备：1.仪器设备的检查。2.实验的预做。课上教学的设计：一、课上的常规检查（预习报告、数据表格的设计等）。(5分钟）二、讲解的设计(40分钟)1、引言超声波是频率高于20000赫兹的声波，它因其频率下限大约等于教人的听觉上限而得名。学过超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，能量易于集中，而且能透过不透明物质，这一特性被广泛用于超声波探伤、测厚、程的测距、遥控和超声成像技术。利用超声的机械作用、空化作用、热效设应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、计除尘、去垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等。超声波已在工矿业、农业、医疗、环境保护等日常生活和生产实践各个部门获得了极其广泛应用。2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计原则实验原理（1）超声定位的基本原理超声波换能器发出脉冲超声波，遇障碍物或界面反射，正对障碍

大 学 物 理 实 验 教 案 实验题目 超声定位和形貌成像 实验性质 综合实验 实验学时 4 教师 教学目的 1、了解脉冲回波型声成像的原理。 2、掌握脉冲回波型声成像实验仪的使用方法。 3、观察脉冲回波波形。 4、利用脉冲回波测量水中声速。 5、应用脉冲回波法对目标物体进行定位。 6、应用脉冲回波法来研究物体的运动状态。 7、利用脉冲回波型声成像实验仪对给定目标物体进行扫描成像实验。 重 点 学习超声波探测原理和基本方法 难 点 观察确定目标物体回波波形 成像实验中，如何得到相对好的成像效果。 教 学 过 程 的 设 计 课前的准备： 1.仪器设备的检查。 2.实验的预做。 课上教学的设计： 一、课上的常规检查 （预习报告、数据表格的设计等）。 (5 分钟) 二、讲解的设计 (40 分钟) 1、引言 超声波是频率高于 20000 赫兹的声波，它因其频率下限大约等于 人的听觉上限而得名。 超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，能量易于集 中，而且能透过不透明物质，这一特性被广泛用于超声波探伤、测厚、 测距、遥控和超声成像技术。利用超声的机械作用、空化作用、热效 应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、 除尘、去垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等。超声 波已在工矿业、农业、医疗、环境保护等日常生活和生产实践各个部 门获得了极其广泛应用。 2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计 原则 实验原理 （1）超声定位的基本原理 超声波换能器发出脉冲超声波，遇障碍物或界面反射，正对障碍

物或界面发射时回波最强：由回波强度确定方向0日标物体S由回波时间t确定距离0声源S=v.t/2(0,0)（2）水中声速的测量在水中，分别取换能器到目标物体的距离s1、s2测出对应的回波时间tl、t22As2(s2 -s)得水中的声速：V=Attz -ti换能器①目标物体Si, t,S2, t2（3）超声成像的基本原理a.脉冲回波型超声成像。如：目前广泛使用的，如超声诊断和固体材料的超声检测等。b.分析回波携带的信息。超声波在两种不同物体或组织界面处产生反射、折射、散射、衰减以及在运动体上产生多普勒频移，带上了这些组织的某些信息。c.转换成反应内部组织结构的图像3.介绍主要仪器设备与使用DH6001超声定位综合实验仪由以下部分组成：DH6001超声定位综合实验仪、超声换能器、水槽与测试架、VC++电脑数据处理软件、数据线以及电脑。4.实验内容（1)观察水中物体的回波波形打开电脑软件，开启串行口（COM2），点击“串口通信”，置工作方式为“波形”，使发射方向对槽后壁或前方载物台成像物体，观察回波波形，通过“信号放大”和“信号缩小”调控信号显示大小。旋转角度盘使换能器发射方向对准水槽后壁或载物台物体至回波幅度最大，检查刻度盘是否对准0刻度线，若未对准则进行角度

物或界面发射时回波最强： 由回波强度确定方向θ 由回波时间 t 确定距离 （2）水中声速的测量 在水中，分别取换能器到目标物体的距离 s1、s2 测出对应的回波时间 t1、t2 得水中的声速： 1 1 s t , 2 2 s t , 换能器 目标物体 1 1 s t , 2 2 s t , （3） 超声成像的基本原理 a.脉冲回波型超声成像。如：目前广泛使用的，如超声诊断和固 体材料的超声检测等。 b.分析回波携带的信息。超声波在两种不同物体或组织界面处产 生反射、折射、散射、衰减以及在运动体上产生多普勒频移，带 上了这些组织的某些信息。 c.转换成反应内部组织结构的图像 3．介绍主要仪器设备与使用 DH6001 超声定位综合实验仪由以下部分组成：DH6001 超声定位综 合实验仪、超声换能器、水槽与测试架、VC++电脑数据处理软件、数 据线以及电脑。 4. 实验内容 （1)观察水中物体的回波波形 打开电脑软件，开启串行口(COM2)，点击“串口通信”， 置工 作方式为“波形”，使发射方向对槽后壁或前方载物台成像物体， 观察回波波形，通过“信号放大”和“信号缩小”调控信号显示大 小。 旋转角度盘使换能器发射方向对准水槽后壁或载物台物体至回 波幅度最大，检查刻度盘是否对准 0 刻度线，若未对准则进行角度 S v t =  2 ( 2 1 ) 2 1 2 s 2 s s v t t t  − = =  −

盘校零。(2)水中声速的测量让超声波对准右侧目标物体，保持“波形”方式，用移动开关移动换能器的位置S，分别在不同位置s1、s2测对应的回波时间t1、t2，即可计算出水中声速。重复测量6次，记录数据。（3)对水中目标物体进行定位用移动开关，移动换能器大致到轨道中点，工作方式设置为“波形”，转动目标物移动悬挂梁，使金属目标物体处在某位置，旋角度盘转动换能器，到目标物体反射的回波最强，点击“定位”后，记录距离S，换能器角坐标0。改变定位物体位置，共测量5个不同位置，记录数据。（4)测量水中物体的运动状态在“波形”方式下，将超声波对准右侧目标物体，回波波形最大，换能器器移到标尺一端，设置工作方式为“测速”，用移动开关启动换能器器运动，软件绘S一t曲线，接近标尺另一端时，停止换能器器运动，单击S一t曲线上任意两点，软件据此两点时间位置计算平均速度。旋“速度调节”钮改变换能器速度设置，重复以上操作2次。（5）扫描成像物体部面图或表面形貌将换能器移动到左端，使发射方向对准成像物体，工作方式置为“成像采集”，拨移动开关，使换能器向右移动，以扫描自标物形貌单击“成像操作”框的各按钮，获取成像物体形貌图，改变门限值，得到相对好的效果图。5.强调实验中要注意的问题（1）明确每项测量内容的目标物，将换能器对准该物体并使回波波形幅度最大；（2）角度装置0°的调整。（3）点击“信号放大”和“信号缩小”，使信号大小恰当：点击按钮时反馈较慢，勿快速点击。（4）仪器通电前，确保换能器置于水中。(135分钟）三、学生的实验开始四、指导实验1.指导实验注意启发学生思维，帮助学生自主解决问题：2.排除仪器故障：3.解答问题，提出问题，激发学生探究兴趣。五、检查实验的结果，签字六、实验小结影响实验效果的因素有哪些？

盘校零。 （2)水中声速的测量 让超声波对准右侧目标物体，保持“波形”方式，用移动开关移 动换能器的位置 s，分别在不同位置 s1、s2 测对应的回波时间 t1、 t2 ，即可计算出水中声速。重复测量 6 次，记录数据。 （3)对水中目标物体进行定位 用移动开关，移动换能器大致到轨道中点，工作方式设置为“波形”， 转动目标物移动悬挂梁，使金属目标物体处在某位置，旋角度盘转动 换能器，到目标物体反射的回波最强，点击“定位”后，记录距离 S， 换能器角坐标θ。改变定位物体位置，共测量 5 个不同位置，记录数 据。 （4)测量水中物体的运动状态 在 在“波形”方式下，将超声波对准右侧目标物体，回波波形最大， 换能器器移到标尺一端 ,设置工作方式为“测速”，用移动开关启动 换能器器运动，软件绘 S—t 曲线，接近标尺另一端时，停止换能器 器运动，单击 S—t 曲线上任意两点，软件据此两点时间位置计算平 均速度。旋“速度调节”钮改变换能器速度设置，重复以上操作 2 次。 （5)扫描成像物体剖面图或表面形貌 将换能器移动到左端，使发射方向对准成像物体，工作方式置为 “成像采集”，拨移动开关，使换能器向右移动，以扫描目标物形貌， 单击“成像操作 ”框的各按钮，获取成像物体形貌图，改变门限值， 得到相对好的效果图。 5．强调实验中要注意的问题 （1）明确每项测量内容的目标物，将换能器对准该物体并使回波波 形幅度最大； （2）角度装置 0°的调整。 （3）点击“信号放大”和“信号缩小”，使信号大小恰当；点击按 钮时反馈较慢，勿快速点击。 （4）仪器通电前，确保换能器置于水中。 三、学生的实验开始 (135 分钟) 四、指导实验 1.指导实验注意启发学生思维，帮助学生自主解决问题； 2.排除仪器故障； 3.解答问题，提出问题，激发学生探究兴趣。 五、检查实验的结果,签字 六、实验小结 影响实验效果的因素有哪些？

课水中声速测量实验中，能否使用定位实验中的距离数据代替标尺数据？为什么？1.后2.超声成像实验中，对比扫描图与有机玻璃实物，是否完全一致？如果不一致，请分析原思因。考题[1]刘凤然，2001，基于单片机的超声波测距系统，传感器世界，5.拓[2]陈建，孙晓颖，林琳，王波，2012，一种高精度超声波到达时刻的检测方法，仪器仪表展阅学报，33 (11):2422-2428读

课 后 思 考 题 1. 水中声速测量实验中，能否使用定位实验中的距离数据代替标尺数据？为什么？ 2. 超声成像实验中，对比扫描图与有机玻璃实物，是否完全一致？如果不一致，请分析原 因。 拓 展 阅 读 [1] 刘凤然，2001，基于单片机的超声波测距系统，传感器世界，5. [2] 陈建，孙晓颖，林琳，王波，2012，一种高精度超声波到达时刻的检测方法，仪器仪表 学报， 33 (11)：2422-2428

《大学物理实验》教案（超声定位和形貌成像）武汉理工大学一一理学院物理实验中心

《大学物理实验》教案 （超声定位和形貌成像） 武汉理工大学——理学院物理实验中心