水中脉冲透射插入取代法优化探究

本方法是依据在发射-接收换能器之间的水媒质中插入被测样品，从而引起超声脉冲传播时间和幅度变化的原理设计的。由于样品用量少，测量简便、迅速，精度较高，目前应用最为广泛。测量仪器框图如图12.5-2所示。采用此法必须注意：①样品直径或横向边长不仅要大于10个波长，而且是换能器晶片直径的两倍以上，以防止声波的绕射；②样品厚度要大于声脉冲的空间半宽度，以防在样品中产生驻波；③若样品为液体、凝胶或离体动物组织，必须装在样盒中。用于声传播方向两端口密封的塑料薄膜必须具有良好的透声性且易于粘接，厚度均一。

图12.5-2 水中脉冲透射插入取代法测量仪器框图

测量时，换能器T₁受射频电脉冲激励，向水中发射猝发声脉冲，经传播后被换能器T₂接收，再经放大、衰减后显示在具有延迟触发和游标测量功能的示波器上。若在两换能器之间插入样品后造成的透射脉冲时移为Δt（前移取负号，后移取正号），样品沿声传播方向厚度为l，水中声速为c_w，则样品中声速为

当样品为凝胶或液体时，Δt应该是样品盒取代空白盒（内装蒸馏水或开孔使内外蒸馏水连通）时的时移。

测量衰减系数有单样法和双样法。采用单一样品时，若其厚度为l，声阻抗率为Z，水的声阻抗率为Z_w，在声路上插入样品前后的透射脉冲幅度分别为A₀和A，则样品中的声衰减系统为

式中 α_w是测量所用频率下蒸馏水的声衰减系数，它在25℃时的表达式为(www.xing528.com)

α_w=1.9×10^-3f² （12.5-3）

由于其值甚小，在大多数情况下不必进行此项修正。还应指出，在式（12.5-2）中，样品的声阻抗率是用先期测得的密度和声速相乘求得，这种用实数阻抗代替复数阻抗的做法，前提条件是，其中c_l是样品的声速，ω=2πf，f是测量所用超声波的频率。但这一条件对多数材料均可满足。若被测样品是声阻抗率与水甚为相近，而衰减系数显著大于水的凝胶类媒质[如超声仿组织（TM）材料]时，也可采用单样法。但此时的A₀和A分别是在声路上插入空白盒（将蒸馏水或与测试水槽内蒸馏水连通）和样品盒时的透射脉冲幅度。于是样品中的声衰减系数为

对于声衰减系数的最严格测量方法是双样法。若两个样品厚度分别为l₁和l₂，且l₂＞l₁，插入相应样品时的透射脉冲幅度分别为A₁和A₂，显然有A₁＞A₂，则样品中的声衰减系数为

理论分析和实验结果都表明，在充分发挥仪器能力和恰当选择实验条件的情况下，对于声阻抗率与水相近的媒质，声速可精确到1m/s，对一般材料，误差可达0.5%，而衰减系数误差可达5%。因此，在关于TM材料的国家标准GB/T15261—2008和关于医用超声波耦合剂产品的行业标准中，用于测量媒质声学特性的都是水中脉冲透射插入取代法。

显然，脉冲透射插入取代法也可用一个换能器和一个标准反射体进行。测量时，该换能器兼作发射和接收，样品是插在换能器至反射体之间的声路上，而与双换能器法的最重要差别在于，样品中的声程要增加一倍，有关公式须作相应改动。