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1、超声定位综合试验仪的应用【实验目的】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。【实验原理】1、超声定位的基本原理超声定位的基本原理是由超声波发生器向目标物体发射脉冲波，然后接收回波信号；当超声波发生器正对着目标物体时，接收到的回波信号强度将最大，这时得到发射波与接收波之间的时间差t，再根据脉冲波在介质中的传播速度v而得到目标物体离脉冲波发射点的距离。这样就可以得出目标物体离
2、脉冲波发射点的方位和距离，即下图1中的和S，S=vt。 图1、超声定位的基本原理2、水中声速的测量用脉冲回波法测量水中声速的原理：改变目标物体离脉冲声源的距离得到不同的接收回波时间差，用时差法来测量水中声速。假设目标物体到声源的垂直距离为S1时，脉冲发射波到接收波的时间为t1；改变目标物体到声源的垂直距离为S2，此时脉冲发射波到接收波的时间为t2；这样，水中的声源传播速度为：m/s，具体见图2（说明：S为声源离目标物体的垂直距离，t为声源发射到接收到回波信号之间的时间） 图2、时差法测量水中声速3、超声成像的基本原理超声成像(ultrasonic imaging)是使用超声波的声成像。它包括脉
3、冲回波型声成像(pulse echo acoustical imaging)和透射型声成像(transmission acoustical imaging)。前者是发射脉冲声波，接收其回波而获得物体图像的一种声成像方法；后者是利用透射声波获得物体图像的声成像方法。目前，在临床应用的超声诊断仪都是采用脉冲回波型声成像。而透射型声成像的一些成像方法仍处于研究之中，如某些类型的超声CT成像(computed tomography by ultrasound)。目前研究较多的有声速CT成像(computed tomography of acoustic Velocity)和声衰减CI成像(comput
4、ed tomography of acoustic attenuation)。本实验以脉冲回波型超声成像(也称反射式超声成像)为研究对象，来研究介绍和研究超声成像。也就是利用超声波照射物体，通过接收和处理载有物体组织或结构性质特征信息的回波，获得物体组织性质与结构的可见图像的方法和技术。它与其他成像技术相比，有自己独特的优点，例如装置较为简明、直观，容易理解成像的原理；没有放射性，实验者可以自己进行不同物体的形貌成像实验。4、超声成像的一般规律所有脉冲回波型声成像凭借回声来反映物体组织的信息，而回声则来自组织界面的反射和散射体的后散射。回声的强度取决于界面的反射系数、粒子的后散射强度和组织的衰
5、减。物体组成界面的组织之间声阻抗差异越大，则反射的回声越强。反射声强还和声束的入射角度有关，入射角越小，反射声强越大，声束垂直于入射界面时，即入射角为零时，反射声强最大，而入射角为90度时，反射声强为零。物体组织对声能的衰减取决于该组织对声强的衰减系数和声束的传播距离(即检测深度)。物体衰减特征主要表现在后方的回声。多重反射超声遇强反射界面，在界面后出现一系列的间隔均匀的依次减弱的影像，称为多次反射，这是声束在探头与界面之间往返多次而形成。【实验仪器】 DH6001超声定位与形貌综合实验仪由以下部分组成：DH6001超声定位与形貌综合实验仪、超声换能器、水槽与测试架、VC+电脑数据处理软件、数
6、据线以及电脑（自备）。【实验内容】（一） 观察水中物体的回波波形1、换能器安装在测试架上并放在水槽（图5-22）中，载物台（图5-21）上放置表面不规则的有机玻璃样品；调整换能器头，使之对准水槽正面的载物台上的物体。2、连接换能器与信号源前面板上的“传感器”插座，并把仪器后面板上的串口与电脑相连，开启电源。注意：通电工作时，一定确保换能器置水中。3、打开电脑软件，用鼠标左键单击显控画面右下角的串口通信按钮，串口状态框上出现OK!，然后变成END,说明计算机的串口已打开，可以与实验仪进行数据和命令通信。4、用鼠标左键单击显控画面上工作方式框中的波形按钮，工作状态下面显示红色的波形显示，画面上将显
7、示实时波形。5、通过角度旋转座（图5-2）水平旋转换能器探头，改变换能器的入射角，观察回波波形。（二）水中声速的测量1、把超声换能器放置在水槽右侧面的固定座（图5-9）上，运动物块放在滑块吊杆旋转机构下的固定座（图5-11）上，换能器的方向与导轨（图5-3）方向一致，并对准小运动目标物体（见附录）。（注意：在通电时不要把换能器露出水面，最好关掉实验仪电源后再操作）2、启动电源，打开串口，用鼠标左键单击显控画面上工作方式框中的波形按钮，工作状态下面显示红色的波形显示，画面上将显示实时波形以及发射脉冲波到接收回波之间的时间。3、启动电机控制系统，使带着目标物体一起运动的滑块到S1的位置后停止，记下
8、此时发射波到接收波之间的时间t1；再启动电机，改变目标滑块到位置S2，记下此时发射波到接收波之间的时间t2。4、计算声速：。5、多次测量求平均值。（三）对水中目标物体进行定位1、拿出载物台（图5-21）上的有机玻璃样品，先转动测试架后面的悬挂梁（图5-7），使目标物体（图5-8）处在某个位置。2、用鼠标左键单击显控画面上工作方式框中的定位按钮，工作状态下面显示红色的定位两字，工作方式框中的左边数据显示框显示经过的时间（单位：秒），右边数据显示框显示传感器离目标的距离（单位：厘米），画面上有成像图显示。3、启动电机控制系统，使滑块（图5-5）移动到导轨（图5-3）中间位置。4、切换到波形工作方式
9、，通过传感器吊杆（图5-10）旋转机构（图5-2），缓慢旋转超声传感器，当传感器对准目标物体后，电脑界面上将显示最大的回波值，此时记下旋转机构（图5-2）上的物体方位角度值；然后再切换到定位工作方式，记下电脑上显示的目标物体距离换能器之间的距离Y(cm）。（超声传感器正对着前方载物台时为0度，实验前要调节好）5、转动旋转梁（图5-7），改变目标物体的位置，重新测量目标物体离超声换能器的距离和方位。（四）测量水中物体的运动状态1、把超声换能器放置在水槽右侧面的固定座（图5-9）上，运动物块放在滑块吊杆旋转机构下的固定座（图5-11）上，换能器的方向与导轨（图5-3）方向一致，并对准小运动目标物体
10、（见附录）。（注意：在通电时不要把换能器露出水面，最好关掉实验仪电源后再操作）2、用鼠标左键单击显控画面上工作方式框中的测速按钮，工作状态下面显示洋红色的测速两字，工作方式框中的左边数据显示框显示目标运动的速度（单位：厘米/秒），同时画面上显示成像图，X轴代表时间t，Y轴代表物体离超声传感器的距离S。运行速度较小时，速度的动态显示误差将会比较大，必须通过S-t曲线来分析物体的运动状态。3、启动直流电机控制器，让电机带动吊杆上的物体运动起来，就可以看见S-t曲线，左边的显示框显示目标物体的运动速度。4、分析S-t曲线，可以通过S/t 得到物体运动的平均速度。具体方法是：在S-t曲线上单击两个坐标
11、点，对应的坐标点坐标以及两坐标点间的平均速度将在界面中显示出来。5、通过直流电机控制器，改变物体的运动速度，再次测量观察物体的运动曲线并计算运动物体平均速度。（五）扫描成像物体组织结构剖面图或表面形貌 1、操作步骤同（一）观察成像物体的回波波形的步骤13。 2、连接直流电机控制系统，启动检查运行是否正常。 3、成像操作。用鼠标左键单击显控画面上工作方式框中的成像采集按钮，工作状态下面显示洋红色的成像两字，画面上有成像图显示。采集结束后，用鼠标左键单击显控画面上成像操作框中的成像处理按钮，显示处理后的成像画面。根据显示效果，用鼠标左键点击增加门限或减小门限按钮，可对其进行后置处理，得到相对较好的
12、成像图。在采集的过程中，可以按信号放大和信号缩小来改变接收信号的强度。 4、启动直流电机控制系统，使换能器垂直扫描物体，观察实时成像图。为使成像效果好，可以设置控制器，使扫描速度最慢，具体设置见直流电机控制器说明。 5、该成像不仅可以显示物体表面轮廓图（形貌），对于超声透射效果比较好的物体，还可以清晰的观察出二维剖面图。 6、要使成像效果好，需要选择合适的扫描距离，也就是被成像物体离超声传感器的距离要合适，可以通过观察回波波形以及信号放大或信号缩小来确定距离；由于超声传感器的波束角不为零，距离太远会造成回波信号重叠，两个不同反射面的回波信号叠加在一起，降低了成像分辨率，波形重叠现象可以从图11中看出，所以成像物体尽可能离超声传感器近些；成像物体太近，则会产生多次反射，同一个反射面会出现一次、两次或多次回波。【注意事项】1.保持水槽内水体清洁。2.严禁工作状态下使探头高于水面。思考题1.什么是超声波，有何特点？2.简述影响超声成像的因素。
