超声波学讲义.doc

超聲波學實驗講義 國立成功大學物理系 吳清水 前言: 超聲波是指頻率超過人耳聽覺上限(20KHZ)的機械波，而研究這些高頻的機械波與傳輸介質間的交互作用即稱超聲波學，而超聲波學是聲學的一部份，當然是物理學的一個小分支，但其應用範圍涵蓋許多領域。以低頻超聲波而言，它可攜帶傳輸介質的訊息，應用在非破壞檢測，醫療診斷，材料研究等領域。而高功率超聲波測廣泛應用於醫學治療，工業焊接，切削，清洗，研磨加工，疲勞測試……等。雖然超聲波應用廣，但超聲波的學理與實驗的課程在國內很少見，尤其是實驗課程和講義更是少見，在教育部的支持下，作者嘗試編寫並建立一系列的實驗教材，能讓學生在實驗室，從超聲波的基礎理論學起，一直到應用的技巧甚至精密的量測技術都能獲得養成，學生可利用實驗室器材從產生不同得振動模式的脈波；表面生波的產生和接收並可習得測聲速和衰減等不同的技術，足供將來從事學術研究或工業應用。 另外也安排應用實作。學生利用自行組裝完成具有實際用途的系統。目前就現有的儀器仍構思其他的實驗，如高衰減材料的聲學性質量測，可使學生獲得生物或農業方面應用超聲波的經驗，本實驗講義倉促編寫，雖屢修正，但內容的遺漏或錯誤，再所難免，至盼讀者不吝指正。 目 錄 預備實驗 超聲波換能器的製作 --------------------------------- 5 實驗一 液體中聲速之光學量測法 10 實驗二 超聲波在液體中的相速和群速 14 實驗三 溫度對超聲波在液體中聲速的影響 19 實驗四 脈波干涉法量測TGS晶體的聲速 24 實驗五 測量液體中超聲波所產生的聲壓 29 實驗六 表面波的產生和測定 34 實驗七 晶體彈性係數的量測 36 實驗八 超聲波波場觀測和應力分析 39 實驗九：固體內缺陷之超聲波量測法 41 實驗十 薄層厚度量測 45 實驗十一 超聲波衰減量測 53  預備實驗: 製作超聲波換能器 實驗目的: 超聲波換能器( Ultrasonic Transducer)是任何超聲波量測必備的 工具讓學生製作一個單頻的換能器，使學生習得製作換能器的技術 並測定換能器共振頻率和學習初步的真空蒸鍍技術。 2.實驗儀器 1.真空蒸鍍系統 2.高真空蒸鍍設備製作、 3.冷水機冷卻循環系統、 4.鍍源（金）、 5.LiNbO3(Y+36°cut)晶片 6.信號產生器 Agilent 33220A 7.示波器 Gwinstek-GDS2062 8.連接線 兩條 3.實驗原理: （一）蒸鍍電極 將蒸鍍材料和基板置於真空（5×10Torr）狀態中，利用電流的熱效應，將蒸鍍材料於鎢舟中加熱，使其液化後，進而汽化成氣態分子，並向上蒸發，附著於上方的基板表面，形成一層薄膜。 (二). 測震動頻率 利用普通物理的基本原理，當共振現像發生時，最大能量進入 共振系統鍍好電極的LiNbO3 晶片改放置在夾具上。 如圖當信號產生器送出正弦波，非LiNbO3 晶片的共振頻率，則 信號產生器送出的能量不進入LiNbO3 當示波器示波器接收而 在示波器上的正弦波，調信號產生器的頻率使為LiNbO3 共振頻 率時，則能量進入LiNbO3 而僅少部份到示波器，這時示波器的 正弦波振幅距離變小此可得知的頻率及為 LiNbO3 的振動頻率。 三、實驗步驟 (一)蒸鍍電極 (i)開啟抽氣馬達 1.檢查冰水機的水位是否過低？確認後打開冰水機，啟動冷卻循環系統。 2.打開幫浦總開關後，真空機械幫浦（mechanical pump）會同時啟動，將mechanical pump 之控制扭轉到Ⅰ、Ⅱ，抽去mechanical pump內部的水氣，約10~20分鐘後，轉回C，完成熱機。 P.S.Ⅰ：慢速抽氣、Ⅱ：快速抽氣。 3.開啟Diffusible pump的開關，打開fore line valve（V1），粗抽閥（V2）仍保持關閉，由mechanical pump抽出擴散幫浦（Diffusible pump）之水氣，至真空度顯示極限值-9×10Torr時（儀表板的第三欄），以時間換算約30分鐘左右即可完成加熱並處於待命狀態。 注意：步驟3.中，主抽閥（V3）是關閉狀態。 (ii)蒸鍍前期操作 1.將chamber清理乾淨。 2.將蒸鍍材料放置於鎢舟上，蓋子放上基板並鎖緊，移動chamber下方之檔板於鎢舟上方，蓋上蓋子。 3.關上（V1）及洩壓閥（V4），打開粗抽閥（V2），mechanical pump將chamber之空氣粗略抽出至5×10Torr（儀表板的第二欄）。 4.關閉粗抽閥（V2）後，立即打開（V1），再打開主抽閥（V3），開始由Diffus