超声实验与模拟：声速测量与波束控制

1、使用维纳森克斯（n.d.）Vantaget 研究超声系统的第一个实验是在水箱中使用“折射体”插件，目标是确定一层介质的声速。该层介质有已知的厚度，但声速未知。实验通过替换法，即观察声波穿过该层介质和仅穿过周围（均匀）介质到达较深目标的传播时间差异来进行。位于该层下方且与层界面平行的针状目标，既可以通过纯水路传播路径被换能器看到，也可以通过该层介质被看到。一旦换能器与体模正确对齐，就会出现一些水平线条反射。学生还能量化针状目标在纯水路传播路径和层状介质传播路径之间的明显垂直位移，然后利用这个位移来估算已知厚度层中的声速。请简述该实验的主要内容。

实验描述

该描述介绍了使用维纳森克斯 Vantage 研究超声系统的第一个实验。

实验方法

• 使用水箱中的“折射体”插件
• 通过替换法进行测量
• 依据以下两个因素估算已知厚度层介质的未知声速：
• 声波穿过层介质与仅穿过周围均匀介质到较深目标的传播时间差异
• 针状目标在不同路径的垂直位移

实验要求

• 学生需识别水平线条反射

2、第二个实验使用相同的物理设置来研究什么现象？如何改变声束的转向角度？学生通过改变角度并测量横向偏移后可以进行什么操作？

实验二：斜入射角对横向偏移的影响

第二个实验采用相同的物理装置，旨在考察 斜入射角 所造成的明显 横向偏移 。

实验操作

• 可利用 GUI 控制面板 上的滑块来改变 声束转向角 。
• 通过滑块调整角度，学生可以探索一系列不同的 转向角 。

实验目的

• 通过 改变入射角 并 测量横向偏移量 ，学生能够：
• 观察实际偏移现象；
• 将观察结果与基于 斯涅尔定律 的 折射模拟 进行对比；
• 或与自己通过公式计算得出的理论值进行比较。

相关理论

• 斯涅尔定律（Snell’s Law） ：描述波在两种介质间传播时的折射关系，公式为：
  $$
  n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)
  $$
  其中：
• $ n_1, n_2 $：介质 1 和介质 2 的折射率；
• $ \theta_1 $：入射角；
• $ \theta_2 $：折射角。

3、如何通过测量反射系数来量化匹配层和共振层之间机械阻抗匹配的有效性？

可以通过观察匹配层界面处A线射频包络的峰值，并与没有匹配层时界面处的反射进行比较，以相对的方式测量反射系数，从而 量化匹配层和共振层之间机械阻抗匹配的有效性 。

4、使用吸收背衬材料来抑制谐振层中的混响，并观察响应（在 B 模式图像和 A 线图中）会有什么变化？

添加背衬会显著缩短响应的“振铃”时间，这在 B 模式图像和 A 线图中均可观察到。

5、使用短脉冲发射信号测量声学堆栈的某种脉冲响应，在测量过程中可以采取什么操作来抑制谐振层中的混响，以及对于在L11 - 5v频率范围内工作的叠层，为研究相关参数变化采取了什么措施？

学生可以使用短脉冲发射信号测量声学堆栈的脉冲响应。添加吸收背衬材料可抑制谐振层中的混响，这一操作会显著缩短响应的“振铃”，可在B