超聲聲速的測量講義

1、實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)3.123.12超聲聲速的測量超聲聲速的測量聲波是一種機(jī)械波，它可以在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)物質(zhì)中傳播，它會(huì)引起物質(zhì)的光學(xué)、電磁、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)以及人類生理、心理等性質(zhì)的變化。人耳能聽到的聲波稱為可聞聲波，頻率在20Hz～20kHz之間，頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波，頻率高于20kHz則稱為超聲波。超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，聲速、聲衰減和聲阻抗都和媒質(zhì)的特性及狀態(tài)有關(guān)，通過測量這些聲學(xué)量可以探知媒質(zhì)的特性和狀態(tài)變化。這些聲學(xué)量的測量方

2、法就是超聲無損檢測的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。由于媒質(zhì)中的聲速與媒質(zhì)的許多非聲學(xué)特性都有直接或間接的關(guān)系，所以通過聲速的測量可以求出固體媒質(zhì)的彈性模量，進(jìn)行氣體成分分析，測定液體的比重，液體的成分及溶液濃度等。利用媒質(zhì)的溫度、壓強(qiáng)、流速與聲速的關(guān)系則可以探測這些狀態(tài)參量的變化。媒質(zhì)中的聲速是應(yīng)用最廣而且測量精度也較高的聲學(xué)量。測量聲速依據(jù)的原理可以是（表示聲音傳播的距離，表示通過這段距離的時(shí)間），也可以是tlv?lt（為聲波的頻率，為聲波的波長）。本實(shí)

3、驗(yàn)采用的共振干涉法和相位比較法均?fv?f?屬于后者。一、預(yù)備問題一、預(yù)備問題1壓電換能器是如何工作的？2聲波在媒質(zhì)中傳播的速度與哪些因素有關(guān)？3何為共振干涉法和相位比較法？二、引言二、引言1超聲波的發(fā)射和接收超聲波的發(fā)射和接收都需要用換能器，換能器的作用是將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲波的能量（發(fā)射換能器），或?qū)⒊暡ǖ哪芰哭D(zhuǎn)換為其它可以檢測的能量（接收換能器）。最常使用的是壓電換能器。壓電晶體（如石英）或壓電陶瓷（如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛）這

4、類壓電材料受到應(yīng)力T的作用會(huì)在材料內(nèi)產(chǎn)生電場E，且滿足（為壓電常數(shù)），TE????這就是壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是法國人居里兄弟1880年在研究熱電現(xiàn)象和晶體對(duì)稱性的時(shí)候發(fā)現(xiàn)的。壓電換能器接收超聲波信號(hào)使之轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，利用的就是壓電效應(yīng)原理。當(dāng)超聲波頻率與系統(tǒng)固有（共振）頻率一致時(shí)所產(chǎn)生的電信號(hào)最強(qiáng)。壓電材料還具有逆壓電效應(yīng)，壓電材料在電場E的作用下產(chǎn)生伸縮形變S，且滿足（d為伸縮常數(shù)），在交變電場的作用下會(huì)產(chǎn)生周期

5、性的收縮和伸長，當(dāng)外加電EdS??場的頻率和壓電體固有頻率相同時(shí)振幅最大。發(fā)射換能器利用逆壓電效應(yīng)就可以將電能轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)能，在周圍媒質(zhì)中激發(fā)超聲波。2聲速的測量聲波在媒質(zhì)中傳播的速度決定于媒質(zhì)的密度、彈性模量等性質(zhì)。聲波在液體和固體中的傳播速度一般大于在氣體中的傳播速度。聲速也和媒質(zhì)的壓強(qiáng)、溫度等狀態(tài)有關(guān)，因?yàn)闇囟茸兓话惚葔簭?qiáng)大，所以溫度對(duì)聲速的影響也比較大。若頻率已知，測出波長即可根據(jù)波長、頻率和聲速三者的關(guān)系求出波速。?fv?

6、（1）共振干涉法測聲速如圖3.121所示，S1、S2都是壓電換能器，兩者相互平行。由低頻信號(hào)發(fā)生器輸出的頻率為f的正弦電信號(hào)激勵(lì)超聲波發(fā)射器S1發(fā)射出沿x方向傳播的近似平面超聲波，經(jīng)超聲波接收器S2反射后，在兩端面間來回傳播并疊加而形成駐波（嚴(yán)格地說還有行波的成份）聲波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，在聲波傳播方向上任何一點(diǎn)和波源之間都存在位相差。若設(shè)位相差為，聲波頻率為，波速v和傳播距離l之間的關(guān)系為?f（3.125）?????lvflt22???

7、如圖3.122所示，將S1和S2的正弦電壓信號(hào)分別輸入示波器的X信道和Y信道，在示波器上可以觀察到兩個(gè)相互垂直的同頻率簡諧振動(dòng)合成的李薩如圖形。改變S1、S2之間的距離時(shí)位相差發(fā)生變化，橢圓的特性也隨之變化。每當(dāng)位相差的變化滿足，即????????2221212??????ll（3.126）?????12lll時(shí)，相同的李薩如圖形就會(huì)重復(fù)出現(xiàn)（如圖3.123所示）。由此可以測定，算出聲速?（3.127）lffv????(3)時(shí)差法測量原

8、理以上二種方法測聲速，都是用示波器觀察波谷和波峰，或觀察二個(gè)波間的相位差，原理是正確，但存在讀數(shù)誤差，較精確測量聲速是用時(shí)聲波差法，時(shí)差法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號(hào)加到發(fā)射換能器上，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過T時(shí)間后，到達(dá)距離處的L接收換能器，所以可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度。TLV?（3.128）圖3.123李薩如圖0???4????2????43????????45????23????47??????