超声波声速测量新方法

发布日期：2015-06-05 08:52　　　 浏览次数：次

中图分类号:0422.1 文献标识码:A 文章编号:1006-7930(2004)03-0375-04

声披是在弹性媒质中传播的机械波，为弹性纵波.震动频率在20~20kHz 的声波可被人听到，称为可闻声波，频率超过20kHz 以上的称为超声波.由于超声波能量大而集中，在机械加工上，可以用来超声振动切削川、焊接、钻孔、清洗机器零件等;频率高，波长短，因此超声波在传播过程中有着良好的方向性，可以用来探测物体，深海测量等.特别在工业应用中，超声波可无损伤地探测工件内部的气泡、裂缝等缺陷，被称作超声探伤。

超声波在介质中传播时，其传播速度与介质的特性和状态有关.通过对于超声波声速的测量，可以了解被测介质的特性和状态变化，如材料的弹性模量等.以上超声波所有的实际应用都是以超声测速为基础的，所以，超声波声速的准确测量具有十分重要的意义。

目前常用测定超声被声速的方法有驻波法和相位法.但是，这两种方法都存在着测量精度不高的缺点.经过实验探索与理论分析，可以使用一种新方法一一-双踪示波法，对于超声波声速进行较准确地测量.该方法具有测量精度高、定位性好、操作简单、实用性强等特点。

1 双踪示波法的理论分析

1. 1 声波在空气中的传播速度

当把空气近附理想气体时波由咐播速度可表示为
式中R=Cp/Cv称为比容比，即空气定压比热容与定容比热容之比州是空气的摩尔质量;T 是热力学温度;R 为摩尔气体常数， R = 8. 31441J/mol • K.

由(1)式可知，温度是影响空气中声速的主要因素，如果忽略空气中水蒸气的影响，在正常情况下，干燥空气成分按重量比为氮:氧:氧:二氧化碳= 78. 084: 20. 946: o. 934: o. 033. 它的平均摩尔质量为μa= 28.964 X 10-3kg/mo l.在标准状态下，干燥空气中的声速为V。= 331. 5m/s.在室温t℃下，干燥空气中的声速为:

由波动理论可知，声速V ， 声惊振动频率f 和波长λ 之间有以下关系u = fλ 只要知道了超声波的频率和波长，就可由(3)求出声速的大小.设发射换能器Sl 位于Xl 处，接收换能器S2 位于X2 处发射波为：

它们是两个同频率的正弦波，相位差为△ψ=2π/λ（x2-x1）当(X2 - X 1 ) 一定时，发射波与接收波的相位差即可确定， (X2 - X 1 ) 每增加一个波长的值，相位差正好改变一个周期(即A伊2刑，发射波与接收波的波形就重合一次，这样即可在Sl 固定不动时，单向移动S z， 相邻两次重合图象所对应的位置岛之差就是所要测量的披长λ.
2 声速的测量装置及实验结构
超声波的传播速度，也就是声波的传播速度.由于超声波具有披长短、易于定向发射等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便.超声波的发射和接收一般通过电磁震动与机械震动的相互转换来实现，最常见的是利用压电效应.
2. 1 超声波声速测定仪实验装置
超声波声速测定仪的主要部件是两个压电陶资[2J 超声换能器和一个游标卡尺，在游标卡尺的两个量爪上，相向安装两个固有频率基本相同的压电陶资超声换能器，一只为发射声波换能器，另一只为接收声肢换能器，其结构完全相同.当外加电信号的频率等于压电系统的谐振频率时，发射声波换能器产生机械谐振，这时产生的声波被接收声波换能器转化为电压信号，输入到示波器上显示出信号波形.发射声搜换能器与接收声波换能器之间的距离，可以从超声波声速测量仪上的游标卡尺直接读出.
本实验采用压电陶资超声换能器来实现声压和电压之间的转换，该换能器结构如图1 所示，它主要由压电陶资园环和轻重两种金属组成.压电陶瓷园环由一种多品结构的压电材料(如铁酸坝、错铁酸铅)制成，在压电陶瓷园环的两个底面加上正弦交变电压，它就会按正弦规律发生纵向伸缩，即厚度按正弦规律产生形变，成为机械波的波源.当谐变频率处于超声频段时，即发出超声波.同样它也可以使声压转化为电压，用来接收声信号.在压电陶盗园环的头尾两端胶粘两块金属，组成夹心型振子.头部1 用轻金属做成喇叭型，尾部4用重金属做成锥型或柱型，中部2 ， 3 为压电陶皆因环， 5 为信号输入端，紧固螺钉穿过环中心，这种结构增大了辐射面积，另外还可以增强振子与介质之间的藕合作用.由于振子是以纵向长度的伸缩直接影响头部轻金属作问样的纵向长度伸缩(对尾部重金属作用小) ，这样所发射的声波具有方向性强、平面性及单色性好等特点.同时，由于频率在超声范围内，一般的音频对它没有干扰.频率高，波长短，可在不长的一段距离内测到许多个波长，使A 的测量比较准确易行.
2.2 超声波声速测量实验结构
实验装置结构如图2 所示，图中51 和52 为压电陶瓷超声波换能器，正弦波信号发生器发出的信号转至换能器51 后， 51 即发射出平面超声波. 52 作为超声波的接受器，将接收的声压换成电信号.

实验设备:5BZ - A 型超声波声速测量仪;5G1646 多功能画数信号发生器;YB4320G 双踪示波器.

4 结论

从以上测速实例和三种实验方法的比较中可知，驻波法，因无法事先知到波幅极大值的确切位置，只能采取逐渐逼近的办法来定位，所以，测量误差大.相位法，虽然有特殊图像作为定位点，正弦波线性好时，定位准确，但是，正弦波信号发生器的性能一般难以达到，这就是相位法的一个致命缺点.而双踪示波法，以发射波形为定位参考点，对正弦波线性要求一般，定位性好、测量精度高是双踪示波法的显著优点.该方法无需增加新的实验设备即可完成测量实验，具有很好的实用技术推广价值.

参考文献:

[1] 限部淳一郎.韩-昆等译.振动切削[M]. 北京:机械工业出版社.1985.

[2J 陈重华，肖鸣山. :X1J 三书.压电陶瓷应用[M]. 西安:陕西人民出版社.1985.