聲速測(cè)量方法課件

聲速測(cè)量方法聲速測(cè)量方法研究背景

超聲波流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束（或超聲脈沖）的作用以測(cè)量流量的儀表。

超聲換能器主要是指完成電學(xué)與聲學(xué)之間的相互轉(zhuǎn)換的裝置，即電聲換能器。在超聲換能器的構(gòu)成中，匹配層的地位很重要。由于換能器中的壓電陶瓷的聲阻抗與氣體的阻抗往往有較大的差別，聲波在進(jìn)入氣體時(shí)會(huì)有較大的能量損失，使聲波透射能量大幅降低，造成能量的損失。因此，在超聲換能器的設(shè)計(jì)中一般都會(huì)加入匹配層這一結(jié)構(gòu)來(lái)增加聲波透射能量。一直以來(lái)，換能器匹配層的研究都受到了國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和科技工作者的重視。匹配層的設(shè)計(jì)和理論計(jì)算一直都是人們研究的熱點(diǎn)。

研究背景超聲波流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲研究背景

研究背景

聲阻抗測(cè)試

聲阻抗測(cè)試

時(shí)差法（脈沖波法）1相位法4頻譜分析法3共振干涉法（駐波法）2聲速測(cè)量的主要方法時(shí)差法（脈沖波法）1相位法4頻譜分析法3共振干涉法（駐波法）一、時(shí)差法（脈沖波法）1.1透射式透射模式需要兩個(gè)同樣主頻的探頭，分別作為發(fā)射和接收探頭。透射式法指的是由脈沖源以一定間隔激發(fā)一個(gè)短脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)探頭A激發(fā)聲波，在樣品傳播L后，由探頭B接收。將B探頭的信號(hào)與原脈沖信號(hào)對(duì)比，測(cè)出兩信號(hào)的時(shí)間差t，所以可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度。v=L/t透射式時(shí)差法原理圖一、時(shí)差法（脈沖波法）1.1透射式透射式時(shí)差法原理圖一、時(shí)差法（脈沖波法）1.1透射式

透射式法指的是由脈沖源以一定間隔激發(fā)一個(gè)短脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)探頭A激發(fā)聲波，在樣品傳播L后，由探頭B接收。將B探頭的信號(hào)與原脈沖信號(hào)對(duì)比，測(cè)出兩信號(hào)的時(shí)間差t，所以可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度。v=L/t發(fā)射與接收波形一、時(shí)差法（脈沖波法）1.1透射式發(fā)射與接收波形一、時(shí)差法（脈沖波法）1.2反射式（脈沖回波法）反射模式則只需要一個(gè)探頭，既作為發(fā)射探頭有作為接收探頭，即當(dāng)脈沖發(fā)出以后這個(gè)探頭馬上就作為接收探頭記錄信號(hào)。聲波脈沖分別在樣品的前表面和后表面發(fā)生反射，產(chǎn)生兩個(gè)連續(xù)的信號(hào)。如果己知樣品的厚度L和兩個(gè)連續(xù)回波信號(hào)的時(shí)間間隔t，就可以得到樣品的聲速值。v=2L/t局限性：1、很難用于超薄樣品的聲速測(cè)量：為了使連續(xù)的兩個(gè)回波信號(hào)能夠分開(kāi)，這種聲速測(cè)量方法要求測(cè)量品的厚度值至少為測(cè)量所用超聲波波長(zhǎng)的四倍；由于尺寸效應(yīng)的存在，對(duì)于同一種材料而言，薄層和塊體材料可能會(huì)具備不同的性質(zhì)。2、測(cè)量精度不高：聲波在換能器中的延遲，以及時(shí)間軸的刻度精度和脈沖前沿的讀取精度會(huì)影響測(cè)量精度。改進(jìn)方法：超聲波頻率一、時(shí)差法（脈沖波法）1.2反射式（脈沖回波法）二、共振干涉法（駐波法）

設(shè)兩聲源頻率相同，到聲場(chǎng)中某點(diǎn)s的距離分別為x1和x2，則兩列波在s點(diǎn)的瞬時(shí)聲壓分別為：

p1＝P01cos(ωt－kx1)=P01cos(ωt-φ1)p2＝P02cos(ωt－kx2)=P02cos(ωt-φ2)式中P01和P02分別為第一列波和第二列波的聲壓幅值；和分別是第一列波和第二列波的初相位。

二、共振干涉法（駐波法）

設(shè)兩聲源頻率相同，二、共振干涉法（駐波法）相干波和駐波由于這兩列波頻率相同，所以它們之間的相位差

△φ與時(shí)間t無(wú)關(guān)，僅與空間位置有關(guān)，對(duì)于固定的地點(diǎn)，x1、x2也一定，所以△φ為常數(shù)，兩個(gè)聲波間的相位差若保持固定，則發(fā)生聲波的干涉現(xiàn)象。在空間某些位置振動(dòng)始終加強(qiáng)，在另一些位置振動(dòng)始終減弱，此現(xiàn)象稱為干涉現(xiàn)象。這種具有相同頻率、相同振動(dòng)方向和恒定相位差的聲波稱為相干波。當(dāng)兩列相干波在同一直線上沿相反方向傳播而相遇疊加時(shí)，出現(xiàn)合成聲波的聲壓幅值隨著空間位置不同有極大值和極小值的分布，稱為駐波。駐波是干涉現(xiàn)象的特例。當(dāng)合成駐波的兩列波的聲壓幅值相等時(shí)，駐波現(xiàn)象最明顯。二、共振干涉法（駐波法）相干波和駐波二、共振干涉法（駐波法）按照波動(dòng)理論，發(fā)生器發(fā)出的平面聲波經(jīng)介質(zhì)到接收器，若接收面與發(fā)射面平行，聲波在接收面處就會(huì)被垂直反射，于是平面聲波在兩端面間來(lái)回反射并疊加。

當(dāng)接收端面與發(fā)射面的距離恰好等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，疊加后的波就形成駐波。此時(shí)相鄰兩波節(jié)（或波腹）間的距離等于半個(gè)波長(zhǎng)，即λ/2。

當(dāng)發(fā)生器的激勵(lì)頻率等于駐波系統(tǒng)的固有頻率（壓電陶瓷的固有頻率）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生駐波共振，波腹處的振幅達(dá)到最大值，在駐波波節(jié)處的聲壓最大。

當(dāng)發(fā)生共振時(shí)，接收端面處為一波節(jié)，接收到的聲壓最大，轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)也最強(qiáng)。二、共振干涉法（駐波法）按照波動(dòng)理論，發(fā)生器二、共振干涉法（駐波法）2.1距離改變式移動(dòng)接收器到某個(gè)共振位置時(shí)，如果示波器上出現(xiàn)了最強(qiáng)的信號(hào)，繼續(xù)移動(dòng)接收器，再次出現(xiàn)最強(qiáng)的信號(hào)時(shí)，則兩次共振位置之間的距離即為λ/2，這樣就可以通過(guò)頻率和波長(zhǎng)求得聲音的速度。

局限性：固體厚度固定，距離不可調(diào)，此法只適用于測(cè)量氣體和液體的聲速。二、共振干涉法（駐波法）2.1距離改變式局二、共振干涉法（駐波法）

二、共振干涉法（駐波法）

二、共振干涉法（駐波法）2.2頻率改變式超聲波的波長(zhǎng)由聲速和頻率兩個(gè)參量決定，如果我們改變超聲波的頻率值，則波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變。而當(dāng)超聲波波長(zhǎng)滿足測(cè)量樣品厚度l恰好為半波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)，聲共振現(xiàn)象將會(huì)發(fā)生，這一現(xiàn)象可以通過(guò)觀察接收信號(hào)的振幅來(lái)監(jiān)測(cè)，發(fā)生共振現(xiàn)象時(shí)，接收信號(hào)的振幅將會(huì)有大幅上升。局限性：

1、需要改變頻率來(lái)尋找共振點(diǎn)，測(cè)量相對(duì)麻煩；

2、由于共振點(diǎn)很難選得很準(zhǔn)，要準(zhǔn)確測(cè)出共振頻率比較困難；3、必須制造較厚的匹配層樣品（至少λ/2厚度的匹配層）。二、共振干涉法（駐波法）2.2頻率改變式三、頻譜分析法3.1傳統(tǒng)的超聲波頻譜法

該方法測(cè)量過(guò)程如下圖所示。整個(gè)測(cè)量過(guò)程均在水中完成，首先需要記錄聲波在水中傳播的脈沖信號(hào)SW，此時(shí)兩個(gè)換能器探頭之間應(yīng)該置空，不放入樣品。之后將測(cè)試樣品放在兩個(gè)換能器探頭之間，使超聲波信號(hào)穿過(guò)樣品，并記錄下這個(gè)脈沖信S1。在水的色散忽略不計(jì)的情況下，分別對(duì)信號(hào)SW和S1做傅里葉變換，通過(guò)分析變換得到的頻譜就可以得到樣品聲速。三、頻譜分析法3.1傳統(tǒng)的超聲波頻譜法三、頻譜分析法3.2新的超聲波頻譜法新的超聲波頻譜法能夠給出樣品的聲速和聲衰減，并且適用于超薄樣品的測(cè)試。

首先將沒(méi)有樣品附著的玻璃襯底固定在樣品夾上，并注意使探頭發(fā)出的超聲信號(hào)能夠全部透過(guò)玻璃襯底。用示波器記錄下該信號(hào)。然后將玻璃襯底取下，換上待測(cè)試樣品，同樣記錄下超聲信號(hào)。之后將所記錄的兩個(gè)信號(hào)輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)上并利用Matlab進(jìn)行快速傅里葉變換得到兩個(gè)信號(hào)的幅度頻譜，最后將得到的兩個(gè)信號(hào)的幅度頻譜相比得到信號(hào)的頻譜比。讀出頻譜比曲線上峰值處的頻率值，結(jié)合樣品厚度值即可以得到樣品的聲速值。

三、頻譜分析法3.2新的超聲波頻譜法三、頻譜分析法3.3脈沖回波譜分析法超聲脈沖回波譜分析法測(cè)聲速技術(shù)，只需要發(fā)射一次脈沖超聲波，通過(guò)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行譜分析結(jié)合材料厚度便能獲得材料聲速。特別是在待測(cè)試樣較薄時(shí)，譜分析方法相對(duì)于傳統(tǒng)的聲速測(cè)量方法更具有優(yōu)勢(shì)。假設(shè)出現(xiàn)極大值時(shí)的超聲波頻率為fm，與其相鄰的幅度譜極大值對(duì)應(yīng)的超聲波頻率為為fn，則結(jié)合材料的厚度l即可以得到材料的聲速v=2l(fm-fn）三、頻譜分析法3.3脈沖回波譜分析法三、頻譜分析法3.3脈沖回波譜分析法

特點(diǎn)：

a）適用于薄固體材料的聲速測(cè)量；b）對(duì)接收的超聲信號(hào)要求很低，只要波峰明顯遞減就可以，不需要每個(gè)回波里面各個(gè)周期的波符合任何條件，這樣它對(duì)噪聲很大信號(hào)或是薄材料的聲速測(cè)量就具有很大優(yōu)勢(shì)。

局限性：

譜分析法對(duì)薄材料的厚度也是有限制的，太薄的材料第一回波會(huì)把以后回波的波峰等特征點(diǎn)完全覆蓋，沒(méi)有了波峰遞減的趨勢(shì)，譜分析法不能適用。

三、頻譜分析法3.3脈沖回波譜分析法四、相位法波是連續(xù)介質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的傳播，也可以說(shuō)是相位的傳播。在波的傳播方向上的任何兩點(diǎn)，如果其振動(dòng)狀態(tài)相同或者其相位差為2π的整數(shù)倍，這兩點(diǎn)間的距離應(yīng)等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即l=nλ，（n為正整數(shù)）若超聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波是平面波，當(dāng)接受器端面垂直于波的傳播方向時(shí)，其端面上各點(diǎn)都具有相同的相