聲學(xué)測量指導(dǎo)書

聲學(xué)測量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書陳洪娟哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院2005.4.16第1部分必做實(shí)驗(yàn)#下關(guān)系。2nT18二—\--22nT18二—\--22兀,或nT/22九二兀+8將式的）和式⑺代入（⑵、（⑶式’并令匕二町，則有（2-a）—2寸1-acos2兀b（2-a）+2.1-acos2兀b°—2\：1—asin兀ba014）15）16）由以上推導(dǎo)過程可知，只要確定了駐波比S,第一極小值位置ri和聲波波長九，即可根據(jù)公式（7）和公式（15）、（16）測得a,匚。測量法向吸聲系數(shù)和法向聲阻抗率方法如下：根據(jù)被測樣品的測量頻率范圍，選擇駐波管，并按要求安裝樣品于駐波管末端且密封好；調(diào)節(jié)信號(hào)源的輸出幅值在一固定值，并使其輸出頻率為測量頻率；調(diào)節(jié)濾波器中心頻率對(duì)準(zhǔn)聲信號(hào)頻率；移動(dòng)傳聲器小車將探針式傳聲器移至被測材料樣品的表面。然后慢慢移動(dòng)小車，使探針式傳聲器慢慢離開樣品表面，同時(shí)觀察傳聲放大器上的電壓表指示，找到一個(gè)聲壓極大值，然后調(diào)整傳聲放大器的增益（或調(diào)節(jié)放大器輸入端電位器）使表頭指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度值，再移動(dòng)小車細(xì)心批出相鄰的第一個(gè)極小值，據(jù)此算出S和［，即可求出a,匚。有些傳聲放大器，備有“電位器輸入”插孔，探針式傳聲器接收的信號(hào)由此輸入。則可以從專用的電壓表刻度盤上直接讀取a值，這樣就較方便了，只要在測定法向吸聲系數(shù)的同時(shí)再測出第一個(gè)聲壓極小值以試樣表面的距離1和波長九即可。另外利用公式（15）、（16）求匚很復(fù)雜，方法也很多，當(dāng)然采用計(jì)算機(jī)計(jì)算是最方便、精度也最高的。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求：1．內(nèi)容：根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，給定幾種吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)樣品作為被測材料，然后采用駐波管法測量其法向吸聲系數(shù)，再根據(jù)條件由a推得法向聲阻抗率。2．要求：（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)線路圖連接好各部分儀器；（2）在頻率200Hz~4kHz范圍內(nèi)，間隔200Hz為一頻率點(diǎn)，測量以下被測材料的法向吸聲系數(shù)a。多孔吸聲材料（泡沫塑料）一塊；微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)3塊。（3）利用圖表或計(jì)算機(jī)，求法向聲阻抗率；（4）畫出樣品吸聲系數(shù)的頻率特性曲線并分析結(jié)果。四、思考題1．本實(shí)驗(yàn)中為什么采用濾波器？2．本實(shí)驗(yàn)測試頻率的上限、下限如何估算？為什么？實(shí)驗(yàn)2交通噪聲實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解噪聲的量度和評(píng)價(jià)；2．熟悉用聲級(jí)計(jì)測量噪聲聲級(jí)和頻譜的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理與方法1．噪聲的主觀評(píng)價(jià)噪聲的含義可以有二種理解，一種是對(duì)任何一個(gè)不希望存在的聲信號(hào)的統(tǒng)稱；另一種是無規(guī)、斷續(xù)的或隨機(jī)的振動(dòng)過程，這種噪聲有連續(xù)譜與線狀譜，多數(shù)為連續(xù)譜。我們測試的噪聲信號(hào)常是這種無規(guī)噪聲信號(hào)。噪聲對(duì)人的影響大小，要由人們的主觀感受來衡量。人耳聽聲，雖說是聲壓越大，聲音越響，但聲壓與人耳感覺的響度并不是成正比的關(guān)系，而是成對(duì)數(shù)關(guān)系，即人耳對(duì)聲音是對(duì)數(shù)檢測器。人耳感受聲音不僅與聲壓有關(guān)，而且還與頻率有關(guān)。不同頻率的聲音，雖然聲壓相同，但人耳聽起來往往不是一樣的響度。根據(jù)人耳的這種聽覺特性，引入了響度與響度級(jí)、計(jì)權(quán)聲級(jí)等主觀評(píng)價(jià)量。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（iso）的規(guī)定，任何聲音的響度級(jí)在數(shù)值上與此聲音同樣響度的1kHz純音的聲壓級(jí)相同，響度級(jí)的單位是方。例如某一聲音（純音或復(fù)合聲）斬起來和聲壓級(jí)70dB的1kHz純音一樣響時(shí)，則該聲音的響度級(jí)為70方。以1kHz純音為基準(zhǔn)音，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以得到整個(gè)可聽范圍內(nèi)聲音的響度級(jí)。如果把響度級(jí)相同的點(diǎn)連接起來，便得到一組曲線簇，稱等響曲線，如圖1所示。圖1自由場純音等響曲線從等響曲線中可看出，在同樣聲壓級(jí)時(shí)，人耳對(duì)3kHz~4kHz的聲音特別敏感，而對(duì)低頻聲不敏感，對(duì)8kHz以上高頻聲也不敏感。為了用聲音的客觀物理量來表達(dá)人耳聽覺的主觀感受，可在聲學(xué)測量儀器中加入模擬人耳聽覺特性的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，使所接收的聲音在人耳敏感的頻域加以增強(qiáng)，人耳不敏感的頻域加以衰減，就可從儀器上直接讀出反映人耳對(duì)噪聲感覺的數(shù)值，使主、客觀評(píng)價(jià)量趨于一致，這種通過計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)讀出的聲級(jí)叫做計(jì)權(quán)聲級(jí)，計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)有A、B、C、D四種，A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是模仿40方等響曲線設(shè)計(jì)的，它對(duì)低頻聲（500Hz以下）衰減較大，而對(duì)1kHz?5kHz的聲音不衰減，甚至稍有放大;B計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是仿效70方等響曲線設(shè)計(jì)的，低頻有衰減；C計(jì)權(quán)是仿效100方等響曲線，有近似平直的響應(yīng);D計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是為測量飛機(jī)噪聲而設(shè)計(jì)的。圖2為A、B、C、D四種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)曲線。實(shí)踐證明，A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)比較接近人耳對(duì)聲音的感覺特性，所以在噪聲測量儀器（如聲級(jí)計(jì)）中普遍采用A計(jì)權(quán)，所測得的聲級(jí)就稱作A聲級(jí)。2．噪聲的客觀物理量度及倍頻帶聲壓級(jí)與計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的轉(zhuǎn)換關(guān)系作為噪聲的客觀物理量度，可用我們熟悉的聲壓級(jí)或聲功率級(jí)以及噪聲的頻譜特性，即測量噪聲的總聲壓級(jí)，聲功率級(jí)和各倍頻帶或1/3倍頻帶寬的聲壓級(jí)。定義噪聲聲壓級(jí)，即L=201gZ（dB）PP其中P0為參考聲壓值，為2x10-5P0a其聲功率級(jí)，即WL=10lg——（dB）wW0其中——0為參考值，取10-12——。如果已知噪聲的各倍頻帶聲壓級(jí)，可以將其轉(zhuǎn)換為計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。如設(shè)L.為Pi測得的各倍頻帶的聲壓級(jí)（dB），則按聲壓級(jí)定義，有L=20lg旦（dB）Pipo即（p￥Lpi旦=io7cT（po丿那么，幾個(gè)倍頻帶聲壓級(jí)疊加后總聲壓級(jí)L為：pL=101g昱iotop_i=1_由總聲壓級(jí)L轉(zhuǎn)換為總A聲級(jí)L時(shí)，有：ppAL=1olg|工10’To''I(dB(A))式中k為第i個(gè)倍頻帶的A計(jì)權(quán)修正值。一般測量倍頻帶取63Hz?8kHz的八個(gè)i倍頻程。A計(jì)權(quán)的k值見表1。i表1倍頻程A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)修正值倍頻帶中心頻率(Hz)631252505001000200040008000修正值k(dB)i2616930-1-1+13．噪聲的分析方法由于城市交通噪聲是隨機(jī)噪聲，因此對(duì)其測量數(shù)據(jù)的處理必須使用統(tǒng)計(jì)方法、能量平均方法，否則無法對(duì)其作出正確的量度和評(píng)價(jià)。(1)統(tǒng)計(jì)聲級(jí)L1o表示在整個(gè)測量時(shí)間內(nèi)有10%的時(shí)間的聲級(jí)超過此聲級(jí)。如果等時(shí)間間隔取樣，即表示有10%的聲級(jí)高于此聲級(jí)，其余90%的聲級(jí)低于它，則L表示平均噪1o聲的峰值。(2)統(tǒng)計(jì)聲級(jí)L5o表示在整個(gè)測量時(shí)間內(nèi)有50%的時(shí)間的聲級(jí)高于此聲級(jí)。如果等時(shí)間間隔取樣，即表示有50%的聲級(jí)數(shù)據(jù)高于此聲級(jí)，而其余的50%的聲級(jí)低于它，則L相5o當(dāng)于平均噪聲級(jí)。(3)統(tǒng)計(jì)聲級(jí)L9o表示在整個(gè)測量時(shí)間內(nèi)有90%的時(shí)間的聲級(jí)高于此聲級(jí)，如果等時(shí)間間隔取樣，即表示有90%的聲級(jí)高于此聲級(jí)，而其余的10%的聲級(jí)低于此聲級(jí)。它相當(dāng)于本底噪聲級(jí)。

以上三種統(tǒng)計(jì)聲級(jí)的計(jì)算方法是：將測得的所有數(shù)據(jù)從大到小排列起來，然后從大開始數(shù)’第所有數(shù)據(jù)1°%處的數(shù)據(jù)就是Lio，依次50%處的數(shù)據(jù)就是L50，而90%處的數(shù)據(jù)就是L90。(4)統(tǒng)計(jì)值標(biāo)準(zhǔn)偏差5式中L.為測量的第i個(gè)聲級(jí)；iL為測得的所有聲級(jí)的算術(shù)平均值。(5)等效連續(xù)聲級(jí)Lep作為以聽力保護(hù)為目的的環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)方法不只是著眼于瞬時(shí)聲級(jí)的高低，而是基于噪聲暴露的概念上。在噪聲暴露的整個(gè)過程中，聲級(jí)是起伏的。對(duì)于這種噪聲的評(píng)價(jià)方法一般采用等效連續(xù)聲級(jí)。這一方法的實(shí)質(zhì)是把變化的一段時(shí)間的作用結(jié)果，等效成一個(gè)固定不變的聲級(jí)在上述同樣長時(shí)間內(nèi)的作用結(jié)果，實(shí)際上等效連續(xù)聲級(jí)的數(shù)值是聲能的平均值，即：L二10lg1JT10樹(dB(A))epT0式中L是t時(shí)刻所測量的瞬時(shí)A聲級(jí)；AtT是噪聲暴露時(shí)間。在實(shí)際中測量時(shí)間間隔不可能無限小，因此進(jìn)行有限的等時(shí)間間隔取樣。此時(shí)間間隔為5秒鐘，這樣上式化為：LAdtL二LAdtL二10lgep1010dB(A))式中L為第i次測量值(dB(A))Ain為測量總次數(shù)。此工實(shí)際上是聲級(jí)平均表達(dá)式，所以L值也叫平均A聲級(jí)，記作:epL二101g￡101A1-lOlgnAtgi-1二L-lOlgn（dB（A））Am這里l是測得的各次瞬時(shí)聲級(jí)按能量迭加法則求得的總A聲級(jí)。Am4．噪聲的測量方法。噪聲源發(fā)出的噪聲，由聲級(jí)計(jì)直接測量，讀出聲級(jí)或由磁帶記錄儀錄下噪聲信號(hào)，再把錄下的信號(hào)回放，用計(jì)算機(jī)、分析儀或聲級(jí)記錄儀進(jìn)行分析處理，可記下聲級(jí)大小和噪聲的頻譜特性曲線，便于對(duì)噪聲進(jìn)行分析研究。噪聲現(xiàn)場測量大都采用聲級(jí)計(jì)，它是具有規(guī)定的頻率及時(shí)間計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，可測量聲級(jí)和倍頻程聲壓級(jí)的儀器，其種類較多，但一般由傳聲器、放大器、衰減器、計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、檢波器、指示器及電源等部分組成，并且可以外接倍頻程濾波器。聲級(jí)計(jì)設(shè)有線性，A、B、C等計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，可以測量噪聲總聲級(jí)和計(jì)權(quán)聲級(jí)。配有倍頻程濾波器，可測各倍頻帶聲壓級(jí)。用聲級(jí)計(jì)測量噪聲時(shí)，要合理選擇測點(diǎn)，正確讀數(shù)和記錄以及考虎測量環(huán)境條件的影響。（1）根據(jù)噪聲測量的對(duì)象，選擇合適的時(shí)間和測點(diǎn)。如測量交通噪聲應(yīng)選擇在交通噪聲比較穩(wěn)定的時(shí)間內(nèi)，測點(diǎn)按有關(guān)測量標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定選擇。（2）選擇合適的測量環(huán)境，盡量避免環(huán)境和氣象因素的影響。如測交通噪聲時(shí)，在選定的測量位置上聲級(jí)計(jì)放在靠公路一側(cè)的人行道上，傳聲器在離地面1.2m高處，其距反射面距離一般應(yīng)不小于2m。測量過程中要防止非測量人員圍觀。以完形成的“人墻”和他們說話聲等對(duì)測量結(jié)果的影響。另外，測量時(shí)的天氣應(yīng)無雨，風(fēng)力不超過五級(jí)為避免風(fēng)對(duì)測量結(jié)果的影響，傳聲器要加防風(fēng)罩。（3）正確使用聲級(jí)計(jì)，恰當(dāng)選擇檔位。測量前，要檢查實(shí)驗(yàn)中所用儀器的性能，對(duì)聲級(jí)計(jì)要做必要的校準(zhǔn)、檢驗(yàn)工作。然后針對(duì)實(shí)驗(yàn)中你所使用瑾的聲級(jí)計(jì)的要求進(jìn)行正確的操作。我們?cè)谶@個(gè)實(shí)驗(yàn)中采用ModularPrecisionSoundLevelMeter（模塊式精密聲級(jí)計(jì)）進(jìn)行噪聲測量，其操作方法如下：選用模塊BZT100；i「.安裝電池，打開電源；iii'.安裝軟件包;ivz.撥到|Load|檔位，顯示MT,裝入指令；vz.取下軟件包，按ModuieNo.l鍵；viz.撥至|RON|檔位；v『.按DisplayedParameter+selector或selector^設(shè)置顯示參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)為顯示聲壓級(jí)spz；v汩.按TimeWeighting+selectorA或selectorQ設(shè)定時(shí)間加權(quán)，有"FAST”、“SIOW”、“Impulse”，本實(shí)驗(yàn)設(shè)在“FAST”。ixz.按FreqoencyWeighting+selectorA或selector設(shè)定頻率加權(quán)，有：“A”、“C”、“l(fā)in”、"AllPass”,本實(shí)驗(yàn)設(shè)在“A”上。xz.按Frontal/Random設(shè)定入射方向，本實(shí)驗(yàn)設(shè)在“Random”（Rdm）。ix‘.按|FSD|設(shè)置量程，本實(shí)驗(yàn)設(shè)在100dB。上述步驟完成后，可以開始實(shí)驗(yàn)記錄，此聲級(jí)計(jì)功能較全，除可以完成噪聲測量外，還可以對(duì)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并配有交，直流輸出插孔，供與其它數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)相連接，另外還配備相應(yīng)的一倍頻程濾波器，可以完成對(duì)噪聲頻率特性的測量。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求：1?內(nèi)容：同聲級(jí)計(jì)測量市區(qū)交通運(yùn)輸干線上的交通噪聲。要求（1）做好測量前的準(zhǔn)備工作；（2）測量時(shí)，每隔5秒鐘讀數(shù)一次，共讀200次，并認(rèn)真記下測量結(jié)果；（3）記下測量的起止時(shí)間；（4）畫出測量位置的平面草圖；（5）根據(jù)所測數(shù)據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)聲級(jí)L,L,L及等效連續(xù)聲級(jí)L和標(biāo)準(zhǔn)偏差5。105090ep四、思考題：1．進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)時(shí)，有哪些因素會(huì)影響測量結(jié)果。2．根據(jù)各種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)曲線的特性，如何由測得的不同計(jì)權(quán)聲級(jí)值來判斷噪聲的頻率特性？實(shí)驗(yàn)3壓電加速度計(jì)電聲性能參數(shù)綜合測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆占铀俣扔?jì)的比較校準(zhǔn)方法，熟悉有關(guān)測振儀器的使用。二、實(shí)驗(yàn)原理與方法1.壓電加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理壓電加速度計(jì)是利用壓電材料作為電轉(zhuǎn)換的測振器件。目前，常用的壓電材料有鋯鈦酸鉛（PZT）、石英晶體等。在壓電元件上，借助預(yù)緊螺母（或彈簧片），以一定的預(yù)應(yīng)力安裝一慣性質(zhì)量塊（質(zhì)量塊用高比重合金制成）。這就構(gòu)成一個(gè)簡單的壓電加速度計(jì)。它是典型的慣性式傳感器。在振動(dòng)作用下，底座6和質(zhì)量塊3之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使壓電元件受到壓縮或拉伸。由于壓電效應(yīng)，壓電元件的輸出端產(chǎn)生電壓E，其值為：aE二—K（1）a式中，E為壓電元件輸出電壓，它與壓電元件相對(duì)位移g成正比。K為一比例a常數(shù)，它同壓電材料的性能、幾何尺寸與形狀等因素有關(guān)。式中負(fù)號(hào)表示對(duì)壓電元件的壓縮產(chǎn)生正的電壓。我們把壓電元件當(dāng)作無質(zhì)量的彈簧元件，其彈性系數(shù)為k；同時(shí)把慣性質(zhì)量塊（質(zhì)量為m）看作是完全剛硬的；連接件的剛度及質(zhì)量的影響忽略不計(jì)；設(shè)此振動(dòng)系統(tǒng)中的阻尼器的阻尼系數(shù)為C。這樣，可把振動(dòng)系統(tǒng)看成是單自由度二階力學(xué)系統(tǒng)。傳感器固定在振動(dòng)物體上，當(dāng)振動(dòng)物體以y二ysin?t振動(dòng)時(shí)，假定0在某一瞬時(shí)振動(dòng)物體相對(duì)位移為y，引起慣性質(zhì)量塊相對(duì)殼體（基座）的位移為x，由于殼體與被測振動(dòng)體固定在一起，質(zhì)量塊相對(duì)靜基準(zhǔn)的位移為y+x。質(zhì)量塊在運(yùn)動(dòng)中受到三個(gè)作用力：彈性元件的彈性反力F，F(xiàn)二kx；阻尼器阻力為P，與質(zhì)量塊相對(duì)殼體的運(yùn)動(dòng)速度成正比，即P二C竺，C為dt阻尼系數(shù)；運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量引起的慣性力R，與質(zhì)量塊的加速度成正比，即R=md2（y+X），C為阻尼系數(shù)；dt2這三個(gè)力在運(yùn)動(dòng)中始終處于平衡狀態(tài)，即d2(y+x)_dx,小R+P+F=m+C+這三個(gè)力在運(yùn)動(dòng)中始終處于平衡狀態(tài)，即d2(y+x)_dx,小R+P+F=m+C+kx=0dt2)dt2令y=ysinot，貝U=-yo2sinot，因而有0dt20d2xm-

dt2dx+C+kx=my①2sin?tdt0d2xC+——dt2mdxk+x=y①2sinotdtm03)k令—=?2,①是傳感器振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率。又令0m00卡,C0是臨界阻尼系0數(shù)，即0表示阻尼對(duì)振動(dòng)的衰減，稱為振動(dòng)系統(tǒng)的衰減系數(shù)。這樣(3)式可寫成:+20odx+o2x=yo2sinotdt20dt004)此式是一個(gè)二階常系數(shù)非齊次線性方程，其解為x=x0sin(ot-O0)5)式中x0■oIx0■oII—)2lo丄0oy0(——)20o02o+402()2o

06)?=arctg7)20(上?=arctg7)0—o1一(—)2o02.加速度計(jì)的幅頻特性與相頻特性?(7)式說明，質(zhì)量塊相對(duì)殼體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也是正弦振動(dòng)，其振幅x0與被測振動(dòng)的波形相差一個(gè)相位角0°。振幅x0和相位角％取決于被測振動(dòng)的頻率與傳感器振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率之比①/3°及衰減系數(shù)P。也就是說，對(duì)于不同的頻率比3/3°和不同的衰減系數(shù)P，質(zhì)量塊相對(duì)殼體將會(huì)有不同的響應(yīng)值。為使加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能正確反映出被測振動(dòng)的特性，必須弄明白什么是加速度計(jì)的正確響應(yīng)條件。為此，把(6)式寫成如下形式：8)x8)—32=y3200式中y32即是被測振動(dòng)的加速度值。如果能保證亠是一個(gè)常數(shù)，則質(zhì)量塊0y320的位移將與被測振動(dòng)物體的振動(dòng)加速度成正比，因而也就能用質(zhì)量塊的位移量來反映被測振動(dòng)加速度的大小。分別以上—32和相角0為縱坐標(biāo)，以頻率比—為橫坐標(biāo)，根據(jù)(8)式y(tǒng)3200300和(7)式算出加速度傳感器在不同衰減系數(shù)時(shí)的幅頻和相頻特性曲線。由上面的討論可知，加速度傳感器有一上限頻率，一般來說，加速度傳感器的使用上限頻率除了受自身固有諧振頻率約束外，還和被測對(duì)象有關(guān)，在連續(xù)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)測量時(shí)，頻率上限可達(dá)固有頻率的0.4倍，而在沖擊測量時(shí)只能取0.1倍。要想使上限頻率提高，應(yīng)盡量提高加速度計(jì)自身的固有諧振頻率并采用合適的敏感元件。但固有頻率的提高，就意味著減小加速度計(jì)的尺寸，結(jié)束使靈敏度降低。因此在設(shè)計(jì)和使用加速度計(jì)時(shí)需要作綜合考慮。測振前置放大器由于加速度計(jì)的輸出阻抗很高，輸出信號(hào)很微弱，所以在實(shí)際使用加速度計(jì)時(shí)，一般要把加速度計(jì)的輸出端接到前置放大器。前置放大器除了起到放大信號(hào)的作用外，還起到阻抗變換作用，即將加速度計(jì)的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換成前置放大器的低輸出阻抗。這種前置放大器統(tǒng)稱為測振放大器。測振放大器有電壓放大器和電荷放大器兩種。我們首先討論壓電加速度計(jì)與電壓放大器連用時(shí)的情況。為便于討論，忽略R和R的影響。ai電壓放大器輸入電壓l為：iC+CC+C+CaciSaCq二aeC+C+CC+C+Caaciaci9)放大器的輸出電壓e0為:eo=eo=Ae.Aea_aC+C+Cac.10)式中，A為電壓放大器的放大量。從(10)式可以看出，當(dāng)壓電加速度計(jì)與電壓放大器連用時(shí)，放大器的輸出電壓受到連接電纜電容的影響，即放大器的輸出會(huì)因連接電纜長度的改變而變化，這是我們所不希望的。對(duì)于電荷放大器，其輸出電壓e0為:其中e.e=a0C+其中e.e=a0C+C+C-C(A-1)ac.faSCeq=aaC+C+C-C(A-1)C+C+C-C(A-1)ac.fac.f當(dāng)A非常高時(shí),e0Ct11)12)13)可見，電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容Cf有關(guān)，而與電纜電容無關(guān),這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。另外，電荷放大器的輸入阻抗遠(yuǎn)高于電壓放大器，因此，電荷放大器的工作頻率下限也要比電壓放大器的低得多。因此，在測振系統(tǒng)中，電荷放大器用得比較普遍。加速度計(jì)靈敏度的校準(zhǔn)方法壓電加速度計(jì)的靈敏度用電壓靈敏度S或電荷靈敏度S表示：VqS=■(V/m-2)(14)VaS=(C/m-S)(15)Va電壓靈敏度S和S的關(guān)系是：VqSS亠（16）VCa式中，C是加速度計(jì)壓電元件的電容量。a壓電加速度計(jì)靈敏度的校準(zhǔn)方法有絕對(duì)校準(zhǔn)法和對(duì)校準(zhǔn)法。絕對(duì)校準(zhǔn)法用于校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)，校準(zhǔn)精度較高，但校準(zhǔn)用的儀器一般比較昂貴，校準(zhǔn)程序比較敏瑣。工程中比較常用的是相對(duì)校準(zhǔn)法（即比較校準(zhǔn)法）。此實(shí)驗(yàn)采用相對(duì)校準(zhǔn)法。將一靈敏度已知的加速度計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)）及一個(gè)待測的加速度計(jì)同時(shí)安裝于振動(dòng)臺(tái)上。標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)和待測加速度計(jì)在振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)激勵(lì)之下，測出兩者的輸出電壓，其輸出電壓之比就是兩加速度計(jì)的靈敏度比值。因此求出這兩者的輸出電壓之比，就可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的靈敏度值計(jì)算出待測加速度計(jì)的靈敏度值。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）安裝加速度計(jì)時(shí)，必須用緊固螺栓將加速度計(jì)牢固地?cái)Q在振動(dòng)臺(tái)上。（2）接好線路。（3）將前置放大器調(diào)靈敏度量程旋鈕（三檔）至標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)電壓靈敏度值（如B&K的4331型為11mV/g）,這時(shí)放大器輸出為10mv/g。調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出電壓，使電壓表讀數(shù)為20mv,則此時(shí)振動(dòng)臺(tái)的加速度為2g。（4）改變信號(hào)源頻率，當(dāng)頻率分別為200Hz、500Hz、1kHz12kHz、3kHz、4kHz、5kHz時(shí)，調(diào)節(jié)前置放大器（2）的電壓靈敏度量程旋鈕，使電壓表指示數(shù)值不變（如20mv），記下此時(shí)前置放大器上電壓靈敏度讀數(shù)，該讀數(shù)為上述頻率待測加速度計(jì)的電壓靈敏度值（注意：測量時(shí)保持不同頻率點(diǎn)振動(dòng)臺(tái)的加速度為2g，即每改變一頻率值，檢驗(yàn)電壓表指示讀數(shù)是否始終為20mv）。最后作待測加速度計(jì)電壓靈敏度隨頻率變化曲線。（5）前置放大器的工作方式選至電荷靈敏度檔，調(diào)電荷靈敏度旋鈕（三檔）至標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)電荷靈敏度值（如B&K的4332型為64.6pC/g）,這時(shí)放大器輸出為10mV/g，調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出電壓，使電壓表指示讀數(shù)為20mv，則振動(dòng)臺(tái)的加速度為2g。(6)改變信號(hào)源頻率，當(dāng)頻率分別為200Hz、500Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz時(shí)，調(diào)節(jié)前置放大器的電荷靈敏度量程旋鈕(三檔)，使電壓表的指示讀數(shù)保持為20mv，記下不同頻率點(diǎn)前置放大器上的電荷靈敏度數(shù)值，即為待測加速度計(jì)的電荷靈敏度值。作出其電荷靈敏度隨頻率變化的關(guān)系曲線。思考題如何正確選用加速度計(jì)？試分析在本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生誤差的原因。實(shí)驗(yàn)4超聲波探傷試驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．了解超聲波脈沖反射法探傷技術(shù)的基本原理及操作方法2．掌握對(duì)缺陷進(jìn)行定量的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理與方法：超聲波探傷是超聲檢測技術(shù)的典型應(yīng)用之一，是以超聲波在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律為基礎(chǔ)的。利用被檢測工件材料本身的或內(nèi)部缺陷的聲學(xué)特性對(duì)超聲波傳播的影響，無損地探測材料內(nèi)部和表面的缺陷(如裂紋、氣泡、泱渣等)的大小、形狀和位置等。1．基本原理：超聲波探頭，大多采用圓片狀壓電晶片，在電脈沖激勵(lì)下產(chǎn)生的超聲波是一個(gè)活塞波，即縱波、活塞波在聲束軸線上距聲源s米處的聲壓p為：兀|Dp二p-2si：!—([(—s)2+s2-s)(1)0九、2式中：p0一圓形晶片振動(dòng)面上的聲壓P0=pcu0；九一媒質(zhì)中的聲波波長；D一圓形晶片直徑；ss一離開聲源的距離。我們知道，聲場中軸向聲壓p是隨距離s而變化的，當(dāng)，由此可知，在冗1—2，由此可知，在sin—([(—s+s2)-s)的值，由0t1時(shí)，則聲壓p由0T2p近場區(qū)聲壓的分布是周期變化的，即：si'(+si'(+s2-S=sinn(i)=0時(shí)，p=02)—2-(Ink)2

s2)8nk式中：n二1,2,3,…，取小于Dy必的正整數(shù)’因此在近場內(nèi)有n<DS個(gè)聲壓極小值。同理，當(dāng)sin=sm同理，當(dāng)sin=sm2m+1兀2二1時(shí),有TOC\o"1-5"\h\zs=D-"（2m+1）2⑶4I（2m+1）D-ID-I式中m=0,1,2,…，取小于—的正整數(shù)，因此，在近場內(nèi)有m<—s個(gè)聲2I2I壓極大值。當(dāng)m二0時(shí)，有4）D2-I4）4九我們稱（4）式為近場長度。在超聲波探傷中由于采用的超聲波頻率都很高，即波長I與直徑D相比甚s小，故（4）式中可略去九2項(xiàng)，并用l表示近場長度，貝U：5)D5)4I由（5）式可知在超聲波探傷中，近場長度l一般很小，而由（2）、（3）兩式可知，n和m值愈大，則s值愈小，即愈接近探頭，也就是在聲軸上聲壓極大值與極小值分布愈密，所以在近場區(qū)由于聲軸線上聲壓起伏變化大，因此，實(shí)際探傷中近場區(qū)內(nèi)缺陷的大小評(píng)定較困難。當(dāng)距聲源的距離s>l時(shí)，我們稱此處聲場為遠(yuǎn)場區(qū)，這時(shí)字（」（仝）2+s2-s），可近似為D（用牛頓二項(xiàng)或展開并取前兩項(xiàng)），則有：九2人8s6)p沁2p0sini-D26)因?yàn)閂、D很小，所以I8s

.2pD0.2pD0九8s=po?7）式中A=呼為圓形晶片的面積。由公式（7）可知：在聲遠(yuǎn)場聲壓振幅按球面波規(guī)律傳播，這樣在超聲波探傷中，我們就可以把遠(yuǎn)場中的活塞波近似看作球面波，這樣的處理對(duì)于探傷時(shí)的遠(yuǎn)場應(yīng)用是足夠精確的。因?yàn)橛煞治隹芍?，?dāng)s二引處，活塞波軸向聲壓曲線與球面波軸向聲壓曲線接近重合。為此，下面我們以球面波代替遠(yuǎn)場中的活塞波來研究在傳播過程中遇到小圓片狀缺陷時(shí)的反射情況。由上述分析已知，在遠(yuǎn)場中離開聲源為S處的聲壓為：Ap二po?xS設(shè)在距聲源S處軸向上有一個(gè)小圓片狀缺陷，其直徑遠(yuǎn)小于此處聲束直徑，面s積為Af，則由探頭發(fā)射的聲波在傳播過程中遇到此缺陷將發(fā)生反射，這個(gè)小面積缺陷就是產(chǎn)生反射波的聲源，設(shè)其反射系數(shù)為r,則在它的遠(yuǎn)場距離上，反射波也可用球面波處理，當(dāng)然，其遠(yuǎn)場距離比聲源晶片的遠(yuǎn)場距離要小，這樣就可由式（7）導(dǎo)出距小圓片狀缺陷的距離為Sf處的聲壓為：AA二AA二r?p「二r?p?SX0XSfsAf-XSf8)當(dāng)用單探頭脈沖反射法探傷時(shí)，S二S二S則:fsA?A

p=r?pf

r0X2S2即聲波由缺陷反射回到接處探頭處的聲壓，如果脈沖反射式超聲探傷儀示波展上顯示的缺陷的高度是與缺陷反射的聲壓成正比的（假定示波屏垂直通道放大線性），則此小圓片缺陷的高度Z為：

9）式中：K—比例系數(shù)。這公式對(duì)于處于遠(yuǎn)場中聲束軸線上的小缺陷是適用的，由此式可知，缺陷反射波的高度與缺陷面積成正比，與缺陷到聲源的距離的平方成反比。下面我們?cè)賮硌芯恳幌虑蛎娌ㄔ谄叫械酌嫔系姆瓷淝闆r（即活塞波在遠(yuǎn)場傳播中未遇到缺陷，直達(dá)被測體平行底面而產(chǎn)生反射的情況）。設(shè)被測工件厚度為D,其底面平行于探測面，此時(shí)由探頭發(fā)射的聲波傳到底面的聲壓為：A設(shè)底面的聲壓反射系數(shù)也為r,則聲波從底面反射回到接收探頭處的聲壓為:同理，在探傷儀示波屏顯示的底面反射波的高度與底面反射波的聲壓成正比，即：ATOC\o"1-5"\h\zB=K-r-p——（10）2九D以上導(dǎo)出的缺陷波高度Z和底波高度B的公式中均未考慮超聲波在工件內(nèi)傳播過程中的衰減，在實(shí)際探傷中必須計(jì)及此項(xiàng)因素，因此有：A-A-亦Z=K-r-p-e&68(11)0九2S212)式中：a—吸聲系數(shù)。由式（11）、（12）相比可得B九S2_2a（D_S）=e8.68Z2ADf如果左右兩邊取對(duì)數(shù)并乘以20，則得：20lgB_20lgB_20lgZ=20lg2a(DS)13)如果設(shè)底波和缺陷波的分貝數(shù)為［B］、［Z］,則有:Ib]-IzL20lg-蘭1-2a(D-S)(14)2ADf則缺陷面積A的分貝數(shù)為：f20lgA=201竺-(Ib]-Iz])-2a(D-S)(15)式中：a為被測工件的吸聲系數(shù)，可測量；D為被測工件的厚度，可測量；S為缺陷距探頭表面的距離，可測量；九為入射聲波波長，可測量。由公式(15)可知，一般2a(D-S)項(xiàng)遠(yuǎn)小于(td-^j的實(shí)驗(yàn)誤差，故可忽略不計(jì)：在被測工件為同一材料，缺陷處于同一深度S，探傷儀工作條件一定(K、r、po、A$、九均一定)時(shí)，由(11)式可知兩缺陷面積各為人廠人于的缺陷波高Z2與Z1有：或2．測量方法或2．測量方法b2比]丄2%]16)17)目前，對(duì)于小于聲束截面缺陷的定量常用“當(dāng)量法”，而對(duì)于大于聲束截面的缺陷的定量一般采用“半波高法”，另外對(duì)于直探頭無法發(fā)現(xiàn)的缺陷如裂紋等，常用斜探頭探傷法，還有適用于薄件和高分辨力場合應(yīng)用的窄脈沖探頭探傷等。各種測量方法均采用超聲波探傷儀結(jié)合適當(dāng)?shù)奶筋^來完成，下面簡單介紹一下CTS-23型超聲波探傷儀的使用方法(1)接通電源：開啟面板的電源開關(guān)時(shí)，電壓指示器的指針穩(wěn)定地指示在紅區(qū)中段，表示電壓正常否則表示電壓過低，應(yīng)予檢查，正常情況下約一分鐘后熒光屏上會(huì)出現(xiàn)掃描基線。調(diào)節(jié)《聚焦》旋鈕，使掃描線聚焦至最清晰為止。3)選擇《工作方式》和《發(fā)射強(qiáng)度》。

《工作方式》開關(guān)有二檔：一是雙探頭工作狀態(tài)即一收一發(fā)，用表示；在此狀態(tài)表示；二是單探頭工作狀態(tài)，即收發(fā)合置，用有三種發(fā)射強(qiáng)度與之配合：為固定的中等發(fā)射強(qiáng)度檔，用為固定的高發(fā)射強(qiáng)度檔，用1）2）1表示2表示《工作方式》開關(guān)有二檔：一是雙探頭工作狀態(tài)即一收一發(fā)，用表示；在此狀態(tài)表示；二是單探頭工作狀態(tài)，即收發(fā)合置，用有三種發(fā)射強(qiáng)度與之配合：為固定的中等發(fā)射強(qiáng)度檔，用為固定的高發(fā)射強(qiáng)度檔，用1）2）1表示2表示3）-|L3表示。4）調(diào)節(jié)《衰減器》和《增益》可調(diào)整屏幕上回波的幅值，以便于測量。（5）《頻段選擇》：可改變接收系統(tǒng)高頻放大器的頻帶寬度和放大量，也同時(shí)改變?yōu)V波電容的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的不同處理。（6）選擇《檢波方式》儀器設(shè)有三檔開關(guān)：“正向檢波”、“負(fù)向檢測”、“雙向檢波”，它是獲得高分辨力的重要手段，也可用于選擇熒光屏上顯示的回波形狀。7）調(diào)節(jié)《掃描量程》和《掃描微調(diào)》掃描量程》和《掃描微調(diào)》相結(jié)合調(diào)整儀器的掃描范圍，《掃描量程》有五檔：5、10、50、250、1000mm（鋼縱波），當(dāng)《掃描微調(diào)》置“0”時(shí)，熒光屏顯示的掃描范圍略小于《掃描量程》檔級(jí)的標(biāo)稱值；而當(dāng)《掃描微調(diào)》置“0”時(shí)，顯示的掃描范圍比它置“0”時(shí)增大五倍以上，即此時(shí)掃描范圍大于《掃描量程》下一檔級(jí)的標(biāo)稱值。8）選擇《重復(fù)頻率倍乘》（x1、x2）發(fā)射脈沖重復(fù)頻率有兩檔，其開關(guān)與《掃描量程》開關(guān)同軸調(diào)節(jié)，其關(guān)系如表：掃描量程（mm)510502501000發(fā)射脈沖重x150012512562.56.25?復(fù)頻率(Hz)X21000250250125625?《脈沖移位》調(diào)整調(diào)節(jié)《脈沖移位》旋鈕可把始波或回波移動(dòng)屏幕上任意位置或屏幕左右兩邊以外，但不會(huì)改變回波之間的相對(duì)位置和幅度，《掃描量程》在5、10、50mm檔，最大脈沖移位距離不小于400mm(鋼縱波)；在250、1000mm檔，最大脈沖移位距離不小于800mm(鋼縱波)。《報(bào)警功能》選擇《報(bào)警功能》開關(guān)有三檔：在“0”位置時(shí)，報(bào)警器電源關(guān)閉，沒有報(bào)警功能；在“+”位置時(shí)，稱為“進(jìn)波”報(bào)警，即出現(xiàn)高于報(bào)警閥值的回波時(shí)報(bào)警；在“-”位置時(shí)為“失波”報(bào)警，即回波幅度低于報(bào)警閥值時(shí)報(bào)警。選擇《報(bào)警閘門起位》、《報(bào)警閘門寬度》、《報(bào)警閥值》及《蜂鳴器開關(guān)》。調(diào)節(jié)《閘門起位》《閘門寬度》可調(diào)定監(jiān)測范圍，調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)避免前、后沿重合或前沿落后于后沿?！堕l門閥值》電位器用于控制報(bào)警的臨界電平，一般按要求事先設(shè)定。《蜂鳴器開關(guān)》是報(bào)警顯示的一種，面板上還有發(fā)興二極管及報(bào)警車入出，插座。在具體探傷之前，需要做好以下準(zhǔn)備工作：(1)工作表面處理需探傷的工件表面不允許有污物存在，表面光潔度通常要求在6以上。6(2)耦合劑由于空氣是超聲波的不良介質(zhì)，因此探頭與工件之間不允許有空氣層，在探傷中應(yīng)保證探頭與工件之間有良好的聲耦合，常用的耦合劑是機(jī)油、柴油、變壓器油、錠子油等，有時(shí)也用水、甘油和漿糊。(3)確定探傷方法探傷方法是保證探傷結(jié)果準(zhǔn)確與否的前提條件，探傷之前應(yīng)根據(jù)所用探傷儀的特性和工件的形狀，缺陷特點(diǎn)，材料性質(zhì)及探傷要求等擬定探傷方案。探傷方案還需在實(shí)踐中予以驗(yàn)證，只有這樣才能準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行探傷。“當(dāng)量計(jì)算法”探傷一般適于對(duì)小缺陷的探傷，即其缺陷面積小于聲束截面

的情況，這種方法比較簡單、準(zhǔn)確。利用探傷儀測出回波高度［B］與缺陷波高度［Z］

代入公式即可?！鞍氩ǜ叻ā碧絺话阌糜诖笕毕莸奶絺＿@時(shí)超聲探頭所發(fā)射的聲束以一定擴(kuò)散角射入工件，當(dāng)探頭聲束中心位于缺陷中心時(shí)，缺陷反射波達(dá)最大值，當(dāng)聲束中心正巧在缺陷邊緣，即一半射在缺陷上，另一半越過缺陷射到底面時(shí)，缺陷波降為最大值的一半，而底部回波上升，這樣由探頭中心所移動(dòng)的范圍，即可確定缺陷的大小?！靶碧筋^”探傷一般用于缺陷的取向與試樣表面不平行的場合，此時(shí)聲波以一定角度入射工件，如果探頭角度合適，則聲波可垂直入射到缺陷表面，這時(shí)缺陷波回波達(dá)到最大值。在探傷過程中，往往需要反復(fù)使用各種不