超声波测量声速实验数据

实验四 用超声波测量声速

声速与传声媒质的特性及状态有关，因此通过声速的测量，可以了解被测媒质的特性及状态的变化，如可进行气体成分的分析，测定液体的比重，溶液的浓度，确定固体材料的弹性模量等。我们只研究声波在空气中的传播，并测量其传播速度。

实验目的：

1、测量声波在空气中的传播速度,学习测量声速的方法。2、加深对波的相位和波的干涉的理解。

实验仪器：

换能器（有两个，一个固定于超声声速测定仪上，一个随卡尺的游标移动）、专用信号源、超声声速

测定仪、示波器、连接线。

实验原理：

设波速为v,波长为λ和频率为ｆ，它们之间有如下关系： v＝λｆ （1）

因此，一般是根据（１）式,将声速的测量变成声波波长和声波频率的测量。由于都用交流电讯号控制发声器（即换能器），所以声波频率就是交流电讯号的频率， 可以用频率计测量其频率（本实验在信号源上直接读出），而声波波长的测量常用相位比较法（行波法）和共振干涉法（驻波法）来测量其波长。 一、 相位法

如图一所示，设声源从X=0处出发的平面简谐波沿X轴的正方向传播,在X=0处的振动方程为: Ｙ0＝Ａcosωｔ

液体中超声波声速的测定

人耳能听到的声波，其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。 一、

实验目的

1． 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理 2． 测定超声波在液体中的传播速度 二、

实验仪器

分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。 三、

实验原理

将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。

超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为

N?y,t??N0??Ncos??st?Ksy?

式中ΔN是折射率的变化幅度；

液体中超声波声速的测定

人耳能听到的声波，其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。 一、

实验目的

1． 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理 2． 测定超声波在液体中的传播速度 二、

实验仪器

分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。 三、

实验原理

将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。

超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为

N?y,t??N0??Ncos??st?Ksy?

式中ΔN是折射率的变化幅度；

超声设计性实验： 超声波衰减系数的测量

一、实验目的：测量超声波在空气和水中的衰减系数 二、实验原理：超声波在损耗介质中的准驻波效应

O

X0

反射波 反射面 入射波 超声波 接收器 X

超声波 发生器

图1.超声波波束在空气中的传播和反射

设产生超声波的波源处于坐标系原点O，入射超声波波束沿坐标系x轴方向传播，其波动方程为：

y入=A0exp??i??t??x???

（1）

反射波的波动方程为：

y反=RA0expi??t???x?2x0???? （2）

其中，R为反射系数，??k?i?为波的传播系数，?是介质的衰减系数，k?2??是波矢。

入射波和反射波在0～x0区间叠加，其合成波的波动方程为：

y?A0exp??i??t??x????RA0expi???t???x?2x0??????x?2x?x?2x?ei?t?A0e??xcoskx?RA0e?0?cosk?x?2x0???i?A0e??xsinkx?RA0e?0?sink?x?2x0????????（3）

合成波各点均作简谐振动，其振幅分布为：

2?x?x（4）

四川大学实验报告书

课程名称： 实验名称：超声波探伤实验 系别： 专业： 班号： 姓名： 学号： 实验日期：2013年3月10日 同组人姓名 ： 教师评定成绩：

一、实验名称 超声波探伤实验 二、实验目的 1.了解探伤仪的简单工作原理 2.熟悉超声波探伤仪、探头和标准试块的功用 3.了解有关超声波探伤的国家标准 4.掌握超声波探伤的基本技能 三、主要实验仪器 CTS-22型超声波探伤仪 试块 探头 直尺 机油 四、实验原理 实验中广泛应用的是A型脉冲反射式超声波探伤仪，仪器屏横坐标表示超声波在工件中的传播时间（或传播距离）纵坐标表示反射回波波高。根据光屏上缺陷波的位置和高度，可以确定缺陷的位置和大小。A型脉冲式超声波探伤仪的工作原理：电路接通后，同步电路产生同步脉冲信号，同时触发发射、扫描电

2002年第2期总第110期

文章编号:1001-8948(2002)02-0041-03

炭　　素CARBON

·41·

炭制品的均质质量与超声波声速检测

李　平,于立群,李婉秋

1

2

1

(1.哈尔滨电炭研究所;2.哈尔滨电炭厂,哈尔滨　150030)

摘要:分析了炭制品的均质结构及其影响因素,概述了超声波在炭制品中的传播情况及在炭制品均质结构检测中特点。介绍了独联体国家利用超声波声速对石墨电极进行检测的情况。认为超声波声速检测手段应用

在炭制品均质结构的检测方面是可行的,也是目前炭制品均质结构的一种简便易行和经济有效的检测方法。关键词:炭制品;均质结构;超声波声速;检测中图分类号:　TQ175.714　　文献标识码:　A

+

MEASUREMENTFORHOMOGENEOUSQUALITYAND

ULTRASONICSPEEDOFCARBONPRODUCT

LIPing1,YULi-qun2,LIWan-qiu1

(1HarbinElectricalCarbonResearchInstituteHarbin150030,China;

2HarbinElectricalCarbonplant,Harbin150030,China)

Abstract:Thehomogene

2002年第2期总第110期

文章编号:1001-8948(2002)02-0041-03

炭　　素CARBON

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炭制品的均质质量与超声波声速检测

李　平,于立群,李婉秋

1

2

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(1.哈尔滨电炭研究所;2.哈尔滨电炭厂,哈尔滨　150030)

摘要:分析了炭制品的均质结构及其影响因素,概述了超声波在炭制品中的传播情况及在炭制品均质结构检测中特点。介绍了独联体国家利用超声波声速对石墨电极进行检测的情况。认为超声波声速检测手段应用

在炭制品均质结构的检测方面是可行的,也是目前炭制品均质结构的一种简便易行和经济有效的检测方法。关键词:炭制品;均质结构;超声波声速;检测中图分类号:　TQ175.714　　文献标识码:　A

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MEASUREMENTFORHOMOGENEOUSQUALITYAND

ULTRASONICSPEEDOFCARBONPRODUCT

LIPing1,YULi-qun2,LIWan-qiu1

(1HarbinElectricalCarbonResearchInstituteHarbin150030,China;

2HarbinElectricalCarbonplant,Harbin150030,China)

Abstract:Thehomogene

1.何谓绕射（衍射）？绕射现象的发生与哪些因素有关？

答：波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物的边缘继续前进的现象，称为波的绕射（衍射）。衍射的产生与障碍物的尺寸Df和波长λ的相对大小有关：Df＜＜λ时，几乎只绕射无反射；Df＞＞λ时，几乎只反射无绕射；Df与λ相当时，既反射又绕射。

2.什么叫波型转换？波型转换与哪些因素有关？

答：超声波倾斜入射到异质界面时，除产生与入射波同类型的反射和折射波衰减严重的材料检测，可降低草状回波，提高信噪比的灵敏度，有利于缺陷的检出。②使用聚焦探头有利于提高定量精度。不足：最大缺点是声束细，每次扫查范围小，探测效率低。另外，探头通用性差，每只探头仅适用于探测某一深度范围的缺陷。

6.试块应满足哪些基本要求？使用试块应注意什么?

答：试块材质要均匀，内部杂质少，无影响使用的缺陷。加工容易，不易变形和锈蚀，具有良好的声学性能。试块的平行度、垂直度、光洁度和尺寸精度都要符合一定的要求。注意事项：①试块来测定长度的方法。端点峰值法：是缺陷反射波峰起伏变化，有多个高点时，以缺陷两端反射波极大值处的探头位置作为缺陷边界来测定长度的方法。 10.简要说明钢板检测中，引起底波消失的几种可能情况？

答：①表面氧

超声波传感器模块

1） 硬件工作原理

超声波测距传感器是模拟传感器。超声波测距传感器利用声音在空气中的传输距离和传输时间成正比的原理，通过检测不同远近的反射面对超声波反射回去的时间不同来检测障碍物的距离。超声波传感器有一个发射头和一个接收头，安装在同一面上。在有效的检测距离内，发射头发射特定频率的超声波，遇到检测面反射部分超声波，接收头接收返回的超声波，由芯片记录超声波的往返时间，并计算出距离值，本模块把距离值通过DA芯片转化成模拟值。“控制器模块”通过扩展接口的模数转换，再通过软件处

理，就可以读取离障碍物的距离并在数码管上显示数值。

当超声波测距模块检测到障碍物，同时超声波模块上LED1亮，则数码管显示检测到的距离；当超声波测距模块没有检测到障碍物，同时超声波模块上LED1灭，则数码管显示888。

2） 软件工作原理

“控制器模块”硬件电路通过扩展接口将完成两个任务：1.读取当前接口的AD转化结果。2.把当前的模拟值转化成距离值并把距离值送“显示模块”进行显示。

超声波模块上的DA芯片使用MCP4822， 由公式Vout=2.048*2*Dn/4096??(1) Dn是数字输入量Dn=距离<<3(为了提高精度)

扩展接口取得的AD值AD_value=（Vin/V

为了解决传统式测风仪器无法应用于航海和应急式车载自动气象站等测风领域的问题,设计了一种移动式超声波风速风向测量系统,其需要解决的问题有：随着载体的移动,基座的方位和速度发生变化,因此,需要在对系统方位和载体速度进行测定的同时,对测量到的风速风向参数进行系统修正。系统包括：利用3对超声波换能器完成三维风速风向测量,通过电子罗盘和系统自带的速度测量单元分

2 1焦 01

仪表技术与传感器I sr me t T c n q e a d S n o n tu n e h i u n e s r

2 1 0 1No 1 。0

第 1 0期

移动式超声波风速风向测量系统张自嘉，葛志鑫(南京信息工程大学，江苏南京 20 4 ) 1 04

摘要：了解决传统式测风仪器无法应用于航海和应急式车载自动气象站等测风领域的问题，为设计了一种移动式超

声波风速风向测量系统，需要解决的问题有：着载体的移动，其随基座的方位和速度发生变化，因此，需要在对系统方位和载体速度进行测定的同时，对测量到的风速风向参数进行系统修正。系统包括：用 3对超声波换能器完成三维风速风利向测量，通过电子罗盘和系统自带的速度测量单元分别实现方位和速度测量，通过微处理器实现风速风向的校正及测量数据的传输