超聲聲速的測定-綜述性小論文

1、上海海洋大學(xué)大學(xué)測聲波物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告2015-2016第二學(xué)期大學(xué)物理試驗(yàn)期末綜述性小論文超聲聲速的測定學(xué)院：工程學(xué)院專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 學(xué)號：1522211 1522212 1522209 1522210 1522213姓名：張鐘鳴 汪夢園 陸軍 丁雨楠 劉海媚指導(dǎo)老師：孔祥洪 郭陽雪目錄一.超聲波的定義-3二超聲波測定的原理-43 超聲波的延伸創(chuàng)新-5四超聲波與人類生活-71、海底聲納 （汪夢園） 距離測量2、超聲波探傷器（張鐘鳴） 無損探傷3、B超 （陸軍） 醫(yī)學(xué)成像4、探地雷達(dá)和超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用 （丁雨楠） 結(jié)構(gòu)測量5、超聲波清洗機(jī)（劉海媚） 液位測量一.超聲速的

2、定義超聲速即為速度超過聲音在空氣中的傳播速度?？梢栽跉怏w、液體、固體上傳播。受到壓強(qiáng)、密度、溫度影響。超聲速有可能會(huì)產(chǎn)生激波，激波就是在流體中以高于聲速的速度傳播并對流體產(chǎn)生壓縮作用的波。氣體中的激波最明顯，受到壓縮的氣體與未受到壓縮的氣體之間有一個(gè)很薄的波陣面隔開。波陣面的前后壓力比越大，激波就越強(qiáng)。氣體、液體和固體介質(zhì)中壓強(qiáng)、密度和溫度在波陣面上發(fā)生躍變的壓縮波（沖擊波）。當(dāng)一系列壓縮波在可壓縮介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)受壓的程度越高，壓縮波傳播的速度便越大，后來的壓縮波在先前已被壓縮的介質(zhì)中傳播，后面的波將追上前面的波。突躍變化發(fā)生在很薄的一層內(nèi)，稱激波層，其厚度為分子平均自由程量級，故可把激波

3、近似當(dāng)作沒有厚度的強(qiáng)間斷面。正激波前方的流動(dòng)是超聲速的，經(jīng)過激波后變成亞聲速，其壓強(qiáng)、密度、溫度均提高，總壓下降，總溫不變。這一特征符合熱力學(xué)第二定律，即熵增原理，超聲速流動(dòng)經(jīng)過激波后，部分機(jī)械能不可逆地轉(zhuǎn)化為熱能，標(biāo)志是總壓下降；但同時(shí)也符合能量守恒定律，總能量不變，即總溫不變。激波越強(qiáng)，熵增越大。氣體激波會(huì)在超聲速飛行器上引起很大的阻力，稱為波阻。管道（如超聲速風(fēng)洞、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等）內(nèi)的激波會(huì)降低設(shè)備效率。一般應(yīng)采取措施，消除激波或減小其強(qiáng)度。二超聲速測定的原理在波動(dòng)過程中，波速v、波長和頻率f之間存在下列關(guān)系： V=f通過實(shí)驗(yàn)，測出波長和頻率f，就可以求出聲速v。諧振時(shí)，聲波頻率

4、就是信號發(fā)生器輸出頻率。因此，聲速測量的直接測量量就是聲波的波長。常用的測量方法有駐波法和相位比較法兩種。（已在PPT列出）三超聲波的延伸創(chuàng)新（張鐘鳴、汪夢園）1.既然可以測空氣中的聲速，為什么不可以測水中的聲速呢？如果可以測，聲速是多少？原理：速度=路程/時(shí)間準(zhǔn)備：一根100m長的水管,一個(gè)發(fā)聲器,一個(gè)聲音接收器,一個(gè)計(jì)時(shí)器發(fā)聲器在水管的一面發(fā)聲,接收器在另一面接收。發(fā)聲規(guī)律：每隔3s（為了排除干擾）發(fā)一次,大概發(fā)聲30次,結(jié)論：因?yàn)槭盏降穆曇魬?yīng)該是由空氣,水管,水中,三種介質(zhì)中傳播過來的,而速度應(yīng)該是空氣>水管>水,所有前兩個(gè)聲音不要,從第三個(gè)聲音開始計(jì)時(shí),到最后一個(gè)聲音計(jì)時(shí)結(jié)

5、束,這時(shí)聲音通過的全路程應(yīng)該是100m X 30次=3000m,時(shí)間應(yīng)該為記錄的時(shí)間30次中間的間隔時(shí)間,根據(jù)聲速在海水中的傳播數(shù)度大概為每秒1500m左右,所有得到的時(shí)間應(yīng)該大于2s。2. 該如何設(shè)置外部環(huán)境才能測到最準(zhǔn)確的聲速？1共振干涉法（駐波法）測聲速及超聲波在空氣中的衰減曲線 按圖一接線，換能器上紅插口接信號，黑插口接地；調(diào)整函數(shù)信號發(fā)生器、示波器為定量測量狀態(tài)。 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出頻率，使其與S1上標(biāo)示值大致相同，然后微調(diào)，直到示波器上幅度最大為止，此時(shí)顯示的頻率讀數(shù)才是諧振頻率。 調(diào)整發(fā)射換能器S1、S2端面與游標(biāo)卡尺的移動(dòng)方向相互垂直，調(diào)整后擰緊固

6、定S1、S2的螺絲，以防測量過程中S1、S2的松動(dòng)。由近而遠(yuǎn)改變S2位置，在示波器上觀察并記錄10個(gè)振幅最大值A(chǔ)0、A1、A2、A9，相應(yīng)的10個(gè)位置L0、L1、L2、L9（注意要使用游標(biāo)微調(diào)）。 2位相比較法（行波法）測聲速 按圖二接線，按下示波器面板兩“X-Y”鍵，調(diào)節(jié)示波器兩通道為垂直輸入狀態(tài)，屏幕上會(huì)觀察橢圓或斜直線的李薩如圖。 由近而遠(yuǎn)改變S2位置，在示波器上觀察并記錄10個(gè)同一斜率直線相應(yīng)的10個(gè)位置L0、L1、L2、L9（注意要使用游標(biāo)微調(diào)）。3.為什么實(shí)驗(yàn)中要求信號發(fā)生器的輸出頻率始終保持為諧振頻率？ 因?yàn)橹挥挟?dāng)信號源的輸出頻率盡可能接近

7、換能器系統(tǒng)的諧振頻率時(shí)，發(fā)射換能器才能發(fā)射出較強(qiáng)的聲波，同時(shí)接收換能器也才有較高的接收靈敏度，才能保證示波器能獲得較強(qiáng)的信號。四超聲波與人類生活1、海底聲納（汪夢園） 距離測量定義：聲吶裝置一般由基陣、電子機(jī)柜和輔助設(shè)備三部分組成?；囉伤晸Q能器以一定幾何圖形排列組合而成，其外形通常為球形、柱形、平板形或線列行，有接收基陣、發(fā)射機(jī)陣或收發(fā)合一基陣之分。電子機(jī)柜一般有發(fā)射、接收、顯示和控制等分系統(tǒng)。輔助設(shè)備包括電源設(shè)備、連接電纜、水下接線箱和增音機(jī)、與聲吶基陣的傳動(dòng)控制相配套的升降、回轉(zhuǎn)、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等裝置，以及聲吶導(dǎo)流罩等。意義：換能器（類比超聲波的換能器）是聲吶中的重要器件

8、，它是聲能與其它形式的能如機(jī)械能、電能、磁能等相互轉(zhuǎn)換的裝置。它有兩個(gè)用途：一是在水下發(fā)射聲波，稱為“發(fā)射換能器”，相當(dāng)于空氣中的揚(yáng)聲器；二是在水下接收聲波，稱為“接收換能器”，相當(dāng)于空氣中的傳聲器（俗稱“聽筒”）。換能器在實(shí)際使用時(shí)往往同時(shí)用于發(fā)射和接收聲波，專門用于接收的換能器又稱為“水聽器”。原理：主動(dòng)聲吶：主動(dòng)聲吶技術(shù)是指聲吶主動(dòng)發(fā)射聲波“照射”目標(biāo)，而后接收水中目標(biāo)反射的回波時(shí)間，以及回波參數(shù)以測定目標(biāo)的參數(shù)。大多數(shù)采用脈沖體制，也有采用連續(xù)波體制的。它由簡單的回聲探測儀器演變而來，它主動(dòng)地發(fā)射聲波，然后接收回波進(jìn)行計(jì)算。 應(yīng)用：探測冰山、暗礁、沉船、海深、魚群、水雷和關(guān)閉了發(fā)動(dòng)機(jī)的

9、隱蔽的潛艇；被動(dòng)聲吶：被動(dòng)聲吶技術(shù)是指聲吶被動(dòng)接收艦船等水中目標(biāo)產(chǎn)生的輻射噪聲和水聲設(shè)備發(fā)射的信號，以測定目標(biāo)的方位和距離。 應(yīng)用：特別適用于不能發(fā)聲暴露自己而又要探測敵艦活動(dòng)的潛艇。應(yīng)用生物應(yīng)用：蝙蝠用喉頭發(fā)射每秒10-20次的超聲脈沖而用耳朵接收其回波，借助這種“主動(dòng)聲吶”它可以探查到很細(xì)小的昆蟲及01mm粗細(xì)的金屬絲障礙物。 飛蛾等昆蟲也具有“被動(dòng)聲吶”，能清晰地聽到40m以外的蝙蝠超聲，因而往往得以逃避攻擊。 海豚和鯨等海洋哺乳動(dòng)物則擁有“水下聲吶”，它們能產(chǎn)生一種十分確定的訊號探尋食物和相互通迅。軍事應(yīng)用：水聲技術(shù)用于對水下目標(biāo)進(jìn)行探測、分類、定位和跟蹤，進(jìn)行水下通信和導(dǎo)航，保障艦艇

10、、反潛飛機(jī)和反潛直升機(jī)的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)和水中武器的使用。海洋測繪：隨著海洋高新技術(shù)的介入和裝備的不斷升級，水下地形聲學(xué)探測技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展，現(xiàn)已成為世界各海洋國家在海洋測繪方面的重要研究領(lǐng)域之一。利用聲吶技術(shù)進(jìn)行海洋測繪的設(shè)備有：單波束回聲測深儀、側(cè)掃聲吶、多波束測深、淺地層剖面儀。2、超聲波探傷器（張鐘鳴） 無損探傷定義：超聲波探傷儀是一種便攜式工業(yè)無損探傷儀器，它能夠快速、便捷、無損傷、精確地進(jìn)行工件內(nèi)部多種缺陷（裂紋、疏松、氣孔、夾雜等）的檢測、定位、評估和診斷。既可以用于實(shí)驗(yàn)室，也可以用于工程現(xiàn)場。廣泛應(yīng)用在鍋爐、壓力容器、航天、航空、電力、石油、化工、海洋石油、管道、軍工、船舶制造、汽

11、車、機(jī)械制造、冶金、金屬加工業(yè)、鋼結(jié)構(gòu)、鐵路交通、核能電力、高校等行業(yè)。意義：超聲波探傷儀原理技術(shù)是無損探傷是在不損壞工件或原材料工作狀態(tài)的前提下，對被檢驗(yàn)部件的表面和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢查的一種測試手段。原理：超聲波探傷儀利用了超聲波的聲阻抗差異較大處反射強(qiáng)的特性。一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會(huì)發(fā)生反射，反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。超聲波探傷儀就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。目前超聲波探傷儀大部分是A掃描方式的，所謂A掃描顯示方式即顯示器的橫坐

12、標(biāo)是超聲波在被檢測材料中的傳播時(shí)間或者傳播距離，縱坐標(biāo)是超聲波反射波的幅值。譬如，在一個(gè)鋼工件中存在一個(gè)缺陷，由于這個(gè)缺陷的存在，造成了缺陷和鋼材料之間形成了一個(gè)不同介質(zhì)之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到這個(gè)界面之后，就會(huì)發(fā)生反射，反射回來的能量又被探頭接受到，在顯示屏幕中橫坐標(biāo)的一定的位置就會(huì)顯示出來一個(gè)反射波的波形，橫坐標(biāo)的這個(gè)位置就是缺陷在被檢測材料中的深度。這個(gè)反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質(zhì)。應(yīng)用既可以用于實(shí)驗(yàn)室，也可以用于工程現(xiàn)場。本儀器能夠廣泛地應(yīng)用在制造業(yè)、鋼鐵冶金業(yè)、金屬加工業(yè)、化工業(yè)等需要缺陷檢測和質(zhì)量控制的領(lǐng)域，也廣泛應(yīng)用于航空

13、航天、鐵路交通、鍋爐壓力容器等領(lǐng)域的在役安全檢查與壽命評估。它是無損檢測行業(yè)的必備儀器。3、B超 （陸軍） 醫(yī)學(xué)成像原理：人耳的聽覺范圍有限度，只能對16-20000赫茲的聲音有感覺，20000赫茲以上的聲音就無法聽到，這種聲音稱為超聲。和普通的聲音一樣，超聲能向一定方向傳播，而且可以穿透物體，如果碰到障礙，就會(huì)產(chǎn)生回聲，不相同的障礙物就會(huì)產(chǎn)生不相同的回聲，人們通過儀器將這種回聲收集并顯示在屏幕上，可以用來了解物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。利用這種原理，可以將超聲波用于診斷和治療人體疾病。在醫(yī)學(xué)臨床上應(yīng)用的超聲診斷儀的許多類型，如A型、B型、M型、扇形和多普勒超聲型等。B型是其中一種，而且是臨床上應(yīng)用最廣泛

14、和簡便的一種。通過B超可獲得人體內(nèi)臟各器官的各種切面圖形比較清晰。B超比較適用于肝、膽腎、膀胱、子宮、卵巢等多種臟器疾病的診斷。應(yīng)用：(1)膽結(jié)石：B超對膽囊結(jié)石的診斷率高達(dá)90%以上，能發(fā)現(xiàn)直徑只有3mm的結(jié)石。膽管結(jié)石因受腸道氣體的干擾，診斷率雖不如膽囊結(jié)石，但可以看到因膽管結(jié)石而引起的膽管擴(kuò)張、管壁增厚等改變。(2)膽囊炎：膽囊炎癥會(huì)引起膽囊的大小和囊壁的改變。急性膽囊炎時(shí)B超可見膽囊增大、囊壁彌漫性增厚；慢性膽囊炎時(shí)，膽囊脹大或萎縮、壁增厚、邊緣粗糙。(3)膽道腫瘤：膽囊良性腫瘤B超圖像表現(xiàn)為半圓形或近似圓形的較光亮的團(tuán)塊，結(jié)構(gòu)均勻；惡性腫瘤的團(tuán)塊形狀不規(guī)則，密度不均勻，膽囊壁增厚，凹

15、凸不平；膽管癌的聲像圖表現(xiàn)為膽管中邊緣不規(guī)則團(tuán)塊，腫塊上方膽管常擴(kuò)張、增粗。(4)膽道蛔蟲?。築超圖像顯示條狀的與膽管平行的蛔蟲光帶，甚至可以看到蛔蟲的蠕動(dòng)。(5)阻塞性黃疸：正常的肝外膽管內(nèi)徑一般小于6mm，左右肝管的內(nèi)徑小于2mm，如B超顯示大于上述數(shù)值即提示膽管有阻塞、阻塞上方的膽管顯示擴(kuò)張?jiān)龃?，因此可確定梗阻的部位，有時(shí)還可提供阻塞的原因是什么。4、探地雷達(dá)和超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用（丁雨楠） 結(jié)構(gòu)測量原理：雷達(dá)技術(shù)和超聲波技術(shù)已被運(yùn)用于混凝土構(gòu)件無損檢測中，雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)電磁脈沖傳播到目標(biāo)物反射回來的時(shí)間來確定目標(biāo)物的深度和位置，傳播速度取決于物質(zhì)的電磁特性；而超聲波成像根據(jù)低頻

16、彈性波對空隙產(chǎn)生繞射現(xiàn)象使得首波時(shí)間變長，從而確定混凝土中的缺陷。應(yīng)用： 混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部若存在不密實(shí)區(qū)或空洞等缺陷,必然會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性?；炷两Y(jié)構(gòu)的無損檢測一直是工程界普遍重視的問題,也是保證大型結(jié)構(gòu)安全服役的關(guān)鍵。結(jié)合工程實(shí)例,闡述了采用探地雷達(dá)和超聲波檢測混凝土不密實(shí)區(qū)和空洞的原理、方法,并詳細(xì)介紹了檢測數(shù)據(jù)處理過程,通過現(xiàn)場檢測試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理與分析,檢測得到的結(jié)果與實(shí)際破損的混凝土缺陷情況基本一致,表明用探地雷達(dá)結(jié)合超聲波檢測混凝土不密實(shí)區(qū)和空洞效果較理想,用于無損檢測是可行的。對于混凝土質(zhì)量的評價(jià)，由于受技術(shù)發(fā)展的限制，一直以來基本是通過混凝土強(qiáng)度指標(biāo)和外觀

17、的優(yōu)劣來評價(jià)。通過觀察混凝土外觀的優(yōu)劣，可以定性評價(jià)工程構(gòu)件的質(zhì)量好壞，然而評標(biāo)價(jià)結(jié)果受實(shí)際經(jīng)驗(yàn)等多種因素的影響較大。通過回彈強(qiáng)度，可以得到混凝土表面35cm內(nèi)混凝土質(zhì)量的好壞，然而對于混凝土內(nèi)部的缺陷卻無法得知。隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種大體積混凝土以及高質(zhì)量的商品混凝土得到發(fā)展。然而，混凝土在施工過程中，有時(shí)因漏振，漏漿或因石子架在鋼筋骨架上等澆注原因，易導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成蜂窩狀不密實(shí)區(qū)或空洞等缺陷。這種缺陷往往會(huì)使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的整體承載力嚴(yán)重下降，結(jié)構(gòu)耐久性大大較低，因此采用有效方法查明混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的性質(zhì)，范圍及尺寸，以便進(jìn)行技術(shù)處理，是工程建設(shè)中一個(gè)待解決的問題。5、超聲波清洗機(jī)（劉海媚）

18、液位測量原理：由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳播到介質(zhì)清洗溶劑中，超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)的直徑為50-500m 的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡在聲場的作用下振動(dòng)。這些氣泡在超聲波縱向傳播的負(fù)壓區(qū)形成、生長，而在正壓區(qū)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增大，然后突然閉合。并在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓，破壞不溶性污物而使他們分散于清洗液中，當(dāng)團(tuán)體粒子被油污裹著而黏附在清洗件表面時(shí)，油被乳化，固體粒子及脫離，從而達(dá)到清洗件凈化的目的。在這種被稱之為“空化”效應(yīng)的過程中，氣泡閉合可形成幾百度的高溫和超過1000個(gè)氣壓的瞬間高壓。優(yōu)點(diǎn)：超聲波清洗效果好，操作簡單。人們所聽到的聲音是頻率20-20000Hz的聲波信號，高于20000Hz的聲波稱之為超聲波，聲波的傳遞依照正弦曲線縱向傳播，產(chǎn)生大量小氣泡 。一個(gè)原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，而從液體逸出，成為小氣泡；另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體“撕開”成一空洞，稱為空化。應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于表面噴涂處理行業(yè)、機(jī)械行業(yè)、電子行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、鐘表首飾行業(yè)、光學(xué)行業(yè)、紡織印染行業(yè)。如：1、 表面噴涂處理行業(yè)：（清洗的附著物：油、機(jī)械切屑、磨料、塵埃、拋