聲速測量方法課件

聲速測量方法聲速測量方法研究背景

超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束（或超聲脈沖）的作用以測量流量的儀表。

超聲換能器主要是指完成電學與聲學之間的相互轉換的裝置，即電聲換能器。在超聲換能器的構成中，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，聲波在進入氣體時會有較大的能量損失，使聲波透射能量大幅降低，造成能量的損失。因此，在超聲換能器的設計中一般都會加入匹配層這一結構來增加聲波透射能量。一直以來，換能器匹配層的研究都受到了國內外眾多科研機構和科技工作者的重視。匹配層的設計和理論計算一直都是人們研究的熱點。

研究背景超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲研究背景

研究背景

聲阻抗測試

聲阻抗測試

時差法（脈沖波法）1相位法4頻譜分析法3共振干涉法（駐波法）2聲速測量的主要方法時差法（脈沖波法）1相位法4頻譜分析法3共振干涉法（駐波法）一、時差法（脈沖波法）1.1透射式透射模式需要兩個同樣主頻的探頭，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)一個短脈沖信號經過探頭A激發(fā)聲波，在樣品傳播L后，由探頭B接收。將B探頭的信號與原脈沖信號對比，測出兩信號的時間差t，所以可以用以下公式求出聲波在介質中傳播的速度。v=L/t透射式時差法原理圖一、時差法（脈沖波法）1.1透射式透射式時差法原理圖一、時差法（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)一個短脈沖信號經過探頭A激發(fā)聲波，在樣品傳播L后，由探頭B接收。將B探頭的信號與原脈沖信號對比，測出兩信號的時間差t，所以可以用以下公式求出聲波在介質中傳播的速度。v=L/t發(fā)射與接收波形一、時差法（脈沖波法）1.1透射式發(fā)射與接收波形一、時差法（脈沖波法）1.2反射式（脈沖回波法）反射模式則只需要一個探頭，既作為發(fā)射探頭有作為接收探頭，即當脈沖發(fā)出以后這個探頭馬上就作為接收探頭記錄信號。聲波脈沖分別在樣品的前表面和后表面發(fā)生反射，產生兩個連續(xù)的信號。如果己知樣品的厚度L和兩個連續(xù)回波信號的時間間隔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量：為了使連續(xù)的兩個回波信號能夠分開，這種聲速測量方法要求測量品的厚度值至少為測量所用超聲波波長的四倍；由于尺寸效應的存在，對于同一種材料而言，薄層和塊體材料可能會具備不同的性質。2、測量精度不高：聲波在換能器中的延遲，以及時間軸的刻度精度和脈沖前沿的讀取精度會影響測量精度。改進方法：超聲波頻率一、時差法（脈沖波法）1.2反射式（脈沖回波法）二、共振干涉法（駐波法）

設兩聲源頻率相同，到聲場中某點s的距離分別為x1和x2，則兩列波在s點的瞬時聲壓分別為：

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與時間t無關，僅與空間位置有關，對于固定的地點，x1、x2也一定，所以△φ為常數，兩個聲波間的相位差若保持固定，則發(fā)生聲波的干涉現象。在空間某些位置振動始終加強，在另一些位置振動始終減弱，此現象稱為干涉現象。這種具有相同頻率、相同振動方向和恒定相位差的聲波稱為相干波。當兩列相干波在同一直線上沿相反方向傳播而相遇疊加時，出現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。駐波是干涉現象的特例。當合成駐波的兩列波的聲壓幅值相等時，駐波現象最明顯。二、共振干涉法（駐波法）相干波和駐波二、共振干涉法（駐波法）按照波動理論，發(fā)生器發(fā)出的平面聲波經介質到接收器，若接收面與發(fā)射面平行，聲波在接收面處就會被垂直反射，于是平面聲波在兩端面間來回反射并疊加。

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

當發(fā)生器的激勵頻率等于駐波系統(tǒng)的固有頻率（壓電陶瓷的固有頻率）時，會產生駐波共振，波腹處的振幅達到最大值，在駐波波節(jié)處的聲壓最大。

當發(fā)生共振時，接收端面處為一波節(jié)，接收到的聲壓最大，轉換成的電信號也最強。二、共振干涉法（駐波法）按照波動理論，發(fā)生器二、共振干涉法（駐波法）2.1距離改變式移動接收器到某個共振位置時，如果示波器上出現了最強的信號，繼續(xù)移動接收器，再次出現最強的信號時，則兩次共振位置之間的距離即為λ/2，這樣就可以通過頻率和波長求得聲音的速度。

局限性：固體厚度固定，距離不可調，此法只適用于測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由聲速和頻率兩個參量決定，如果我們改變超聲波的頻率值，則波長也會相應發(fā)生改變。而當超聲波波長滿足測量樣品厚度l恰好為半波長整數倍時，聲共振現象將會發(fā)生，這一現象可以通過觀察接收信號的振幅來監(jiān)測，發(fā)生共振現象時，接收信號的振幅將會有大幅上升。局限性：

1、需要改變頻率來尋找共振點，測量相對麻煩；

2、由于共振點很難選得很準，要準確測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

該方法測量過程如下圖所示。整個測量過程均在水中完成，首先需要記錄聲波在水中傳播的脈沖信號SW，此時兩個換能器探頭之間應該置空，不放入樣品。之后將測試樣品放在兩個換能器探頭之間，使超聲波信號穿過樣品，并記錄下這個脈沖信S1。在水的色散忽略不計的情況下，分別對信號SW和S1做傅里葉變換，通過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試。

首先將沒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)出的超聲信號能夠全部透過玻璃襯底。用示波器記錄下該信號。然后將玻璃襯底取下，換上待測試樣品，同樣記錄下超聲信號。之后將所記錄的兩個信號輸入個人計算機上并利用Matlab進行快速傅里葉變換得到兩個信號的幅度頻譜，最后將得到的兩個信號的幅度頻譜相比得到信號的頻譜比。讀出頻譜比曲線上峰值處的頻率值，結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聲速技術，只需要發(fā)射一次脈沖超聲波，通過對接收到的信號進行譜分析結合材料厚度便能獲得材料聲速。特別是在待測試樣較薄時，譜分析方法相對于傳統(tǒng)的聲速測量方法更具有優(yōu)勢。假設出現極大值時的超聲波頻率為fm，與其相鄰的幅度譜極大值對應的超聲波頻率為為fn，則結合材料的厚度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：

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

局限性：

譜分析法對薄材料的厚度也是有限制的，太薄的材料第一回波會把以后回波的波峰等特征點完全覆蓋，沒有了波峰遞減的趨勢，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)介質點振動的傳播，也可以說是相位的傳播。在波的傳播方向上的任何兩點，如果其振動狀態(tài)相同或者其相位差為2π的整數倍，這兩點間的距離應等于波長的整數倍，即l=nλ，（n為正整數）若超聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波是平面波，當接受器端面垂直于波的傳播方向時，其端面上各點都具有相同的相