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上海海洋大学大学测声波物理实验报告１2015-2016第二学期大学物理试验期末综述性小论文超声声速的测定学院：工程学院专业：机械设计制造及自动化学号：15222111522212152220915222101522213姓名：张钟鸣汪梦园陆军丁雨楠刘海媚指导老师：孔祥洪郭阳雪上海海洋大学大学测声波物理实验报告２目录一.超声波的定义-------------------3二．超声波测定的原理--------------4三．超声波的延伸创新--------------5四．超声波与人类生活--------------71、海底声纳（汪梦园）距离测量2、超声波探伤器（张钟鸣）无损探伤3、B超（陆军）医学成像4、探地雷达和超声波在混凝土结构检测中的应用（丁雨楠）结构测量5、超声波清洗机（刘海媚）液位测量上海海洋大学大学测声波物理实验报告３一.超声速的定义超声速即为速度超过声音在空气中的传播速度。可以在气体、液体、固体上传播。受到压强、密度、温度影响。超声速有可能会产生激波，激波就是在流体中以高于声速的速度传播并对流体产生压缩作用的波。气体中的激波最明显，受到压缩的气体与未受到压缩的气体之间有一个很薄的波阵面隔开。波阵面的前后压力比越大，激波就越强。气体、液体和固体介质中压强、密度和温度在波阵面上发生跃变的压缩波（冲击波）。当一系列压缩波在可压缩介质中传播时，介质受压的程度越高，压缩波传播的速度便越大，后来的压缩波在先前已被压缩的介质中传播，后面的波将追上前面的波。突跃变化发生在很薄的一层内，称激波层，其厚度为分子平均自由程量级，故可把激波近似当作没有厚度的强间断面。正激波前方的流动是超声速的，经过激波后变成亚声速，其压强、密度、温度均提高，总压下降，总温不变。这一特征符合热力学第二定律，即熵增原理，超声速流动经过激波后，部分机械能不可逆地转化为热能，标志是总压下降；但同时也符合能量守恒定律，总能量不变，即总温不变。激波越强，熵增越大。气体激波会在超声速飞行器上引起很大的阻力，称为波阻。管道（如超声速风洞、喷气发动机等）内的激波会降低设备效率。一般应采取措施，消除激波或减小其强度。上海海洋大学大学测声波物理实验报告４二．超声速测定的原理在波动过程中，波速v、波长λ和频率f之间存在下列关系：V=fλ通过实验，测出波长λ和频率f，就可以求出声速v。谐振时，声波频率就是信号发生器输出频率。因此，声速测量的直接测量量就是声波的波长。常用的测量方法有驻波法和相位比较法两种。（已在PPT列出）上海海洋大学大学测声波物理实验报告５三．超声波的延伸创新（张钟鸣、汪梦园）1.既然可以测空气中的声速，为什么不可以测水中的声速呢？如果可以测，声速是多少？原理：速度=路程/时间准备：一根100m长的水管,一个发声器,一个声音接收器,一个计时器发声器在水管的一面发声,接收器在另一面接收。发声规律：每隔3s（为了排除干扰）发一次,大概发声30次,结论：因为收到的声音应该是由空气,水管,水中,三种介质中传播过来的,而速度应该是空气水管水,所有前两个声音不要,从第三个声音开始计时,到最后一个声音计时结束,这时声音通过的全路程应该是100mX30次=3000m,时间应该为记录的时间30次中间的间隔时间,根据声速在海水中的传播数度大概为每秒1500m左右,所有得到的时间应该大于2s。2.该如何设置外部环境才能测到最准确的声速？1．共振干涉法（驻波法）测声速及超声波在空气中的衰减曲线⑴按图一接线，换能器上红插口接信号，黑插口接地；调整函数信号发生器、示波器为定量测量状态。⑵调节信号发生器输出频率，使其与S1上标示值大致相同，然后微调，直到示波器上幅度最大为止，此时显示的频率读数才是谐振频上海海洋大学大学测声波物理实验报告６率。⑶调整发射换能器S1、S2端面与游标卡尺的移动方向相互垂直，调整后拧紧固定S1、S2的螺丝，以防测量过程中S1、S2的松动。由近而远改变S2位置，在示波器上观察并记录10个振幅最大值A0、A1、A2、„„A9，相应的10个位置L0、L1、L2、„„L9（注意要使用游标微调）。2．位相比较法（行波法）测声速⑴按图二接线，按下示波器面板两“X-Y”键，调节示波器两通道为垂直输入状态，屏幕上会观察椭圆或斜直线的李萨如图。⑵由近而远改变S2位置，在示波器上观察并记录10个同一斜率直线相应的10个位置L0、L1、L2、„„L9（注意要使用游标微调）。3.为什么实验中要求信号发生器的输出频率始终保持为谐振频率？因为只有当信号源的输出频率尽可能接近换能器系统的谐振频率时，发射换能器才能发射出较强的声波，同时接收换能器也才有较高的接收灵敏度，才能保证示波器能获得较强的信号。上海海洋大学大学测声波物理实验报告７四．超声波与人类生活1、海底声纳（汪梦园）距离测量①定义：声呐装置一般由基阵、电子机柜和辅助设备三部分组成。基阵由水声换能器以一定几何图形排列组合而成，其外形通常为球形、柱形、平板形或线列行，有接收基阵、发射机阵或收发合一基阵之分。电子机柜一般有发射、接收、显示和控制等分系统。辅助设备包括电源设备、连接电缆、水下接线箱和增音机、与声呐基阵的传动控制相配套的升降、回转、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等装置，以及声呐导流罩等。②意义：换能器（类比超声波的换能器）是声呐中的重要器件，它是声能与其它形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。它有两个用途：一是在水下发射声波，称为“发射换能器”，相当于空气中的扬声器；二是在水下接收声波，称为“接收换能器”，相当于空气中的传声器（俗称“听筒”）。换能器在实际使用时往往同时用于发射和接收声波，专门用于接收的换能器又称为“水听器”。③原理：主动声呐：主动声呐技术是指声呐主动发射声波“照射”目标，而后接收水中目标反射的回波时间，以及回波参数以测定目标的参数。大多数采用脉冲体制，也有采用连续波体制的。它由简单的回声探测仪器演变而来，它主动地发射声波，然后接收回波进行计算。应用：探测冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水雷和关闭了发动机的隐蔽的潜艇；被动声呐：被动声呐技术是指声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位和距离。应用：特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。④应用生物应用：蝙蝠用喉头发射每秒10-20次的超声脉冲而用耳朵接收其回波，借助这种“主动声呐”它可以探查到很细小的昆虫及0．1mm粗细的金属丝障碍物。飞蛾等昆虫也具有“被动声呐”，能清晰地听到40m以外的蝙蝠超声，因而往往得以逃避攻击。海豚和鲸等海洋哺乳动物则拥有“水下声呐”，它们能产生一种十分确定的讯号探寻食物和相互通迅。军事应用：水声技术用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪，进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。海洋测绘：随着海洋高新技术的介入和装备的不断升级，水下地形声学探测技术获得了迅速的发展，现已成为世界各海洋国家在海洋测绘方面的重要研究领域之上海海洋大学大学测声波物理实验报告８一。利用声呐技术进行海洋测绘的设备有：单波束回声测深仪、侧扫声呐、多波束测深、浅地层剖面仪。2、超声波探伤器（张钟鸣）无损探伤①定义：超声波探伤仪是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速、便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（裂纹、疏松、气孔、夹杂等）的检测、定位、评估和诊断。既可以用于实验室，也可以用于工程现场。广泛应用在锅炉、压力容器、航天、航空、电力、石油、化工、海洋石油、管道、军工、船舶制造、汽车、机械制造、冶金、金属加工业、钢结构、铁路交通、核能电力、高校等行业。②意义：超声波探伤仪原理技术是无损探伤是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。③原理：超声波探伤仪利用了超声波的声阻抗差异较大处反射强的特性。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。目前超声波探伤仪大部分是A扫描方式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。④应用既可以用于实验室，也可以用于工程现场。本仪器能够广泛地应用在制造业、钢铁冶金业、金属加工业、化工业等需要缺陷检测和质量控制的领域，也广泛应用于航空航天、铁路交通、锅炉压力容器等领域的在役安全检查与寿命评估。它是上海海洋大学大学测声波物理实验报告９无损检测行业的必备仪器。。3、B超（陆军）医学成像①原理：人耳的听觉范围有限度，只能对16-20000赫兹的声音有感觉，20000赫兹以上的声音就无法听到，这种声音称为超声。和普通的声音一样，超声能向一定方向传播，而且可以穿透物体，如果碰到障碍，就会产生回声，不相同的障碍物就会产生不相同的回声，人们通过仪器将这种回声收集并显示在屏幕上，可以用来了解物体的内部结构。利用这种原理，可以将超声波用于诊断和治疗人体疾病。在医学临床上应用的超声诊断仪的许多类型，如A型、B型、M型、扇形和多普勒超声型等。B型是其中一种，而且是临床上应用最广泛和简便的一种。通过B超可获得人体内脏各器官的各种切面图形比较清晰。B超比较适用于肝、胆肾、膀胱、子宫、卵巢等多种脏器疾病的诊断。②应用：(1)胆结石：B超对胆囊结石的诊断率高达90%以上，能发现直径只有3mm的结石。胆管结石因受肠道气体的干扰，诊断率虽不如胆囊结石，但可以看到因胆管结石而引起的胆管扩张、管壁增厚等改变。(2)胆囊炎：胆囊炎症会引起胆囊的大小和囊壁的改变。急性胆囊炎时B超可见胆囊增大、囊壁弥漫性增厚；慢性胆囊炎时，胆囊胀大或萎缩、壁增厚、边缘粗糙。(3)胆道肿瘤：胆囊良性肿瘤B超图像表现为半圆形或近似圆形的较光亮的团块，结构均匀；恶性肿瘤的团块形状不规则，密度不均匀，胆囊壁增厚，凹凸不平；胆管癌的声像图表现为胆管中边缘不规则团块，肿块上方胆管常扩张、增粗。(4)胆道蛔虫病：B超图像显示条状的与胆管平行的蛔虫光带，甚至可以看到蛔虫的蠕动。(5)阻塞性黄疸：正常的肝外胆管内径一般小于6mm，左右肝管的内径小于2mm，如B超显示大于上述数值即提示胆管有阻塞、阻塞上方的胆管显示扩张增粗，因此可确定梗阻的部位，有时还可提供阻塞的原因是什么。上海海洋大学大学测声波物理实验报告１０4、探地雷达和超声波在混凝土结构检测中的应用（丁雨楠）结构测量①原理：雷达技术和超声波技术已被运用于混凝土构件无损检测中，雷达系统根据电磁脉冲传播到目标物反射回来的时间来确定目标物的深度和位置，传播速度取决于物质的电磁特性；而超声波成像根据低频弹性波对空隙产生绕射现象使得首波时间变长，从而确定混凝土中的缺陷。②应用：混凝土结构内部若存在不密实区或空洞等缺陷,必然会严重影响结构的承载能力和耐久性。混凝土结构的无损检测一直是工程界普遍重视的问题,也是保证大型结构安全服役的关键。结合工程实例,阐述了采用探地雷达和超声波检测混凝土不密实区和空洞的原理、方法,并详细介绍了检测数据处理过程,通过现场检测试验和数据处理与分析,检测得到的结果与实际破损的混凝土缺陷情况基本一致,表明用探地雷达结合超声波检测混凝土不密实区和空洞效果较理想,用于无损检测是可行的。对于混凝土质量的评价，由于受技术发展的限制，一直以来基本是通过混凝土强度指标和外观的优劣来评价。通过观察混凝土外观的优劣，可以定性评价工程构件的质量好坏