声速测量方法

声速测量方法研究背景超声波流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表。超声换能器主要是指完成电学与声学之间的相互转换的装置，即电声换能器。在超声换能器的构成中，匹配层的地位很重要。由于换能器中的压电陶瓷的声阻抗与气体的阻抗往往有较大的差别，声波在进入气体时会有较大的能量损失，使声波透射能量大幅降低，造成能量的损失。因此，在超声换能器的设计中一般都会加入匹配层这一结构来增加声波透射能量。一直以来，换能器匹配层的研究都受到了国内外众多科研机构和科技工作者的重视。匹配层的设计和理论计算一直都是人们研究的热点。研究背景声阻抗测试时差法（脉冲波法）1相位法4频谱分析法3共振干涉法（驻波法）2声速测量的主要方法一、时差法（脉冲波法）1.1透射式透射模式需要两个同样主频的探头，分别作为发射和接收探头。透射式法指的是由脉冲源以一定间隔激发一个短脉冲信号经过探头A激发声波，在样品传播L后，由探头B接收。将B探头的信号与原脉冲信号对比，测出两信号的时间差t，所以可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度。v=L/t透射式时差法原理图一、时差法（脉冲波法）1.1透射式透射式法指的是由脉冲源以一定间隔激发一个短脉冲信号经过探头A激发声波，在样品传播L后，由探头B接收。将B探头的信号与原脉冲信号对比，测出两信号的时间差t，所以可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度。v=L/t发射与接收波形一、时差法（脉冲波法）1.2反射式（脉冲回波法）反射模式则只需要一个探头，既作为发射探头有作为接收探头，即当脉冲发出以后这个探头马上就作为接收探头记录信号。声波脉冲分别在样品的前表面和后表面发生反射，产生两个连续的信号。如果己知样品的厚度L和两个连续回波信号的时间间隔t，就可以得到样品的声速值。v=2L/t局限性：1、很难用于超薄样品的声速测量：为了使连续的两个回波信号能够分开，这种声速测量方法要求测量品的厚度值至少为测量所用超声波波长的四倍；由于尺寸效应的存在，对于同一种材料而言，薄层和块体材料可能会具备不同的性质。2、测量精度不高：声波在换能器中的延迟，以及时间轴的刻度精度和脉冲前沿的读取精度会影响测量精度。改进方法：超声波频率二、共振干涉法（驻波法）设两声源频率相同，到声场中某点s的距离分别为x1和x2，则两列波在s点的瞬时声压分别为：p1＝P01cos(ωt－kx1)=P01cos(ωt-φ1)p2＝P02cos(ωt－kx2)=P02cos(ωt-φ2)式中P01和P02分别为第一列波和第二列波的声压幅值；和分别是第一列波和第二列波的初相位。二、共振干涉法（驻波法）相干波和驻波由于这两列波频率相同，所以它们之间的相位差△φ与时间t无关，仅与空间位置有关，对于固定的地点，x1、x2也一定，所以△φ为常数，两个声波间的相位差若保持固定，则发生声波的干涉现象。在空间某些位置振动始终加强，在另一些位置振动始终减弱，此现象称为干涉现象。这种具有相同频率、相同振动方向和恒定相位差的声波称为相干波。当两列相干波在同一直线上沿相反方向传播而相遇叠加时，出现合成声波的声压幅值随着空间位置不同有极大值和极小值的分布，称为驻波。驻波是干涉现象的特例。当合成驻波的两列波的声压幅值相等时，驻波现象最明显。二、共振干涉法（驻波法）按照波动理论，发生器发出的平面声波经介质到接收器，若接收面与发射面平行，声波在接收面处就会被垂直反射，于是平面声波在两端面间来回反射并叠加。当接收端面与发射面的距离恰好等于半波长的整数倍时，叠加后的波就形成驻波。此时相邻两波节（或波腹）间的距离等于半个波长，即λ/2。当发生器的激励频率等于驻波系统的固有频率（压电陶瓷的固有频率）时，会产生驻波共振，波腹处的振幅达到最大值，在驻波波节处的声压最大。当发生共振时，接收端面处为一波节，接收到的声压最大，转换成的电信号也最强。二、共振干涉法（驻波法）2.1距离改变式移动接收器到某个共振位置时，如果示波器上出现了最强的信号，继续移动接收器，再次出现最强的信号时，则两次共振位置之间的距离即为λ/2，这样就可以通过频率和波长求得声音的速度。局限性：固体厚度固定，距离不可调，此法只适用于测量气体和液体的声速。二、共振干涉法（驻波法）二、共振干涉法（驻波法）2.2频率改变式超声波的波长由声速和频率两个参量决定，如果我们改变超声波的频率值，则波长也会相应发生改变。而当超声波波长满足测量样品厚度l恰好为半波长整数倍时，声共振现象将会发生，这一现象可以通过观察接收信号的振幅来监测，发生共振现象时，接收信号的振幅将会有大幅上升。局限性：1、需要改变频率来寻找共振点，测量相对麻烦；2、由于共振点很难选得很准，要准确测出共振频率比较困难；3、必须制造较厚的匹配层样品（至少λ/2厚度的匹配层）。三、频谱分析法3.1传统的超声波频谱法该方法测量过程如下图所示。整个测量过程均在水中完成，首先需要记录声波在水中传播的脉冲信号SW，此时两个换能器探头之间应该置空，不放入样品。之后将测试样品放在两个换能器探头之间，使超声波信号穿过样品，并记录下这个脉冲信S1。在水的色散忽略不计的情况下，分别对信号SW和S1做傅里叶变换，通过分析变换得到的频谱就可以得到样品声速。三、频谱分析法3.2新的超声波频谱法新的超声波频谱法能够给出样品的声速和声衰减，并且适用于超薄样品的测试。首先将没有样品附着的玻璃衬底固定在样品夹上，并注意使探头发出的超声信号能够全部透过玻璃衬底。用示波器记录下该信号。然后将玻璃衬底取下，换上待测试样品，同样记录下超声信号。之后将所记录的两个信号输入个人计算机上并利用Matlab进行快速傅里叶变换得到两个信号的幅度频谱，最后将得到的两个信号的幅度频谱相比得到信号的频谱比。读出频谱比曲线上峰值处的频率值，结合样品厚度值即可以得到样品的声速值。三、频谱分析法3.3脉冲回波谱分析法超声脉冲回波谱分析法测声速技术，只需要发射一次脉冲超声波，通过对接收到的信号进行谱分析结合材料厚度便能获得材料声速。特别是在待测试样较薄时，谱分析方法相对于传统的声速测量方法更具有优势。假设出现极大值时的超声波频率为fm，与其相邻的幅度谱极大值对应的超声波频率为为fn，则结合材料的厚度l即可以得到材料的声速v=2l(fm-fn）三、频谱分析法3.3脉冲回波谱分析法特点：a）适用于薄固体材料的声速测量；b）对接收的超声信号要求很低，只要波峰明显递减就可以，不需要每个回波里面各个周期的波符合任何条件，这样它对噪声很大信号或是薄材料的声速测量就具有很大优势。局限性：谱分析法对薄材料的厚度也是有限制的，太薄的材料第一回波会把以后回波的波峰等特征点完全覆盖，没有了波峰递减的趋势，谱分析法不能适用。四、相位法波是连续介质点振动的传播，也可以说是相位的传播。在波的传播方向上的任何两点，如果其振动状态相同或者其相位差为2π的整数倍，这两点间的距离应等于波长的整数倍，即l=nλ，（n为正整数）若超声波发生器发出的声波是平面波，当接受器端面垂直于波的传播方向时，其端面上各点都具有相同的相位。沿传播方向移动接收器时，总可以找到一个位置使得接受到的信号与发射器的激励电信号同相。继续移动接受器，直到找到的信号再一次与发射器的激励电信号同相时，移过的这段距离就等于声波的波长。在实际操作中，用示波器测定电信号时，由于换能器振动的传递或放大电路的相移，接受器端面处的声波与声源并不同相，总是有一定的相位差。四、相位法