声速测定仪的改进及声速测量方法的研究(精)_球墨铸铁声速测定方法

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声速测定仪的改进及声速测量方法的研究 摘要:改进声速测定仪,声速测量方法的研究与思考, 关键词:声速测量;测量方法分析;纵所周知 ,振动频率在(20--200O0Hz的声波可以被人耳听到,被称为可闻波,频 率在 20kHz 以 _h的声波称为超声波。声波的波长、强度、传播速度、频率、声压衰 减、相位等是声波的重要特性。对声波特性的测量是声学在应用技术的一个重要内 容,特别是声波波速(简称声速 的测量,在声波定位、探伤、测距等应用中具有重 要意义。

共振干涉法、相位比较法、时差法这三种方法的偶然误差主要来源是读数误 差.在实验过程中,虽然测试的距离值由数显标尺来读数,而且数显标尺可自动读 数.但是位置的确定要从示波器的波形位置来确定.而示波器的波形位置直接决定 了数显标尺觚的值.波形最大或最稳定则是人为认定的.从这个角度来看,它们的 偶然误差也是一样的.以上四个方面比较表明,共振干涉法和相位比较法无论是原 理、仪器、操作,还是误差分析,有更多的共同之处.而时差法则和前两个方法的 不同则更多一些.共振干涉法和相位比较法一直是实验室研究中经常用到的,而时 差法则比较经常出现在工业测量上.【 1】

声速的测量方法有多种,实验室常用方法是利用声速与声波频率,及波长的关 系进行测量.谐振频率,由频率计直接读出,关键是测出声波的波长.由于超声波 波长短、容易测量、不可闻等优点,多数实验室选用超声声速测定仪,调节两换能 器互相平行进行测

量.但在该实验教 学实践中发现,声 速测定仪两换能器 互成某一角度时，接收换能器也能够 接收到交变信号, 是否能够利用这一 交变信号测量声速 呢 ? 1.声速测定仪 的改进 为了实现两换 能器的法向夹角能

成任意角度,从而使接收换能器能在发射换能器的不同方位上测量声波,必须在声

速测定仪的基础上进行简单的改进.声速测定议的结构如图 l 所示, 一换能器固定在 边沿上,另一换能器固定在可移动底座上,但换能器的方向不能自由转动.据此, 用铝合金制成如图 2所示的延长臂 A 和换能器套圈 B.将原声速测定仪的套圈固定螺 丝卸下, 装上延长臂, 并用套圈固定螺丝套紧;延长臂 A 的另一端用螺丝跟 B 套紧后, 在套圈 B 装 J 二压电陶瓷换能器,并旋紧边沿上的三根螺丝.改进后的声速测定仪如 图 3所示.接收换能器与发射换能器的端面可以调节平行或者成任意角度.改装后 的声速测定仪还可以测量声波在液体中的速度,在声测定仪的前侧放置一液体槽, 延伸臂可以很方便地伸入液体内, 测量超声波在液体中的传播速度如图 4所示.声速 测定仪的改进,扩大了仪器的使用范围.【 2】

根据谐振、共振和波的反射、迭加性质,测量波的传播速度的方法,是一种重 要的思想方法,但在测量超声波波速的方法和装置中,存在三个影响测量结果的问 题 :一是振动源的稳定性, 二是观察振动情况的示波器灵敏度, 三是发射器和接收器 的固有频率不相等。

2.信号发生器的输出频率对测量结果的影响

用于产生超声波信号的信号发生器,输出正弦波信号,送至发射器,将电信号 转换为机械振动,发射出超声波,如图 1所示。当信号发生器输出的正弦波频率等 于发生器的固有频率,则产生谐振,发生器的振动最强,产生的超声波能量最大。但当信号发生器输出的正弦波频率不稳定,出现漂移时,必然使发射器的振动频率 和强度也发生变化, 从而使产生的波能量强度也随之减少。因为谐振时, 振动最强, 信号发生器输出信号频率漂移时,使发射器工作在非谐振状态,所以产生的超声波 强度就变小,同时因频率变化而导致波长发生变化,共振干涉点的位置,也发生变 化,接收器就难以找到确切的共振干涉点,测量结果就有更大的误差。

一般的信号发生器输出频率的相对误差为 1%【 3】,发射器的固有频率在 40K 左右,所以绝对误差为 400赫兹左右,可见,产生的影响是较大的。用共振干涉法 或相位比较法测量超声波的速度,均与频率或波长有关,所以要提高测量结果的精 确度,须用性能较好的输出频率稳定的信号发生器。

3.示波器的灵敏度 对测量结果的影响

接收 器接收到的超 声波,转换为电信号后, 送往示波器加在 y 偏转板 上, 从而显示超声波的波 形和幅度,如图 1所示。当接收器接收到超声波

强度的大小发生微小变化时, 示波器能否反映出来, 就取决于示波器 y 偏转的灵敏度 和幅度线性。示波器的灵敏度越高,幅度线性越好,就越能反映超声波强度大小的 微小变化,测量结果也就越精确。但由于波形幅度受示波器显示屏大小及几何尺寸 的制约, 不能超过屏幕的最大尺寸, 否则就无法观察和比较波形和幅度, 所以 Y 偏转 增益不能过大。一般示波器的最高灵敏度为 lmvldiv ,误差为 10%。解决的办法是将

幅度调到刚好在荧光屏的最大值范围内, 可使误差减少到仪器所能达到的最小程度。4.发生器和接收器的固有频率不一致对测量结果的影响

发射器探头与接收器的探头由于都有各自的固有频率,并且很难做到相等,一 般相差几十至几百赫兹。对利用共振干涉法测量波长影响较大,因为共振干涉法比 较的是能量的大小,找的是能量最大值的位置,即共振点,不同的固有频率使得出 现能量最大值的位置增多,范围变宽,能量幅度最大值不再是一个位置,而是一个 区间,从而使测量误差增大。对利用相位比较法测量的结果影响不大,因为相位比 较法,比较的是发射波与人射波的相位差,而不是能量的幅值,只要找到相位相等 的相邻点的位置,即可测量出波长的大小。【 4】可见相位比较法只与频率有关,与 能量无关,而共振干涉法与频率和能量均有关,测量结果没有相位比较法的准确。因此,当发射器与接收器的固有频率相差较大时,宜采用相位比较法,不宜用共振 干涉法。

参考文献

【 1】黄贤群.SW-1型声速测定仪的改进及声速测量方法的研究.韩山师范学院学 报, 2008, 29(06 :49-52 【 2】 毛杰健, 杨建荣.超声波波速测量装置中存在的三个问题.上饶师范学院学报, 2002, 22(06 :38-39 【 3]江苏洪泽瑞特电子设备有限公司.豁 1麟 5型功率函数信号发生器技术说明书 〔 21.江苏洪泽

【 4】邓丽娟.SV4型声速组合测定仪测声速三种方法的比较.宁德师专学报(自 然科学版, 2008, 20(04 :411-413