声速测量实验范文

声速测量实验篇1

【关键词】声速；空气；共振干涉法；相位比较法

0 引言

近几年来随着声学的发展，检测声学在现实生活中得到了越来越广泛的应用。比如：无损检测、流体测速、探伤、定位、测距等[1]。声速的测量在声学检测领域占有非常重要的地位。空气中的声速测量实验因其应用性强、便于操作、易于实现等优点被很多高校选作基础物理实验。媒质的特性及状态等因素决定了声波在其中传播的速度，通过媒质中声速的测定，如：测量氯丁橡胶乳液的比重、氯气、蔗糖的浓度以及输油管中不同油品的分界面等等可以了解媒质的特性或状态变化，因此声速测定在某些工业生产上具有非常重要的实用意义[2]。在教学中一般采用以下两种理论方法来测量声速：第一种是测量声波传播的距离s和时间t，然后根据公式v=s/t计算出声速。这种方法中学采用的比较多。另一种是测量声波的频率f和波长λ。然后根据任何相邻的振幅最大值的位置之间波动过程中波速v、波长λ和频率f之间存在着下列关系：v=λf，计算出声速[3]。目前高校中普遍采用的是这套理论。而在实际操作中，也有很多不同的方法来实现。例如双踪示波法[4]，声音共鸣法[5]，驻波法[6]等。本文中本文用共振干涉法和相位比较法首先测定了声速在空气中的传播速度，并与理论值进行比较，然后进行误差分析，以便检测测量方法的实用性。

1 理论方法

1.1 共振干涉法（驻波法）

声源S1发出的声波经空气传播到位置S2，S2在接收S1的声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面与发射面严格平行，则入射波就在接收面上垂直反射，反射波与发射波会产生相干涉就会形成驻波。声源S1发出声波的振动方程为：A1=Acos（wt-2πx/λ），声源S2反射的声波的振动方程为A2=Acos（wt-2πx/λ），两者相互叠加形成的驻波的振动方程为：A3=2Acos（2πx/λ）cos（wt），w为声波的角频率，t为声波传播经过的时间，λ为测量声波的波长，x为声波经过的距离。可以看出两列波叠加之后形成的驻波的强度随距离之间按cos（2πx/λ）规律变化。如果改变S2位置，即改变S1与S2之间的距离，则任何相邻的振幅最大值的位置之间或者相邻的振幅最小值的位置之间的距离均为λ/2。

1.2 相位比较法

声源S1发出声波后就会在其周围形成声场，设声源S1的振动方程为A1=Acos（wt），但是在声场中的任一点S2的自振动相位是随时间而变化的，例如S2接收到的振动为A1=Acos（w（t- x/v）），但此点和声源的振动相位差不随时间变化。S1 和S2振动的相位差为？驻φ=ωx/v。当x=nλ，合振动为一斜率为正的直线，当x=（2n+1）λ/2时，合振动为一斜率为负的直线，当x为其它值时，合成振动为形状不同的椭圆形，移动S2，当其合振动连续两次为正斜率直线时，S2移动的距离即为一个波长。

2 数据处理

2.1 声波频率的测定

任何相邻的振幅最大值的位置之间波动过程中波速、波长和频率之间存在着下列关系：v=λf，观察接收波的电压幅度变化，在某一频率点处电压幅度最大，此频率即是f。改变S2的位置（即改变S1、S2之间的距离）直至示波器显示的正弦波振幅达到最大值，再次记下此时频率f的数据于表1。

2.2 共振干涉法测量声波的波长

改变S1、S2之间的距离，当接收波形的振幅为最大值时，读出S2的位置x1，沿同一方向继续改变S1、S2之间的距离，当波形振幅再次为最大时，读出S2的位置x2， 为了提高测量的准确性，共测量五组数据，每组测量6次，把每次测量的数据列xi，记录到表格2中。

2.4 相位法测量声波的波长

对于相位法来说，首先观察李萨如图的变化规律。当观察到波形为正斜率直线时，记下S2的位置x1，改变S2 的位置，记下示波器出现正斜率直线时S2的位置x2。为减少误差，S2 的测量位置改变了6次。然后重新改变S2的起始位置，重复刚才的步骤，一共测量五组数据。把每一组测量得到测量列 xi记入表格3中。

2.6 结果分析

在测量时，误差虽然无法消除，但我们可以通过多种方法减少误差。第一种是多次重复测量取平均值。在一组条件完全相同的重复实验中，个别测量值肯能会出现异常，如测量值偏大或偏小，多次重复测量可以使测量值分布更平均，测量结果更接近真值。在这个试验中，每次实验都重复测量5组数据。例如驻波法测量声波的波长中，虽然单次测量存在一定的误差，声波的波长结果分别是346.69m/s，344.08m/s，337.75m/s，342.59m/s，在这些结果中有的大于理论值，有的小于理论值，但是取平均值后就比较接近于理论值，多次重复测量的方法可以减少误差的产生，提高测量的准确度。第二种是利用逐差法处理数据。所谓逐差法，是把测量数据中的因变量进行逐项相减或按顺序分为两组进行对应项相减，然后将所得差值作为因变量的多次测量值进行数据处理的方法。逐差法可以提高实验数据的利用率，减小随机误差的影响，是物理实验中处理数据常用的一种方法。

逐差法是针对自变量等量变化，因变量也做等量变化时，所测得有序数据等间隔相减后取其逐差平均值得到的结果。其优点是充分利用了测量数据，具有对数据取平均的效果，可及时发现差错或数据的分布规律，及时纠正或及时总结数据规律。这里在计算声波波长时我们用逐差法处理数据保持了多次测量的优点，充分的利用了所有的测量结果，尽可能的减小了误差，提高了测量的准确性。

3 结论

首先由声速测定专用信号源读出声波频率，用共振干涉法和相位比较法求出波长。最后由v=λf分别得到声波在空气中的传播速度，实验值与理论值比较接近，说明这两种方法测量声速的可行性。

【参考文献】

[1]张涛，黄立波，等.空气中声速测量的实验研究[J].西安科技大学学报，2004，24（4）：518-521.

[2]姜永超.空气、液体介质中的声速测量[M].大学物理实验，北京：中国农业出版社，2015：154-151.

[3]朱鹤年.物理实验研究[M].北京：清华大学出版社，1994：219-233.

[4]魏国瑞，潘沛，等.超声波声速测量新方法[J].西安建筑科技大学学报，2009， 36（3）：75-78.

[5]操良平.用“声音共鸣”法测空气中的声速[J].物理教学探讨，2007，25（287）：59-60.

声速测量实验篇2

关键词：光声信号，组织声速，测量

 

1 引言

声速的测量方法很多，在工程技术中用的比较多的是传播时间法、脉冲回鸣法和脉冲迭加法，这三种方法都是测量声速的有效方法[1]。科技论文。本文采用的是利用短脉冲激光激发宽频带的光声信号，采用一针状PVDF膜的宽带水听器接收光声信号，在水听器前面放上各种规则的组织，通过测量组织厚度和延时，可以很方便的测出各种组织的声速；通过采集测量信号的峰峰值，还可以得出光声信号对各种组织的反射与衰减情况。

2 理论分析

当用脉冲光源照射某种吸收体时，其局部的温度将发生瞬时的改变，导致体积膨胀而产生超声波，这种超声波称为光声信号 [2]。在空间某一位置接收到的光声压p(r,t)和光吸收系数的分布A(r)的关系可以表达为[3]

（1）

其中为等压膨胀系数，c0为光声信号在吸收体中的声速，cp为比热，I0为光强，r表示光声压的场点位置，表示光声源的位置，表示场点到源点的距离。

当纯水为某一温度时，超声在纯水中的声速为（比如水温为22℃，超声在纯水中的声速为1492.0m/s），在水听器的前面放上任一规则的组织，让激发的光声信号穿过，设组织的厚度为x，信号在组织中的声速为，通过测量光声信号在水中与组织中的传播时间差，可得出信号在组织中的传播速度，即可表示为：

即 （2）

3 实验结果与讨论

图1为吸收体和超声换能器都置于纯水中的实验装置图。科技论文。将脉冲激光(波长为1064nm,脉宽为8ns，脉冲重复频率为20Hz)均匀照射在样品上，产生光致超声。在水槽中通过移动、测量水听器(PrecisionAcoustics LTD，灵敏度为950nv/pa，接收面积直径为1mm)的位置，由示波器(TDS3032, Tektronix，最高采样率2.5G ，带宽 300MHz)、GPIB采集卡和计算机采集光声信号，记下光声信号的传播时间(实验中脉冲激光和示波器由同一触发源同时触发, 探测器接收到的光声信号相对触发信号的延迟时间就是光声信号从光声激发位置到探测器的传播时间)，可以计算出光声信号在水中的传播速度，由实验测量得，当水温为22℃时，声速为1492m/s，再将水温降低或升高，可以得到水的声速随温度的变化关系[4,5]。科技论文。实验中示波器的采样率为250MHz。

图1 声速测量实验装置图

在水听器的前面放上一些规则的组织，让激发的光声信号穿过，通过测量光声信号在水中与组织中的传播时间差，如图2所示，可得出信号在组织中的传播速度，比如超声在鱼肉中的声速为1541.7m/s，具体各种组织声速如表1所示。

由图2可以看出，超声在纯水（13℃）中传播的延时最长，即传播的速度最慢，在瘦肉中传播的延时最短，即传播的速度最快；而且信号在纯水中的峰峰值最大，为310mv，在瘦肉中的峰峰值最小，为84mv，说明信号在组织之间声速不匹配时，有很强的反射，当然另一方面信号在组织中传播时也有衰减[6,7]。

图2 光声信号在各种组织中的延时

 

生物样品 厚度(cm) 信号峰峰值(mv) 信号延时之差(μs) 声速（m/s） 纯水(13℃)  

声速测量实验篇3

关键词：扇区；声波测井；探头；频率

1 概述

SBT声波测井已经在油田服务多年，其测量结果能够以图象的方式直观地显示圆周方向上水泥胶结的不均匀性，能够为油田勘探开发提供比较准确的固井胶结信息。随着该技术的推广应用，普及该技术的市场条件正在成熟。

该项技术包括电子线路、软件和探头。探头与测井方法紧密相连，是该项技术的核心。用什么样的探头实现圆周方向固井胶结质量的探测呢？需要考虑探头的结构、激发方式和频率。由于是在井内测量，井筒对声波频率有很强的过滤效应，所以不同频率的声波在井中的传播特征有很大差别。

固井质量检测所使用的声波是套管波：其传播速度比钢的纵波速度稍慢，主要沿套管传播。普通变密度测井仪器，用单极子探头发射、接收，频率在20kHz附近，能够在套管井中激发出幅度比较大的套管波。由于各种变密度测井仪器的探头结构有差别、压电晶体有一定的离散性，发射出的声波的主频和带宽有较大的差别；导致不同的仪器在自由套管中测量的套管波幅度不一样，最后通过刻度将这些差别进行统一。

井眼条件改变，井深增加，井内温度、压力增加后，探头的力学条件发生变化，激发的声波频率也随之改变。当激发声波的频率偏离套管波的固有频率范围后，套管波幅度减小，当激发声波频率完全离开套管波的固有频率范围时，套管波幅度接近于零。这时，固井变密度测井仪器测量不到固井胶结信息。这是目前固井变密度测井所遇到的主要问题之一。

同样，SBT探头也必须保证在井中所激发和测量的声波是套管波。

2 发射探头骨架实验

用铝筒模拟套管，用六面形的呢绒骨架安装宽的压电片，这样，压电片距离筒壁比较近。发射、接收探头均采用相同的结构。发射探头固定、等距离移动接收探头后所测量的波形前面部分放大，在近源距时，所测量的波形中首波是以液体的速度传播的，简称液体波；随着源距的增加，在接收波形中可以看到明显的以套管波速度传播的声波。该波的振动周期比较多，开始时其幅度比较小。与液体波的幅度相比，套管波的幅度比较小。

发射装置不变，将接收探头换成长8cm的压电长条，不用骨架支撑，自由状态于管壁进行接收，移动接收探头测量波形。由于接收探头本身比较长（8cm），所以，在其与发射探头重叠的一段距离内，接收到的波形幅度很大，波形形状基本不变，随着离接收探头的距离的增加，波形中，以套管波速度传播的声波逐渐与其它波分开。由于接收探头没有固体支架支撑，接收到的波形形状很不规则。

将发射探头的支撑骨架去掉，发射和接收均为自由状态时，移动接收探头接收得到波形。从波形中可以看到：测量的波形中既没有以套管波速度传播的声波，也没有以液体的速度传播的声波，所测量波形的传播速度介于套管波与液体波的速度之间，更接近于液体的声速。

以上实验结果可以肯定两点：用非金属骨架有利于套管波的激发和接收。所以，实际使用的声波测井仪器，发射、接收探头需要用一定的非金属骨架进行支撑；发射、接收探头处于完全自由状态时，接收到的波形中以反应液体特征的声波为主，无法测量到固井质量检测所需要的套管波。

3 不同套管尺寸的套管波实验

在呢绒材料上开个比较深的槽将压电晶体探头固定在里边做成发射探头和接收探头，将发射、接收探头分别放在直径不同的铁筒和铝筒中进行实验。

3.1 铝管中的实验

发射与接收探头的起始源距为11cm，发射探头固定，接收探头每次向上移动4mm采集一次波形，一共采集50组波形。从波形中的得到，套管波位于0.1ms附近，频率比较高，随着源距的增加，幅度变化比较大，在140-200mm位置幅度比较大，在260mm以上，首波幅度比较小，主要分布的0.15ms位置。液体波的频率比较低，幅度比较大，位于波形的后面。

3.2 钢管中的实验

在钢管中进行实验，探头之间的起始源距为20cm，固定发射探头、移动接收探头，每次向上移8mm采集一次波形，共采集50组波形。测量的波形中，没有以套管波速度传播的声波。

从上述两个实验可以看到：当铝管直径小、当探头距离管壁很近时，用压电片组装的探头可以激发出频率比较高的套管波，其波形位于波形的最前面，传播速度略低于钢的纵波速度。但是，当钢管的直径比较大，探头距离管壁比较远时，用压电片组装的探头激发的声波频率介于套管波和液体波之间，速度接近于液体声速。以套管波速度传播的声波幅度很小。

4 套管波的激发与测量

以上实验所用的探头均是用独立的小的压电片制作，对单个压电片激发，骨架仅仅起到一个支撑作用，将压电片子推到靠近井壁附近的位置，压电片自身以接近自由振动的方式，没有力学边界的影响，其谐振频率完全是压电片接近自由状态下的固有频率，该频率在自由套管中激发不出套管波或者激发的套管波幅度很小，没有办法进行测量。

为了在自由套管中激发出固井质量检测所需要的套管波，必须改变激发探头的频率。即改变探头的振动系统。对于SBT探头来讲，即改变压电片的力学边界条件，对压电片的振动模态进行限制。为此，我们将八个压电片粘接成一个圆筒，直径为6cm，使压电片的振动受到限制。粘接时八个压电陶瓷片中间的胶层与压电片子的宽度接近，间隙均匀。将八个压电片的其中一个用电激发，将带深槽呢绒材料固定的探头作为接收探头，在铁筒中进行实验。起始源距为180mm，源距每次移动8mm采集一次波形数据，得到原始波形仍然没有明显的以套管波速度传播的声波。

以上实验中发射探头压电片和接收探头压电片不在一个方位角上，将两者调整到一个方位角上后再进行实验。发射和接收探头之间的起始源距为180mm，每次移动8mm采集一个波形。直线所表示的套管波的幅度很小，另外，波形的振动周期比较多，这说明：发射、接收探头的Q值均很大（对声波测井不利，是测井尽量避免的）。

为了减小接收探头的Q值并且降低接收探头的频率，我们选择了普通声波测井常用的压电晶体管（八条切向极化，接收没有指向性），而发射探头仍采用粘接成圆筒后八个压电片中的一个。将两者放到铁筒中进行实验，得到波形中有两条直线，分别表示以液体速度传播和以钢的纵波速度传播的声波。在源距大于500mm以后，首波是套管波，其传播速度与钢的纵波速度接近。但是，幅度衰减很快。为了进一步确定套管波的特征，我们加长源距后（起始源距限定在400mm，每次移动8mm）又进行了测量。测量波形中，液体或者与液体速度接近的声波的幅度很大，而与纵波速度接近的套管波的幅度仍然很小。

5 分析与讨论

声波测井用套管波来测量套管外的水泥胶结情况。SBT测井通过偏心激发和接收来测量套管外圆周方向上的水泥胶结不均匀性。其核心部分是如何激发出幅度比较大的套管波。本实验肯定了：如果发射、接收片紧紧靠着套管壁，则可以激发出幅度比较大的套管波。但是，这种方案现实中不能够实现。发射或接收探头离管壁稍远套管波幅度急剧下降。剩下幅度比较大的波，其传播速度与液体声速接近。

用细的铝管实验表明：发射探头在铝管中激发的套管波的频率比液体波和其它传播速度与液体接近的声波的频率高。该结果说明：同一个发射探头，在相同激励情况下，套管波与液体波的频率是有差别的，波阻抗越高，激发声波的频率越高。

将压电片子粘接成圆筒后的实验使我们认识到：改变压电片子的力学边界条件有利于套管波的激发。改变接收探头可以测量到我们所需要的套管波。但是，源距太远时，套管波幅度比较小。

另外，用压电片子作探头，力学边界条件应该加强，以减小整个探头的Q值。

SBT探头设计是该仪器制作的一个关键环节。本实验结果肯定了：完成固井质量检测所需要的套管波的测量，压电片子紧边界是一个比较好的选择。

参考文献

[1]沈永进，余翔宇，杜黎君，等，扇区水泥胶结测井仪实验研究[J].声学技术，2011，30（5）.

[2]沈建国.声波测井原理与技术[M].北京：石油工业出版社，2009.

声速测量实验篇4

关键词：超声检测 硬度 高铬铸铁 声速

中图分类号：TG143 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（c）-0052-02

材料的超声表征有两个涉及声传播的可测参量可以利用，及超声波在材料中的声速和衰减。速度漂移测量的是弹性模量的变化，适合于检测微观组织组分的变化量。材料的硬度与材料成分、组织、硬质相数量及分布有关，这些因素的变化可能影响超声波在材料中的传播速度。该试验研究目的在于建立超声波声速与硬度之间的关系。

众所周知，硬度是材料力学性能试验中使用最广泛的性能指标。高铬铸铁以其高硬度和高耐磨性而广泛应用于矿山机械、锻造机械及粉碎机械等。高铬铸铁的硬度是评价其力学性能和使用性能的重要指标，因此测量硬度是生产和使用高铬铸铁不可缺少的环节。通常用金相法测量硬度，是破坏性的。在高铬铸铁中存在分散的硬质相，使得测量点的硬度值很分散。用超声波评定高铬铸铁的硬度，是非破坏性的，而且评价结果是反映超声波传播路径上的平均硬度，比金相法测量多个点的硬度后再算平均值更为方便。

1 试验方法

1.1 水浸法超声试验原理

试验示意图如图1所示。以适当水层深度作延迟段进行水浸法测量是有利的，因为这种液体耦合剂可使探头和试样的耦合条件得以很好的确定，并使探头相对于试样的位置和取向得到严密的控制。可利用回波B和C（或D）。

待测试样纵波声速由式1计算可得

（1）

式中 为对比试块中的纵波速度。试验采用国标CSK―ⅠB试块，=5950 m/s；

、为对比试块和待测试样两底面反射波之间的距离；

、为对比试块和待测试样厚度；

、为在对比试块和试样上测零点距离试件所用的往返声程次数。试验中采用B、D回波，=3-1=2

试验步骤如下：

（1）确认测量所用探头的声场特性（指向性、声束对称性等）是良好的；

（2）根据声束已知的对比试块及待测试样厚度，调整仪器时间基线的测量范围、扫描延迟、测量范围微调，使对比试块一次、二次、……底反射（回波B、C、……）能以相同的间距出现在基建基线的线性段上。所用的反射波的次数以一次、二次、三次底反射（B、C、D）以相同的间距占据线性段即可；考虑到声束指向性及试样尺寸（侧壁）的可能造成的影响，更多次反射也并不总是有力的。

（3）在B、C、D回波波形正常情况下在超声波检测仪上读出B回波和D回波之间距离。

（4）保持仪器调整、水层厚度等不变，在待测试样上测量，设所得两点之间的距离为A2。

（5）待测试样纵波声速Ci2可由（1）式计算求出。

1.2 超声检测仪器及探头选择

试验使用PXUT―27型全数字智能超声波探伤仪。

探头为水浸平晶片探头，超声波发射频率2.5 MHz。

1.3 高铬铸铁试样制备

试验用的试样是为矿山采掘机截齿研制的铸造合金，经熔炼浇铸而成的，成分为高铬铸铁。采用不同的热处理（淬火+回火）工艺，获得不同的硬度。试样尺寸为Φ2.0×120 mm。

1.4 高铬铸铁试样硬度测试

由于高铬铸铁硬度较高，应采用洛氏硬度（HRC）进行硬度试验。用洛氏硬度计测得每组试样HRC。为了保证测试精度，每个试样测试面至少选择3个点进行硬度测试求出平均硬度值。

2 试验结果

2.1 高铬铸铁试样硬度测定结果

试样经不同的热处理工艺处理后，其硬度测试结果见表1。

2.2 高铬铸铁试样中超声波声速计算结果

超声波在试样中传播速度检测结果见表2。

2.3 高铬铸铁硬度与超声波声速之间的关系

对2.1和2.2测定的数据进行回归分析，可以建立高铬铸铁硬度与超声波声速之间的关系如图2。图2中的为实测值，直线为经过回归分析而得到的。直线数学解析式如下：

y=kx+b （2）

式中：k=0.033，b=-140.571

由图2可以看出，高铬铸铁硬度与超声波在其内传播声速之间存在对应关系，即随着硬度增大，声速增大。

试样在不同的热处理工艺处理后，其内部晶格结构、相组成及碳化物的析出等变化有所不同，这些因素都可能影响超声波传播的速度，并且是综合影响的结果。

3 结论

（1）超声波在高铬铸铁中传播的纵波声速与硬度存在大致正比关系；（2）高铬铸铁硬度的超声无损表征反映的是其微观组织的变化；（3）高铬铸铁超声无损表征的是声波传播路径上的平均硬度值；（4）在超声无损检测和硬度之间的关系是由破坏性试验得出来的，但对于同种成分的材料可以利用这个关系进行硬度指标的无损评价；（5）材料的某些力学性能指标可以用超声无损表征，但对于不同材料、不同的力学性能指标的表征，必须通过试验建立对应关系。

参考文献

[1] 李佳伟，陈积懋.无损检测手册[M].北京：机械工业出版社，2000：224-226.

[2] 李家伟.金属材料某些特性的超声表征[J].无损检测，1994（8）：230-233.

声速测量实验篇5

关键词：桩基检测技术；超声波；公路施工；应用

桩基施工作为一项隐蔽工程是公路建设的基础环节，同时也是公路施工质量及使用安全的重要保证。桩基检测技术是现阶段用于检测桩基施工质量的一系列操作技术的总称，它的应用在保证桩基施工、优化公路建设质量方面发挥着重要作用。

1 超声波检测技术在公路桩基检测中的应用分析

1.1 检测原理

在公路施工中，使用超声波检测技术对公路桩基进行检测的主要依据如下：在施工技术条件相同时，利用检测仪器发出的超声波脉冲对混凝土进行检测，超声波在不同性状混凝土中的传播情况和振幅频率有所不同，通过记录这些声学数据再进行对比便可以判断出公路桩基中存在的缺陷。

超声波脉冲在桩基中的传播速度受砼结构密度影响较大，通常情况下，当质地和测试距离一样时，声速与桩基密实程度成正比。如果桩基出现裂缝或孔洞，脉冲在经过时会绕开这些缺陷然后再被接收，这一过程中脉冲传播路径增大，相应所用的传播时间就会变长。

1.2 仪器与设备要求

1.2.1 基本配备。首先，信号放大器。频带宽度在200kHz之内，增益？芏100dB；其次，数据采集器。转换精度？芏8bit，采样频率？芏10MHz；最后，径向振动换能器。允许偏差±10mm。此外，超声波检测仪器还有处理存储器、声波发生器等其它设备，仪器需为一发双收性，以满足单孔检测需要，发射与接收两个换能器间距要？芏30cm，两台接收器间则选择20cm最为适宜。

1.2.2 埋设声测管。桩径150cm，则通常情况下埋设4根声测管。用于公路桩基检测的声测管最好使用金属材质，以螺纹方式链接，保证不漏水，同时其内径选择最好以换能器外径为依据，一般比其大1.5cm是最适宜的。声测管要选择安装在钢筋笼内侧，通常埋在桩底，以焊接或绑扎的形式固定住。在声测管安装完成以后，要封闭管底，以安装声测管的方向为起点依次分组和编号桩基检测区域内的声测管。

1.2.3 检测准备。a.被检测混凝土需浇筑超14天以上；b.为确保声测管畅通，在其内部注入清水；c.取芯孔与标准要求差距要控制在0.5%以内；d.精确测量声测管径直，误差允许范围±0.1cm。

1.2.4 检测规定。a.在使用超声波对桩基进行检测时，测点间距需控制在25cm以内，保证接收探头在位置关系上能与发射探头保持一致，差度控制在±以内，如出现较大偏差要随时进行调整。b.检测时要保持声波发射电压稳定，特别是在同一个桩基检测中，有利于对检测结果的判定。c.检测中一旦声学数据出现异常，要及时更细致的检测办法去确定桩基缺陷位置及程度。

1.3 数据分析

超声波检测技术是依据声速在砼结构中的传播速度来进行桩基缺陷检测的，如果检测一处区域，发现其声速传播要比周边声速传播慢，则可以将其视为可能存在坏损区域，再测量出该区域与桩基其它地区声速间的临界值，将该区域声速值定为v，临界值定为v1，则v

在测量出可能坏损区域以后在进行临界值确定。先确定标准混凝土内部声速的传播值，再将其与2倍声速差做减法，将其定为检测桩基中声速传播临界值。然后再取桩基剖面的若干个测量点进行检测，若此时声速值不高且分散性也不大时，可以声速低限值作为评判标准，如果实际检测声速比它还要低，则可直接判定疑似缺陷区域为异常区域。

除了用声速判定之外，使用超声波检测技术检测公路桩基时还可以根据波幅或PSD的变化形式进行判断，操作较为简单、便捷，但是这种技术用于适用于区域定位，具体的桩基缺陷程度、位置等则还需要一些仪器进行辅助加以确定。

2 桩基检测技术在公路施工中的应用实例

某高速公路在修筑期间，相关单位为确定其桩基施工质量，采用了桩基检测技术对桩基性能进行测验，查看其是否存在缺陷。由于该工程施工路段长，不同地区的施工场地及地质条件存在差异性，因此在对该公路的路基检测中相关单位为了确保检测效果的精准采用了4种检测方式对公路桩基进行抽样检测。

2.1 成孔质量检测

对成孔质量的检测主要包括检测桩径、孔深等相关设计是否符合施工要求，此外还对成孔的垂直度及其内部沉渣厚度等进行检测，该项检测中，被抽样的成孔数量占工程总数的20%。根据相关规定要求，成孔垂直度的偏差需要控制在1%以内，孔径误差在5cm之间，沉渣厚度不得高于15cm，经对几个成孔的质量检测结果符合标准，不仅如此，其它抽样调查的成孔质量也都在标准范围内。

2.2 试装荷载试验

对该高速公路的桩基使用静载试验的方式进行检测的主要目的在于检测桩基的承载力是否符合规范，该试验主要针对竖向的承载力进行检测以测出其极限。根据桩基检测要求，相关单位抽取了其中3根桩基进行静载试验，试验主要的荷载法具体操作如下：首先，对桩基进行荷载施加，荷载施加以后读取桩顶沉降量，第一次在荷载施加5min以后读取，紧接着的4次在每刻钟处读取，超过一小时以后则每30min读取一次。其次，桩基稳定标准规定为0.1mm/h，当桩基沉速相对稳定之后，才能继续施加荷载。最后，在给桩基卸载荷载时需要分级进行，通常每级间隔1小时左右，同时仍按照第一步的方式进行读取，直至荷载归零。经过现场检测之后，该公路工程抽取的3个桩基样品其沉降平均值约为1.47mm，但是由于荷载试验下桩基没有遭到破坏，说明这一承载范围已经符合公路路基施工标准。

2.3 低应变动力检测

这项检测技术主要用作检测该公路桩基施工中是否存在质量问题，通过该项技术，检测人员可以判断桩身完整性，找出桩身不足之及其出现问题的位置。

对该公路桩基质量的检测相关部门选用的检测仪器带有动测分析系统，检测原理如下：从上方垂直向下激振桩身顶部，这样振动产生的弹性波便会向下延伸，若桩身各处抗阻性不同时，在明显差异处就会产生反射波，收集反射波并将其进行处理，然后根据它来计算桩身波速，为故障查找奠定基础。在具体检测时首先要在被检测桩基的上方安置加速传感器，它会在桩基遭受锤击时发出加速度信号，这些信号经过转换以后会发送到计算机之中，然后以波形的形式被表现出来。通常情况下锤击信号需要收集5个或6个，分析来自不同部位的在不同锤击之下反射回来的信号，便能查找出桩基存在的缺陷及该缺陷的相关位置情况。

3 结束语

综上所述，桩基检测技术较多，相应的检测方法与检测方向也各有不同。在公路施工中对桩基质量的检测应根据具体施工需要来进行选取，必要时可以同时选用两种或以上的方式对公路桩基进行检测，以强化桩基施工质量。此外，随着道路施工、桩基建设技术的多样化发展，桩基检测技术也应该坚持与时俱进，不断进行技术创新以便更好的服务于检测事业当中。

参考文献

[1]刘飞.桩基检测的具体应用与分析[J].江西建材，2014（23）.

[2]梁道盛.工程基桩检测方法对比[J].公路交通科技（应用技术版），2013（3）.

声速测量实验篇6

关键词：乘车进气系统；噪声测试；分析

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.035

1 乘车进气系统噪声测试环境及设备

乘车进气系统噪声测试中，其在不同的环境下，所测定的结果会存在较差的差异，根据《汽车加速行程车外噪声限值及测量方法》（GB1495-2002）国家标准中所拟定的规定来看，其所测定的A声级即可作为噪声判断的依据[1]。而在实际测试过程中，其所测得的A声级所反映的所测得的声源在其特定的环境下，会对测定造成较大的影响，而不仅仅是声源自身的能量大小。为了能够更加准确地掌握声源自身的特性及噪声级别，就必须对测试的环境做出严格的要求。

在实际噪声测试的过程中，选取半消声实验室或者空旷安静的户外场地，这些测试环境均能够基本上满足实验半自由声场的相关要求。半消声室主要是指对半自由声场进行人工模拟的声学实验室，将被测试声源放置在强反射的地面上，其声波以半球面的方式来实现向外辐射，其透射的面积通常为，则能够获得相应的测试声源的声功率级别：

（1）

上述公司中，主要是指将r作为半径的半球面上所测得的平均声压级。

此外，在国家标准中就测试环境的本底噪声也有做出了明确规定。这里所指的本底噪声主要是指在无噪声测试的情况下，周围环境的噪声，当然还包括在场所中存在的风噪声。对本底噪声最低的标准是，相较于测试车辆噪声，应当低于10dB以上，同时还不会受到其他偶然出现声源的影响。在半消声实验室中，背景噪声应当低于18dB，所测试的噪声均应当超过30dB，从而使其能够与测试要求相符合[2]。

在测试过程中，主要通过数据采集系统来实现，对车辆加速期间所产生的发动机转速信号与噪声时域信号，并且经过采集系统的分析处理之后，即可得出总声压级和阶次噪声。该数据采集系统可实现与软件的对接，从能够更加快速地实现对所有装置的测试，从而更好的保证测试数据的精确度和质量[3]。针对加速噪声处理，常规情况下是通过阶次分析原理来完成噪声的采样分析。再经由软件来完成噪声信号的处理，并能够给出噪声的声级阶次的曲线。

本研究最主要的目的是为了对发动机进气噪声进行车内噪声的影响，为此，在车内分别设置了两个及以上的传声器测试点，并在其车外进气口位置设置了一个对照测试点。其中车内测点主要设置在后排中间与驾驶员内耳（右耳）之间这个部位，还可在前后两排座位之间设置一个测试点。具体安装位置见图1。进气管口测试部位通常是与进气口中心线距离100mm的位置，传声器方向则与进气口中心线相垂直。为了避免风噪声对测试结果造成影响，采用防风罩罩在测试传声器上。

2 半消声室转鼓上的进气噪声测试及结果分析

将整个停放在半消声室中，保证实验室始终处于安静状态下，保证能够获得更加稳定可靠的测试数据。在测试中，为了保证数据的真实，主要对车辆道路上的行驶状态进行模仿，选取平滑沥青路面作为实验室中转鼓鼓面，车辆能够以车带动鼓面的方式来进行鼓面的行驶。

根据国家标准中对档位提出的要求，当档位选定达到额定转速的情况下，车速应当尽量保持在130km/h左右，但不得超过该速度。对车辆全油门加速期间的相关数据进行测试记录。测试的范围应当从发动机最低可能的转速逐渐转化为最大可用转速，在本次测试中，具体情况为：3档全油门加速，对发动机从1000rpm到5000rpm转速期间时域信号数据。在进行测试期间，需将车内空调系统和窗户均完全关闭。

根据图2曲线图来看，这里我们仅从2阶、4阶、6阶最主要的影响过来进行分析。图2中曲线主要用于对噪声总声压级曲线进行表示，其中4.0与6.0分别用于对噪声4阶、6阶次声压级曲线的表示。

根据图2来看，在进气管口位点，其噪声声压级测定结果显示，当转速达到了4520rpm时，其噪声位点也达到了最高，但对其阶次曲线及对应的阶次峰值进行分析，发现其存在于4300rpm周围。结合压力脉动噪声频率公式，即可对中周期性脉冲噪声频率进行计算，重点了解在发动机4300rpm转速时，4阶、6阶所对应的频率分别为：

在试验中主要为了屏蔽进气噪声均安装了“绝对消声器”，这里所指的“绝对消声器”主要是指其容积应当比进气系统高出10倍左右，其对于进气系统而言，属于一个无限大容积的消声器，通常在消声器中会设置相应的吸声材料。在对消声器进行安装时，将其设置在原有进气系统的进气脏管段，也能够将进气系统空气滤清器卸除之后，将与进气净管段进行有效连接，本研究主要采用了后一种安装方案，这主要是由于前一种方案仅是将进气管口噪声进行了平壁，但却无法实现对空滤器壳体辐射噪声的屏蔽。在对消声器进行安装之后，再次对噪声进行测试，结果出现了明显的变化，见图3与图4。

根据图3显示结果来看，在完成消声器的安装之后，进气系统在3档全油门加速的状态下，其右耳噪声总声压级发生了改变，从4300rpm周围改变到了3700rpm到4500rpm范围内，同时可观察到4阶曲线能够达到4300rpm位置，其峰值在“消声”之后出现了明显的下降，其他阶次各个峰值均无显著改变。由此可知，在4300rpm的位置可将其视为进气系统噪声的贡献量，其所对应的频率为，当达到这个峰值时，就非常可能是因进气系统而产生的，从而经由波长管或者谐振腔等消声元件来实现有效控制。

3 在平直路面上进气噪声测试及结果分析

经过实验室的测试，可得出初步的结论，实验车辆的进气系统消声不足的频率位置。但为了进一步了解车辆在实际路面行驶过程中，其测试结果是否与实验室测试结果一致，同时对实验车辆道路行驶过程中，车内加速噪声水平进行初步的评估，故选取空旷的场所对实验车辆的噪声水平再次进行测试[4]。首先在车辆加速行驶过程中原始的车内噪声和进气管口的噪声情况进行测试，再进行消声器后噪声情况进行测试。

仍然以上述三点作为噪声测试点，且同样在3档全油门下加速行驶，对转速从1000rpm上升到5000rpm这个范围内的噪声数据进行测试和收集，并且测试期间需将空调系统和车窗完全关闭。测试结果见图5。

根据图5来看，在室外测试中，车外所设置的测试点受到了较大的干扰，但从测试结果来看，当总声压级达到4300rpm时，仍然达到了峰值，经由进气管口噪声对进气管口噪声的主要成分无法做出有效的判定，为此，将车内测试结果作为主要考察指标。

在道路上行驶实验中，“绝对消声器”的安装受到了较大的干扰，首先，必须在车身上将消声器进行有效固定，并确保其不会致使车辆行驶受到影响，同时还不会因振动等出现异常声响。为此，我们选取车前保险杠作为消声器固定点，同时在车身与消声器之间填塞了大量防震材料。

在完成消声器的装置折后，再次对平直道路上进气系统噪声情况进行测试，测试结果见图6。根据图6来看，驾驶员右耳所测定的阶次曲线发生了仍然控制在4300rpm这个部位，并且其峰值处于最低值，这就表明平直路面测试结果与半消声室内测得结果基本一致。为此，我们就4300rpm位置的峰值做出进一步的分析，并对其对应频率进行计算，结果显示，。

4 结论

综上所述，本实验通过在户外平直路面与半消声实验室，对车辆3档加速过程中进气系统噪声进行了测定，并且分别从车内测点和进口气点两个位点进行对比分析，再以“分别运转消去法”来实现噪声主要频率位置的识别。结果显示，在4阶4300rpm其所对应的频率达到了287Hz，该位置存在进气噪声成分，通过对该噪声进行有效屏蔽，驾驶员右耳的噪声即可得到了显著改善。

参考文献：

[1]张洪武.某乘用车进气系统对车内NVH性能贡献研究及改进[D].吉林大学，2011.

[2]张志华，王桂林，刘迟.乘用车进气系统NVH&CFD开发案例[J].内燃机与配件，2010（Z1）：4-13.

[3]姜大军.乘用车进气系统核心试验方法解读[J].上海汽车，2013（12）：45-48.

声速测量实验篇7

关键词：医用物理学；虚拟实验；实验教学；Flash

中图分类号：G642，O4-39 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2017）09-0064-04

由于医学专业学生对医用物理学认知不足，普遍对基础课程实验兴趣较低，教学效果大打折扣。为了增强学生学习兴趣，提高学习效率，我们可利用Flas可交互的特点[1，2]，设计虚拟实验，将医用物理学实验的内容及过程和相关知识形象生动、浅显易懂地表现出来，显示在计算机屏幕上。[3]在实验前进行虚拟实验操作，可以让学生了解本实验的测量原理和测量过程。在实验过程中运用虚拟技术分析实验的重点和难点，演示实验数据处理的方法，展示实验结论，能有效地提高实验课的教学质量。

为此，笔者专门设计了5个虚拟实验，用于课堂和实验课的教学，并取得了不错的成效。

虚拟实验《旋光仪的使用》

虚拟实验《旋光仪的使用》目的是测量旋光溶液浓度和旋光度的关系，实验界面如图1所示，包括试管选择、刻度盘调整、视野显示、角度x数等几个部分。

实验中刻度盘可以快速调整也可以细调。在刻度盘圆环上单击并拖动鼠标可以快速转动刻度盘。刻度盘细调按钮可以接受鼠标单击和双击。单击按钮调整0.05度，双击调整0.5度，而刻度盘快速调整最小单位也是0.5度。调整时刻度盘会有旋转动画，同时左右游标示数和目镜中三荫片视野各条纹亮暗程度也会相应地做同步变化。在刻度盘圆环上单击并拖动鼠标左键，调用下面这个函数：

通过选择空白试样、标准试样和待测试样，调整刻度盘使视野在暗视场状态下出现三荫片的条纹间边界消失（此时各条纹亮度相同），读取刻度盘读数，与空白试样的读数相减，可以获得标准试样和待测试样的旋光度，从而测得待测试样的浓度。每次启动这个虚拟实验，待测试样的浓度值会随机设定，测得的数值都不一样。

虚拟实验《超声声速测定实验》

《超声声速测定实验》在介绍了驻波法和相位法测声速的原理后，可以在双踪示波器上设定双踪方式（驻波法）或者X-Y方式（相位法）两种测量方式，实验装置如图2所示，主要包括频率显示、声速测定仪的调整和刻度显示、示波器波形选择和显示等三个部分。

测量界面的示波器、声速测定仪、信号源间已经正确连接完成。单击声速测定仪的接收探头左移或右移按纽，示波器上的波形就会做相应的改变，在驻波法方式下可以获得一系列波形最高时的接收探头的位置读数，而在相位法时也可获得李萨如图形为正斜率直线时接收探头的一系列位置读数，利用逐差差处理数据，可得两种测量方法下空气中的声波波长和波速。探头移动有时需要慢速精确进行，有时需要快速进行。持续按住探头左移或右移按钮不松开，探头移动速度逐渐加快，直到10倍于最初速度。

虚拟实验《用分光计测量衍射光的波长》

在《用分光计测量衍射光的波长》实验中，光栅在界面中央，分光计望远镜可以绕光栅旋转，角度游标可同时显示望远镜位置，如图3所示。

汞灯发出的复色光经光栅衍射后获得不同衍射角的单色光，移动望远镜到合适位置，在望远镜目镜的视野中用能显示衍射条纹，游标读数为目镜视野中央单色光的衍射位置，如此可以测量这些光的衍射角。分光计望远镜的移动采用按钮形式，利用鼠标中间的滚轮也可以移动望远镜，这就大大增加了操作的便利性。

当望远镜转动到某一条衍射光位置时，视野内观察到的衍射条纹会相应地动态移入分划板中心，同时主尺刻度盘配合左右游标也能获得相应的读数。望远镜动态移动的实现方式是利用setInterval函数设置转动函数wyj_rota_to的自动运行时间间隔，使望远镜在到达目的角度phi之前按setp距离连续增加，缓慢移动，到达目的角度后执行cleraInterval，使函数wyj_rota_to停止自动运行。

望远镜视野的衍射条纹的移动也可用同样的方法实现，如此实现望远镜和望远镜视野都缓慢移动到目的位置，使虚拟实验更逼真，界面更友好。由此可以读出±1级、±2级和±3级衍射光的衍射角（各种色光的每一级衍射光都有上下两条光线，望远镜分别在上下两个位置可以观察到它们，测得的衍射角需要求出平均值），利用光栅方程就可得到这些光的波长。

虚拟实验《测定液体的黏度》

《测定液体的黏度》根据已知的蒸馏水的黏度用比较法测量无水乙醇的黏度，实验装置如图4所示，主要包括乌氏黏度计和电子秒表两个部分。选择一种液体注入黏度计（蒸馏水或者无水乙醇），单击“打气”按钮（未注入液体或注入液体未完成则“打气”按钮不可用），黏度计内的液体充满B、C两个支管。给黏度计打气后，“打气”按钮文字变成“放气”。单击“放气”按钮，C支管液体立即落下，B支管液面缓慢下降。通过一个下降的遮罩矩形实现液体液面的下降这个动作，遮罩矩形下降的速度依据液体截面的大小进行调整。

B管液面在m、n刻线之间启动和停止秒表，可得一次测量数据。水浴温度数据设计为在14～20摄氏度之间随机取值，之后每一次为黏度计液体打气，有一定概率使温度上升0.1摄氏度，表示水浴温度随环境缓慢上升。实验中使用到的水的黏度和密度、乙醇的密度，可以在单击“查附表”按钮后显示。这样用户可以用内插法获得整数带一位小数位的摄氏温度下的黏度和密度数值，就可以进行实验数据的计算了。

虚拟实验《长度测量实验》

《长度测量实验》操作界面如上页图5所示，包括游标卡尺的使用和千分尺的使用。先练习用游标卡尺测量圆筒的内外径、长度、深度和用千分尺测量圆柱的直径和高，学习游标卡尺和千分尺数据的测读方法。然后进行实验，用千分尺测量长杆圆柱的直径和用游标卡尺测量圆柱的长度，计算圆柱体积，并用测量数据进行误差和不确定度的学习和计算。用两种工具测量时，形成的读数的最后一位会加减一个随机数，使每次测量数据都略有差别。

声速测量实验篇8

【关键词】控制棒驱动机构；落棒噪声；错对中；特征量

0 引言

控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件，在每次换料大修或驱动机构发生变动后需对其进行性能检查，目前的检测方法是测量线圈电流和落棒时间，此方法只能检测出驱动机构较明显的升降故障，而驱动机构多发生部件偏心、松动、形变等尚未发生可明确鉴别的故障，这些早期故障只使驱动机构出现阻滞或摩擦，此时电流变化不大，落棒时间增长也不明显，无法有效检测。

在国内，噪声检测技术应用于控制棒驱动机构故障检测尚处于尝试阶段，但该技术可逐步建立驱动机构运行故障特征数据，对驱动机构早期故障进行检测，提前预知驱动机构运行工况，以便尽早采取措施，保证控制棒驱动机构的运行安全性。

本研究针对滚轮丝杠控制棒驱动机构，采用噪声检测技术对处于偏心状态下的控制棒驱动机构落棒噪声进行时程和频谱特性分析，并给出了反应故障特性信息的特征量及其随偏心量增大的变化关系。

1 试验装置与设备

试验本体为滚轮丝杠控制棒驱动机构，它是通过滚轮丝杠传动副将转子的旋转运动转化为丝杠带动控制棒的上下直线运动，主要部件由位置指示器、转子部件、定子部件、丝杠部件、弹簧部件等组成。

试验测试设备由一个宽频加速度计、一个4通道前置电荷转换器和一台4个噪声检测通道、32个棒位测量通道组成的便携式噪声检测仪构成。加速度计采用卡扣适配方式安装在偏心管座壳外，棒位信号直接取自电源柜。噪声检测流程见图1。

图1 控制棒驱动机构噪声检测流程图

2 试验内容

常温、常压、静水状态下，利用试验本体及装置，进行正常和错对中落棒噪声特性试验，即在偏心量分别为0mm、4mm、6mm、10mm、15mm、20mm，各进行至少2次落棒试验，试验过程中，采集落棒噪声加速度信号。

落棒时间通过测量驱动机构电源柜位置指示器初级线圈内因驱动轴通过而产生感应电势的办法来测量。

3 试验结果比较与分析

3.1 落棒时间测量结果分析

落棒时间是控制棒从反应堆堆芯顶部下落到底部的时间，图2为试验中所测得正常和错对中偏心状态控制棒驱动机构落棒时间，从图中可见，随偏心量增大落棒时间变化较小，且均在设计允许范围内，由此可见通过测量落棒时间很难辨别错对中偏心故障。

图2 不同偏心量落棒时间

3.2 驱动机构落棒噪声特性分析

3.2.1 时程分析

控制棒驱动机构落棒行程中，产生主要噪声的事件依次为转子开启、驱动机构摩擦、控制棒下插摩擦和落棒冲击，将落棒加速度时程信号分为四段，提取各段加速度有效值特征量分别为RMS1、RMS2、RMS3、RMS4，并进行各错对中偏心状态时程特征量比较如图3。

图3 不同偏心量落棒四段加速度有效值

3.2.2 频谱分析

从1Hz至10KHz的频率范围内的频谱特征中，提取正常与错对中偏心状态落棒加速度信号频谱特征频率以及对应的峰值进行比较，发现在特征频率1000Hz、3500Hz、4500Hz、8000Hz等处频谱幅值变化较大如图4所示，这些特征频率在偏心量15mm、20mm的加速度频谱幅值有明显增大。

图4 不同偏心量落棒频谱特征

为了对驱动机构摩擦噪声的进行检测，将噪声加速度信号时程在1Hz～10kHz频率范围积分，得加速度级，计算公式如下式。在控制棒落棒过程中，加速度级的计算方法，是对在高速采样下的加速度信号，进行整个落棒过程的数据块的频谱计算，再对频谱在1Hz～10kHz频段进行数字积分。

由公式计算正常与错对中状态下的落棒加速度级如图5所示，图中落棒信号噪声加速度级随偏心量增大而增大明显。

4 结论

（1）采用噪声检测技术检测控制棒驱动机构错对中落棒噪声，在时程和频谱特征量变化较为明显。

（2）采用噪声检测技术可通过特征量变化辨别驱动机构错对中偏心故障状态以及偏心程度，而采用测量落棒时间的方法很难辨别。

【参考文献】

[1]张继革，吴元强，王敏稚.控制棒新型电磁驱动机构性能实验研究[J].核动力工程，2001，22（4）：365-369.