超声波测声速实验报告

西安交通大学

大学物理仿真实验

实验报告

——声速的测量

姓  名:林  丽

学  号:2120505028

学  院:电信学院

 班  级:计算机22班

一、   实验目的

1.       了解超声波的产生、发射和接收的方法;

2.       用驻波法和相位比较法测声速。

二、   实验仪器

1.       超声声速测定仪:主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。

2.       函数信号发生器:提供一定频率的信号,使之等于系统的谐振频率。

3.       示波器:示波器的x, y轴输入各接一个换能器,改变两个换能器之间的距离会影响示波器上的李萨如图形。并由此可测得当前频率下声波的波长,结合频率,可以求得空气中的声速。

三、   实验原理

由波动理论可知,波速与波长、频率有如下关系:v = f λ,只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器,信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法(共振干涉法)和行波法(相位比较法)测量。下图是超声波测声速实验装置图。

1. 


驻波法测波长

由声源发出的平面波经前方的平面反射后,入射波与发射波叠加,它们波动方程分别是:

叠加后合成波为:

的各点振幅最大,称为波腹,对应的位置:  (n=0,1,2,3…);

的各点振幅最小,称为波节,对应的位置:  (n=0,1,2,3…)。

因此,只要测得相邻两波腹(或波节)的位置即可得波长。

2.  相位比较法测波长

从换能器发出的超声波到达接收器,所以在同一时刻处的波有一相位差:  (其中λ是波长,x为之间距离)。因为x改变一个波长时,相位差就改变2p。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。

四、   实验步骤

1.              连接仪器。

按照图1连接好仪器,使用前开机预热10min,自动工作在连续被方式,选择的介质为空气,观察是否平行。

图 2  接线截图

2.              测量信号源的输出频率

将示波器调整为y-t模式,观察到正弦信号的波形,使间的距离约为5cm;调节信号发射强度,波幅为5V,在350(100MHz)附近调节频率,同时观察波形,使信号幅度最大,此时频率为329(100MHz),即为本系统的谐振频率。

3.              驻波法测波长和声速。

向右缓慢移动,观察示波器正弦信号的变化,选择信号最大位置开始读数,记为,取i=10,用逐差法求出声波波长和误差。利用谐振频率计算声波波速和误差。

4.              用相位比较法测波长和声速。

将示波器调整为X-Y工作方式。观察示波器出现的李萨如图形,缓慢移动,当重复出现该图形时,说明相位变化了2π,即之间移动了一个波长。沿右连续测量10个周期,用逐差法处理数据,求出波长、声速及误差。

李萨如图形

                          

图3  Ф=0                                                     图7 Ф=π

                       

图4 Ф=                                                    图8 Ф=

                         

图5 Ф=                                                     图9 Ф=

                     

图6 Ф=                                                  图10 Ф=2π

五、   数据记录及处理

1. 基础数据记录

谐振频率=33.5kHz

2. 驻波法测量声速

表1  驻波法测量声速数据

λ的平均值:1.0582(cm)

λ的不确定度:

=0.002(cm)

因为,λi= (1i+6-1i) /3,Δ=0.02mm

所以,0.000544(cm)

0.021(mm)

计算声速:

(m/s)

计算不确定度:

实验结果表示:υ=(354±3)m/s=0.8%

3. 相位比较法测量声速

表2  相位比较法测量声速数据(相位变换2π)

λ的平均值:1.1041(cm)

λ的不确定度:

=0.002(cm)

因为,λi= (1i+7-1i) /7,Δ=0.02mm

所以,0.000233(cm)

0.020(mm)

计算声速:

(m/s)

计算不确定度:

实验结果表示:υ=(353±3)m/sB=0.8%

六、   误差分析

1.       由于使用软件虚拟操作,应该不会出现一些读数的误差,操作上也应该没有什么问题;

2.       由于6月9日无法登陆大物实验中心和大厅,所以数据并没有从软件上得到,我只有参考了一些网络上的数据。

七、   实验建议

1.              虚拟实验的软件有很多地方还可以优化一下,如添加一个最小化按钮,调整一下,使之支持64位的操作系统等。

2.              实验的原理可以写得详细一些,由于有些知识没有学习,很大部分的实验原理都看不懂,知识照着实验指导上的步骤去做而已。

八、   思考题

1.        准确测量谐振频率的目的是什么?

答:在谐振频率时,波形最稳定,能够观察读数。准确测量数值,以便于调整。

2.       若固定两换能传感器之间的距离,改变频率,能否测量出声速?为什么?

能。因为v = f λ,已知频率f,而且波长λ也能通过示波器图像读出,所以可以用驻波法测量出声速。

 

第二篇:超声波角、平测及声速计算方法

超声波角、平测及声速计算方法

  张治泰

(陕西省建筑科学研究设计院,西安710082)

一、概述

    采用超声波检测混凝土质量,一般是根据构件或结构的几何形状、所处环境、尺寸大小以及所能提供的测试表面等条件,选用不同的测试方法。一般常用的检测方法有以下几种:

1. 对测法。当混凝土被测部位能提供一对相互平行的测试表面时,可采用对测法检测。即将一对厚度振动式换能器(发射简称F换能器,接收简称S换能器),分别耦合于被测构件同一测区两个相互平行的表面逐点进行测试,F、S换能器的轴线始终位于同一直线上。例如检测一般混凝土柱、梁等构件。

2. 角测法。当混凝土被测部位只能提供两个相邻表面时,虽然无法进行对测,但可以采用丁角方法检测。即将一对F、S换能器分别耦合于被测构件的两个相邻表面进行逐点测试,两个换能器的轴线形成90°夹角。例如检测旁边存在墙体、管道等障碍物的混凝土柱子。

3. 平测法。当混凝土被测部位只能提供一个测试表面时,可采用平测法检测。将一对F、S换能器置于被测结构同一个表面,以一定测试距离进行逐点检测。 比如检测路面、飞机跑道、隧道壁等结构。

    其中角测或斜测法以及平测法在超声波检测混凝土缺陷中经常用到,我们在《陕西省综合法检测混凝土强度技术规程》DBJ―24―7―88中提出了超声波斜测(含角测)和平测方法,在《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》CECS 02:88中尚未规定这两种测试方法。根据工程检测的需要,在CECS 02规程修订稿中增加了角测和平测内容。

二、超声波角测及其声速计算

1.测试方法。 超声波角测法的测点布置如图2―1所示。为使超声波能充分反映构件内部混凝土质量,同时还要避开钢筋的影响,布置超声测点时应使换能器尽量离开构件边缘远一些,同时为了简化测试操作工序,减少测距l和声速v的计算工作量,宜将同一测区三个测点布置成统一的尺寸l1l2(如图2―1(b))。通过计算分析表明,换能器中心点与构件边缘的距离只要不小于200mm,混凝土声速小到3.50~3.80km/s均不会受到钢筋的影响。在工程检测中经常遇到的构件,可供测试的两个表面不一样宽,所以布置测点时不要求l1l2相等,但二者相差不宜大于2倍 。l1l2的测量精度应控制在±1%之内。

2. 超声测距和混凝土声速计算。丁角测试的测距l可采用F、S换能器中心点与构

件边缘的距离l1l2 的平方和再开方求得,即l应按(2―1)式计算:

   (mm)                     (2―1)

 

                

i点混凝土的声速vi应按(2―2)式计算,精确至0.01km/s。

        (2―2)

式中 li――第i点角测的计算测距(mm

ti―――i点角测的声时测读值(ms)

t0――声时初读数(ms)。根据使用的超声波仪器和所配置的换能器及其连接电缆实测确定。

如果同一测区三个测点的l1l2不相同,则应首先按(2―2)式分别计算三个测点的声速值,再按(2―3)式计算测区混凝土的声速,精确至0.01km/s。

               (2―3)

式中 vc――测区混凝土声速(km/s)

     v1v2v3――分别为该测区第1、2、3点的混凝土声速(km/s)

当同一测区三个测点的l1l2相同时,则只计算一个测距值,测区混凝土的声速可按(2―4)式计算,精确至0.01km/s。

            (2―4)

式中 vc――测区混凝土声速(km/s);

l――超声角测的计算测距(mm);

tm――该测区三个测点的声时平均值(ms);

l1l2――分别为F、S换能器中心至构件边缘的距离(mm)。

大量对比试验表明,丁角测试按(2―4)式计算的声速值与对测声速值没有明显差异,不需作任何修正。

三. 超声波平测及其声速计算

在实际工程检测中有时遇到被测结构或构件只能提供一个测试表面(如道路、机场跑道、现浇楼板、隧道壁、挡土墙等),显然无法用对测和角测的方法进行测试。为了使《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》适应各种类型构件的测试需要,这次修订增加了平测方法。

1. 测试方法。超声平测法的测点布置如图3―1所示。


(a) 平面图                     (b)立面图

图3―1  超声波平测示意图

F-发射换能器;   S-接收换能器;   G-钢筋轴线

因为板型结构或构件的表面内分布有钢筋网片,为了避开钢筋的影响,布置平测超声测点时,应使发射(F)和接收(S)换能器的连线与测点附近钢筋轴线保持一定夹角,一般控制在40°~50°,同时为了减少声速计算工作量,布置超声测点时可使同一测区三个测点的测距保持相等(可采用一根300~400mm长的木条作支撑,以控制每一测点F、S换能器间距的一致性)。大量实践证明,平测时测距过小或过大,超声接收信号的首波起始点难以辨认,测读的声时误差较大。一般将F、S换能器中对中距离保持在300~400mm时,首波起始点较好辨认,便于进行声时测量。

但平测法必定只能反映浅层混凝土的质量,对于厚度较大的板式结构(如混凝土承台、筏板等)不宜用平测法,可沿结构表面每间隔一定距离钻一个φ40~φ50mm的超声测试孔,用径向振动式换能器进行声速测量。

2. 混凝土声速计算。平测时某测点的声速应按(3―1)式计算,精确至0.01km/s。

                       (3―1)

式中 vi――第i点平测声速值(km/s);

li ――第i点F、S换能器中心之间的距离(mm);

t0 ――声时初读数(ms)。

测区混凝土声速应按(3―2)式计算,精确至0.01km/s 。

            (3―2)

式中 vc ――测区混凝土声速(km/s)

v1v2v3 ――分别为该测区第1、2、3测点的平测声速(km/s)

k ――平测声速修正系数。

当同一测区三个测点的测距相同时,测区混凝土声速可按(3―3)式计算,精确至0.01km/s。

                    (3―3)

式中  l ――F、S换能器中心之间的距离(mm)

tm ―― 该测区3个测点的声时平均值(ms)

k ――平测声速修正系数。

t0 ――声时初读数(ms)。

根据一些模拟试验和工程检测中所做的平测与对测的对比结果表明,平测声速(vP)与对测声速(vd)之间存在差异,但这些差异并非固定值,因为平测的声速受到测试表面混凝土质量好坏的影响较大。所以当测试部位混凝土质量表里一致,表面光洁、平整且未受任何损伤时,平测与对测声速的差异不大,一般vd/vp =1.00~1.03;如果混凝土测试表面粗糙、疏松或存在微裂缝,则vpvd之间的差异较大,一般vd/ vp=1.04~1.15。在实际工程检测中,如有条件在同一测试部位(如剪力墙门洞附近)做平测和对测比较,可求出实际修正系数,按实测修正系数k对平测声速进行修正。

当无条件做对比测试时,可选取有代表性的部位,依次改变发射和接收换能器之间的距离(如200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200mm)进行平测,逐点读取相应声时值,然后以测距li与对应声时ti求回归方程l=a+bt,其中回归系数b相当于对测时的混凝土声速vd,然后以vd与各测点声速的平均值vm进行比较,求出该状态下的平测声速修正系数k。

下面用几个平测的实例,来说明混凝土测试表面的质量状态,对平测声速修正系数k的影响情况,结果见表3-1。

表3-1 几个试件的平测分析结果

由表3-1看出,试件h-1由于测试表面较粗糙,其声速修正系数较大(k=1.151);试件f-3的测试表面较疏松,且有不规则微裂缝,其声速修正系数最大(k=1.257);试件t-1和k-2的测试表面较好,所以其声速修正系数较小,k值分别为1.09和1.02。

在进行超声波平测时,测区混凝土声速的确定要根据所测构件测试面的实际情况求出修正系数k,先对平测声速进行适当修正后,再进行混凝土强度计算,千万不能盲目套用某种修正方法或某一修正系数,否则会引起较大误差。

相关推荐