（测试计量技术及仪器专业论文）超声波测沙仪样机的研制.pdf

郑州大学硕士论文 中英文摘要 摘要 y6 0 5 2 6 3 该系统利用超声波反射法和衰减法的结合一超声波面积比值法，提高了仪表 的精度，增强了仪表抗干扰能力，并能通过无线发射技术，能够实现远距离测量 与控制，为我国河流、水文水资源观测与预报，提供了有力的工具。 本系统通过双通道频段采集信号，增强了系统对沙粒粒径的识别能力。信号 由接收探头传到信号处理电路，经过放大、滤波、检波、采样保持进入a i d 转换 器。数据读入微处理器后进行分析，利用数字处理技术，判断其幅值大小、相位 的变化，由此来判断含沙量的情况。脉冲的发射由c p u 控制，可以发送连续超声 波和序列脉冲波。 系统提供了“自动方式”和“人工方式”操作，由键盘进行操作。进入“自 动方式”后，仪表将自动间断采集数据、处理和显示结果，然后把数据和结果通 过串口或者无线通信方式传给上位机；进入“人工方式”后，可人工控制仪表的 工作，有目的的采集数据、显示数据和存储结果或进行远距离传输：也可以利用 p c 机操作界面，进行现场操作，由对话框发出命令，对仪表工作进行控制。根据 测量的要求，采用相应的动态画面，能够显示数据和绘制波形。系统包括水下测 试点的温度测量、含沙量的测量。 该仪表一旦研制成功后，将具有使用方便，操作快捷、低成本等特点，能取 代传统的测沙器具，大大减轻了操作人员的劳动强度，为我国水利建设与河流水 文观测提供了重要的工具。 仪表存在一些不足之处，如测量范围不够大、精度不够高等，需要进一步改 进和完善，希望今后能在技术细节上不断改进，以适应实际现场测试不断提出的 新要求。 关键词：含沙量，超声波，接口技术，测沙仪 a b s t r a c t t h es y s t e mi m p r o v e st h ep r e c i s i o no ft h ei n s t r u m e n ta n di m p r o v e si t s r e s i s t i n g 郑州大学硕士论文中英文摘要 c a p a c i t yt o d i s t u r b a n c eb yt h em e t h o do fa c r e a g er a t i os t a n d a r do fu l t r a s o n i cw h i c h c o m b i n e su l t r a s o n i ce c h oa n da t t e n u a t i o n i t c a r tr e a l i z ef a r - d i s t a n c em e a s u r ea n d c o n t r o lb yw i r e l e s sl a u n c ht e c h n i q u e i to f f e r sap o w e r f u lt o o lf o rt h eo b s e r v a t i o na n d p r e d i c t i o no f r i v e r sa n d w a t e rr e s o u r c ei no u rc o u n t r y , t h i ss y s t e mi m p r o v e st h er e c o g n i z i n ga b i l i t ya tt h ed i m e n s i o no ft h es a n db y u s i n gt w o b a n df r e q u e n c yt oc o l l e c ts i g n a l s t h es i g n a la c c e p t e db yu l t r a s o n i cp r o b e p a s s e sd i s p o s i n gc i r c u i t ，m a g n i f y i n g ，s i e v i n g i t s w a v e s ，p a s s i n g d e m o d u l a t i o n ， s a m p l i n ga n dh o l d i n gs y s t e ma n d t h e nc o m e si n t oa dc o n v e r s i o n ，t h ec p ur e a d si n t h ed a t a ，t h e na n a l y z e sa n dj u d g e si t sv a l u ea n dp h a s e ，a n dt h e ni tc a l le s t i m a t eh o w m u c hs a n di si nt h ew a t e r t h eu l t r a s o n i c p u l s e s e n ti sc o n t r o l l e db yc p u ，t h e u l t r a s o n i cp u l s ec a nh e s e q u e n t a n dd i s c o n t i n u o u s t h es y s t e mo f f e r s “a u t o m a t i s m a n d “m a n u a l w o r k ”o p e r a t i o nt h a t e a r lb e s e l e c t e db yt h ek e y b o a r d t h e a u t o m a t i s m c a nm o t i o na u t o m a t i c a l l y , g a t h e r i n gt h e d a t a ，d i s p o s i n ga n dd i s p l a y i n g t h er e s u l t ，t h e ns e n dt h er e s u l tt oe p i g y n y p c 姆c o m o r w i r e l e s s l y ；t h e “m a n u a lw o r k ”c a nb ec o n t r o l l e db ym a i l w ec a l lc o l l e c td a t a ，d i s p l a y a n ds a v er e s u l to rs e n dd a t af r o m l o n g d i s t a n c em a n u a l l y i tc a n a l s ob eh a n d l e db yp c p cs e n d so r d e rb yd i a l o gf r a m et oc o n t r o lt h ei n s t r u m e n t s w o r k f o l l o w i n gt h e m e a s u r e m e n t sr e q u i r i n g ，i ti n t r o d u c e sa c t i v em e n u ，d i s p l a yt h ed a t aa n dd r a wt h ew a v e t h es y s t e mc a nm e a s u r et h et e s tp o i n t t e m p e r a t u r ea n dc o n t e n to f t h es a n d i n e s si nt h e w a t e r , t h es y s t e mi s c o n v e n i e n t ，s h o r t c u th a n d l ea n dl o wc o s t nw i l lr e p l a c et h e t r a d i t i o n a p p a r a t u s f o rt h es a n dm e a s u r e m e n t ，l i g h t e nt h ew o r k e rl a b o r , a n do f f e r i m p o r t a n t t o o lf o ro u r c o u n t r y si r r i g a t i o nw o r k s b u i l da n dr i v e ro b s e r v a t i o n t h ei n s t r u m e n th a ss e v e r a ls h o r t c o m i n g s ，s u c ha st h em e a s u r e m e n t r a n g ei sn o t b i ge n o u g h ，t h ep r e c i s i o ni sn o th i g he n o u g h ，a n di ta l s on e e d si m p r o v e m e n t w eh o p e t h et e c h n i q u ec a l lb ed e v e l o p e ds t e pb y s t e p w eh o p ei te a r lm e e tt h en e wd e m a n do f o nt h es p o t f i e l d - t e s t i n g k e yw o r d s ：s e d i m e n t sc o n c e n t r a t i o n ，u l t r a s o n i c ，p e r i p h e r a li n t e r f a c et e c h n o l o g y , s a n d sm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t i i 郑州i 大学硕 ：论文 绪论 绪论 当前水文水资源的研究与测量管理是水文测量最基本的项目。河流水资源含 沙量的测试与评估，对我国水利建设、农业生产、环境保护和水土流失等具有重 大意义，为我国国民经济建设提供重要水文观测依据。 黄河是闻名世界的多沙河流。泥沙含量大，是其一大特点，年平均含沙量 3 7 k g m “”实测最大含沙量接近8 0 9 k g m “”。黄河泥沙的粒径范围从纳米到毫米级 变化很大，大多数粒径在0 0 1 o 0 5 m m 之间，平均粒径在0 0 2 0 1 3 m m 之间。 黄河河床落差大，水流急，泥沙观测是黄河水文工作的个重要组成部分，泥沙 资料是水利工程设计、防洪减灾和水资源保护的重要依据。 泥沙测量是水文观测的基本任务之一。目前，黄河水文系统绝大部分观测站， 泥沙测试使用瞬时式采样器，这种采样器因不能适应水文缆道测沙需要，劳动强 度大、操作不安全、取样误差很大、测试时间过长，已不再提倡使用。 国外对测沙方面已有了进一步的研究，如激光测沙仪已成功地测量水中沙的 含量及沙粒粒径大小，但其测量范围较窄。上世纪8 0 、9 0 年代我国一些专家学者 也曾经在测沙方面做了大量的研究工作，黄河水文工作者一直在不断寻找出路和 途径，不断地探索与研究，力图解决这一问题。他们已采用了超声波反射法、透 射衰减法、多普勒效应和激光透射法等，超声波反射法是通过发射超声波哪，超声 波通过悬浊液后，发生衰减，遇到挡板后，再反射回来，根据接受到的反射信号， 来测量液体含沙量的多少，该方法在低浓度时测量较准，但精度还不理想，含沙 量较大时偏差较大，通过自动增益技术，可以扩大测量范围；同位素测沙仅是利 用核放射( 铯核镅元素) 放射出的y 射线探测水体中泥沙浓度的“1 。当y 射线穿过 物质时，其强度随吸收体厚度增加按指数规律减弱。对水沙两相混合的浑水，探 测器所测得的信号和水流含沙量间存在一定的关系，根据这种对应关系来确定浑 水中含沙量的多少。利用同位素测量含沙量不受泥沙粒径的影响。但是，用同位 素测量含沙量存在一定的污染，有些发达国家禁止使用同位素测量河流含沙量； 激光颡4 沙仪。1 利用光学原理当一束平行光通过浑浊液后，透射光的强度减弱，其 中部分被介质吸收，另一部分发生散射，透过来的光只是入射光的一部分。消 郑州i 大学硕士论文 绪论 光原理“1 认为透过光强与含沙量之问有对应的关系，根据这种关系来测量含沙量。 用光电法制造的测沙仪有结构简单的优点，其主要不利因素是非线性带来的误差 和粒径变化产生的误差；振动式测沙仪”3 是通过测量密度来测量含沙量的仪器。根 据振动学原理，物体谐振时，其振动频率与密度有关。当振动管的材料、厚度、 直径、长度及两端固定方式确定的情况下，液体流经振动管时振动频率可由振动 方程来描述。但这种方法在测试过程中有很多不稳定因素，制作工艺难度很大。 基于上述原因，在前人研究的基础上，利用“超声波面积比值法”，我们正 在研制一套在线实时测量仪表，该议表能够完成瞬时在线测量，操作便利，精度 较高，并有温度测量显示、含沙量计算显示、数据存储和无线通讯功能。该仪表 采用了双频段通道测量，可对沙子粒径进行估测，并对粒径、温度所带来的影响 进行校正，大大提高了测试仪表的精度。仪表采用数字处理技术，用最小二乘法 对信号进行曲线拟合，大量的实验表明， 能力较强。但仍然存在一些不足和问题， 系统测量范围较大，精度较高，抗干扰 有待于进一步改进和提高。 郑州大学硕士论文 第一章超声波及超声波检测原理 第一章超声波及超声波检测原理 1 1 超声波的主要物理特性 1 1 1 基本理论 1 弹性媒质中传播的应力、质点位移、质点速度等量的变化称为声波，当其频 率在2 0 k h z 以上，超出人耳的听觉上限，人们把这种听不见的声波叫做超声波。超 声波是一种机械波，即机械振动。当一质点作直线振动时，取平衡位置为原点，可 以用质点离平衡位置的位移i 随时i nt 而变化的函数l = 中( t ) 来描述这一直线振 动运动规律。很多情况下，这个函数是周期性的，即：中( t ) = 巾( t + t ) 这种振动叫做周期性振动。当上述函数。是最简单的周期函数即余弦函数( 或 正弦函数) 时，这种最简单也是最基本的周期振动就叫余弦( 或正弦) 振动或谐振 动。振动公式为： 善。c 。s ( 三f + 妒) ：孝。c 。s ( 2 矽+ 妒) ：善。c 。s ( 国+ p ) ( 1 ) 式中： l 。一质点离开平衡位置的最大位移，叫做振幅： t 周期； 仁l t 频率； ( i ) = 2 f = 2 t 圆频率； t + f l 谐振的相位角； d 初相位角。 可以证明，任何复杂振动都是由若干个不同频率的谐振所组成的。周期性的复 杂振动可以用傅立叶级数的方法分解为许多个谐振动，其频率都是由一个最低频率 f 和其整数倍组成，f 叫做基频，其他的则叫做倍频。非周期的复杂振动可用傅立叶 积分的方法分解为无从多个频率连续变化的谐振动。 将式( 1 ) 对时间求一次导数和二次导数，就可得到谐振动的质点振动速度u 和 加速度口。 ”= 警= c o s ( c o t + ( o + 7 ”i了) 郑州大学硕士论文 第一章超声波及超声波检测原理 口= 旦 = a 卅 o t c o s (+ 妒+ 石) 口2 石2 a m+ 妒棚) 式中， “。= 厶是速度振幅，“。= f 。2 是加速度振幅。 2 理想媒质中平面声波的波动方程。 如果在垂直于波的传播方向的任一平面上，所有各点都作相同的振动，这种波 就称为平面波。假定x 轴是声波的传播方向，在原点x = 0 的平面上各点的振动状态 为f = m 0 c o s ( 0 t ，如果声波的传播速度为c ，那么时间，后，波动将向前传递了一段 距离x = c t 。因为是理想的无衰减媒质，声波又没有扩散，所以振幅并不改变。因此， 在距离为x 处的振动可以写成： 毒= 厶o c o s p + = ) ( 4 ) f 式( 4 ) 叫做声波沿x 方向传播的平面余弦波在理想媒质中的波动方程。 设波长为 ，则a ：c t ：三：丝。引 ，国 入波数女，则括孕。有下式： 善= 厶。c 。s ( 耐一h ) = 六。c 。s 2 x ( ( t 一三) ( 5 ) 由式( 4 ) ，求f 对x 和t 的二阶偏导数后 动方稃 图卜1 平面余弦波沿x 轴的传播 可得到无衰减理想媒质中平面波的波 婺：c 2 冀 ( 6 ) 出2m 2 3 有衰减时的平面波波动方程。 平面波传播时声束不发生扩散，如果它的振幅随传播距离而逐步变小，那是由 于媒质对声波传播的衰减作用所致。 考虑了振幅的衰减后，可以写出有衰减时沿x 轴传播的平面余弦波方程： f = 乞o e - “c o s 脚( t - 2 乞0 e - 。c o s ( o ) f 一触) ( 7 ) 式中，a 是媒质对声波的衰减系数。 1 1 2 超声波的主要物理特性 1 波动特性 郑州大学硕士论文 第一章超声波及超声波检测原理 超声波和一切波动一样，具有频率 声速c 与波长a 三个物理量。三者关系为： c - - f 。 ( 8 ) 超声的频率范围在2 1 0 4 l o h z 之间。超声波在不同介质中传播时的声速不 同。 2 束射特性”1 超声波传播具有方向性和射线性。在相同辐射条件下，对于有方向性的换能器 而言，随着频率的提高，其方向性更加尖锐。在离声源较近的一段，波束几乎平行， 称为近场，近场范围 “生 ( 9 ) 式中，三近场长度； r 一换能器探头半径。 远离声源地区，波束向四周稍有扩散，其每侧扩散波束与平行波束之间形成目 角( 称半扩散角) 。 对于圆盘状的超声换能器有： 5 i m o ：1 2 2 旦 ( 1 0 ) 2 石 式中， 波长： ，一圆盘换能器半径： 口远场区半扩散角。 图卜2 3 射线特性9 1 由于超声波可以成束发射，直线传播，方向性强。在传播过程中，当遇到两种 声阻抗率( p c ) 不同的物质所形成的介面时，就产生声波的反射和折射现象。超声的 反射和折射遵循几何学规律。见图卜3 ，入射角等于反射角，不等于折射角。两种 介质交界面的声阻抗率差别愈大，反射愈强，透入到第二介质的声能就愈小。 郑州大学硕士论文第一章超声波及超声波检测原理 介谳 入射波 反射波 弋 o l 7介 入v ，j 图1 一一3 反射声压与入射声压之比称为声压反射系数( b ) ： r 产旦垒二旦鱼 p 2 c 2 + p j e l 式中，p 。q 是介质i 的声阻抗率，p 2 c ：是介质i i 的声阻抗率。 透射声压与入射声压之比称为声压透射系数( 厂) ， 厂：! 鱼生 p 2 c ，+ p ) c 1 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 4 吸收特性 超声波在传播过程中除了波阵面扩大引入的衰减以外，主要是传播介质的吸收。 例如分子间的粘滞、热传导、散射等都是引起介质吸收的原因。对于一个考虑介质 吸收的简谐平面波，其质点振动位移可以表示为( 1 3 ) ： 善= 品e “p “一“0 3 ) 式中，a 为介质吸收( 衰减) 系数。 5 多普列效应 发射超声波时，当声源与被测物体间有相对运动时，会使反射的超声频率发生 改变，即发生频移。运动速度愈大，频移也愈大，此种现象称多普列效应。其计算 公式为： 产2 v e o s o ( 1 4 ) 式中，匀。一频移值； v 被测运动体速度： 口入射超声方向与运动方向间的夹角； 郑州大学硕士论文 第一章超声波及超声波检测原理 为波长。 6 超声空化效应 所谓空化，即为空腔在液体中形成又迅速闭合。产生空化的原因是，当液体绕 流各障碍物时，在液体中产生足够大的拉张应力。但是，当超声声压超过某一阈值 时，液体也会产生空化。这是超声波在负半周对介质拉伸时将其撕裂而产生的。同 时，当空化腔崩溃时产生强烈的局部冲击波。 1 2 超声波换能器的工作原理 应用超声波实现工业测量，首先要解决的问题就是如何发射超声波和接收超声 波。超声换能器的作用是使其他形式的能量( 通过发射换能器) 转换成超声波的能量 和使超声能量( 通过接收换能器) 转换成其他易于检测的能量。电能的运用最为方 便，应用最广泛的是电能和超声能量相互转换的电声换能器。用适当的发射电路把 电能加到发射换能器上可使它作超声振动，并在周围的介质中产生所需的超声波。 接收换能器把接收到的声音信号转换成电信号，采用适当的接收电路可获得有足够 大的能量，可用于检测介质的某些特性。 1 2 1 压电效应 有些单晶体和多晶体陶瓷材料，在其适当方向施加外力时，内部电极化状态发 生变化，在电介质的某相对两面出现符号相反的束缚电荷，这种由于外力作用使电 介质带电的效应称为压电效应“，这些材料就称为压电材料。压电材料不但有压电 效应，而且还有逆压电效应，这些材料承受电压时，电介质内部电极化状态会发生 变化，产生应力和应变。电能转换成超声波能量是利用逆压电效应原理，而接收超 声波提供电信号则是利用压电效应的原理来工作的。 工业测量技术中常用的压电材料可以分为两大类。第一类是天然或人工制造的 压电单晶体。第二类是人工烧制的多晶体压电陶瓷。 1 压电换能器的等效电路 压电换能器可以用图卜4 a 和卜4 b 两种形式来表示，最常用的是图卜4 a 的形 式。 图1 4 b 中的变压器是力电变压器，a 就是力电变换系数。变压器右边的m 、 g - 、r m o 、z 。t 都是力学量，m 、c n 、r 。分别是惯性、力容和机械内耗力阻”3 ，它们和a 邦州i 大学硕士论文第一章超声波及超声波检测原理 都决定于换能器的材料、尺寸和振动模式。z 。，称为负载阻抗，反映周围介质对 z 【砷f m 图1 4 a图1 4 b 换能器的影响，它决定于周围介质的特性和周围介质波动情况。 图a 实际上就是图b 经力电变换以后所得到的等效电路图，但l 。、c 、心和 z 这一串联支路仍被叫做机械支路。 2 超声波换能器的主要性能指标 1 ) 作频率f 。大多工作频率选取在换能器的机械共振频率附近，因而所谓工作 频率一般指换能器的机械共振频率或其附近频率。 2 ) 机电耦合系数k 。超声波换能器的机械能于电磁能相互转换过程，就是机 电耦合过程。机电耦合系数定义为： ， 贮存的机械能量 、 2 丽前隔雨瓦丽 1 5 ) 3 )换能器的机械品质因数q m 。q f l 有三种定义： 不同形状和不同振动方式所对应的机电耦合系数不同，机电耦合系数为无量纲 单位。 q 。 ：竺8 ：翌 r 册 ( 1 6 ) 式中为机械谐振频率，m 为等效质量，r 。机械力阻； q 。= 鼢 ， 式中善1 、f 2 表示衰减振动的两次相邻振幅值； 驴击= 卺国，一国l 国 ( 1 8 ) 1 一 郑州大学硕士论文 第一章超声波及超声波检测原理 式中国2 及珊- 是谐振频率甜r 左、右两边半功率点上的频率值，a m 又称标带 宽度( 或频带宽度) 。由此可见，换能器的机械品质因数q m 是与标称带宽 a ( - 0 - ，= - = 一 ( 1 9 ) 密切相关，即与换能器的机电耦合系数密切相关而且与所在介质的辐射阻、换能器 结构、材料及损耗密切相关。 4 )换能器的阻抗特性。 根据换能器的等效机电六端网络图，每一端具有一定的特性阻抗。所以，一 方面换能器与发射电路( 或接收声负载) 匹配。这个匹配条件是非常重要的。 5 )换能器的方向特性。 一个发射或接收声波换能器，其尺寸和所在介质中的声波波长可相比拟时， 它发射的声能集中在某些方向上，声能( 或声压) 是方位角的函数。所做出声压随 方位角的变化曲线图称方向性图。另外，当换能器尺寸比所在介质的波长小得多时， 换能器均匀辐射不能形成方向性。方向特性往往用指向性因数r 来度量，亦称空间 聚焦系数： ”争= 等等 ， 式中i o 和p o 为声轴方向某一定距离的声强和声压；i 为同一距离上所有方向 的平均声压；r 为远场距离；p 为远场距离r 球面上的声压，它是方位角的函数。 研= 1 0l gr o ( d b ) ( 2 1 ) 称d i 为指向性指数，也称空间增益。 6 )换能器的功率。 功率包括换能器的输入电功率w a ，机电耦合后产生的机械振动所具有的机械 功率仉，机械振动向介质辐射的声功率w c ，w c 是描写一个辐射器在单位时间里向介 质辐射多少声能的物理量。由于输入电功率转换成机械功率必然存在电损耗功率 以及机械功率转成声功率必然存在机械损耗功率( 由内磨檫等) ，所以有： w 。= 矿+ wm( 2 2 ) = 矽w+ c( 2 3 ) 7 ) 换能器的效率。 9 塑型查堂堡主堡塞 一笙二皇童堕型堕堡墅兰堕垒型坠 换能器作为能量传输网络，有一个能量传输的效率。有三个不同的效率： 机电效率为： 一堕：坠 (24)ri m 2 百5 瓦i i 9 ” 枫声效率为： ：墅：坠 (25)ri c ，u2 露2 w , + w u c 怕驯 电声效率为： 。= 琶= 鲁甓= 玑。 ， 由上式可见，锄，。愈高，电损耗功率愈小；r c ，“愈高，机械摩擦损耗功率愈 小：换能器的最终电声效率是机声效率，。与机电效率r 。，。的乘积。 8 ) 换能器的频率特性。 所谓频率特性是指抉能器的主要参数，如功率、声压、阻抗及灵敏度等随频率 变化的特性。超声波换能器在应用中在一定的带宽内获得平坦的阻抗频率特性有很 大意义。 i 2 2 压电陶瓷换能器 1 薄圆片的夺取度振动“” 设压电陶瓷薄片厚度为d ，两对面涂有电极，沿厚度方向进行极化，也就是沿 厚度方向施加交变电场，如图卜5 所示。当交变电场的频率调整到陶瓷片的厚度共 振频率时，陶瓷片即作强烈的厚度共振。其共振频率为： 兀= 寺厚“，p m 厶 ( 2 7 ) 2 厚度振动压电换能器的结构 换能器是超声波控制头的功能件，具有发射超声波和接收超声波信息的功能 它是进行能量转换的器件。超声波换能器的结构形式一般可用图】一6 来表 塑型_ 犬兰堡主堡塞 塑二主塑皇望墨i 堕垫丝型垦堡一 图i - - 5 厚度振动薄圆片振予 示，它由聚焦件、匹配层( 一层或多层) 、压电元件和背衬块组成。 图1 6 超声波换能器结构 超声波换能器对压电元件有许多要求，主要有下列几点： 1 )可加工性。能根据需要加工成所需的形状、尺寸和所要求的精度，在加 工过程中压电元件不易损坏。有些压电材料性能参数是好的，但由于可加工性差， 很硬、很脆，加工中很容易碎裂，因此无法应用。 2 ) 压电元件性能的稳定性。要求压电元件具有良好的时间稳定性和温度稳 定性，有些压电元件稳定性差，随着时间的推移会发生退极化现象，严重时会导致 换能器失效。 3 )优良的性能，对不同用途的换能器是不完全相同的。任何类型的换能器 都要求压电元件的有效机电耦合系数要大一些。 4 )压电元件的银层要牢固。 5 ) 压电元件各部分性能的一致性。 郑州大学硕士论文 第一章超声波及超声波检测原理 1 3 超声波检测技术 在超声工业n 2 1 测量技术中，非声量的测定往往是通过某些媒质声学特性( 主要是 声速、声衰减和声阻抗率) 的测量来进行的。 超声工业测量技术中应用最广的是媒质的声速这一物理量。第一，媒质的声速 与媒质的许多特性有直接或间接关系。有些关系非常简单直接，已有精确的理论公 式。有些关系比较间接而且复杂，但在特定的条件下，仍可以建立一些半理论或纯 经验的关系式。第二，媒质的声速与媒质所处的状态也有相互关系。第三，其它应 用，例如在声速c 已经测知的媒质中，可以利用声波传播距离工和传播时间，的关 系l = e l ，进行声测距的应用。 媒质的声衰减。”是个很复杂的物理量，在较严格的平面波情况下，声束扩散的 影响虽可不计，但仍含有许多种吸收衰减和散射衰减。声衰减绝对值的测量比较繁 琐，在工业测量技术中往往只需测量其相对值，测量方法比较简易，能够做到自动 连续测量。声衰减方法的应用。第一，当所需测量的媒质特性与声速的关系不很明 显，但与衰减的关系却比较明显时，就适宜采用声衰减法来进行这一特性分析。当 媒质中含有散射粒子时，选择适当高的频率往往可使散射衰减构成衰减中的主要因 素，于是通过衰减的测量就可反映散射粒子的多少和大小。第二，声衰减随温度变 化往往很大，气体中的声衰减随压强增大而明显减小，这些现象说明声衰减方法在 媒质状态参量的测定方面也是有用的。第三，在衰减系数已知的媒质中，利用声信 号随距离增大而衰减的原理，也可进行测距方面的应用。 声阻抗率方法也是一种较常用于媒质特性分析的技术。在这种技术中，所测 定的声学量是换能器对媒质的辐射阻抗率。如果换能器在媒质中所激起的是平面行 波，则辐射阻抗率就是声阻抗率p c 。当两种媒质的声速c 几乎相同，但密度p 有很 大不同时，往往就可根据p c 的测量来加以区别。在同时测得声速的情况下，也可 用这种方法来测量液体的密度p 或弹性模量p c 2 等。 采用声学方法来测定一个非声量时，在声速、衰减和声阻抗率这三种技术途径 中，应按下述准则来选取：第一是看要测的非声量究竟与那一个声学量的关系比较 明显。第二，应该考虑到声速、衰减和声阻抗率都是随很多因素变化的，除待测的 那种非声量外，其他媒质特性或媒质状态的变化往往也会引起声学量的变化，对于 郑州大学硕士论文第一章超声波及超声波检测原理 需测的非声量来说，这些其他因素引起的变化就是一种干扰。因此，选用某种声学 量的途径时，应注意干扰因素尽可能少，干扰影响要尽可能小，或可采用切实可行 的补偿措施来避免这些干扰。第三，选择技术途径时必须注意满足现场的使用、安 装和维护等条件，并且应达到所要求的精度，在这一前提下还应力求稳定耐久和方 便可靠，才能有较高的实用价值。 1 3 1 声速 1 气体中的声速 由于气体没有剪切弹性，只有体积弹性，因而气体中声波的传播形式只能是纵 波。也就是说，在声扰动下，气体媒质中的质点在各自平衡位置附近运动，形成稠 密和稀疏依次交替的传递过程。而且，质点运动的方向与声波传播的方向一致。理 想气体声速表达式为f 8 1 ： c 跞= 雁= 焉 ( 2 8 ) 式中，缸一气体的绝热体积压缩系数； p 。一周围环境的压力； r 摩尔气体常数： 卜绝对温度； 膨气体的分子量； r 一气体的定压比热c p 与定容比热c v 之比，闩c ，。 在其他条件保持稳定时，气体的声速随温度的变化为正温度系数。计算 不同温度时，空气中声速可用下式。 l - f - 弘c o v z _ 。_ ( 2 9 ) 式中，c o = 3 31 4 5 m s ，7 o = 2 7 3 16 k 。 2 液体中的声速 液体同样没有剪切弹性，所以，液体中也只能传播纵波。在线性声学条件下， 液体中声速的公式为： 式中，矗液体的绝热压缩系数。 ( 3 0 ) 压 郑州大学硕士论文第一章超声波及超声波检测原理 水中声速，在2 0 。c ，p o = 9 9 8 k g m 3 ，矗产4 5 8 x 1 0 r f l 2 n 时，c o = 1 4 8 0 m s 。 3 固体中的声速 在固体中，除体积弹性外，还有剪切弹性、弯曲弹性、扭转弹性等，所以，固 体中既可以传播纵波，也可以传播横波。根据媒质形状的不同，还可产生弯曲波、 扭转波等其他波型。 在无限大各向同性均匀固体中的声速公式： 纵波声速：c c = j 瓦石 臼1 ) 横波声速：c=( 3 2 ) 式中，卜扬氏模量； o 泊松比。 4 声阻抗与声阻抗率 声阻抗定义为声压p 与体积速度之比 乙= 号= r + 弘。 ( 3 3 ) 式中，肛2 卜瑁积速度，其中s 为声波通过的面积； r 。声阻； 五声抗。 声阻抗率厉定义为在声场中某一位置的声压p 与该位置的质点速度的比值。 z s = 旦 上面给出的关于p 、甜、z s 的一般表达式，在不同的声波波型和媒质状态下，各 有其相应的表达式。 流体中平面简谐波条件下声阻抗率： 磊= 旦= 晶c o ( 3 4 ) “ 媒质的密度po 与声速c o 的乘积po c o 值是表征媒质固有特性的一个重要的物理 量，称为媒质的特性阻抗。 1 3 2 衰减、吸收和散射 从广义上讲，声波在媒质中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减弱的现 1 4 郑州大学硕士论文第一章超声波及超声波检测原理 象，统称为声衰减。声衰减分为三种主要类型：吸收衰减、散射衰减和扩散衰减。 前两类衰减取决于媒质的特性，而后一类衰减则由声源特性而引起。 吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减规律。对于沿x 方向传播的平面波而言， 由于不需要涉及扩散衰减时，则声压随传播距离x 的变化，由( 3 5 ) 式表示： p=t9。e-ax(35) 声强的变化为：卢厶8 之“ 式中，盯一衰减系数： x 传播距离。 总的衰减系数a 等于吸收衰减系数a 。和散射衰减系数m 之和。 a = a 口+ a s ( 3 6 ) 1 吸收衰减 超声波在媒质中传播时，如果一部分声能不可逆转地转换成媒质的其他形式 的能量，对超声波来说就是有一部分能量被吸收了。声吸收的机制是比较复杂的， 它涉及媒质的粘滞性、热传导及各种弛豫过程。根据现有研究结果，声吸收系数“” 较为普遍的表达式为 铲茹弦t b 一卦喜禹 ， 式中： 刁l 一媒质的切变粘滞系数： b 一导热系数； c 厂一定容比热； g r 定压比热； _ 1 7 ；l 一第i 种弛豫过程所引起的低频容变粘滞系数； r r 一第i 冲弛豫过程的弛豫时间。 2 散射衰减 声波在一种媒质中传播时，因碰到由另外一种媒质组成的障碍物而向不同方向 产生散射，从而导致声波减弱的现象，统称为散射衰减。散射衰减问题很复杂，它 既与媒质的性质、状况有关，又与障碍物的性质、形状、尺寸及数目有关。这里所 讨论的散射衰减，主要从宏观上估算因媒质中许多微小散射体的存在，引起声波减 弱的效果。当这些微小散射体的尺寸远小于声波波长时，我们可近似地把它们当作 郑州大学硕士论文第一章超声波及超声波检测原理 半径为a 的小球，且日 。理论计算表明，当流体中存在这种刚性小球时，其声 强的散射系数“”为： 略= 芸k 4 口6 ( 3 8 ) 3 3 6 ” 式中，n o 单位体积的媒质中含有小球( 散射体) 的个数； k ：旱角波数。 口一散射体小球近似半径。 3 扩散衰减 这类衰减主要考虑声波传播中因波阵面的面积扩大导致的声强减弱。显然，这 仅仅取决于声源辐射的波型及声束状况，而与媒质的性质无关。且在这一过程中， 总的声能并未变化。 1 6 郑州大学硕士论文第二章超声波在含沙水中的传播机理 第二章超声波在含沙水中的传播机理 黄河水中含有大量泥沙，是泥沙固体颗粒分散在液体中形成的混合物，称 悬浮液。 悬浮液是由液体连续相和固体分散相组成的两相混合物，声波在悬浮液的声 速和声衰减系数不但取决于组成成份相各自的性质和含量，而且受到液体一固体 界面粘滞摩擦、粒子散射等相互间作用的影响，而这些相互作用又与液体粘度、 界面活性、颗粒大小与形状和声波频率密切相关。特别需要指出的是，在低浓度 时，相互作用仅限于固液两相之间；而对于高浓度悬浮液，由于液相被显著增稠 和颗粒相距过近，相互作用将明显复杂化“。 2 1 悬浮液的密度 对于二元悬浮液，若液相密度为p l ，体积分数为护l ，固相密度为p2 ，体 积分数为”2 ，则悬浮液的密度为 p = p 1 口l + p 2l y 2 = p 1 ( 1 一扩2 ) + p 21 7 2( i ) 2 2 悬浮液的声速 在其浓度尚未达到颗粒接触和不考虑散射作用的情况下，悬浮液声速与有关 因素的关系为： 叫m 瓦两筹等杀百铲r 其中： ! ( 1 7 t 眉+ pz 盥) ； p = 见屿 q ：盟+ u l u 2 + f 弘- - 2 - f 丽4 ；2触 口= 去( ，+ 斟 郑州大学硕士论文第二章超声波在含沙水中的传播机理 卢= ( 掰。 k ，和k 2 分别是液体相和固体相的体积模量，j 为液相的运动粘度，a 为固 体颗粒的半径( 假定其大d 、均一) ，。= 2n ，厂为声波频率。 将( 2 ) 式对卢a 求导，n 删x t - g ，故声速随频率升高、粒径增大和粘 度降低而单调升高。在两种极端情况下有 - 叭矧” 这时声速随频率和粒径单调增加 , 8a li l g , c 删”( 这时声速随浓度单调增加 前者即w o o d 声速公式，当满足条件 二旦 垒二虽 p lk 2 时，在某一浓度下声速呈极小值。随着芦a 值的增大，声速极小值位置向低 浓度方向移动，直至消失。在后一种情况下，声速随浓度增大而单调升高。 2 3 悬浮液的粘滞衰减 在浓度未达颗粒接触且不计入散射时，悬浮液的粘滞衰减为 铲咖：锄( - 一书嘲”陟+ q 2 r “ p z + p q + 陋：+ p ：z + q z ) 陀r 此式适用于整个浓度范围，称为高浓度公式。 该式考虑了颗粒之间的相互作用，在某一浓度下，衰减有极大值出现，且峰 值位置随卢a 的增大而移向高浓度方向。 在卢口l 时，式( 5 ) 化为： 郑州大学硕士论文第二章超声波在含沙水中的传播机理 。，：i ：! ! ：；善( 吾 1 ，2 。：口： 。6 ， 旷百且矿矿 这时粘滞衰减和频率的平方成正比，和粒径平方成正比。泥沙悬浮液的衰减 旷翘小杈( k ：矿q “i ，“2 了0 ) 1 2 当浓度很低时，式( 7 ) 即化为e p s t e i n 稀悬浮液粘滞衰减公式，由u r i c k 得出 的形式为n 7 1 ： 驴锋) 。1 门印 2 南 l p l 图2 - 1 和图2 - 2 分别是高岭土悬浮液声衰减系数与体积浓度和微粒直径的关 严格说来，悬浮液的衰减系数中包括了各个成分的贡献和其相互作用的贡 献，后者也称为逾量衰减。在由水和无机非金属微粒组成的悬浮液中，后者远大 逾量衰减由粘滞吸收和散射衰减两项组成，即： 其中后者在粒径远小于波长时为瑞利散射，在粒径较大时为广义散射，其值 随频率升高和粒径增大而单调升高。 2 黄河浑水中的衰减实验“7 3 实验原理采用脉冲法测声传播衰减。声波在无限空间中的传播衰减规律可表 p = p o p “( 1 0 ) 郑州大学硕士论文第二章超声波在含沙水中的传播机理 式中，矿1 处的声压值； p 。发射换能器处的声压值； r 空间某点距发射换能器处的距离； 矿一声波的衰减系数。 得：一。儡塑 ， 式中，h 、矿一实测电压幅值。 微粒直径( m ) 图2 - i 高岭土悬浮衰减系数与体图2 2 高岭土悬浮衰减系数与 积浓度的关系粒径大小的关系 将实验数据按频率分布，由图见图2 3 看出，衰减系数与频率成直线关系。 即： a = k f + a ( 1 2 ) 式中，肛恒定值，a 值随含沙量而变化。 随着含沙量的逐渐增大，直线上移，衰减系数加大，同一含沙量，频率不同， 衰减也不同。随着频率加大，衰减系数也越来越大。 上述试验结果与u r i c k 结果基本一致。另外，声衰减系数的大小还与泥沙的 形状、颗粒大小、泥沙在液体中的聚集状态以及媒质的温度有关。当泥沙粒径很 小时，衰减系数与频率成直线关系；当频率为i o k h z 、3 0 k h z 时，衰减系数与含 郑州大学硕士论文第二章超声波在含沙水中的篮! 董! 堡 沙量成直线关系。 衰 减 系 数 口 一 分 贝 岜 1 0 2 郑卅i 大学硕士论文第二章超声波在含沙水中的传播机理 ，：2 5 m h z ，粒径： f ：1 6 m h z ，粒径： ，：0 5 m h z ，粒径： 晷 宦( 焱 v 餐 髅 0 0 6 3 m m 0 0 3 i m m 0 0 9 8 r r e n 0 。0 4 9 m m o 1 5 7 m m 0 3 1 5 m m 体积浓度百分比 图2 - 4 悬浮液衰减浓度关系 郑州人学硕士论文第三章超声波测沙仅的工作原理 第三章超声波测沙仪的工作原理 3 1 超声衰减法测量含沙量 旷丢矧 1 0 2 2 南 l p l 浑水中的散射吸收机理相当复杂。散射吸收系数，根据泥沙粒径大小与 订1 以= c i 力。 ( 4 ) 式中，c l 、c 2 、c 3 为常数，依沙粒特性而定，口：沙粒半径，n ：泥沙体积浓度， s = - p2 圪。v ( 7 ) 式中， 矿为浑水的单位体积； 郑州大学硕士论文 第三章超声波测沙仪的工作原理 3 频率的选择 对于某些液固两相介质，衰减系数口与粒径的关系是随着固体粒子的粒径 在变化，分为散射衰减区，粘滞衰减区和衍射衰减区，在散射衰减区到粘滞衰减 区的过渡段，有一段衰减系数不随粒径变化的平滑区，这个区域固体粒径的范围 取决于所选择的频率。根据黄河泥沙平均粒径的范围，精选基频( 如1 5 m h z ) ， 再利用其复频( 如3 m h z ，4 5 m n z ) ，以期达到沙粒径在较大范围内变化对测量结 果影响较小的目的。 4 发射机功率 换能器频率选定后，根据发射和接收换能器的距离、河流中含沙量变化范 围等，计算仪器发射功率，要确保在一定的发射功率下，超声波穿过浑水介质后， 接收换能器接收到足够的衰减信号。同时，还要考虑到仪表的稳定性和一定的分 辨率。综合以上因素，选发射机的发射功率为2 5 w 。 3 2 超声回波衰减增益补偿法测含沙量 超声回波衰减增益补偿法乜町的测量原理如下： 4 广叫加e 一叫9 ) k( 8 ) 式中： 爿。o _ 一清水的n 次回波幅度： 4 ，厂啥沙水流的甩次回波幅度； c 特定系数； 沙粒个数； p 含沙水流密度； 卜波常数； x 一探头与反射面间的距离。 式( 8 ) 表明了超声波在如图3 1 的装置中回波衰减的规律。但是，实践表明 对于一个特定的超声测沙仪，当含沙量达到某一数值时，回波波幅值以很小且 不稳定。这就给实际应用带来了困难。 我们以增益补偿的办法，在保持回波幅度以不变，即a - - a 。的条件下，进行 了泥沙测试问题的实验研究。实验表明这种测沙方法有它的独到之处：提高了分 辨力，扩展了测量量程，便于技术上的实现。 增益补偿法则以增大增益的量值来补偿信号幅度的衰减，即以新的能量来 郑州大学硕士论文第三章