计量、检测与生活

基本的感知检测及其应用(一),陈永良教授,声波的产生与传播,声波的产生与传播,两类波的不同之处,机械波的传播需有传播振动的介质;,电磁波的传播可不需介质.,能量传播反射折射干涉衍射,两类波的共同特征,声波是机械波，是由振动产生,1.1声波的产生,苍蝇飞行时每秒振翅147200次蝴蝶飞行时每秒振翅56次,1.2声波的频率,苍蝇和蚊子飞行时的声音是？-嗡嗡嗡而蝴蝶飞行的声音是？,1、可听声：声波频率20Hz至20000Hz,2、超声波：频率高于20000Hz的声波。,3、次声波：频率低于20Hz的声波。,每个同学耳朵能听的频响范围到底多少？检测一下！请同学自己做好记录，写上名字。,听力检测界面图,一听：低端，声音越来越低沉，音量越来越小。但输出的信号强度没变，人听不见并不意味着声波不存在，高端，老师听不见；不是先天不足，如何证实？电视行频叫声产生与监听；手机高频铃声的设置收实验记录结果，并作不合格评价，抗辩申诉的依据？找到深层次的原因假定请专家，法拉弟修电机故事，说到音响系统。再听：1.0K,1.1K,1.2K.什么感觉，电子琴的味道。找到按键与音调关系，即可模拟钢琴或电子琴；展示手机琴；缺点未表现击键力度扯远一点，琴弦断裂，电子校音器，一个卖点、产品、比尔盖次其实生活中类似可动脑的地方很多，血管探测仪/剥毛豆机/再而三听：正弦三角方波差异，为什么？三而四听：扫频四而竭（五听）：烦了，不听，那就讲呗！,A4=440Hz,以下是c大调各按键的频率Dou264单位是赫兹(Hz)Ruai297Mi330Fa352Sou396La440Ti496Dou528,任意一个周期函数都可用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示,称为傅里叶级数,直流分量,n=1,n1,基波分量,n次谐波分量,下图中三角波的三角傅里叶级数。,周期锯齿脉冲信号的傅里叶级数求解,其傅里叶级数表达式为：,小资料,声强级L：,单位为贝耳(Bel),1Bel=10dB,单位为分贝(dB),规定声强I0=10-12瓦/米2作为测定声强的标准,如炮声声强1瓦/米2，声强级120分贝。,压力声压压强声强,1.3声波的强度,1.4声音的传播,让你亲身经历了一次听力的检测与试验1从声音的产生传播-可听与不可听2从电视机行频的尖叫音-手机高频铃音的设置3从听力检测试验中音响系统频响的影响-法拉第的电机维修4从模拟电子琴-调音校准器-血管显示器-剥毛豆机5从存在与意识的哲学思想-到抽象数学问题的真实体验6从人工声音的合成-到你发音频域高低,声波的传播特性及其在检测中的应用,声波是机械振动在弹性介质中的传播。,闪电雷鸣；烟花爆竹；空谷回声.,一、声波的传播是有速度的,我敲打桌子你马上听见了，我讲话你也马上听见了，但实际上声音的传播是有速度的，是有延时的，生活中能说明这样情况的例子很多，谁能举几个例子来证明呢？并且能测出有多快呢？闪电雷声；烟花爆竹；空谷回声,究竟有多快呢？,如何证明?,声波在常见介质（气、液、固）中传播的速度表,声波的速度,这是一张普通的数据表格，类似的以后会经常碰到，关键是你能从中发掘出一些什么有用的信息来。,(米/秒),声波在不同的介质中传播的速度不同。,空气：,水(液)：,固体：,说慢不慢=说话马上听见，感觉不到滞后；说快不快=1秒钟只能跑340米。假如从北京到杭州设想：如果声速和光速一样快，世界会怎样？如果声速变为5m/s，世界会怎样？,说慢不慢=说话马上听见，感觉不到滞后；说快不快，1秒钟也只能跑340米。假如从北京到杭州,如果是通过铁轨呢?,192.3秒,如果是无线电波或光波呢?,人类在与大自然长期的共存共生环境中，演化的是多么和谐与完美，有些问题是一旦发生改变，世界将会完全乱套！比如说请设想：如果声速变为5m/s，世界又会怎样？如果声速和光速一样快，世界会怎样？前几天学校刚开过运动会，现来看看声波和声速在运动会赛场上的应用情况,声音通过空气：,1抢劫之类的事件易发生，因逃跑的速度大于喊叫援救的速度；同时逃犯却很容易被捉拿归案，因为警车开到他跟前他还没听到警铃警报声。2谁敢再去户外爬山？3交通事故一定会频发。因为一直按喇叭也再会奏效。4所有歌星笑星就没了市场，所有演唱会都会是一场牛头不对马嘴的混乱会。口形不对，不同距离的乐器不对。5更离谱的是今天夜里看闪电，明天早晨听到雷声。,科幻与设想,1抢劫之类的事件易发生；2逃犯却很容易被捉拿归案；3人们不敢轻易参加户外运动,特别是爬山；4交通事故一定会频发；5所有歌星笑星就没了市场；6今天夜里看闪电，明天早晨听雷声；7,我将不存在，因为我会被雷电吓死，不知你们会怎样？,假设1:声速5米/秒,假设2:如果声速和光速一样快，世界会怎样？,今天学校在开运动会，现来看看声波和声速在运动会赛场上的应用情况,终点计时员：既不听枪声，也不管动作，唯看发令枪烟火。装备：秒表,起点发令员：发令枪，产生声音和白烟+黑色背景幕，凸现白烟,运动员：听枪声起跑,雨雾天气改期延期,运动员：听枪声起跑，如何避免输在起跑线？,你是否发现了什么问题？,标准跑道间距为1.22米，共有8道,间距：L=1.258=10（米）时差：T=103400.03秒,你选第几跑道?依据是什么？,0.03秒，算大算小?,问题一：,可领先0.3米以上可破世界纪录3次,问题一：如何在现有赛场条件下尽量避免和减小这一误差呢?,问题二：正规的大型比赛中如何彻底消除这一误差呢?,运动会上每个不起眼的细节：跑道上运动员的道次选择；起点发令员的站位、装备、甚至动作；终点计时员的看与听；举办的气象条件；正规大赛的技术装备。每一环节都将关系到最后比赛的结果，你能否利用规则，扬长避短，获得先机与优势，充实掌握知识是必要的，但更需要的是智慧灵活利用知识的智慧。声音传播需要时间也许是尽人皆知的，但在如何正确选择处理发令员站位?如何选择最优起跑线道次?如何正确使用计量计时方法?如何排除干扰减小误差?等等，你作为运动员、裁判员、技术官员、领队甚至拉拉队员，你都能注意到了吗？并在必要时作为提出改进、申诉与抗辩依据吗？,声波在常见介质（气、液、固）中传播的速度表,声波的速度,这是一张普通的数据表格，类似的以后会经常碰到，关键是你能从中发掘出一些什么有用的信息来。,(米/秒),声波在不同的介质中传播的速度不同。,即使同一种介质，温度不同，声速也不同,不同水温和声速的对应关系,厄尔尼诺（ElNino）现象：海水温度较常年异常偏高，导致全球性气候异常，干旱与洪涝严重失调。拉尼娜（LaNina）现象：厄尔尼诺的反现象，海水温度较常年异常偏低。,现在全人类都高度关注环境与环保的问题，同学谁知道海水中的厄尔尼诺（ElNino）现象和拉尼娜（LaNina），,海洋温度升高或降低如何有效测得呢？1水温变化的测量精度要求很高2测量布点范围要广3各测点要在同一时间段进行测量4可长年有效运行,由于海水的热容量很大，水温的微小变化就会引起环境的大变化，所以对水温变化的测量精度要求很高。其次，由于海洋范围很广，不同方位和不同深度的温差和起伏都得很大，某点的局部温度不足以代表整个海洋，假如用单点温度计来测，测得准不准暂且不说，首先有3个要求要解决：1在不同方位、不同距离、不同深度上要布设大量的测点，用以综合平均与计算2各测点要求在同一时间段进行测量。3系统可长年有效运行。工作量和难度都很大。大家是否可以考虑利用声波速度与温度的关系来解决这一难题呢？科学家们巧妙地利用了声波的两个特性，1在海水中衰减很小传的很远（如声纳）和2传播速度受水温影响，在南印度洋的赫德岛,南印度洋赫德岛位置,由于声波经过的是整个海洋环境，其结果等效为传播途径上无数多个测量点的综合效果。,利用声速测量海水温度变化,研究人员在南印度洋的赫德岛，设置一个功率为5000瓦的声源；然后在亚洲、大洋洲、南极洲和美洲东西部海岸设点接收声波，通过测量海洋中的声速到达时间的变化，就能很容易地准确计算出海洋的平均温度的变化。由于声波经过的是整个海洋环境，其结果等效为传播途径上无数多个测量点的综合效果。,在南印度洋设的赫德发射站的声波可在18000公里外收到，若海水声速为1500米/秒，需耗时3时20分。若海水温度变化引起声速的变化为1500+1米/秒，则时间差可达8秒。用这个系统可测每年水温变化准到0.01。,具体检测的数据情况,多普勒效应及在检测中的应用,当观察者与波源之间有相对运动时，观察者所测得的频率不同于波源频率的现象，称为多普勒效应。,具体定量关系:,解：,相当于68.4千米小时,应用2：利用多普勒效应监测车速，固定波源发出频率为的超声波，当汽车向波源行驶时，与波源安装在一起的接收器接收到从汽车反射回来的波的频率为已知空气中的声速为，求车速.如果设定限速为120公里/小时,反射波的频率应为?,解1）车为接收器,2）车为波源,车速,如果限速为120公里/小时，则频率应为122.5kHz,应用3:超声防盗报警器,图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器射出频率f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移f。,回波测距的原理图,障碍物,声波回波测距,测距的基本公式为：v声波的速度t为声波往返所需时间,由测距公式可知，如何精确测量出时间t的值是测距的关键。由于测量时间t的方法不同，产生了两种测距方法：脉冲测距和相位测距。,声波测距在空气中,应用1：空谷回音估计对面障碍物或高山的距离应用2：超声波汽车倒车防撞报警器应用3：超声波测距仪应用4：,应用1：鱼群探测应用2：海底地形探测应用3：潜艇鱼雷探测应用4：,声波测距在水中声呐,应用1：超声波测厚应用2：超声波探伤应用3：,声波测距在固体中,手持式超声波测厚仪,超声波测厚,石料测厚,超声波手持式测厚,混凝土测厚,木材测厚,小提琴木料测厚,超声波探伤,起始波缺陷反射波底波,工件,缺陷,超声探伤的计算,设：显示器的x轴为10s/div(格)，现测得B波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。求：1）t及tF；2）钢板的厚度及缺陷与表面的距离xF。,超声波探伤,超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。,A