【《声速测量技术分析》4600字】

声速测量技术分析目录TOC\o"1-3"\h\u25704声速测量技术分析 1159691.1液体声速的间接法及原理分析 1182661.1.1DelGrosso声速算法 1145821.1.2Wilson声速算法及特点 228091.1.3Chen-Millero-Li声速算法及特点 3315161.2液体声速的直接法及原理分析 3102731.1.1时差法及特点 3227751.1.2、脉冲回波重合法 5200221.1.4共振声谱法及特点 722781.1.5相位对比法及特点 8134371.3小节 9本章节主要分析液体声速的几种测量方法，液体声速受许多其他外界因素很大。会在一个范围内波动，在不同液体内声速也不同，下面以海水为例进行分析。从间接测量方法和直接测量方法两个方面对声速进行分析，概述了利用各种方法进行声速测量的优缺点和测量原理以及存在的各种误差。然后利用每一种测量方法的特点和测量范围，研究制定合适液体声速测量的方法。1.1液体声速的间接法及原理分析海水声速也是在范围内变化的声学变量。它的影响因数很多，而且具有很多不确定性。然后通过经验公式来计算声液体声速取决于传播介质中的很多声传播特性，海水声速的间接测量方法主要是利用了海水声速与海水的盐度、温度和压力的函数关系来计算声速。一般情况下，各种影响因数对声速的影响各不相同。液体压力对液体声速的影响很小，液体声速受液体温度影响最大，影响最小的是盐度。通过声速经验模型确定海水声速比较简单、方便。但是声速经验公式比较多，每一个时代背景都形成了很多不同的公式且每一个公式的应用范围也。每一个公式的形式和公式的系数都会有很大的区别，即使测量范围有相似之处。目前，DelGrosso声速算法、Wilson声速算法和Chen-Millero-Li声速算法三种是在世界上认同计算声速精确度较高的。1.1.1DelGrosso声速算法DelGrosso用间接法去测量海水，通过很多的大量实验分析和调研。在1951年，1972年，1973年，1974年四年里相续发布了有关的研究结论，给出比较准确的计算图表和经验公式。目前，下面公式是在国际上认可程度比较高的，公式为：c=c其中参数由下式确定：c'=1448.6+4.618T-0.0523T2+0.00023T3-0.11(S-35)T+1.7x10-s(S-35)T4-2x10-7(S-34)4(1+0.577T-0.0072T2)Cp=0.160518D+1.0279x10-7D2+3.451x10-22D3-3.503x10-14D4S:盐度；C：海水声速;T：温度;c'：声速与盐度，温度的关系；D：压力；CP：声速与压力的关系；此公式的测量结果的误差较为明显和准确度较低，但此公式的特点是方便、简单。选取测量方法时视情况而定，假设只要测量结果要求较低，就可以采用DelGrosso声速算法。其劣势在于其应用范围相对较小，深度要小于1Km。因此，如果检测深度超出１Kｍ，计算得到的结果与实际不符，精度较差。1.1.2Wilson声速算法及特点Wilson在1960年重新进行了实验，重新进行测试常温下纯水的声速，改变条件，同一水温情况下，声速值随压力盐度的变化而变化，最终拟合出声速计算公式，提出了相对更为精确的声速公式，其公式为：CSTP=C000+∆CT+∆CS+∆CP+∆CSTP(2-2)C000=1401.392∆CT=0.5012285×101T-0.551184×10-1T2+0.221649×10-3T3∆CS=0.1329530×101S+0.1288598×10-3S2G∆CP=0.1560592P+O.2449993×10-4P2-0.8833959×10-8P3∆CSTP=-0.1275936×10-1TS+0.6353509×10-2TP+0.2656174×10-7T2P2-0.1593895×10-5TP2+0.5222483×10-9TP3-0.4383615×10-6T3P-0.1616745×10-8S2P2+0.9688441×10-4T2S+0.4857614×10-5TS2P-0.3406824×10-3TSP其中P：压力T：温度，S：盐度，。通过大量实践研究表明，Wilson声速测量公式条件受到限制，每一个参数都必须在一个范围内波动。盐度范围在0<S<37范围内、温度范围在-4℃<T<30℃、压力范围在1kg/cm2<P<1000kg/cm2，在此范围里测量可获得精度高于0.3m/s的声速值。综上所述，该方法比较复杂且影响因数不好控制。在1975年美国学者Medwin提出了新的改进，提出了以下公式：C=1249.2+4.9T-0.055T2+0.00029T3+(1.34-0.01T)(S-35)+0.016D(2-3)1.1.3Chen-Millero-Li声速算法及特点在1994年美国华盛顿大学的几位学者对Wilson所研究公式数据进行分析，从影响因素温度、盐度和压力测量范围方面进行了更深一步研究，提出了更为精确的Chen-Millero-Li声速公式，。其声速测量公式为：C=CW(T,P)+CC(T,P)+A(T,P)S+B(T,P)S3/2+D(P)S2(2-4)Chen-Millero-Li声速公式的只能在条件限度里使用，测量范围只能在盐度为0<S<40，温度为0℃到40℃,压力为0<P<108Pa范围内。由此可见，上述三个公式的测量范围都受限制，温度，压力，盐度对其测量精度影响各不相同，而且三个公式测量深度也不同，无论哪一个算法都有各自优缺点，使用哪一种算法根据具体环境以及要求精度而定，因此研究一种较为精确的声速测量方法是很有必要的。1.2液体声速的直接法及原理分析1.1.1时差法及特点时差法测量原理主要是通过测量一定已知距离L内声波传播的时间t得到声速。其声速计算公式为：v=L其中l是传播距离，t是时刻间隔。从公式（2-5）可知，只要距离一定，声传播时间测量就可以决定声速的测量。根据获取时间方法的不同，时间差法可分为脉冲回鸣法法，脉冲回波重合法，脉冲叠加法，脉冲回波法等。本文以脉冲回鸣法和重合法为例，研究和分析了时间差法的测量特征。1、脉冲回鸣法脉冲回波法广泛应用于液体声速的测量。脉冲回波法的测量原理图见图1.1。超声发射产生的超声脉冲在样品中传播一定距离，并被超声接收器接收。接收器接收到的信号被放大，成型和识别以产生新的触发信号，该触发信号立即再次触发发射电路。在整个循环过程中，默认忽略了信号在传播过程中声延迟和电延迟。通过重复循环获取一系列触发脉冲序列，即得到的重复周期T可以作为超声波在海水中的传播时间。但脉冲回波法的使用范围有限，其绝对测量的精度不高，仅适用于声速较高的相对测量。第一点，它不能消除测量过程中系统信号在周期触发器中引起的额外延迟时间。第二点，因为传播距离L小，所以先前的回波信号可能没有衰减到不能被触发的程度，从而导致错误触发。此外，还可能再次干扰触发信号，增加误差。再者，当外界条件发生变化时，对脉冲回波时间参考点的判断也会发生变化。然后引入附加误差。图1.1脉冲回鸣法原理图测量声速的一个普遍方法就是用脉冲回鸣法，其特点主要是它简单、可以实现自动实时测量、容易实现。因此，现在大部分用于液体声速测量的声速计的制作原理都是根据脉冲回鸣。图1.2为USM200声速仪。图1.2USM200自容式声速仪目前USM2000系列声速仪是大量程高精度声速仪市面上常见的一种,它采用的是大规模高速CMOS集成电路技术,开发出的一种大量程、高性能声速测量仪表，其特点是反映速度快、精度高、使用方便、省电、范围大。1.1.2、脉冲回波重合法脉冲回波法是精确测量声速绝对值最合适的方法。目前，得到广大学者认同程度高的是PEO法，它是相对比较完整的一种方法。它被应用到很多领域，比如精密声速测量领域。近几十年来，世界著名的超声波仪器制造商MATEC仪器公司利用PEO测量方法原理推出了很多产品，比如MATEC5100、尼伯尔6600、尼伯尔7700等超声波速度和超声衰减测试系列仪器。1980年以来，利用PEO法原理，中国科技大学声学中国教研室制造了超声衰减、超声衰减测试声速仪。由于PEO法制造的仪器可以修正误差，因此它可以高精度地用于相对测量和绝对测量。然而，PEO法的最大缺点是无法实现自动测量。在测量中，需通过人眼视觉去判断回波信号是否完全贴合。为了实现精确的贴合，必须按要求进行根据McSkimin的t准则。尽管此方法是进行相对测量，在进行实验分析时，要考虑最大程度减小或消除实验带来的误差。目的是脉冲达到接近重合，也要付出大量的时间和繁重的劳动，给用户带来许多的不利。图1.3超声脉冲回波重合法原理图图1.3原理图所示，该脉冲回波电路原理图。诠释了超声波信号的传播分析过程，根据传感器向样品中发送超声频率单脉冲的信号，超声传感器接收到的样品中的回波信号序列整形变大，然后进入示波器y轴，通过输入固定频率的触发信号去激励示波器外端。此时，示波器将以不同的触发时间显示来自扫描仪的回波信号，并且另一个明亮信号将发送到z轴（突出显示的输入端），以便显示某个突出的信号。如果改变触发脉冲的周期，在实验样本中存在一个时间与声波频率传播过程中整数次所需的时间相同。这时候两个回声信号将以不同的顺序出现在显示屏上。如图1.4所示。图1.4脉冲回波重合示意图采用PEO测量方法测声速精度不是很高，主要原因在于是通过人工读数方法，视觉观察回波是否重合误差大，从而容易产生粗大误差，造成实验结果的不准确。通过实验得出，当超声信号的周期为T时，可得出视觉误差大约为是T/100。从理论分析上说，可以通过提高工作频率的方法去减少测量过程产生的测量误差，与此同时，需要示波器的各种性能更好更稳定。一般情况，实验室的示波器性能都不是太高，如采用此方法需考虑性能更好的示波器。由式（2-1）可知，采用时差法对声速进行测量需要精准控制两个物理量：就是距离ｌ和时间间隔t。只有保证时间间隔t和两个换能器之间距离L准确度非常高的情况下，这样所测得液体声速值才能得到保证。1.1.3驻波法及特点驻波的形成是两列相干波，当它们传播速度、振幅、频率都相同时，当传播条件满足：同一直线、方向相反。在某处叠加的现象就是干涉现象。如果存在两列波相遇，在某处振动一直在加强或者一直在减小，如果两列波满足以下条件，则振动一直增强或者减小的现象称为波得干涉现象。第一相位和频率相同、二是相位差不变、三是振动方向平行。设有两列频率、振幅、振动方向分别相同，相位差恒定,但传播方向相反的平面简谐波，沿x轴传播,其波动方程为：y1=Acos(ωt-2πxλ)y2=Acos(ωt+2πxλ)其和位移为：y=y1+y2=Acos(ωt-2πxλ)+Acos(ωt+2πx=2Acos2πxλcosωt2Acos2πxλ当cos2πxλ=±1时，则2πxx=±kλ2振幅最大时，称为波幅∆x=xk+1-xk=λ当cos2πxλ=0时，则2πxx=±(2k+1)λ4振幅为零时，称为波节∆x=xk+1-xk=λ由上述各式可知，无论是波幅还是波节都只与波长有关，且都是波长的一半。由此可得，如果我们要计算波长λ时，只需知道相互靠近两个波幅或者波节的距离即可计算出波长。再通过下面式子就可得到所需测量的声速。v=λf(2-8)1.1.4共振声谱法及特点液体声速测量采用共振声谱法也较为广泛，其方法特点比较简单，与时差法相比，声谱法不需要去测量超声波的传播时间，也就避免了声波信号在传播过程中的延时带来的的误差。测量原理如图２.５所示。共振腔ｄ探头放大器A/D转换器共振腔ｄ探头放大器A/D转换器存储器显示扫频信号源图２.５共振声谱法测量原理扫频信号源给出一个信号，促使超声波传感器发出超声波信号在共振腔内传播，液体可以在共振腔内自由流动，在扫频信号源的作用下，当共振腔内频率与液体频率相同时，即产生共振。共振频率与扫频信号源没有关系，它是一个物体的固有属性。因此，我们只需知道共振腔ｄ和共振频率ｆ即可通过以下（2-9）公式得到声速。V=2df（2-9）1.1.5相位对比法及特点超声波的传播形式有横波和纵波，以纵波形式进行传播的传播介质主要是液体。而纵波就是质点在介质中的振动方向与波的传播方向相互平行。相位对比法测量原理就是：在波的传播方向上任意选择两点，当它们的相位相差为2π或者2π整数倍时，此时它们的距离L和波长λ满足：L=nλ(n为整数）。由此可知，只要我们知道超声波信号的频率f即可利用公式v=λf求出声速值。这就提供了一个重要的