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聲速測量實驗范文第1篇

關鍵詞：振動；噪聲；發動機；瞬時轉速；測量

1 振動和噪聲法測轉速概述

科學研究表明振動和噪聲與發動機轉速間存在一定關系，基于此可將其振動和噪聲作為依據進行發動機轉速測量依據。汽車發動機工作過程中氣缸內壓力處于動態變化中。氣缸活塞往復運動以及曲軸旋轉形成的慣性力存在周期性函數關系，同時這些慣性力也是產生噪聲和振動的關鍵所在，因此通過噪聲和振動測量發動機轉速具有一定理論依據。通過生噪聲和振動測量發動機轉速過程中可發現發動機內部異常情況，一舉多得。在實際設計過程中可采集發動機缸蓋處的振動信息及噪聲信息，并將采集到的信息進行比對處理，得出信息處理結果。從可行性和有效性上看利用振動和噪聲進行發動機轉速信息測量不僅具有一定精度，且在操作上快速方便。將振動和噪聲作為測量依據不僅可提升測量結果可靠性，還可為后續測量做足準備，如在缺少轉速計或無法獲得轉速信號情況下便可通過振動和噪聲進行轉速分析。

2 振動和噪聲測量發動機瞬時轉速系統方案

前文已經敘述通過振動和噪聲進行汽車發動機信號測量具有一定可行性，且可通過該種方式判斷發動機性能現狀。實際設計中要求振動和噪聲測量系統具有結構簡單、體積小、便于攜帶、精度高等特點，因此在設計中需結合單片機或DSP作為控制程序，本文研究的振動和噪聲測量系統選取合適數字處理器作為設計基礎，系統測量方案流程見圖1。

2.1 傳感器的選型

傳感器是收集信號的重要裝置，振動和噪聲測量發動機瞬時轉速系統中，完整傳感器裝置組成圖見圖2。根據實際情況其組成存在一定差異。如對于精度要求不高的傳感器裝置其中間裝置可相應減少，對精度較高的傳感器裝置可在中間添加某些環節。

傳感器對振動和噪聲信號收集與發動機工作過程中輸出信號與汽車位移、速度、加速度等有一定關系。汽車發動機振動信號頻率帶在傳感器量測極限范圍內，因此實際測量中應結合汽車發動機性能與工作實際情況進行選擇。例如本文研究振動和噪聲測量系統時經過對比、篩選最終確定傳感器為接觸式傳感器ZD-24，該傳感器自身電路可對收集信號進行預處理，其中包括信號放大處理，因此使用該傳感器無需添加信號放大器。ZD-24傳感器具有片狀磁體裝置，可吸附于磁性物質上，可促使其探頭與發動機缸蓋緊密連接于一起。發動機主體結構為鐵質材料，因此使用該傳感器可確保傳感器與發動機有效接觸。ZD-24傳感器在測量過程中其探頭測量方向與振動方向平行，當被測物體出現振動和噪聲等情況時傳感器可隨之振動，安裝于傳感器探頭內敏感元件便可有效感知振櫻產生電信號，經電路被輸出。

2.2 安裝點選取

測點選擇與測量質量息息相關，與后續測量處理工作有重要關系。作為信號收集核心點，安裝點是提取振動和噪聲信號的窗口。選擇安裝點時需遵循兩個原則，其一是充分反映被測對象實際狀況，且信號穩定，對發動機故障信息較為敏感；其二是安裝點便于安裝測試，且不會對發動機運行造成影響，通過對發動機各部分進行研究分析發現缸蓋及機身部位較為敏感，對比機身和缸蓋部位發現，這兩個部位信號接收結果存在一定不同，缸蓋部位傳感器更易接收到發動機運行信號，信息量更為豐富，因此可將安裝點選取在缸蓋部位。

2.3 振動信號分析方法

汽車發動機缸蓋傳感器受到振動和噪聲信號影響會收集到相關信息，對分析結果有用的信息受到多種因素干擾，因此需要對收集到的信號進行分析處理。信號分析主要指將收集到的信號進行有效解讀，得出需要的結果，在分析過程中可將收集到的信號看作多種單個信號的分量之和，可通過分量組成情況考察信號特征。信號處理主要指將一個信號加工成另一個信號的過程。信號測量過程中需要將信號分析和信號處理結合起來，在信號收集后需要分析信號組成，提取有效信息，在實際測量過程中可通過頻域內分析方法、時域內分析方法等進行信息分析。

由于汽車發動機振動和噪聲收集過程中具有一定隨機性，無法對其進行人為掌控，因此受到傳感器精度限制，振動及噪聲信號較為復雜，頻帶分布寬，且振動信號和噪聲信號與有用信號相關性較小，在實際分析中可找到結合振動信號和噪聲信號的周期性，強化信號分析作用，相較于其他濾波方法，相關分析具有簡單便捷、準確性較高特點，可有效提升收集信息任意頻段噪聲，快速得出結果。

3 結束語

發動機轉速是其綜合性能重要組成部分，測量發動機轉速對汽車發動機研究有重要推動作用。轉速變化存在一定規律，測量發動機瞬時轉速獲得相關參數已經成為判斷發動機性能及故障檢測重要手段。通過檢測發動機振動和噪聲可有效檢測發動機瞬時轉速，從而獲得有效信息。在發動機上安裝傳感器及數據分析裝置，并結合科學的數據處理方式獲取有用信息，從而獲得發動機瞬時轉速有效信息。

參考文獻

[1]余方.基于振動和離散頻譜校正理論的發動機轉速測量新方法及其實現[D].廣州：華南理工大學，2012.

聲速測量實驗范文第2篇

聶洪（1987-）；男；民族：漢；籍貫：貴州省威寧縣 就讀于貴州師范大學物理學專業，本科

摘 要：測量聲速方法有很多種。本文從測量空氣中聲速出發，比較如有時差法，共振干涉法，相位差法等方法。從實驗原理，實驗結果和實驗誤差等三方面對三種方法進行比較，從而體現改裝過的時差法的一些優劣。

關鍵詞：改裝時差法，比較。

引言：

聲速測量是物理學中最為常做的實驗之一，其方法有許許多多種。聲速測量也能更好體現物理學習過程和科學探究精神，對探索物理世界的知識的方法和更好的揭示物理現象與本質的關系。隨著時間的推移科學的發展先進儀器的發明，人們對一些物理量測量越來越精確。但是每種新的方法的產生總是伴隨著新優勢的同時總會有些缺點。物理量測量越來越精確，如光速，重力加速度，萬有引力常量等等的測量都更加精確。聲速測量亦是如此。常見的聲速測量方法中時差法最好理解，共振干涉法，駐波發，相位差法各具有點。聲波是在彈性介質中傳播的波，頻率在20赫茲以下的是次聲波，頻率在20――20K赫茲范圍內的是人耳可以聞的聲波，頻率在20K赫茲以上的就是超聲波。每種聲波對人類都有好有壞，關鍵是怎樣認識其用途做到趨利避害，認識聲波聲學研究與應用涉及物理、化學、工程技術等各個領域。例如如何避免噪聲、如何利用聲的作用來促進化學反應、海底地質勘測（聲音導航和測距）、超聲探傷、超聲清洗，聲速的測定,在聲波探傷、定傷、測距、 顯示等方面都有重要的意義。

1．簡單改進過的時差法

1.1實驗原理

改進方法：

因為時差法測聲速這實驗中用到的是可聞聲波，而可聞聲波不是良好的線性，發散較大，波長較長，不易于定向發射等，所以測量結果誤差較大。且原來的《大學物理教材實驗》中時差法測聲速的實驗中對外界其他的可聞聲波影響沒有作出合理的處理方法。所以本文對時差法稍作改進。改進方法是在實驗裝置圖中在揚聲器和傳聲器之間加塑料管，其作用是防止外面的聲波干擾，能起到很好的效果，粗細以能和揚聲器和傳聲器彌合最好，但保證揚聲器與傳聲器界面要嚴格平行，這樣起到減少混響反射等影響，減少空氣流動的影響［1］。

1.1.1聲速描述聲波在彈性媒質中傳播快慢的物理量，方法有兩類：

① 根據公式v=??λ 其中?是頻率λ是波長

②根據公式v=s/t,測出聲波傳播路程s和所需時間t即可求出速度v.即為時差法

①時差法測量聲速得到廣泛的應用。時差法測試聲速的基本原理 是基于速度v=距離S/時間T，通過在已知的距離內計測聲波傳播的時間，從而計算出聲波的傳播速度。

②連續波由控制電路調制后定時發出一個聲脈沖，由發射換能器發射至被測介質中，聲波在介質中傳播，經過t時間后，到達L距離處的接收換能器。接收到的信號經放大、濾波后由高精度計時電路求出聲波從發出到接收這個在介質傳播中經過的時間，從而計 算出聲波在某一介質中的傳播速度。因為不用目測的方法，而由儀器本身來計測，所以其測量精度相對于前面兩種方法要高。同樣在液體中傳播時，由于只檢測首先到達的聲波的時間，而與其它回波無關，這樣回波的影響可以忽略不計，因此測量的結果較為準確，所以工程中往往采用時差法來測量。

③通過測量二換能器發射接收平面之間距離L和時間t，就可以計算出當前介質下的聲波傳播速度。

1.2實驗內容

1.如圖1所示，揚聲器與低頻方波信號發生器功率輸入端相連接，頻率取1到5赫茲。

2低頻方波信號發生器電壓輸出端與數字式示波器CH1（通道1）連接，作為觸發基準信號。

3.傳聲器（話筒）接收到聲波信號，通過屏蔽線與CH2相連接，將光標1指示在第一個波峰上（示波器屏上顯示通道2的波形）。

4.向后拉動傳聲器，此時示波器屏上（屏上顯示通道2的波形）顯示的波峰向后移動，將光標2指示在第一個波峰上。

5.讀出光標1與光標2的時間差t，用尺量出傳聲器向后移動的距離s.并算出聲速。

圖1 改進

差分析

1.3.1 將測試方法設置到脈沖方式，將S1和S2之間的距離調至一定距離（50mm）。再調節接受增益，使顯示時差法聲速測量實驗裝置圖

1.3實驗數據處理及誤的時間差值讀數穩定，此時儀器內置的定時器工作在最佳狀態。然后記錄此時的距離值和顯示的時間值li-1、ti-1 (時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出)。移動S2，同時調節接受增益使接受信號幅度始終保持一致。記錄下這時的距離值和顯示的時間值li、ti。則聲速vi=（li-li-1）/（ti-ti-1）。多次測量算出vi值求平均得到結果。

數據表格

(空氣溫度T=130°C

(平均聲速V=33802 m/s

(溫度T=(t+27315)K= 28615 K 速度理論值= 33912 m/s E=｜V-Vs｜/Vs×100%=032%

1.3.2 不確定度的處理

(實驗結論與理論值的比較，記錄室溫t（℃），在室溫t下，忽略空氣濕度的影響修正值為：v′=v01+tT0

（式中T0=27315K，v0為溫度為T0時聲速，v0=33145m/s。）

(把測得的波長λ值，求出聲速實驗測量值v，分別用絕對誤差報告測量方法的實驗結果結論：1 時差法測聲速易于理解。

2 改進過的時差法避免了空氣流動對結果的干擾。

3 聲波從波疏介質正人射到波密介質其反射波存在半波損失。（作者單位：貴州師范大學物理與電子科學學院）

參考文獻：

［1］ 潘正元、馮壁華、于瑤．大學物理實驗［M］．南京：南京大學出版社，2002

［2］ 丁慎訓，張孔時．物理實驗教程(普通物理實驗部分)［M］．北京：清華大學出版社，1992

［3］ 錢士莊 戴斌江都市仙城中學,江蘇江都225200 考試周刊

聲速測量實驗范文第3篇

關鍵詞：物理實驗;教學方法;實驗思想;問題解決能力

中圖分類號：G427 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）43-0141-02

美國心理學家、哈佛大學教授威廉?詹姆士說過：教育的目的是培養滿足各種生活狀況的能力。教師是實現教育目的的主體，其責任除了傳授知識，更重要的是培養學生的能力。因此，教師如何在教學過程中，圍繞“提高學生能力”這一核心采取有效的教學方法，培養學生的素質和提高學生的能力尤為重要。每門課程都有其課程體系和相對應的教學方法。

物理學是一門實驗科學，《大學物理實驗》課程的目的是利用實驗儀器，通過合理的實驗設計方案，采用一定的實驗方法，讓學生通過親自動手去驗證、發現、探究物理學規律，從而鞏固所學物理知識，培養學生的科學思維習慣，提高發現問題、解決問題的能力。因此，教師在教學過程中如何培養學生的科學思維，通過課程學習和實踐訓練，繼而提高解決問題的能力，是擺在實驗課教師面前的重要課題。本文主要闡述教學過程中教師圍繞如何培養學生的科學思維習慣、正確提問和解答，從而提高他們應對不同狀況的能力，并取得較好的教學效果。

一、重點內容“問題化”

心理學實驗研究表明，提問可以引起注意，不同的問題可以引導人們向不同的方向思考。因此，問什么問題很重要[1]。對于教學來說，每節課都有其重點內容，如何使學生在短暫的時間內盡快掌握其重點很關鍵。教師在上課前應設計一些覆蓋教學重點的問題，讓學生回答，引導他們思考，尋找解決問題的答案。

例如，弗蘭克赫茲實驗的重點是：在理解波爾理論的基礎上，通過原子和電子碰撞的方法，實現原子狀態的改變，從而在原子狀態改變的時刻或者說原子從基態向激發態躍遷的時候測到原子的第一激發電位[2]。為了讓學生在有限的課堂時間內抓住實驗重點，在講弗蘭克赫茲實驗時，教師可要求學生依次回答以下幾個問題：（1）實驗目的是什么？（2）實驗原理是什么？（3）實現原子狀態改變方法有哪些？（4）怎樣實現電子和原子的碰撞？（5）如何確定電子和原子碰撞的時刻，從而測出原子的第一激發電位等問題。通過一系列的提問，讓學生明白：實驗目的是測量亞原子的第一激發電位;要想測到第一激發電位，根據波爾理論，必須讓原子狀態改變（從基態向激發態躍遷）;實現原子狀態改變的方法是：讓具有一定能量的電子和原子發生碰撞，將能量傳遞給原子，從而實現原子狀態的改變。最終，利用弗蘭克赫茲實驗儀完成上述過程，實現預定的實驗目的。

這會讓學生在回答問題時不知不覺地跟著教師設計好的思路思考和解決遇到的問題。整個過程可以總結為：引導性提問―引起注意―關注性思考―尋找答案―掌握重點。經過不斷的訓練，學生會逐漸養成設問―解答的習慣，抓住問題的重點和解決問題的方法，有助于培養學生的科學思維習慣和實驗思想，從而提高其有效解決問題的能力。

二、解決問題“方法化”

提問是為了引起學生對重點問題的注意和重視，方法是解決問題的必經之路，物理實驗注重實驗方法，實驗方法設計巧妙，就能很好地達到實驗目的。每一個物理實驗，都會有自身的一套實驗方法用來測量相關的物理量。在選用實驗方法，進行實驗設計，編排實驗或在實驗中進行調節和測量時，具有普遍意義的思想稱為實驗思想[3]。物理實驗課程的教學目的是：通過課程訓練，培養學生的實驗思想和科學思維習慣，提高解決問題的能力。因此，在教學過程中，如何引導學生主動尋找解決問題的方法，顯得十分重要。

比如，測空氣比熱容比采用絕熱膨脹法，電橋測電阻運用對稱測量的方式，聲速測量采用駐波和行波法，弗蘭克赫茲實驗采用電子和原子碰撞方法，光電效應采用零電流法等。每種實驗不止一種方法，上課時應充分激發學生積極思考，尋找合理有效的實驗方法對提高學生解決問題的能力至關重要，有助于提高學生解決問題的能力。

例如，空氣比熱容比實驗。為了讓學生自主設計和尋找實驗方法，教師可以從空氣比熱容比的概念出發，引導學生尋找實驗方法。空氣比熱容比又叫絕熱系數，對這個量的測量就會在絕熱過程中進行。如果要測量這個量，就應構建絕熱過程，從而引導學生考慮利用現有實驗儀器，思考如何構建絕過絕熱過程，尋找實驗方法（絕熱膨脹過程），進而在絕熱膨脹過程中測量P、V、T三個狀態量，并將其代入絕熱方程求出空氣比熱容比。三個絕熱方程，使用哪個更簡單、有效，又易于實現，可讓學生選擇合理的測量公式，使得整個過程學生一直都在參與思考，尋找解決問題的方法，既可以提高學生興趣，使其積極參與，也可逐步引導學生思考并尋找解決問題的方法，培養他們嚴謹的科學思維模式，在遇到問題時，知道首先應從哪些方面入手，如何思考和尋找解決問題的方法。在解決問題的過程中，方法很重要，如果選擇合適，會獲得事半功倍的效果。

三、復雜問題“簡單化”

在預習實驗時，由于學生看不到真實儀器，對一些實驗方法和實驗步驟很難明白，這就需要教師在課堂上把一些看起來比較復雜的問題簡單化，以便學生在課堂上容易理解和接受。例如，聲速測量。這個實驗對大部分學生來說有點兒難，教師不能一開始就講測量原理和測量方法，而應先從簡單的速度概念出發：速度是單位時間內經過的位移，那么聲速就是單位時間聲波傳播的距離，從而引出時差法?；驈乃俣?、波長、頻率的關系引出聲速測量的方法。如果利用聲速C、頻率f和波長λ間的關系：C=f×λ進行測量，那么其實驗設計思路如下：（1）首先產生一種超聲波;（2）測出超聲波f;（3）測量超聲波波長λ;（4）計算聲速C=f×λ。再由設計思路出發，為大家講解如何使用實驗儀器產生超聲波及其產生原理以及如何測量頻率、波長，從而引出駐波法和行波法。

駐波法和行波法在測量超聲波的聲速時，會有很多學生并不理解它們，認為這兩種方法相互獨立，沒有什么聯系。實際上，這兩種方法是確定并測量駐波波幅最大時接收器與發射源之間的距離，只是觀察量不同而已。兩種方法的區別在于：駐波法是通過示波器觀察駐波共振時的最大波幅，行波法利用示波器觀察駐波共振時兩列波合成的李薩如圖形，從而確定接收器的位置。所以這兩種方法有異曲同工之妙。通過巧妙的設計思路，把聲速測量問題進行簡化，按照實驗思路，尋找實驗方法，并把兩種方法對比講解，使復雜問題簡單化，有利于學生理解和進行實驗操作。

四、專業問題“通俗化”

專業人士有時會高估自己聽眾的理解力，想當然地認為聽眾已經理解了常說的專有名詞。還有一些教師在講解時，會把本來很簡單的問題復雜化，增加學生的理解難度。比如，直接提問：什么是示波器？它是用來干什么的？一般學生很少能直接簡單地回答出來。實際上，示波器是顯示波形的儀器，凡是可以轉化為電信號的波形都可以在示波器上顯示出來，并進行測量。物理實驗涉及許多專有名詞，如全息照相、示波器、分光儀等，如果能把這些專有名詞通俗化，便于學生理解和記憶。例如，全息照相可以說是對物光波全部信息的記錄和再現的一種照相技術。全息指的是物體表面發出的全部信息（包括光波的振幅和相位），可以很好地讓學生區分普通照相和全息照相，記住全息照相的內容，了解全息照相的干涉原理和再現原理。再如，分光儀是一種分光儀器，進一步理解如何分光和測量波長等原理。因此，專業名詞通俗化有助于學生理解和記憶，提高學習效率。

總之，物理實驗是一門實踐課程，學生在教師的引導下，通過親自動腦和動手，在實際訓練過程中，養成科學的思維習慣和正確的實驗思想，尋找合理的實驗方法，逐步提高解決問題的能力。教師在教學實踐過程中，應始終以提高學生問題解決能力為宗旨，采用有效的教學方法進行教學，可取得很好的教學效果。其基本方法是“四化”教學法：重點內容“問題化”、解決問題“方法化”、復雜問題“簡單化”、專業問題“通俗化”。學生通過一段時間的課程訓練后，不但能培養出良好的實驗思維習慣和提高問題解決能力，還能不斷提高應對生活中各種狀況的能力。

參考文獻：

[1]王滟明，鄒簡.哈佛積極心里學筆記[M].中國言實出版社，2011.

聲速測量實驗范文第4篇

關鍵詞：大型鑄件；雙晶探頭；超聲波檢測；靈敏度

1.前言

鑄件被廣泛應用制造業中，它在各種類型的機械設備中占比較大。而在鑄造鑄件的過程中，常常會出現孔洞類缺陷，裂紋、冷隔類缺陷，夾雜類缺陷等，導致生產的產品不合格造成重大經濟損失和安全隱患。因此，需要研究鑄件無損檢測技術對確保鑄件的安全性和可靠性具有重要的實際意義。

當前比較有效的鑄件無損檢測技術包括超聲檢測、X射線透射檢測及射線層析攝影法等[1]，它們各有其自身的特點，在鑄件檢測中都得到了不同程度的應用，根據具體被測鑄件的材料、幾何形狀等特征選擇合適的缺陷檢測方法是很重要的。但是對于大型鑄件來說，其特殊的聲學特性，比如晶粒粗大、組織不致密性等，會造成超聲波在傳播的過程中衰減嚴重。如果對其采用一般的超聲檢測方法進行檢測則很容易造成漏檢和誤檢的危險。 因此本文采用底波衰減法對大鑄件質量進行檢測

2.鑄件超聲波探傷

超聲波探傷具有靈敏度高、穿透性強、檢測速度快、成本低和對人體無害等優點。檢測時，超聲波會從缺陷處反射而在熒光屏上出現缺陷波，缺陷波的波形及波幅因缺陷的幾何形狀不同而發生變化，可根據缺陷波波形特性來評判缺陷性質。

對于大厚度的大型鑄件，超聲檢測則是很有效的，可以比較精確地測出內部缺陷的位置、當量大小和分布的情況。鑄件內部組織粗大、致密性差，致使超聲波的衰減大、穿透性差。超聲波在粗大的晶粒界面上會產生雜亂的晶界反射，使聲能衰減嚴重，檢測頻率越高衰減越大，由晶界反射產生的雜波干擾越嚴重，因此，在鑄件檢測時，一般選用較低的超聲波頻率。經過表面加工的鑄件可用機油作偶合劑采用直接接觸法進行超聲檢測，表面粗糙的鑄件可采用水浸法。對不同類型和材質的鑄件進行檢測時，除內部質量好的鑄件可采用反射法外，一般采用底波衰減法，根據底波衰減的程度來評價鑄件質量。

3.實驗分析

對鑄件進行超聲檢測時，一般要對聲速、聲阻抗和材質衰減系數等聲學參數進行測定，以便于選擇K 值、頻率、晶片尺寸等探頭參數。但同種材料不同工件的聲學特性參數都有細微的差別。因此，下面就其聲速和聲阻抗進行了測量。

3.1大型鑄鋼件聲速的測量

聲速的測量有很多方法，如共振法、示波器法和用測速儀直接測試等。本文采用PXUT-27型數字探傷儀對工件進行示波器法聲速測量。

測試原理為：

3.2大型鑄鋼件試樣檢測

影響探頭檢測效果的因數很多，檢測效果是否達到最佳狀態需要經過實際測試才能獲取，所以檢測時采用不同頻率的探頭分別調節一下靈敏度以選擇適當的頻率參數。

3.2.1 頻率的選擇

對鑄件檢測來說探頭頻率的選擇是最為重要的工作之一，檢測頻率一般為0.5～5MHz。厚度較大的可在此范圍內選擇較低一點的頻率，厚度較小或經過晶粒細化處理的工件可在此范圍內選擇較高一點的頻率。

按照 3.1 節中測量的聲速我們可以算出超聲波在不同頻率下在工件中的波長。當？=1.25MHz 時，λ=4.76mm；當？=2.5MHz 時，λ=2.38mm；當？=5.0MHz 時，λ=1.19mm。利用 PXUT-27 型數字機在不同的頻率對探傷靈敏度進行了調節。調節靈敏度是先按照工件兩平行面的底波來調整，再按照φ2當量的平底孔進行修正。

3.2.2 探頭選擇和掃查方式

對于外徑和厚度較大的管類鑄件其受力部位一般都在管的內表面，如果管的外壁較為光滑耦合較好，則除了在兩端面用直探頭掃查外還要從管外用直探頭和斜探頭徑向掃查，斜探頭要正反兩個方向掃查，以便發現不同取向的缺陷。但是大型鑄件的外表面一般很粗糙，模砂和坑凹很多探頭難以耦合，遇到這種情況可以從內表面徑向探測。但是一般的直探頭有一定的盲區和始波占寬，很難保證內近表面缺陷的檢測，如此可選擇雙晶直探頭從內表面進行掃查。

雙晶探頭尺寸參數的也很重要，主要是根據工件的形狀和尺寸來選擇。對于曲率半徑大或厚度較大的工件可選擇較大的晶片尺寸；對于曲率半徑較小的工件則要選擇小尺寸的晶片，如果選的過大則耦合不好。

用兩種不同的雙晶探頭，一種晶片為 1-3 壓電復合材料）對工件的離內表面不同深度的φ3 長橫孔進行了掃查。

普通的 PZT 雙晶探頭對 5mm 深的孔也難以分辨，而1-3 壓電復合材料雙晶探頭對深度為 5mm 的孔能很好的分辨出來且波形很尖銳。這是因為 1-3 壓電復合材料晶片有高阻尼、低機械 Q 值等優良特性，使回波的波形尖銳而且可以很好的抑制雜波。

4.結論

本文采用底波衰減法研究大鑄件超聲波探傷，得出以下結論：

（1） 測試出大型筒類鑄鋼件的聲速為5955m/s，材質衰減系數為0.071dB/mm。

（2） 說明了探測大型鑄鋼件時選擇探頭頻率的原則，在大致確定頻率范圍的情況下，要根據靈敏度的要求從低頻到高頻逐個選擇探頭進行調節，以確保在靈敏度滿足要求的條件下盡量選擇頻率較低的探頭進行檢測。靈敏度的調節一般是根據被檢工件的兩平行底面的底面波來調節，以保證材質的同一性。探頭晶片的尺寸要根據工件的大小和形狀來選擇，主要是要滿足能量和耦合的要求。

（3） 針對文中所涉及的筒類鑄件，介紹了探頭和掃查方式的選擇原則。除了平行端面要用直探頭雙面掃查外，當外表面光滑時從外表面用直探頭和斜探頭掃查，當外表面粗糙時從內表面用雙晶探頭掃查。

（4） 使用1-3壓電復合材料晶片可以有效地抑制草狀回波而且可以銳化波形。

聲速測量實驗范文第5篇

【關鍵詞】時域格林函數 噪聲互相關函數經驗模態分解

1 引言

近年來，國外許多研究證明，對兩個接收點記錄到的長時間的海洋環境噪聲進行互相關處理，得到的長時間互相關函數可近似表示這兩點之間的格林函數。2004年，Roux, Kuperman首次通過實驗證明，使用海洋環境噪聲可近似地估計兩點之間的時域格林函數（TDGF）的波前到達結構。隨后，國外許多研究機構對使用NCF提取TDGF的技術及其應用進行了研究。而國內對于該方面的研究基本都處于起步階段，對這方面的研究報道也不多見。

實際上，在海洋中每個獨立噪聲源產生的聲場中，聲波經過長距離傳播后在不同的兩個點接收到的噪聲信號是相關的，只是這種微小的相關成分，被整個海洋中廣泛分布的非相關聲場所淹沒。然而，對兩個接收點記錄的海洋環境噪聲進行長時間的互相關處理可以將這種相關成分提取出來，得到的相干波前與格林函數的結構一致。本文的主要工作是利用海洋環境噪聲提取格林函數，將經驗模態分解(EMD)與波束形成相結合的方法應用到格林函數提取中以提高信噪比,優化提取方法，并進一步進行聲速反演。

2 原理與方法

2.1 NCF與TDGF的相似性

本文采用了如下海洋模型，僅有一層水體覆蓋于半無限大的海底之上，且水體、海底的密度以及其中的聲速分別為ρ1，c1(z)，ρ2，c2(z)，海面為壓力釋放界面，海底為剛性海底。

圖2.2.1為 噪聲場模型示意圖，噪聲源平面位于海面下深度z’處，海洋中的兩個點分別位于(r1,z1),(r2,z2)處

圖中海洋的聲學環境可看作一個波導。海洋當中位于深度z1和z2，水平間距為R的兩個場點之間的格林函數可以用簡正波形式表示為：

Gω(R,z1,z2)=(knR)

（2-1-1）

其中，ρ為聲源所在處的海水密度，S(ω)為聲源的頻譜。對式（2-1-1）進行逆傅立葉變換，就可以得到時域格林函數（TDGF）的表達式：

Gt(R,z1,z2)= dωGt(R,z1,z2) exp(iωt)（2-1-2）

上面已經得到兩點之間時域格林函數（TDGF）的表達式。若表面噪聲源被等效為位于深度 處的一個布滿點噪聲源的平面，海洋環境噪聲互譜密度的表達式可以表示為：

Gω(R,z1,z2)=

（2-1-3）

其中，Q2(ω)為噪聲源的能量譜，z'為噪聲源深度，αn為模態衰減系數。

將式（2-1-1）與式（2-1-3）進行比較，可以很明顯的看出，兩個式子求和號之前的項為標量不影響格林函數和互譜密度函數的結構，二者求和號之后的項在結構上具有相似性，故而理論上可以采用海洋環境噪聲場中兩點之間的長時間互相關函數來提取格林函數。

2.2 經驗模態分解（EMD）方法簡介

本文使用經驗模態分解方法，在對原始噪聲數據進行經驗模態分解，將其作為一種特殊濾波方法，提取噪聲數據中的不同頻段成分，再進行互相關處理，來分析其對互相關結果的影響及有效性。

經驗模態分解可以在時域范圍內將復雜的原始信號分解為一系列固有模態函數（Intrinsic Mode Functions，IMF），每一個固有模態函數需要滿足以下兩個條件：

(1)在固有模態函數的時間序列中，函數的過零點的數量與極值點的數量必須相等，或者最多只能相差一個，

(2)在任意時間點上，由該函數的局部極大值和極小值所構成的包絡的均值必須等于零。

經驗模態分解方法的本質是根據原始信號自身的時間尺度特征對信號進行分解從而獲得信號的固有振動模態，然后根據這些固有振動模態來分解信號的時間序列。其步驟在此不再贅述。

3 實驗數據分析

2012年11月15日，中國海洋大學海洋聲學研究室在青島膠州灣海域航道附近進行了海洋環境噪聲采集實驗。本文對海洋環境噪聲時空特性進行分析，利用噪聲互相關技術提取格林函數，并進一步進行聲速反演。

3.1 數據預處理結合波束形成的噪聲互相關

為了提取信噪比盡可能高的噪聲互相關波至，需要進行單陣元數據預處理。單陣元數據預處理的內容主要包含以下幾個方面：

（1）重新降頻采樣。滿足采樣定理的前提下進行降頻采樣，降低數據處理難度；

（2）去均值與帶通濾波；

（3）時域歸一化去除異常信號；

（4）頻譜白化處理

經過上述幾個步驟的單陣元數據預處理后，就可以將處理后的單陣元數據應用于噪聲互相關處理。

由圖3.1.1中噪聲場的空間功率譜可見，噪聲場的主要能量集中于300~1000Hz頻段，且處于垂直陣俯仰角-30°~30°之間，這說明遠處行船噪聲在水平方向上占據了主導。這樣同一垂直陣上的陣元接收到的噪聲信號相位差很小，會導致提取到的噪聲互相關的時間結構不準確。

為解決這類問題，前人曾使用垂直波束形成方法。實驗結果證明，垂直波束形成方法可以有效提高格林函數信噪比。實驗處理的結果如下。

但是這種處理方法仍有缺陷，由圖3.1.2可見，在估計的時延位置附近，仍有很大的旁瓣存在，難以準確正確估計時延位置，這將會在使用某個陣元與陣列中各個陣元進行互相關提取相干波前時產生不利影響，致使無法得到清晰的相干波前，如圖3.1.3所示。

為了降低這個干擾，本文采用經驗模態分解（EMD）方法與波束形成方法相結合，來提高所提取到的環境噪聲互相關波至的信噪比。

3.2 基于EMD的噪聲互相關

使用EMD方法對噪聲信號進行分解，取分解所得到的固有模態函數中的前兩階進行信號重構，再進行波束形成及互相關處理。

EMD分解得到的各階固有模態函數，在時域函數上保留了原始噪聲數據的時域變化特征，而頻域上，第一階IMF提取成分屬原始噪聲數據中最高頻段的信號，第二階IMF則為次高頻段的信號，其余依次類推。IMF1的互相關結果分辨率要高于IMF2的互相關結果，故本文主要采用第一階固有模態函數進行噪聲互相關處理。結果如下：

可見，經過EMD分解后的信號，再進行互相關處理與波束形成所得到的噪聲互相關結果信噪比很高，明顯優于僅使用預處理和波束形成的噪聲互相關結果。

使用此方法，計算噪聲互相關所得時延，將其與估計時延進行對比，如下圖3.2.2所示：

圖中實線為TDGF估計的時延位置。由于所以水聽器都是在同一個垂直陣上，圖3.2.2的噪聲互相關結果看起來正如在海面有一聲源時，在聲源點正下方接收到的直達信號。此時的噪聲互相關結果要優于圖3.1.3中僅采用波束形成方法獲得的結果。

本文亦將由兩個間隔4.5m陣元之間NCF提取的時域格林函數用來反演聲速，并與根據溫深儀記錄的深度、溫度數據計算出的聲速進行對比。

由噪聲互相關函數提取的時域格林函數的直達波至的到達時間為0.003s，而兩個陣元間距為4.5m，故而反演得到的聲速為4.5/0.003m/s=1500m/s，根據這個實際段內的溫深數據所求得的實際平均聲速為1503.1m/s，誤差為0.21%左右，可見，反演得到的聲速非常接近于真實聲速。但由于采樣率及陣元間距的限制，圖中的波至到達時間已經是最高分辨率之下的結果，要取得更好的結果，需要提高數據采樣率，或者提高反演時記錄噪聲的兩個陣元之間的間距。而由于實驗條件限制，尚缺乏數據進行進一步的反演。

4 總結與展望

本文使用在青島膠州灣航道附近的噪聲采集實驗數據，進行了噪聲互相關處理，并將經驗模態分解與垂直波數形成相結合的方法應用到噪聲互相關處理上來，根據結果來看，這樣的方法可以明顯提高噪聲互相關波至的信噪比。同時本文進行了聲速的反演，并與由溫深數據計算得到的聲速進行對比，證明反演方法是有效的且精度也較高。

參考文獻

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作者簡介

王奉寶（1987-），男，山東省日照市五蓮縣人。碩士學位。中國海洋大學，水聲學。