CN102589673A - 针对大尺寸弹性材料的声速测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种针对大尺寸弹性材料的声速测量装置及测量方法。包括系统控制电脑、可移动走架、接收水听器、宽带高频发射换能器、移动走架控制器、信号源、功率放大器、数据采集卡、测量放大器；信号源、功率放大器和宽带高频发射换能器依次电连接；系统控制电脑、数据采集卡、测量放大器和接收水听器依次电连接，数据采集卡同步端与信号源同步端电连接；系统控制电脑、移动走架控制器和可移动走架依次电连接；待测材料水平放置于水池中的可倾斜支架上，宽带高频发射换能器置于待测材料下，接收水听器置于待测材料上并固定于可移动走架上。本发明的测量装置，保证了测量结果的准确性。本发明的方法得到的大尺寸弹性材料中的声速符合实际情况。

Description

针对大尺寸弹性材料的声速测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种声速测量装置，本发明也涉及的是一种声速测量方法。具体地说是一种针对大尺寸弹性材料的声速测量的装置及方法。

背景技术

弹性体中的声速体现了其材料的物理特性，对它的讨论一直是材料学研究领域的热点。现有的测量方法多是通过测量材料的杨氏模量或其他弹性系数进而获得材料声速。常用的杨氏模量测量方法有：正弦力激励法，谐振实验法，自由衰减法等；对于材料的静态杨氏模量，常采用：拉伸法测金属丝杨氏模量，金属杨氏模量、弦线模量、切线模量和泊松比试验方法，夹层结构或芯子剪切性能试验方法，夹层结构弯曲性能试验方法，无色光学玻璃杨氏模量、剪切模量及泊松比测试方法，金属材料杨氏模量、切变模量及泊松比测量方法等等；以上所提及的各种测量方法大多已形成标准和配套的测量设备，并已被广泛应用。但上述各种测量方法对待测物体的形状、大小、硬度等往往有严格要求，应用中也需要采用与所选方法配套的测量设备，在使用时均存在不同程度的局限。

对材料中声速的直接测定法，国内外标准均规定采用穿透法测量。通过计算待测材料厚度与到达时间的关系得到声速。而由于在固体中纵波和横波的传播特性不同，穿透法不能同时测量两类波速，需分别使用纵波换能器和横波换能器激发不同体波分别测量。同时穿透法在测量时也只能针对尺寸较小的材料，对于大尺寸材料往往需要切割取样才能测量，破坏了待测材料的完整性，同时在使用穿透法测量时对于初始点的选择也有严格要求，沈建国(用穿透法测量声速时初始点的选择问题，石油地球物理勘探，2003，38(1))讨论了由于穿透法初始点选择对测量结果的影响。

除上述测量方法外，申请号为201010226607.3的专利文件中公开的技术方案，通过测量弹性板中lamb波传播的相速度和频散方程同时测得固体中的纵、横波速，但其测量理论复杂，弹性板中的lamb波测量困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能用于声速测量，也能解决简单浅海海洋信道中低频声传播研究的实验室模拟问题的针对大尺寸弹性材料的声速测量装置。本发明的目的还在于提供一种不破坏待测材料的完整性，可同时得到待测材料中的两类声速，节省测量时间的针对大尺寸弹性材料的声速测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的针对大尺寸弹性材料的声速测量装置包括系统控制电脑、可移动走架、接收水听器、宽带高频发射换能器、移动走架控制器、信号源、功率放大器、数据采集卡、测量放大器；信号源、功率放大器和宽带高频发射换能器依次电连接；系统控制电脑、数据采集卡、测量放大器和接收水听器依次电连接，数据采集卡同步端与信号源同步端电连接；系统控制电脑、移动走架控制器和可移动走架依次电连接；水池四周池壁敷设有高频吸声尖劈；待测材料水平放置于水池中的可倾斜支架上，宽带高频发射换能器置于待测材料下，接收水听器置于待测材料上并固定于可移动走架上。

所述实验水池为25m×2.5m×2.5m的信道水池。

所述的接收水听器是TC4038接收水听器。

所述的数据采集卡是PCI20612数据采集卡。

所述的测量放大器是B&K2636测量放大器。

基于本发明的针对大尺寸弹性材料的声速测量装置的测量方法为：

将待测材料水平放置于水池中的可倾斜支架上，宽带高频发射换能器位于待测材料下方，接收水听器位于待测材料(4)上方；保持高频发射换能器不动，接收水听器等间隔移动，随着宽带高频发射换能器与接收水听器之间距离不断变化，接收信号到达时间亦随之不断改变；取待测材料内部折射纵波与横波到达接收水听器的直达波时延变化规律；

所述直达波时延变化规律中主要涉及到6个参数，包括：宽带高频发射换能器声中心与接收水听器声中心起始位置之间水平距离L_SR；宽带高频发射换能器声中心深度Z_S；接收水听器声中心深度Z_R；待测材料中纵波声速c_p、横波声速c_s；水中声速c₁；用T_p(L_SR，Z_S，Z_R，c_p，c₁)和T_c(L_SR，Z_S，Z_R，c_s，c₁)分别表示纵波和横波接收信号时延值，结合实测时延值T₁(L_SR，Z_S，Z_R，c_p，c₁)和T₂(L_SR，Z_S，Z_R，c_s，c₁)构造代价函数：

其中：T_pi、T_1i分别表示纵波轨迹上第i个测量点上的理论计算时延值和实测值，运动轨迹共有N点；T_ck、T_2k分别表示横波轨迹上第k个测量点上的理论计算时延值和实测值，运动轨迹共有M点；

利用寻优算法求解代价函数，同时获得待测材料内的纵波声速和横波声速。

本发明的测量装置可利用通过系统控制电脑运行自主编译的平台控制程序和采集程序实现测量系统自动控制的功能。在测量过程中首先按照测量方案完成对测量系统各个设备的布放；利用系统控制电脑启动测量程序后，在每个测量点接收水听器接收到信号后通过测量放大器输入到与系统控制电脑PCI总线连接的数据采集卡中，系统控制电脑通过采集程序采集、记录相关数据；完成一点测量后，系统控制电脑通过平台控制程序输入命令到与PCI总线连接的移动走架控制器驱动移动走架的电机运动，接收水听器移动到下一个测量点，每次移动误差不超过20um；如此往复，直至全部测量完成后，关闭设备。

本发明中的声速测量方法结合射线理论设计的测量方法利用声场多途结果构造代价函数，并利用寻优算法求解待测大尺寸弹性材料中纵、横波声速。与已有的测量方法相比，本发明利用声场计算思想测量声速，并可同时得到待测材料中两种不同类型的声波声速，相比传统测量方法更加符合实际需要；同时本发明避免了对材料整体性的破坏，对测量大尺寸弹性材料具有明显优势；在本发明中，可采用同一高频发射换能器同时激发待测材料内纵波和横波，对待测材料的激发作用相同，避免了传统方法中调换发射换能器引入的误差，为大尺寸弹性材料的声速测量方法研究提供了一种新思路。从已有的测量结果可以看到采用本发明得到的大尺寸弹性材料中的声速符合实际情况。

本发明的测量装置，保证了测量结果的准确性。采用相同设备，改变测量系统中实验仪器的布放，可以作为水声缩比实验平台完成具有弹性海底海洋环境的声场测量(如图4所示)，通过图5对比可以看到：在模拟水平弹性海底情况下，利用测得的高频传播损失数据与根据实验环境参数计算得到的缩比后低频传播损失曲线两者吻合较好，验证了实验思路的正确性与可行性。在此基础上，利用本测量平台又完成了对弹性海底环境下多途结构的测量实验，同样取得了理想的实验结果。

附图说明

图1声速测量装置布放示意图；

图2大尺寸弹性材料声速测量方案图；

图3两类折射波接收信号时延值随距离变化图；

图4声场测量布放示意图；

图5发射信号中心频率为155kHz，实测TL值与反演TL值对比图(模拟水平海底)；

图6测量中接收到的时域信号；

图7测量结果中信号时延值随距离变化图；

图8两类折射波接收信号时延值反演结果。

具体实施方式

下面以155kHz发射信号作用下测量待测材料声速为例，结合附图对本发明做更详细的描述：

结合图1，本发明的测量装置主要由系统控制电脑1、可移动走架2、TC4038接收水听器3、宽带高频发射换能器6、移动走架控制器8、信号源9、功率放大器10、PCI20612数据采集卡11、B&K2636测量放大器12组成。布放时，信号源9、功率放大器10和宽带高频发射换能器6依次电连接；系统控制电脑1、数据采集卡11、测量放大器12和接收水听器3依次电连接，数据采集卡11同步端与信号源9同步端电连接；系统控制电脑1、移动走架控制器8和可移动走架2依次电连接；实验水池7为25m×2.5m×2.5m的信道水池，其四周池壁敷设了高频吸声尖劈，以减小池壁反射信号的影响；测量时要求将待测材料4水平放置于水池7中可倾斜支架5上，宽带高频发射换能器6置于待测材料4下，接收水听器3置于待测材料4上并固定于可移动走架2上。

结合图5，利用本发明的测量装置及方法测量大尺寸弹性材料中声速：

1、布放声速测量系统：将大尺寸(大小为153cm×110cm×10.5cm)PVC塑料板作为待测材料4水平放置于可倾斜支架5上并与实验水池7的水面平行；宽带高频发射换能器6与信号源9、功率放大器10连接后通过连接杆水平放置于待测材料4下；TC4038超宽带球形参考水听器作为接收水听器3固定于定位精度为20μm的精确可移动走架2上，实验水池7为25m×2.5m×2.5m的信道水池，其四周池壁铺设了高频吸声尖劈，以减小池壁反射信号的影响。

2、利用系统控制电脑1将移动走架2初始化：将移动走架2进行基本参数设置，并将接收水听器3移动至平台初始点，准备测量；

3、利用系统控制电脑1启动测量程序后，宽带高频发射换能器6在测量过程中发射信号中心频率为155kHz的脉冲信号，在每个测量点接收水听器3接收到信号后通过测量放大器12输入到与系统控制电脑1PCI总线连接的数据采集卡11中，系统控制电脑1通过采集程序采集、记录接收到的时域信号，并重复实验三次以上；完成一点测量后，系统控制电脑1通过控制程序输入命令到与PCI总线连接的移动走架控制器8驱动可移动走架2的电机运动，接收水听器3移动到下一个测量点，每次移动2mm误差不超过20um；如此往复，直至接收水听器3运动至限位位置处，可移动走架2自动回到初始点，一次测量结束；

4、考虑待测材料在不同声波作用下弹性参数不同，重复步骤3即可完成多个频率测量；

5、对采集到的测量数据进行处理。以测量中发射信号中心频率为155kHz信号为例，并对每测量点多次测量结果进行平均，以消除随机波动的影响。测量过程中的接收信号如图6所示。提取板内纵波与横波折射出的直达声信号时延值T_i、T₂如图7所示。

6、在计算待测材料4中两类声速时，利用测量数据与理论计算公式建立代价函数，寻优计算得到两类声速值。为此，发明了该测量方法下接收信号时延计算公式。在对两种体波折射产生的信号时延计算公式发明中主要涉及到6个参数，包括：宽带高频发射换能器6声中心与接收水听器3声中心起始位置之间的水平距离L_SR；宽带高频发射换能器6声中心深度Z_S；接收水听器3声中心深度Z_R；待测材料4中纵波声速c_p、横波声速c_s；水中声速c₁。用T_p(L_SR，Z_S，Z_R，c_p，c₁)和T_c(L_SR，Z_S，Z_R，c_s，c₁)分别表示纵波和横波接收信号时延值，结合实测时延值T₁(L_SR，Z_S，Z_R，c_p，c₁)和T₂(L_SR，Z_S，Z_R，c_s，c₁)可构造代价函数：

式中：T_pi、T_1i分别表示纵波轨迹上第i个测量点上的理论计算时延值和实测值，运动轨迹共有N点；T_ck、T_2k分别表示横波轨迹上第k个测量点上的理论计算时延值和实测值，运动轨迹共有M点；

利用寻优算法求解代价函数，即可同时获得待测材料4内的纵波声速和横波声速。反演结果如图8所示，比较图7与图8可以看到反演结果与测量结果完全一致，利用本算法可精确计算待测材料4内两类声速。测量数值如表1所示：

表1.搜索结果

Claims (10)

1.一种针对大尺寸弹性材料的声速测量装置，包括系统控制电脑、可移动走架、接收水听器、宽带高频发射换能器、移动走架控制器、信号源、功率放大器、数据采集卡、测量放大器；其特征是：信号源、功率放大器和宽带高频发射换能器依次电连接；系统控制电脑、数据采集卡、测量放大器和接收水听器依次电连接，数据采集卡同步端与信号源同步端电连接；系统控制电脑、移动走架控制器和可移动走架依次电连接；水池四周池壁敷设有高频吸声尖劈；待测材料水平放置于水池中的可倾斜支架上，宽带高频发射换能器置于待测材料下，接收水听器置于待测材料上并固定于可移动走架上。

2.根据权利要求1所述的针对大尺寸弹性材料的声速测量装置，其特征是：所述实验水池为25m×2.5m×2.5m的信道水池。

3.根据权利要求1或2所述的针对大尺寸弹性材料的声速测量装置，其特征是：所述的接收水听器是TC4038接收水听器。

4.根据权利要求1或2所述的针对大尺寸弹性材料的声速测量装置，其特征是：所述的数据采集卡是PCI20612数据采集卡。

5.根据权利要求3所述的针对大尺寸弹性材料的声速测量装置，其特征是：所述的数据采集卡是PCI20612数据采集卡。

6.根据权利要求1或2所述的针对大尺寸弹性材料的声速测量装置，其特征是：所述的测量放大器是B&K2636测量放大器。

7.根据权利要求3所述的针对大尺寸弹性材料的声速测量装置，其特征是：所述的测量放大器是B&K2636测量放大器。

8.根据权利要求4所述的针对大尺寸弹性材料的声速测量装置，其特征是：所述的测量放大器是B&K2636测量放大器。

9.根据权利要求5所述的针对大尺寸弹性材料的声速测量装置，其特征是：所述的测量放大器是B&K2636测量放大器。

10.一种基于权利要求1所述的针对大尺寸弹性材料的声速测量装置的测量方法，其特征是：

将待测材料水平放置于水池中的可倾斜支架上，宽带高频发射换能器位于待测材料下方，接收水听器位于待测材料(4)上方；保持高频发射换能器不动，接收水听器等间隔移动，随着宽带高频发射换能器与接收水听器之间距离不断变化，接收信号到达时间亦随之不断改变；取待测材料内部折射纵波与横波到达接收水听器的直达波时延变化规律；

所述直达波时延变化规律中主要涉及到6个参数，包括：宽带高频发射换能器声中心与接收水听器声中心起始位置之间水平距离L_SR；宽带高频发射换能器声中心深度Z_S；接收水听器声中心深度Z_R；待测材料中纵波声速c_p、横波声速c_s；水中声速c₁；用T_p(L_SR，Z_S，Z_R，c_p，c₁)和T_c(L_SR，Z_S，Z_R，c_s，c₁)分别表示纵波和横波接收信号时延值，结合实测时延值T₁(L_SR，Z_S，Z_R，c_p，c₁)和T₂(L_SR，Z_S，Z_R，c_s，c₁)构造代价函数：

其中：T_pi、T_1i分别表示纵波轨迹上第i个测量点上的理论计算时延值和实测值，运动轨迹共有N点；T_ck、T_2k分别表示横波轨迹上第k个测量点上的理论计算时延值和实测值，运动轨迹共有M点；

利用寻优算法求解代价函数，同时获得待测材料内的纵波声速和横波声速。

Images