CN109827651A - 一种超声波在石英玻璃中的声速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波在石英玻璃中的声速测量装置及方法。该装置包括压电陶瓷、石英玻璃、信号发生器、示波器。方法为：将石英玻璃两边贴上压电陶瓷(PZT)，信号发生器的脉冲信号输入至一侧的PZT上，另一侧的PZT作为探测器输出信号至示波器。同时，信号发生器的脉冲信号也输入至示波器。通过测量输入信号与探测信号的时间差T，石英玻璃的长度L，计算得到超声传播的纵波速度为V＝L/T。本发明具有结构简单、测量精确、成本低等优点。

Description

一种超声波在石英玻璃中的声速测量装置及方法

技术领域

本发明属于超声检测领域，特别是一种超声波在石英玻璃中的声速测量装置及方法。

背景介绍

超声波是一种频率高于20000Hz的声波，它具有方向性好，穿透能力强等优点。超声波的用途很广泛，包括利用超声波的方向性，可以在流体中远距离传播，永固测距，测速、超声波清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在生物医学、军事、工业、农业上有很多的应用。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz到20000Hz之间。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为1兆赫兹到30兆赫兹。

测量超声波声速的方法有驻波法、相位法等，但是这些方法在接收器和发射器之间的波的形式较为复杂，使得两种方法的原理相对复杂，不易理解与实现，结构复杂、成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、测量精确、成本低的超声波在石英玻璃中的声速测量装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种超声波在石英玻璃中的声速测量装置，包括依次连接的超声换能器、石英玻璃和超声探测器，超声换能器和超声探测器分别置于石英玻璃两侧，信号发生器的两个输出端口分别与超声换能器和示波器的一个输入端口相连，超声探测器与示波器的另一个输入端口相连；

其中，

信号发生器，用于输出脉冲信号至超声换能器和示波器；

超声换能器，用于将信号发生器输出的脉冲信号转换为超声信号；

超声探测器，用于检测所述超声信号并将其转换为电信号；

示波器，用于显示信号发生器和超声探测器的信号。

基于上述装置的声速测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在石英玻璃的两侧分别连接超声换能器和超声探测器，并测量石英玻璃的长度L；

步骤2、设置信号发生器的脉冲信号频率f，并将脉冲信号输入至超声换能器和示波器；

步骤3、将超声探测器连接至示波器，利用示波器显示信号发生器的输入信号和超声探测器检测的信号；

步骤4、调节示波器的光标分别至输入信号的上升沿和检测信号的起始点，获得光标的时间差T，根据L和T求取V。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用的是同规格的压电陶瓷(PZT)作为换能器和探测器，粘结在石英玻璃两端，整体结构简单易实施；2)本发明的装置主要是压电陶瓷(PZT)、石英玻璃、信号发生器、示波器等，成本较低；3)本发明的方法采用示波器进行检测，分辨精度高，测量结果更精确。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明超声波在石英玻璃中的声速测量装置的结构示意图。

图2为本发明超声波在石英玻璃中的声速测量方法的流程图。

具体实施方式

结合图1，本发明一种超声波在石英玻璃中的声速测量装置，包括依次连接的超声换能器1、石英玻璃2和超声探测器3，超声换能器1和超声探测器3分别置于石英玻璃2两侧，信号发生器4的两个输出端口分别与超声换能器1和示波器5的一个输入端口相连，超声探测器3与示波器5的另一个输入端口相连；

其中，

信号发生器4，用于输出脉冲信号至超声换能器1和示波器5；

超声换能器1，用于将信号发生器4输出的脉冲信号转换为超声信号；

超声探测器3，用于检测超声信号并将其转换为电信号；

示波器5，用于显示信号发生器4和超声探测器3的信号。

进一步地，超声换能器1和超声探测器3为相同的压电陶瓷。

优选地，超声换能器1和超声探测器3均为中心频率为1MHz的压电陶瓷。

优选地，石英玻璃2折射率为1.45。

优选地，信号发生器4输出信号为1MHz的单脉冲信号，脉冲间隔时间为10ms，振幅峰峰值为20Vpp。

结合图2，基于上述装置的声速测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在石英玻璃2的两侧分别连接超声换能器1和超声探测器3，并测量石英玻璃的长度L；

步骤2、设置信号发生器4的脉冲信号频率f，并将脉冲信号输入至超声换能器1和示波器5；

步骤3、将超声探测器3连接至示波器5，利用示波器5显示信号发生器4的输入信号和超声探测器3检测到的信号；

步骤4、调节示波器5的光标分别至输入信号的上升沿和检测信号的起始点，获得光标的时间差T，根据L和T求取V。

优选地，步骤2中f的取值范围为[f₀-Δf,f₀+Δf]，其中f₀为压电陶瓷的中心频率，Δf为中心频率的半宽值。

优选地，f为1MHz。

优选地，步骤1在石英玻璃2的两侧分别连接超声换能器1和超声探测器3，具体为：在石英玻璃2的两侧分别通过超声耦合剂连接超声换能器1和超声探测器3。

进一步地，步骤4根据L和T求取V，所用公式为：

V＝L/T

式中，L为石英玻璃的长度，T为光标的时间差，V为超声纵波的速度。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

结合图1，本发明对超声波在石英玻璃中的声速测量装置，包括连接的超声换能器、石英玻璃和超声探测器，超声换能器和超声探测器分别置于石英玻璃两侧，信号发生器的两个输出端口分别与超声换能器和示波器的一个输入端口相连，超声探测器与示波器的另一个输入端口相连；

实现超声波在石英玻璃中的声速测量方法的具体步骤如下：

将超声换能器和超声探测器分别用超声耦合剂连接在石英玻璃两侧，测量石英玻璃的长度L＝20mm；打开信号发生器，设置脉冲信号频率为1MHz，单脉冲间隔为10ms，振幅峰峰值为20Vpp输入到超声换能器和示波器；超声探测器连接到示波器，利用示波器显示信号发生器输入信号和超声探测器检测的信号；设置示波器的光标，调节到输入信号的起始点和检测信号的起始点，获得光标的时间差T＝3.54μs，利用公式得到声速V＝5649.7m/s；

所采用的公式为：

V＝L/T

式中，L是石英玻璃的长度，T是光标的时间差，V是超声纵波的速度。

综上，本发明将压电陶瓷分别作为超声换能器和超声探测器，粘结在石英玻璃的两侧，结构简单且成本低。信号发生器输入脉冲信号频率高，示波器探测的信号精度高，进而计算的声速精确度高。

Claims (7)

1.一种超声波在石英玻璃中的声速测量装置，其特征在于，包括依次连接的超声换能器(1)、石英玻璃(2)和超声探测器(3)，超声换能器(1)和超声探测器(3)分别置于石英玻璃(2)两侧，信号发生器(4)的两个输出端口分别与超声换能器(1)和示波器(5)的一个输入端口相连，超声探测器(3)与示波器(5)的另一个输入端口相连；

其中，

信号发生器(4)，用于输出脉冲信号至超声换能器(1)和示波器(5)；

超声换能器(1)，用于将信号发生器(4)输出的脉冲信号转换为超声信号；

超声探测器(3)，用于检测所述超声信号并将其转换为电信号；

示波器(5)，用于显示信号发生器(4)和超声探测器(3)的信号。

2.根据权利要求1所述的超声波在石英玻璃中的声速测量装置，其特征在于，所述超声换能器(1)和超声探测器(3)为相同的压电陶瓷。

3.基于权利要求1所述装置的声速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在石英玻璃(2)的两侧分别连接超声换能器(1)和超声探测器(3)，并测量石英玻璃的长度L；

步骤2、设置信号发生器(4)的脉冲信号频率f，并将脉冲信号输入至超声换能器(1)和示波器(5)；

步骤3、将超声探测器(3)连接至示波器(5)，利用示波器(5)显示信号发生器(4)的输入信号和超声探测器(3)检测到的信号；

步骤4、调节示波器(5)的光标分别至输入信号的上升沿和检测信号的起始点，获得光标的时间差T，根据L和T求取声速V。

4.根据权利要求3所述的超声波在石英玻璃中的声速测量方法，其特征在于，步骤2所述f的取值范围为[f₀-Δf,f₀+Δf]，其中f₀为压电陶瓷的中心频率，Δf为中心频率的半宽值。

5.根据权利要求4所述的超声波在石英玻璃中的声速测量方法，其特征在于，所述f为1MHz。

6.根据权利要求3所述的超声波在石英玻璃中的声速测量方法，其特征在于，步骤1所述在石英玻璃(2)的两侧分别连接超声换能器(1)和超声探测器(3)，具体为：在石英玻璃(2)的两侧分别通过超声耦合剂连接超声换能器(1)和超声探测器(3)。

7.根据权利要求3所述的超声波在石英玻璃中的声速测量方法，其特征在于，步骤4所述根据L和T求取V，所用公式为：

V＝L/T

式中，L为石英玻璃的长度，T为光标的时间差，V为超声纵波的速度。