CN118149957A - 声阻抗的测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种声阻抗的测试系统及其测试方法，包括，测试工装上设有发射换能器和接收换能器，发射换能器发射信号，接收换能器接收发射换能器发射的信号；测试工装内设有液体，待测介质插入液体中，待测介质位于发射换能器与接收换能器之间；接收换能器将接收到的信号传送至上位机，上位机对数据进行处理并计算出待测介质的声阻抗。该测试系统结构简易，针对0～7000m/s范围内的材料声速，使用高频水声换能器搭建的声阻抗测试系统，能解决现在市面上对于1000m/s以下材料声速的测试困难以及减少在测量时对大型测试设备的依赖。

Description

声阻抗的测试系统及其测试方法

技术领域

本申请涉及声阻抗测试的技术领域，尤其涉及一种声阻抗的测试系统及其测试方法。

背景技术

声音在介质中(间)传播受到的对抗，叫做声阻抗，声阻抗由材料声速与密度的乘积得出。声阻抗决定了声波在两个介质面的反射与透射性能，是超声波传感器的关键设计参数。

现代材料学中，介质材料的声阻抗越来越受到重视。但对于传导机械波的速度不同，对于不同的材料进行声速与声阻抗的测试也不同。市面上常用的测试方法为驻波管法和气流压差法，其测量过程繁琐，测试设备体积也庞大，同时对于低于1000m/s的材料声速测试困难，为此有必要提出一种便捷的声阻抗测试方法。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种声阻抗的测试系统及其测试方法，该测试系统结构简易，针对0～7000m/s范围内的材料声速，使用高频水声换能器搭建的声阻抗测试系统，能解决现在市面上对于1000m/s以下材料声速的测试困难，以及减少在测量时对大型测试设备的依赖。

本申请第一方面提供一种声阻抗的测试系统，包括：测试工装，上位机；所述测试工装上设有发射换能器和接收换能器，所述发射换能器发射信号，所述接收换能器接收所述发射换能器发射的信号；所述测试工装内设有液体，待测介质插入所述液体中，所述待测介质位于所述发射换能器与所述接收换能器之间；所述接收换能器将接收到的信号传送至所述上位机，所述上位机对数据进行处理并计算出所述待测介质的声阻抗。

优选地，所述测试系统还包括Ti数字信号处理芯片，所述发射换能器连接有所述Ti数字信号处理芯片，所述Ti数字信号处理芯片驱动所述发射换能器发射信号；所述Ti数字信号处理芯片还连接所述接收换能器，接收所述接收换能器的信号，所述Ti数字信号处理芯片将接收到的信号传送至上位机。

优选地，所述Ti数字信号处理芯片还用于获取所述发射换能器发射信号到所述接收换能器接收所述发射换能器发射的信号的飞行时间。

优选地，所述测试工装上设有温度检测装置，所述温度检测装置检测所述测试工装内所述液体的温度，根据所述温度得出所述液体的声速。

优选地，所述发射换能器与所述接收换能器分别设于所述测试工装的相对两侧，所述发射换能器与所述接收换能器相对设置。

优选地，所述待测介质声阻抗Z＝待测介质的声速C×待测介质密度ρ，其中，所述待测介质的声速其中，

d：待测介质的厚度，m；

Δt：插入待测介质后的声脉冲传播时间的变化，s；

C_w：液体中的声速，m/s。

优选地，待测介质制成匀质标准样件，厚度大于或等于5mm。

本申请第二方面提供一种声阻抗的测试系统的测试方法，包括：制作待测介质；测试工装加入纯净水并消泡；启动电源，测试工装连接上位机；上位机记录发射换能器发射信号到接收换能器接收到信号的信号飞行时间与测试工装内液体的温度；在上位机中输入待测介质的厚度、待测介质的密度；在测试工装内放入待测介质，上位机记录放入待测介质后发射换能器发射信号到接收换能器接收到信号的信号飞行时间；上位机输出当前测试工装内水温度、水声速、水密度、插入待测介质后的声脉冲传播时间的变化，根据获取的数据计算出待测介质的声阻抗。

优选地，所述发射换能器连接有Ti数字信号处理芯片，所述Ti数字信号处理芯片驱动所述发射换能器发射稳定的宽频白噪声信号。

优选地，所述Ti数字信号处理芯片采集所述发射换能器发射信号到所述接收换能器接收到信号的信号飞行时间，将获取的信息传送至上位机。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：本方案使用两个换能器以及一个测试工装，在测试工装内装入液体，将待测介质插入液体中，使用Ti数字信号处理芯片进行驱动并处理后输出至电脑上位机进行待测介质的声阻抗的计算。该套简易的声阻抗测试系统，能解决现在市面上对于1000m/s以下材料声速的测试困难以及减少在测量时对大型测试设备的依赖。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述，本申请的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本申请示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是本申请实施例示出的声阻抗的测试系统的模块示意图；

图2是本申请实施例示出的声阻抗的测试系统的结构示意图；

图3是本申请实施例示出的声阻抗的测试系统的另一结构示意图；

图4是本申请实施例示出的声阻抗的测试系统的波形变化的流程示意图；

图5是本申请实施例示出的声阻抗的测试系统的测试方法的流程示意图。

附图标识：

测试工装1；放入口11；发射换能器2；接收换能器3；Ti数字信号处理芯片4；电脑上位机5；待测介质6；温度检测装置7。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的优选实施方式。虽然附图中显示了本申请的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下结合附图详细描述本申请实施例的技术方案。

参见图1和图2，一种声阻抗的测试系统，该测试系统内包括：测试工装1、发射换能器2、接收换能器3、Ti数字信号处理芯片4、电脑上位机5。

参见图1、图2和图3，所述测试工装1上设有发射换能器2和接收换能器3，所述发射换能器2发射信号，产生发射波(发波)，所述接收换能器3接收所述发射换能器2发射的信号，产生接收波(收波)，如图4所示。所述测试工装1内设有液体，待测介质6插入所述液体中，所述待测介质6位于所述发射换能器2与所述接收换能器3之间。本实施例中，所述液体为纯净水，在测试之前，对所述纯净水进行消泡，减少干扰信号，提高测试的准确度。

参见图1、图2和图3，所述发射换能器2连接有Ti数字信号处理芯片4，所述Ti数字信号处理芯片4驱动所述发射换能器2发射信号，产生发射波，所述Ti数字信号处理芯片4接收所述接收换能器3的信号。所述Ti数字信号处理芯片4将接收到的信号传送至上位机，所述上位机对数据进行处理并计算出所述待测介质6的声阻抗。

在一个实施例中，如图4所示，所述Ti数字信号处理芯片4用于获取取所述发射换能器2发射信号到所述接收换能器3接收所述发射换能器2发射的信号的飞行时间，也就是发射波与接收波之间的机械波的飞行时间，所述Ti数字信号处理芯片4获取到飞行时间后再将信息传送至所述电脑上位机5。

参见图1、图2和图3，在一个实施例中，所述测试工装1上设有温度检测装置7，所述温度检测装置7检测所述测试工装1内所述液体的温度，根据所述温度得出所述液体的声速，比如所述液体为纯净水，则测出纯净水的温度后，查询温度与水中声速(米/秒)的对照表(标准大气压下)可以得出该温度下纯净水的声速。在其他的一些实施例中，所述温度检测装置7可以是自动检测的温度传感器，检测到液体的温度后将信息传送至电脑上位机5，在其他的一些实施例中，所述温度检测装置7还可以是温度计，测试员手动测试液体的温度后，将温度手动输入电脑上位机5中。

参见图1、图2和图3，在一个实施例中，所述发射换能器2与所述接收换能器3分别设于所述测试工装1的相对两侧，所述发射换能器2与所述接收换能器3相对设置，所述待测介质6位于所述发射换能器2与所述接收换能器3之间。本实施例中，所述测试工装1上侧设有放入口11，所述放入口11的相对两侧设有所述发射换能器2与所述接收换能器3，所述待测介质6位于所述发射换能器2与所述接收换能器3中间。由于待测介质6制成匀质标准样件，厚度大于或等于5mm，所述待测介质6可以直接站立在所述测试工装1内，不需要其他的固定工具，使得该测试工装1的结构简单，测试步骤简便。

参见图1、图2和图3，在一个实施例中，所述待测介质声阻抗采用以下的计算方式：所述待测介质声阻抗Z＝待测介质的声速C×待测介质的密度ρ，待测介质的声速C通过计算获得，待测介质的密度通过密度计检测得到。采用插入取代法测量时，也就是，将在测试工装1内插入待测介质6，即在发射换能器2与接收换能器3之间插入待测介质6。在所述发射换能器2与所述接收换能器3之间插入所述待测介质6时，引起声脉冲传播时间变化，也是插入待测介质6之前和插入待测介质6之后，测试工装1内的液体之间的脉冲传播的时间会发生变化，即插入前的飞行时间和插入后的飞行时间的差值，利用插入待测介质6之后的机械波的飞行时间减去插入待测介质6之前的机械波的飞行时间得出时间的变化值。由此计算出待测介质的声速C：

d：待测介质的厚度，m；Δt：插入待测介质后的声脉冲传播时间的变化；C_w：液体中的声速，m/s。待测介质的厚度d通过带表卡尺测量得到，液体中的声速，本实施例中是纯净水的声速，通过检测水中的温度，依据温度查询表得出。

参见图1、图2和图3，在一个实施例中，所述发射换能器2和所述接收换能器3为高频水声换能器，使用高频水声换能器作为声波的收发装置，所述高频水声换能器的工作频率为1～2MHz。依据放入的待测介质的不同，其飞行时间之差在上位机中进行运算，同时输出待测介质的声速C与声阻抗Z，使得该测试系统能解决了现在市面上对于1000m/s以下材料声速的测试困难以及减少在测量时对大型测试设备的依赖。该方案是针对0～7000m/s范围内的材料声速，使用高频水声换能器搭建的声阻抗测试系统。

参见图1、图2和图3，本实施例中，该测试工装1就是一个可以装纯净水的水槽，该水槽规则设置，优选地，该水槽为长方体，上表面设有放置口，供待测介质6插入水槽内，相对的两侧面分别放置发射换能器2和接收换能器3，发射换能器2和接收换能器3相对设置。该发射换能器2和接收换能器3分别与Ti数字信号处理芯片4连接，Ti数字信号处理芯片4与电脑上位机5连接，Ti数字信号处理芯片4获取到的信息传送至电脑上位机5上进行数据处理，并输出待测介质的声速和声阻抗。

另一方面，参见图1、图2和图5，所述的声阻抗的测试系统的测试方法，包括以下步骤：

S1，制作待测介质6，优选地，待测介质6制成匀质标准样件，厚度大于或等于5mm，使得所述待测介质6可以直接站立在所述测试工装1内进行测试，不需要其他的固定工具，使得该测试工装1的结构简单，同时测试步骤简便、快速。

S2，测试工装1加入纯净水并消泡，优选地，往测试工装1内加入纯净水，并对加入后的纯净水进行静置以及消泡，减少水中气泡产生的干扰，提高测试的精度。

S3，启动电源，测试工装1连接上位机，优选地，测试工装1通过电线电性连接至电脑上位机5，在其他实施例中，可以连接至其他类型的上位机，比如手机等。

S4，上位机记录发射换能器2发射信号到接收换能器3接收到信号的信号飞行时间与测试工装1内液体的温度，优选地，上位机记录发射波与接收波的机械波的飞行时间作为初始飞行时间。

S5，在上位机中输入待测介质的厚度d、待测介质的密度ρ，优选地，通过带表卡尺测量出待测介质的厚度d，通过密度计测量出待测介质的密度ρ，并将测量得出的厚度、密度信息在上位机中输入。

S6，在测试工装1内放入待测介质6，上位机记录放入待测介质6后发射换能器2发射信号到接收换能器3接收到信号的信号飞行时间。优选地，在测试工装1中插入待测介质6，也就是，在发射换能器2与接收换能器3之间插入待测介质6，待测介质6刚好阻隔了发射换能器2直接发射波至接收换能器3，使得发射换能器2发射波至接收换能器3接收到接收波的时间发生了变化，该变化后的飞行时间为待测介质6的飞行时间。

S7，上位机输出当前测试工装1内水的温度T、水的声速C_w、插入待测介质后的声脉冲传播时间的变化Δt，根据获取的数据计算出待测介质的声速C和声阻抗Z。优选地，依据水的温度查出纯净水在当前温度下的声速。利用待测介质6的飞行时间减去初始飞行时间，得出插入待测介质后的声脉冲传播时间的变化Δt。

依据放入的待测介质的不同，其飞行时间之差在上位机中进行运算，同时输出待测介质的声速C与声阻抗Z，能解决现在市面上对于1000m/s以下材料声速的测试困难，以及需要大型仪器设备的测试依赖。。

优选地，参见图1、图2和图5，所述发射换能器2连接有Ti数字信号处理芯片4，所述Ti数字信号处理芯片4驱动所述发射换能器2发射稳定的宽频白噪声信号。使用Ti数字信号处理芯片4生成匹配发射换能器2工作频率的脉冲信号激发驱动发射换能器2，如：3Vpp，2MHz，周期为20，间隔为100ms的脉冲信号。所述Ti数字信号处理芯片4采集所述发射换能器2发射信号到所述接收换能器3接收到信号的信号飞行时间，将获取的信息传送至上位机。

采用本方案搭建的声阻抗的测试系统，针对0～7000m/s范围内的材料进行声速的测试，测试铝合金、黄铜、胶粘剂247的测试结果，分别如下：

如上表所示，该套简易的声阻抗测试系统，能解决现在市面上对于1000m/s以下材料声速的测试困难以及减少在测量时对大型测试设备的依赖，能够准确地检测出0～7000m/s范围内的材料的声速。

再如，测试一种硅胶的声阻抗，输入硅胶样品厚度d为5mm以及密度ρ为1.2g/cm³。Ti数字信号处理芯片4读取该硅胶样品插入测试工装1前后的飞行时间差Δt为+1.98μs，使用温度检测装置7检测到测试工装1内的水温为25℃，可自动得到测试工装1内水的声速C_w为940m/s，电脑上位机5使用公式自动算出声阻抗Z为0.11Mrayls。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种声阻抗的测试系统，其特征在于，包括：

测试工装，上位机；

所述测试工装上设有发射换能器和接收换能器，所述发射换能器发射信号，所述接收换能器接收所述发射换能器发射的信号；

所述测试工装内设有液体，待测介质插入所述液体中，所述待测介质位于所述发射换能器与所述接收换能器之间；

所述接收换能器将接收到的信号传送至所述上位机，所述上位机对数据进行处理并计算出所述待测介质的声阻抗。

2.根据权利要求1所述的声阻抗的测试系统，其特征在于：所述测试系统还包括Ti数字信号处理芯片，所述发射换能器连接有所述Ti数字信号处理芯片，所述Ti数字信号处理芯片驱动所述发射换能器发射信号；所述Ti数字信号处理芯片还连接所述接收换能器，接收所述接收换能器的信号，所述Ti数字信号处理芯片将接收到的信号传送至上位机。

3.根据权利要求2所述的声阻抗的测试系统，其特征在于：所述Ti数字信号处理芯片还用于获取所述发射换能器发射信号到所述接收换能器接收所述发射换能器发射的信号的飞行时间。

4.根据权利要求1所述的声阻抗的测试系统，其特征在于：所述测试工装上设有温度检测装置，所述温度检测装置检测所述测试工装内所述液体的温度，并根据所述温度得出所述液体的声速。

5.根据权利要求1所述的声阻抗的测试系统，其特征在于：所述发射换能器与所述接收换能器分别设于所述测试工装的相对两侧，所述发射换能器与所述接收换能器相对设置。

6.根据权利要求1所述的声阻抗的测试系统，其特征在于：所述待测介质声阻抗Z＝待测介质的声速C×待测介质密度ρ，其中，所述待测介质的声速其中，

d：待测介质的厚度，m；

Δt：插入待测介质后的声脉冲传播时间的变化，s；

C_w：液体中的声速，m/s。

7.根据权利要求1所述的声阻抗的测试系统，其特征在于：待测介质制成匀质标准样件，厚度大于或等于5mm。

8.一种声阻抗的测试系统的测试方法，其特征在于，包括：

制作待测介质；

测试工装加入纯净水并消泡；

启动电源，测试工装连接上位机；

上位机记录发射换能器发射信号到接收换能器接收到信号的信号飞行时间与测试工装内液体的温度；

在上位机中输入待测介质的厚度、待测介质的密度；

在测试工装内放入待测介质，上位机记录放入待测介质后发射换能器发射信号到接收换能器接收到信号的信号飞行时间；

上位机输出当前测试工装内水温度、水声速、水密度、插入待测介质后的声脉冲传播时间的变化，根据获取的数据计算出待测介质的声阻抗。

9.根据权利要求8所述的声阻抗的测试方法，其特征在于：所述发射换能器连接有Ti数字信号处理芯片，所述Ti数字信号处理芯片驱动所述发射换能器发射稳定的宽频白噪声信号。

10.根据权利要求9所述的声阻抗的测试方法，其特征在于：所述Ti数字信号处理芯片采集所述发射换能器发射信号到所述接收换能器接收到信号的信号飞行时间，将获取的信息传送至上位机。