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超声波检测水下掩体的模型实验研究

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  引言

  超声波检测技术,是应用频率范围在几百赫兹到几十千赫的弹性波,是一门较新兴的检测技术。在机理上它与浅层地震勘探同出一辙,但由于使用的频率较高,因而具有较高的分辨能力。超声波在水中和空气中传播时,有很多相同特性,通过对在空气中超声波特性的研究,例如对换能器指向性的研究,可以同样得出超声波在介质中的传播特性。通过几个超声波在介质中传播的参数,可以判别介质的物理性质。另外,通过回波探测法原理,可将超声波应用于水下掩体的检测,这种方法可以广泛的应用于水下地形的测量。

  1 超声波检测原理

  利用超声波进行检测时,测量的声学参数是:被检测介质在 L 距离内的声波传播时间 T,波幅 A 及波动的振动频率 F。由弹性理论可知,在无限介质中不考虑体积压力的作用时,用位移表示的各向同性的理想弹性体的波动方程如A

          

          

  式中 E 为弹性模量,G 为剪切模量,σ 为泊松比,C l及 C t为纵波及横传播速度。可见,只要测准纵波及横波传播时间,计算出纵波声速 C l及横波声速 C t,由(4)及(5)式可测算出介质的动弹性力学参数 E,G 及 σ。此外,声速尚可反映介质的密实程度及各种不连续面,缺陷,结构特征等。

  2 传感器(换能器)特性研究

  换能器是声波检测的重要部件,针对不同测试对象,使用不同型式的换能器,其性能将会影响检测结果。衡量压电型换能器性能的技术指标有很多,本实验主要研究的是超声波在空气中传播的“指向性”。

  基于压电陶瓷材料的换能器是近几年发展起来的新型的换能器件,它具有体积小、重量轻、精度和分辨率高、频响高等优点。实验所用的探头采用的都是这种换能器,分别选用了主频为 15KHZ,30KHZ,50KHZ 的换能器。下面以30KHZ 为例来说明传感器的特性。

        

  图 2 为当发射器与接收器的角度成正交时,接受到的信号的波形图;图 3 为发射器与接收器的角度正对时,接收到的信号的波形图。通过对两图的对比可以看出,当两探头正对时的信号的能量较强。声波信号从发射极 A 传播到接收极 B,在空气中传播所需要的时间为 3000s,随着时间的推移,能量开始衰减,使观察到波形图呈蝌蚪状。

       

  图 3 为发射器在正中央,接收器在发射器 1米范围内,以 10°的偏移角度来改变两个探头的相对位置,沿角度范围为-90?~90?所测得的能量图。通过累计振幅来计算接收到的能量。从图3 可以明显看出,当两探头正对时,接收到能量最强。通过对三个换能器的实验分析,30KHZ 的指向性较好。

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