浑水中超声波传播特性研究

�水文 �泥沙 浑水中超声波传播特性研究 黄建通,李 ! 黎,李长征 (黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003) 摘 ! 要: 对共振干涉法、相位法和时差法测量浑水中超声波速度的基本原理和试验过程进行了。结果明: 共振干 涉法和相位法测量原理正确, 但存在读数误差, 时差法是较为准确的测量超声声速的;在一定激发频率下, 随着含沙 量的增大, 超声波衰减系数增大。 关 ! 键 ! 词: 含沙量; 衰减系数; 波速; 超声波; 浑水 中图分类号: P631 ! ! ! 文献标识码: A! ! ! do:i 10. 3969 / .j issn. 1000�1379. 2010. 08. 018 ! ! 超声波测量方法是获取流体性质的重要测量方法之 一 [ 1- 2] , 超声波在浑水中的传播速度与含沙量 [ 3]、粒径及温度 等参量有关 [ 3- 5]。因此, 通过研究浑水中超声波的传播特性, 可以了解浑水的特性或状态变化。笔者依据相关测量原理,通 过试验测试了浑水超声波波速和衰减性质, 以期为研究、利用 超声测量方法提供依据。 1! 共振干涉法测量波速 1. 1! 测量原理 设有 F 1 = A co s (� t - 2�X ) 的波束 1和 F2 = A co s (� t + 2�X )的波束 2,当它们相交时将产生干涉现象, 出现驻波 [6]。叠 加后的波形成波束 F 3 = 2A cos ( 2�X ) cos� t,其中: 为波长; � 为声波的角频率; t为经过的时间; X 为经过的距离。由此可见, 叠加后的声波幅度随距离按 cos( 2�X ) 变化。 示波器中的压电陶瓷换能器 S1作为声波发射器,它由信号 源供给频率为数千赫兹的交流电信号,由逆压电效应发出一平 面超声波; 换能器 S2则作为声波的接收器, 利用压电效应将接 收到的声压转换成电信号并输入示波器, 在示波器上可看到由 声压信号产生的正弦波。 声源 S1发出的声波经介质传播到 S2,在接收声波信号的同 时反射部分声波信号。若接收面 ( S2 )与发射面 ( S1 )严格平行, 则入射波在接收面上垂直反射,入射波与发射波相干涉形成驻 波。在示波器上观察到的实际上是无数个相干波合成后声波接 收器 S2处的振动情况。移动 S2 的位置 (即改变 S1与 S2的距 离 ) ,从示波器上会发现当 S 2 在某些位置时振幅有最小值或最 大值。根据波的干涉理论可以知道: 任何两个相邻的振幅最大 值 (或最小值 )距离均为 /2。为测量声波的波长, 可在观察示 波器上声压振幅值的同时,慢慢改变 S1和 S2之间的距离。示波 器上就可以看到声波振动幅值不断地由最大变到最小再变到 最大, 两个相邻的振幅最大值之间的 S2移动距离即为 /2。超 声换能器 S1至 S2距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现, 而超声波的频率又可由声波测试仪信号源上的显示窗口直接 读出。在连续多次测量相隔半波长的 S2的位置变化及声波频率 f以后, 可运用逐差法处理测量数据,从而计算出声速。 1. 2! 测量结果 当含沙量从 0变化至 280 kg /m3时 (图 1) ,浑水中超声波 速测量结果为 900 ~ 2 300 m /s,随着含沙量的增加, 浑水中超 声波速没有呈现出有规律的变化特征。 图 1! 共振干涉法波速测量结果 2! 相位法测量波速 2. 1! 测量原理 声源 S1发出声波后, 其周围会形成声场,声场在介质中任 一点振动的相位是随时间而变化的。但它和声源振动相位的差 值 !∀不随时间变化。设声源方程为 F 1 = F01 cos � t, 距声源某 距离处接收到的振动为 F1 = F02 co s (� t - XY ) ,两处振动的相 位差 !∀ = � x y 。把 S1和 S2的信号分别输入到示波器 X轴和 Y 轴, 当 X = n 即 !∀ = 2n�时, 合振动为一斜率为正的直线;当 ! 收稿日期: 2010 01 05 ! 基金项目: 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目 ( HKY - JBYW - 2007- 24)。 ! 作者简介: 黄建通 ( 1967∀ ) ,男, 河南偃师人, 高级师, 研究方向为水利量 测技术。 �43� 第 32卷第 8期 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 人 ! 民 ! 黄 ! 河 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Vol. 3 2, No. 8 ! ! 2010年 8月 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! YELLOW ! R IVER! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Aug. , 2010! ! ! E�m ai:l hj@t yrcccab. com X = ( 2n + 1) 2 即 !∀= ( 2n + 1)�时,合振动为一斜率为负的 直线; 当 X 为其他值时,合振动为椭圆曲线。 2. 2! 测量结果 当含沙量从 0变化至 280 kg /m3时, 浑水中波速测量结果 为 900~ 1 900 m /s(图 2)。随着含沙量的增加, 浑水中波速没 有明显变化。由测量结果可知, 共振干涉法和相位法测量浑水 声速, 都是用示波器观察波谷和波峰, 或观察两个波间的相位 差, 原理是正确的,但存在读数误差。 图 2! 相位法波速测量结果 3! 时差法测量波速 3. 1! 测量原理 [ 7- 8] 时差法将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上, 声波在 介质中传播, 经过 t时间后, 到达 L 距离处的接收换能器, 所以 可以用 v = L t 求出声波在介质中传播的速度。试验仪器采用 SV5型声速测量组合仪及 SV5型测定专用信号源各 1台, 其结 构见图 3。 图 3! 时差法测量装置 SV5型声速测量组合仪主要由储液槽、传动机构、数显卡 尺、压电换能器等组成。储液槽中的压电换能器用来测量液体 中的声速, 另一副换能器用来测量空气及固体中的声速。作为 发射超声波用的换能器 S1固定在储液槽的左边, 接收超声波 用的接收换能器 S2装在可移动滑块上。上下两只换能器通过 传动机构同步行进, 并由数显表头显示位移。 S 1 发射换能器超 声波的正弦电压信号由 SV5声速测定专用信号源供给, 换能器 S2把接收到的超声波声压转换成电压信号,用示波器观察; 时 差法测量时还要拉到专用信号源进行时间测量,测得的时间值 具有保持功能。试验时需另配示波器 1台、300 mm游标卡尺 1 把 (用于测量固体棒的长度 )。 3. 2! 测量结果 表 1为 25 kH z的部分波速测量结果 (波幅为测量到的超 声波信号电压值 ),波速范围为 1 300 ~ 1 600 m / s, 可看出随着 含沙量的增加, 波速无明显变化规律。 表 1! 时差法部分测量结果 含沙量 / ( kg� m - 3 ) 距离 /cm 时间 /s 波幅 /mV 波速 /(m� s- 1 ) 2 5 36 363. 89 1 388. 889 18 25 178 31. 74 1 404. 494 33 5 37 325. 44 1 351. 351 50 25 171 69. 95 1 461. 988 82 15 98 138. 67 1 530. 612 135 30 213 21. 73 1 408. 451 190 30 212 26. 25 1 415. 094 4! 时差法测量超声波衰减系数 图 4显示含沙量为 2 kg /m3、频率为 25 kH z情况下首波幅 度随距离的变化曲线, 经过拟合得出超声波衰减系数为 0. 093 9。在试验过程中加大含沙量, 发现衰减系数随含沙量的 增大而增大。 图 4! 首波幅度随距离的变化曲线 5! 结 ! 语 利用共振干涉法、相位法和时差法分别测量了不同含沙量 下的超声波速度。结果表明: 随着含沙量的增大 ( 0 ~ 280 kg /m3 ) ,波速无明显的变化规律; 共振干涉法测得的浑水波速 为 900~ 2 300 m / s, 相位法测得的波速为 900~ 1 900 m / s,而时 差法测得的声波速度变化较小, 为 1 300~ 1 600 m /s。通过测 得不同含沙量的首波幅度, 得到了声波衰减系数, 为浑水超声 测量提供了数据依据。 参考文献: [ 1] ! 姚骏,张权, 李斌.基于超声衰减的纸浆浓度测量技术的研究 [ J] .计量学 报, 2008( 1) : 87- 91. [ 2] ! 席道瑛,刘斌, 谢瑞,等. 孔隙流体饱和砂岩的衰减与频率的相关性 [ J]. 石 油地球物理勘探, 1998( 1) : 66- 70. [ 3] ! 彦军,唐懋官. 超声衰减法含沙量测试研究 [ J] .泥沙研究, 1990( 2): 1- 12. [ 4] ! 方彦军,张红梅, 程瑛.含沙量测量的新进展 [ J]. 武汉水利电力大学学报, 1999( 3): 55- 57. [ 5] ! 薛明华,苏明旭, 蔡小舒.超声衰减谱法测量泥沙粒度分布 [ J]. 泥沙研究, 2007( 6): 16- 18. [ 6] ! 傅晏彬,周晓军, 魏智.硅橡胶介质中超声传播与衰减的研究 [ J]. 浙江工业 大学学报, 1998( 3) : 184- 188. [ 7] ! 王浩全,韩焱, 曾光宇.非金属复合材料超声波衰减系数测定研究 [ J]. 测试 技术学报, 2002( 4) : 249- 251. [ 8] ! 张叔英,钱炳兴. 高浓度悬浮泥沙的声学观测 [ J] .海洋学报, 2003( 6) : 54- 60. �责任编辑 ! 翟戌亮 �44� 人 民 黄 河 ! 2010年第 8期