Ultrasonic Resonator Techniques for Broad-band Spectroscopy and for High-resolution Sound Velocity Measurement of Liquids

This review gives a short introduction into the principles of ultrasonic measurement techniques for liquids, using cavity resonators. Guidelines for the resonator design in broad-band ultrasonic stxctroscopy as well as in high-resolution single-frequncy or narrowband applications are presented. Deviations of the field configuration in real cells frtxn that in an ideal resonator are discussed and relations for the mode spectrum of cavity fields are given. Recent resonator measurement procedures and methods of data evaluation are mentioned briefly. Some examples of measurements show the extended usability of ultrasonic resonator techniques in basic science and in a wide range of applications for rrkaterials characterization, in manufacturing processes, as well as in control routines.

Research on sound velocity measurement in a laboratory for large elastic materials

A measurement scheme carried out in a tank is designed to obtain the compressionaland shear-wave velocities of a large elastic material.A hydrophone is used to receive the high frequency acoustic signals which penetrate the tested material,in order to determine the transmission time from the source to the hydrophone,the transmission time is also calculated according to the ray acoustic theory in layered media.A cost function is built based on the measured and the calculated transmission time,then the compressional- and shear-wave velocities can be obtained using the optimization algorithm.Compared with the traditional measurement scheme,this approach can not only get the 2 kinds of sound velocities in the tested material at the same time,but also keep the integrality of the tested material.With the proposed measurement system,the uncertainty of measurement results is less than 3.5%.

超声波干涉及可视化实验装置研制

为了丰富大学物理声学实验内容,研制了一种多功能超声波干涉实验装置。基于空气介质设计了双振子干涉声速测量实验和半波损失验证实验。分别采用干涉声场测量法和干涉条纹移动法进行声速测量实验,并利用示波器实现了干涉声场声压分布的可视化。分别以有机玻璃、橡胶和玻璃为反射面材料,利用干涉法验证掠入射条件下的半波损失现象,并估算出掠入射角的范围。该实验装置实验现象明显、可操作性强,获评北京市第十六届大学生物理实验竞赛一等奖。

基础实验试题B:自组光路测量光栅常量与液体中的声速

介绍了第9届全国大学生物理实验竞赛基础实验试题B的出题思路、实验解析和答题情况.基础实验试题B主要包含3个小题:测量未知透镜的焦距,自组光路测量未知光栅的光栅常量和自组光路测量液体中的声速.试题对大学物理实验相关的内容进行重新设计,逐步递进引导考生完成光学元件基本参量的测量、光路搭建和光学应用3个光学实验经常涉及的核心要素,能够考查考生对光学基础知识的掌握程度、光路设计能力和动手搭建光路的能力.试题的答题情况在一定程度上反映了当前国内光学实验课程的教学效果和存在的短板,为实验教学的进一步提升提供参考.

泊松比变化对基于波速混凝土损伤计算的影响

利用超声波波速计算材料损伤的方法有广泛的应用,然而现有研究中常忽略泊松比的变化。研究了泊松比变化对基于波速混凝土损伤计算结果的影响。首先,通过理论分析,在基于波速的损伤计算公式中引入泊松比修正系数;其次,通过对混凝土柱试件进行轴压试验,验证了考虑泊松比变化的必要性;最后,在试验数据的基础上提出了泊松比修正系数实用计算方法。结果表明:忽略泊松比变化的影响时,基于波速的混凝土损伤计算值与真实值的平均相对误差高达73%;采用泊松比修正系数后,该误差减小至21%。基于波速进行混凝土损伤计算时宜计入泊松比修正系数以提高计算精度。

超声波声速测量及悬浮传送装置设计

阐述基于单片机和外围电路的超声波声速测量及悬浮传送装置设计,该装置可以实现测量声速、悬浮平面、无接触传送的功能。

复合材料修理区域的超声检测

为了检验碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)修理质量并对修理区分层等缺陷进行检测,制作了3种不同工艺[高温固化预浸料(PL2+PA2)修理、中温固化预浸料(PL1+PA1)修理、湿铺层(WF1+WR1)修理]的模拟修理试件,然后采用超声检测法对修理区进行检测评估,分别采用直探头、水浸点聚焦探头和滚轮探头对CFRP层压板修理区进行A扫描、B扫描和C扫描成像检测,最后对复合材料板进行拉伸破坏试验。试验结果表明,超声检测可以用来检测复合材料修理区域的分层缺陷;使用湿铺层修理(WF1+WR1)工艺修理的区域在超声检测时的声能吸收最小,其声学性能和原材料性能更接近,有利于超声检测;使用中温固化预浸料修理(PL1+PA1)工艺并采用小的挖补斜率时,材料强度恢复得更好。

Structural and Elastic Behavior of Chromium Doped Pr_0.5Sr_0.5MnO₃System

A series of colossal magneto resistance (CMR) materials with compositional formula Pr0.5Sr0.5Mn1-xCrxO3 (x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4) were prepared by sol-gel technique using pure metal nitrates as the starting materials. These samples were characterized structurally by X-ray diffraction, FTIR and SEM. All the samples exhibit orthorhombic structure without any detectable impurities. The bulk densities for all the compositions were measured from the pellets. The Young’s and Rigidity moduli, Poisson’s ratio and Debye temperature of all the compositions were calculated with the experimentally measured ultrasonic longitudinal and shear velocities at room temperature using pulse transmission technique. As the materials are porous, zero porous elastic moduli have also been calculated using a well-known Hasselmann and Fulrath model. The observed variation of elastic moduli with varying chromium doping concentration has been studied qualitatively.

冻土超声波波速与冻土物理力学性质试验研究

超声波在介质中的传播速度反映了介质的物理力学性质。运用UVM-2型声速测定仪,测定不同密度的冻结砂土、冻结黄土和冻结粘土在不同温度下的超声波波速(纵波波速和横波波速)。对比分析不同土质的冻土,在温度和密度变化时超声波波速的变化,得出以下结论:土质颗粒的大小及组成成分在土冻结且在温度继续下降的过程中,通过影响结合水含量的变化而影响未冻水含量的变化,从而进一步影响冻土中的超声波传播速度,所以,可以在超声波波速与温度变化和未冻水含量与温度变化的基础上,建立超声波波速与未冻水含量的关系,通过测定超声波波速来量测冻土未冻水含量。密度的变化也影响着冻土纵、横波波速的变化,且冻结黄土的波速受密度变化影响较大,而冻结粘土则较小。冻土土质类型不同,透过它们的纵波波速和横波波速的变化范围也不同,可以通过对比表示压缩和剪切相对幅值的纵横波速比比值,来判定此冻土的土质类型,一般冻结粘土为1.07,冻结黄土为2.15,冻结砂土为0.7。根据弹性理论,泊松比与波速比有关,所以可以直接测量冻土的波速比研究冻土的强度及变形性能。

高声压级时多孔金属板的吸声特性研究

针对高声压级下有限厚度多孔金属板在线性阻抗背衬条件下(背衬表面声压与声质点速度为线性关系)的吸声问题,提出了一个描述不同声压级下材料层法向吸声性能的一维模型,并给出求解材料层内部声质点速度的线化与差分方法,以预测多孔金属板在高声压级下的非线性吸声特性。在阻抗管中对两块多孔金属板进行了声学测试,得到了材料层法向表面阻抗和吸声系数随入射声压级变化的实验结果。研究表明:实验与理论预测符合良好,验证了模型与数值方法的正确性。本文所提原理和方法,可用于一般硬质多孔材料。

基于时间互相关的超声测距信号获取方法

为了解决基于超声脉冲走时法首波难以获取的问题,提出了一种基于时间互相关算法的超声走时获取方法。根据标准信号的自相关和另一同频延迟信号的互相关之间的时延,得到超声发射与接收信号间的时差。该方法无需判断超声接收信号首波位置和获取该环境下的声速,实现了较高精度的超声测距。

混凝土动弹性模量与超声声速及抗压强度的关系研究

混凝土抗压强度是衡量混凝土性能的综合指标,但目前判定混凝土冻融破坏采用的指标主要是混凝土动弹性模量,而工程中混凝土动弹性模量却无法测试,因此建立混凝土抗压强度与动弹性模量的关系对于实际工程耐久性评估具有重要的意义。通过不同水胶比、粉煤灰掺量、含气量混凝土在3.5%NaCl溶液中的快速冻融试验,测试了混凝土的动弹性模量、超声声时、抗压强度,根据测试结果建立了混凝土动弹性模量与超声声速及抗压强度之间的关系,为混凝土结构冻融损伤的评定提供了理论依据。

超声波测距系统的研究与设计

根据声波在空气中传播反射原理,以超声波换能器为接口部件,应用单片机技术对超声波在空气中的传播时间进行测量,从而设计了一套超声波检测系统。对系统硬件组成、检测原理、方法以及系统软件结构作了详细介绍,对产生测量误差的原因进行了分析,并提出了解决的途径和方法。

基于声学测试和摄像技术的单裂隙岩石裂纹扩展特征研究

为研究裂隙岩石破坏强度及裂纹扩展特征,采用MTS岩石力学试验机对单裂隙岩石进行单轴压缩试验,同步进行声发射、声波及摄像测试,研究裂隙岩石应力应变行为、声波及声发射特征与裂纹扩展、聚结的变化关系。结果表明,起裂应力、峰值强度及模量随裂隙倾角α变化一致,均先减小后增大,起裂应力和强度受α影响较大;裂纹间断性加速扩展引起的应力转移和释放(应力降),导致裂隙岩石应力-应变曲线呈阶梯状上升;应力降伴随着能量释放、刚度劣化和AE振铃计数的激增,随着α的增大,首次应力降和振铃计数陡增对应的应力逐渐增大,且振铃分布向峰值强度附近集中;裂纹起裂、扩展引起波幅和波速衰减,且波幅下降早于应力降的发生。α=0o岩样峰前波速降高达50%,随α的增大,波速下降点的应力逐渐增大,峰前波速降幅不断减小,α较小时峰前裂纹发育程度高,随着α的增大,峰前裂纹发育程度减弱,裂纹加速扩展、聚合向峰后转移;裂纹长度扩展到临界值时扩展速率会发生快速增大,随着α的增大,裂纹临界长度逐渐降低。

超声波液体密度传感器

介绍了超声波密度传感器的工作原理和超声波探头的选择与制作工艺要点。所设计的硬件电路包括发射电路、放大接收电路和检波整形电路。超声波传播时间的测量是通过ATMEGA16L单片机内部的高速计数器实现的。针对环境温度对密度的测量有较大的影响,采用集成温度传感器AD590与单片机共同完成温度补偿。经测试证明:传感器的准确度达到±0.25%。

混凝土双轴抗压疲劳损伤特性的超声波速法研究

对混凝土在双轴压疲劳荷载作用下超声波波速的变化规律进行了试验研究。结果表明,穿透混凝土试件自由面的横向波速随着荷载循环次数的增加而发生明显的3阶段衰减,即初始迅速衰减,稳定衰减与临近破坏的急速衰减3阶段,它们分别约占疲劳寿命的10%,80%和10%,而且受侧压水平及疲劳应力水平的影响。基于超声波速定义了损伤变量,建立了混凝土疲劳累积损伤的演化方程,最后提出了在实际工程中运用无损的超声检测法评定混凝土疲劳损伤与结构耐久性的一般方法。

船用TA2钛合金晶粒尺寸的超声声速评定

通过对超声纵波声速的测量来评定船用TA2钛合金的平均晶粒尺寸。采用热处理改变了TA2合金试样的晶粒尺寸。实验结果表明,用5P14Z探头测得的纵波声速与晶粒尺寸之间有很好的线性关系。与奥氏体不锈钢、低碳钢等材料不同,随着TA2合金试样晶粒尺寸的增大,纵波声速增大。利用在超声纵波声速和金相测定的晶粒尺寸之间建立的关系图,能够无损评价TA2合金的晶粒尺寸。

两种现场材料声速测量方法

介绍了两种适用于现场应用的采用数字式超声波探伤仪测量材料声速的方法,即双探头二次测量法和表面波法。其中,表面波法测量简单,易计算,只须工件表面打磨光滑,而双探头二次测量法计算稍复杂。采用这两种方法可以在现场对未知壁厚的工件在不进行破坏性取样的基础上进行材料声速测量,方便实用,具有较高的精度。

大电机环氧云母定子绝缘超声波速的研究

本文用A型脉冲回波法超声波检测系统 ,详细研究了大电机定子线棒不同的绝缘部位对检测超声波速的影响 ,以及波速随绝缘老化的变化规律。结果表明 :大电机定子线棒的正面绝缘适合于超声检测 ;线棒表面半导体层的存在更有利于超声检测 ;

超声波法检测混凝土裂缝注胶质量

为了研究混凝土构件的裂缝注胶质量,进行了超声波法检测试验.根据裂缝所处位置的具体情况,分别采用了单面平测法和双面斜测法进行检测试验,通过将实际声时与理论声时进行比较,并辅以波形和波速对注胶质量进行判断,得出了单面平测法和双面斜测法测得的实际声时与理论声时的差别.结果表明,超声波在裂缝及裂缝表面抹胶情况下传播路线基本一致,在相同测距情况下,当灌缝混凝土实测声时与完好混凝土理论声时差在5%以内时,认为混凝土灌胶已密实.