声学计量.pptx

声学计量声学计量 声学计量是声学的重要组成部分，也是声学发展的基础，研究声学基本参量、主观评价参量和工程使用参量的测量及保证单位统一和量值准确的技术科学。它包括声学计量基准和标准的建立及保持、量值传递、测量方法等。可分为空气声计量、水声计量和超声计量。国防和军事用途的需求是声学计量发展的强大动力。内容第一节 声学计量的基本概念第二节 空气声计量第三节 超声计量第四节 水声计量第一节 声学计量的基本概念一、几个基本声学量一、几个基本声学量1.声压（p）声压定义为在有声波时，介质中的压力与静压的差值，单位为Pa。静压为没有声波时媒质中的压力。2.质点振速（u）质点振速定义为因声波通过而引起的媒质中质点相对于其平衡位置的振动速度。单位为m/s。如不加说明，通常指的是有效值。3.声强 声强定义为声扬中某点处，在单位时间内从与质点振动方向垂直的单位面积上通过的声能。按定义的声强是瞬时矢量值：I(t)=p(t)u(t)式中，I(t)为瞬时声强；p(t)为瞬时声压；u(t)为瞬时质点振速。4.声功率（w）声功率定义为单位时间内通过某一面积的声能。单位为w。声波为纵波时，声功率可用下式表示：二、声学量的分贝表示声学量的分贝表示1.声压级的定义及其基准值 声扬中某点的声压可表示为 2.声强级的定义 声强中某点的声强级Li定义为该点的声强I与其基准值Ir之比的常用对数乘以10，即第二节 空气声计量 空气声计量的内容是基本声学量的传递、测量器具的检定、对各种发声设备或物体的发声特性进行测试。一、标准传声器的计量标准传声器的计量1.标准传声器 传声器又称“电声换能器”，是把空气中的声信号转换为电信号的传感器。按照准确度等级和用途不同，传声器可分为工作基准传声器、计量标准传声器和工作级传声器三种类型。工作基准传声器又称实验室标准传声器，主要用作复现和保存声学计量单位的基准值，通过互易法或比较法检定计量标准器具。计量标准传声器即标准电容传声器是计量标准器具的一种，主要用作二次标准，通过比较法检定计量器具。工作级传声器即测试传声器，是工作计量器的一种用于各种目的的空气声学计量。二、测试传声器的计量测试传声器的计量1.测试传声器(1)工作原理 目前广泛使用的测试传声器是电容式传声器。其工作原理是通过改变两极板间的距离而改变电容量。前极板是很轻的膜片，可以随声压的变化而运动，使膜片与后极板之间的电容量发生变化，从而输出交流电压信号。信号的波形和强度与被测声压的波形和强度成正比。2.声校准器的法校准(1)校准装置 校准装置由声校准器、前置放大器、交流数字电压表及配套的气压计和温度计组成。(2)校准方法 声校准器工作时，在其腔体内形成声压场。校准时，使被测传声器与声叫着呢器的腔紧密耦合，并使其参考轴在水平方向或在90度角的位置，接通电源，在规定的稳定时间后从表头采集声压级数据并记录，重复求平均值。还有在计算中考虑前置放大器的传输损失、校准器的气压修正值和校准值和校准器的体积腔修正值。三、空气声计量器具的检定空气声计量器具的检定1.声校准器的检定 声校准器是一种标准计量器具，当把声耦合到传声器上时，能产生一定频率的声压级，用来测定传声器的声压灵敏度，校准声级计或电声测量装置的声级。(1)检定装置 声校准器的检装置主要包括标准传声器、测量放大器、精密衰减器、交流电压表和正弦信号发生器，(2)检定方法 包括声压级的检定、频率的检定、谐波失真的检定。2.标准噪声源的检定 标准噪声源是一种具有稳定声功率输出和带宽频谱特性的声源。可根据工作原理分为空气动力式、电动扬声器式及机械打击式三种类型。标准噪声源可产生已知功率的噪声源，用于测定机器或设备的噪声功率级、房间的吸声、隔声及混响的时间、传声器输出功率、噪声分布等。检定方法：检定内容是频带声功率级和计权声功率级，检定方法有半消声室方法和混响室法两种，但对环境（声学环境和物理环境）有特殊要求。四、噪声测量噪声测量 对声音主要从高低和强弱两个方面衡量，表示噪声强弱的客观物理量主要有声压、声强、声功率以及它们的“级”。表示噪声高低的客观量主要有频率、频程。而噪声频谱则同时表示了噪声的强弱和高低，噪声的评价参数有响度、响度级、计权声压级、累积百分声级、昼夜等效级、噪声污染级等。第三节 超声计量 超声技术在医学和工业领域的地位越来越重要，如人们熟知的“B超”技术，航空件的探伤也是基本是采用超声现代超声技术，因此，超声计量近几年来得到了快速的发展。一、超声水听测量超声水听测量 超声水听器是测量超声声压、声功率和超声场的基本设备，是处于接受状态的超声换能器，主要用于接受水中超声声压信号，具有较高的灵敏度，频响特性较为平坦，能比较大范围内保持线性且有较好的温度稳定性。目前敏感元件的直径可小到一毫米的量级，可对1MHz以上的医疗设备的声场进行测量。1.超声水听器的绝对法测量（1）两换能器互易法 用该法校准分为两个过程，首先采用自易法校准辅助换能器的电流响应，然而在辅助换能器产生的已知声场中校准水听器的自由场灵敏度。（2）平面扫描法 超声波由已知输出功率水平的活塞换能器产生，测量中，被测水听器保持不动。测量用换能器在x，y方向上水平移动测量。二、超声场及媒质声速的测量超声场及媒质声速的测量1.超声场测量（1）空间峰值参数测量 将水听器调节到最大输出信号的状态后，寻找换能器的声轴，然后使水听器沿换能器声轴移动，便可找到所需要的测量平面，进行最大化操作，寻找声强的最大值用于空间峰值参数的计算。（2）空间平均参数测量 在整个声场中用水听器进行扫描，由数字示波器和计算机构成的自动扫描系统是目前最好的方案。2.媒质声速的测量 声速的测量有直接法和间接法两种。所谓直接法是通过测量声波在媒质中传播一段距离s所用的时间t得到声速（c=s/t）。脉冲测量法是直接法的一种，此法是向被测媒质中发射短促声脉冲，测定脉冲通过的、一段被准确测定的媒质长度。所谓间接法是通过测量在给定频率f下声波在媒质中的波长而确定声速的方法。三、超声计量的应用1.“B超”技术概述概述研究和应用超声的物理特性，以某种方式扫查人体，诊断疾病的科学称为超声诊断学。超声诊断学超声诊断学 超声诊断学主要是研究人体对超声的反作用规律，以了解人体内部情况，在现代医学影像学中与CT、X线、核医学、磁共振并驾齐驱，互为补充。它以强度低、频率高、对人体无损伤、无痛苦、显示方法多样而著称，尤其对人体软组织的探测和心血管脏器的血流动力学观察有其独到之处。超声诊断学包括作用原理、仪器构造、显示方法、操作技术、记录方法、以及界面对超声的反射、散射或者透射信号的分析与判断等内容。基本原理：超声在人体内传播，由于人体各种组织有一定的特性差异，超声波 在两种不同组织界面处产生反射、折射、散射绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性。应用不同类型的超声诊断仪，采用各种扫查方法，接收这些反射、散射信号，显示各种组织及其病变的形态，结合病理学、临床医学，观察、分析、总结不同的反射规律，而对病变部位、性质和功能障碍程序作出诊断。用于诊断时，超声波只作为信息的载体。把超声波射入人体通过它与人体组织之间的相互作用获取有关生理与病理的信息。一般使用几十mW/cm2以下的低强度超声波。当前超声诊断技术主要用于体内液性、实质性病变的诊断，而对于骨、气体遮盖下的病变不能探及，因此在临床使用中受到一定的限制。用于治疗时，超声波则作为一种能量形式，对人体组织产生结构或功能的以及其它生物效应，以达到某种治疗目的。一般使用几百-几千mW/cm2-以上高强度超声波。2.超声探伤仪 仪器简介 超声波探伤仪是一种便携式工业无损探伤 仪器，它能够快速、便捷、无损伤、精确地进 行工件内 部多种缺陷(裂纹、疏松、气孔、夹杂等)的检测、定位、评估和诊断。既可以用于实验 室，也可以用于工程现场。广泛应用在锅炉、压力容器天、航空、电力、石油、化工、海洋石油、道、军工、船舶制造、汽车、机械制造、冶金、金属加工业、钢结构、铁路交通、核能电力、高校等行业。国外进口主要有德国KK，美国泛美等，国产机型以红外TM系列，时代TUD系列应用广泛。仪器原理仪器原理超声波在被检测材料中传播时,材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。超声检测方法通常有穿透法、脉冲反射法、串列法等。数字式超声波探伤仪现在通常是对被测物体（比如工业材料、人体）发射超声，然后利用其反射、多普勒效应、透射等来获取被测物体内部的信息并经过处理形成图像。超声波探伤仪其中多普勒效应法是利用超声在遇到运动的物体时发生的多普勒频移效应来得出该物体的运动方向和速度等特性；透射法则是通过分析超声穿透过被测物体之后的变化而得出物体的内部特性的，其应用目前还处于研制阶段；超声波探伤仪这里主要介绍的是目前应用最多的通过反射法来获取物体内部特性信息的方法。反射法是基于超声在通过不同声阻抗组织界面时会发生较强反射的原理工作的，正如我们所知道，声波在从一种介质传播到另外一种介质的时候在两者之间的界面处会发生反射，而且介质之间的差别越大反射就会越大，所以我们可以对一个物体发射出穿透力强、能够直线传播的超声波，超声波探伤仪 然后对反射回来的超声波进行接收并根据这些反射回来的超声波的先后、幅度等情况就可以判断出这个组织中含有的各种介质的大小、分布情况以及各种介质之间的对比差别程度等信息（其中反射回来的超声波的先后可以反映出反射界面离探测表面的距离，幅度则可以反映出介质的大小、对比差别程度等特性），超声波探伤仪从而判断出该被测物体是否有异常。第四节 水声计量 水声计量测试必须具有两个条件：一是测量方法和技术，二是测量的设备（包括测量仪器、声场设备和测量辅助设备等）。一、声场设施声场设施1.天然水域 天然水域主要指湖泊、池塘、水流平稳的江河、水库、海湾和港口等。2.人工水池 人工水池包括室外人造水池和室内人造水池，有多种类型：全消声型、封闭型等，所选水池的长度要与测量声信号的波长成正比，还要考虑可能使用的脉宽度、脉冲重复频率和发射器与水听器之间的距离。二、水声标准器水声标准器 水声标准器包括标准水听器或测量水听器和其他专用测量换能器。标准水听器是其自由场灵敏度或声压灵敏度几经校准的、在规定工作条件下具有优异稳定性的水听器，用于精确地传递和测量水声声压，分为一级和二级标准水听器两级。标准发射器是其发送电压响应已经校准确的、在规定条件下具有良好线性特性和稳定性能发射换能器，用于校准测量水听器。专用测量换能器是为了某些特殊测量需要而专门制作的换能器，如声压梯度水听器等。1.测量用水声发射器 测量用水声发射器用于水中产生所需声信号的发射换能器，其中包括标准发射器、互易换能器和一般辅助发生器，标准发射器是主要用于校准水听器和专用压测量系统；互易换能器主要用于互易校准。一般辅助发射器用于水听器校准、接收灵敏度和指向性测量、水声无源材料和导流罩声性能测量等。2、振速水听器（声压梯度水听器）振速水听器用于测量质点振速时称为振速水听器，测量水声声压梯度时称声压梯度水听器，其主要特征是指向性显“8”字形、“余弦”形或“偶极子”形图案。三、水声标准器计量三、水声标准器计量1.互易法计量（1）自由场互易法 以计量球面波场为例，需三个换能器，一个作发射声波用的辅助换能器F，一个作接收声波用的水听器J和一个既作发射又作接收用的并满足线性、无源，可互易换能器H。（2）耦合腔互易法计量 将发射器（F）、放在充满液体的刚性密封腔内，在低频下利用均匀的声压场进行测量，适于在低频高静水压下对标准水听器检定。当发射器（F）被激励时，它就会向液腔中发送声压，而互易换能器（H）和接收水听器（J）就会在该声压的作用下产生不弱电压。换算时需要角耦合腔互易常数J腔。（3）行波管互易法计量 管中只有前进波没有发射波称为平面行波。管的左端配置发射器F，右端的声波发射器F。互易换能器H配置在图 的管中间，被校水听器J在F和H之间，经过三步测量就可完成计量实验。2.物理参数法计量 振动液柱法计量 压电补偿法计量 静水压激励法计量3.比较法计量 自由场中的比较法计量 声压场中的比较法计量4.振速水听器计量 球面波自由场法计量 振动液柱法计量 驻波场法计量四、水声换能器电气参数计量水声换能器电气参数计量 1.换能器阻抗特性的测量 1）换能器阻抗特性能。换能器电阻抗或电导纳通常是指在换能器电端测得的等效电阻抗或电导纳，是一个复数形式的等效电量。2）小信号激励下的阻抗测量 3）大信号激励下的阻抗测量2.换能器接收能数的测量 （1）水听器加速度的测量 水听器加速度灵敏度定义为在某一方向作加速度运动的水听器的开路电压后Ua与该方向上的加速度a之比，单位为v.s2/m.Ma=Ua/a 在所要求频率下校准水听器加速度灵敏度是，需要独立测量Ua，a。测量方法有两种：标准加速度计测量和激光测振仪测量。（2）水听器相位一致性测量 该测量是把水听器放在同一声场中通过测量水听器输出电压的相位差实现的。对于尺寸比较小的水听器，低频的相位一致性测量可以在小容器中进行。对于尺寸较大、频率高的水听器，需要在消声池中或水库等开阔水域中的自由场条件下进行。（3）水听器等效噪声压的测量 水听器的动态范围为过载声压级与等效噪声压级之差，过载声压级是水听器线性工作的上限声压级，等效噪声级是水听器线性工作区的下限压级。定位如下：P=Us/M 式中，p为等效噪声压（Pa）;Us为电缆末端的1Hz带宽的开路电压（V）；M为自由场灵敏度（V/Pa）.测量水听器内部的固有电噪声必须有良好的环境条件，环境背景噪声一定要远小于水听器的固有噪声。为此，常将待测水听器悬挂在真空罩内，以减小背景噪声。3.换能器发射参数测量 输入、输出功率和电声效率测量 电声发射换能器能把转换成机械能，以声波形式向水中发射。因此，换能器输入的是电功率，输出的是声功率，电声功率指声功率与电功率的比值，输入电功率就是换能器输入阻抗的有功分量所消耗的电功率。声功率可通过测量发射换能器在远场某距离处声轴方向上声压及它的指向性因数而求得。4.换能器指向性的测量 （1）指向性的表示 当一个声发射器的线度与它所在媒质中的声波波长可以相比是，它发射的声能将集中在某方向上，称其具有指向性。指向性图案是用于描述换能器指向怀的图形，指向性图实际是一个三维空间图。换能器的指向性常用二维极坐标图表示，一般的左旋极坐标系，工程中换能器的指向特性通常用波束宽度和最大旁瓣级表示，最大旁瓣级是换能器指向特性图第一旁瓣的声级。（2）指向性图测量 用常规方法测量每时向性一定要在自由场远场条件下进行，对距离要求更苛刻（不仅满足远场条件还要满足纵向声压均匀性的要求），还要求测量系统有足够的信噪比和大的动态范围。（3）指向性因数和指向性指数的测定 有三种测量方法，第一种方法是通过测量确定换能器辐射面的等效尺寸；第二种方法是根据实测的波束宽度通过查图求得或利用经验公式计算；第三种方法是实测指向性函数，再根据定义通过数值积分求定。谢 谢！