不同介质中超声波传播速度测量方法之比较

超声速度测骨密度的原理
超声速度测骨密度的原理是利用超声波在不同介质中传播速度的差异来间接测量骨的密度。

当超声波穿过人体组织时，会与组织中的不同结构相互作用，例如与骨组织中的骨小梁、骨间质以及骨髓等相互作用。

这些相互作用会导致超声波在骨组织中传播的速度发生变化。

通常情况下，骨密度与超声波的传播速度呈正相关关系，即骨密度越高，超声波的传播速度越快；骨密度越低，超声波的传播速度越慢。

因此，通过测量超声波在骨组织中的传播速度，可以间接得到骨的密度。

具体实施时，超声波通过超声探头从体表输入到骨组织中，然后经过反射和散射等现象返回探头，测量的是超声波在往返传播过程中所花费的时间。

根据超声波在骨组织中的传播速度和测量得到的时间，就可以计算出骨的密度。

虽然超声速度测骨密度是一种间接的方法，但其具有无辐射、非侵入性、简便快捷等优点，适用于骨密度的初步筛查和监测。

超声波在固体中传播速度的测量在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播。

【实验目的】1、学会用时差法测定超声波在固体中的传输速度。

2、学会用逐差法处理实验数据。

3、熟悉数字示波器等仪器的使用。

【实验原理】时差法测量原理：在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。

时差法测试声速的基本原理是基于速度V=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间；从而计算出声波的传播速度，在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。

接收到的信号经放大，滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出在某一介质中的传播速度。

只因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。

同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。

连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，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。

由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：速度V=距离L/时间t。

通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。

图5-5 发射波与接收波【仪器与器材】SVX-7声速测试仪信号源、SV-DH-7A型测试架、数字示波器、材料样品（有机玻璃棒、铝棒等）【实验内容与步骤】1、时差法测量超声波在固体中传播速度步骤图5-6 时差法测量超声波在固体中传播速度接线图（1）按图5-6接线，将测试方法设置到脉冲波方式将，接收增益调到适当位置（一般为最大位置），以计时器不跳字为好。

（2）将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和固体棒的端面上涂上适量的耦合剂，再把固体棒放在发射面上，使其紧密接触并对准，然后将接收换能器接收端面放置于固体棒的上端面上并对准，利用接收换能器的自重与固体棒端面接触。

超声波的测量实验报告超声波的测量实验报告引言：超声波是一种高频声波，其频率通常超过人类听觉范围的上限20kHz。

超声波在医学、工业和科学研究领域有着广泛的应用。

本实验旨在通过测量超声波在不同介质中的传播速度，探究超声波的特性和应用。

实验步骤：1. 实验器材准备：- 超声波发生器- 超声波探头- 示波器- 不同介质样品（如水、玻璃、金属等）- 计时器2. 实验设置：将超声波发生器连接至示波器和超声波探头。

将不同介质样品放置在超声波探头前方，保持一定距离。

调节示波器和发生器的参数，确保超声波能够正常发射和接收。

3. 测量超声波传播时间：将超声波发生器发射超声波，使其经过不同介质样品后被超声波探头接收。

使用计时器记录超声波从发射到接收的时间。

重复多次实验，取平均值以提高测量精度。

4. 计算超声波传播速度：根据测量得到的超声波传播时间和超声波在不同介质中的传播距离，可以计算出超声波在不同介质中的传播速度。

使用公式 v = d / t，其中 v 为超声波传播速度，d 为传播距离，t 为传播时间。

实验结果与分析：通过实验测量，我们得到了超声波在不同介质中的传播速度。

结果显示，超声波在固体介质中传播速度较高，而在液体介质中传播速度较低。

这是由于固体分子的排列比液体更加紧密，导致声波在固体中传播时受到更少的阻力。

此外，我们还观察到超声波在不同介质中的传播路径受到折射和反射的影响。

当超声波从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质的声速不同，超声波会发生折射现象。

这种现象在医学领域中有着重要的应用，例如超声波在人体组织中的传播和成像。

实验中我们还发现，超声波在金属表面的反射较为明显。

这是由于金属具有良好的导电性，超声波在金属表面发生反射后能够被探头接收到。

这一特性在工业领域中广泛应用于材料缺陷检测和无损检测。

结论：通过本次实验，我们深入了解了超声波的特性和应用。

超声波在不同介质中的传播速度差异显示了介质的性质对声波传播的影响。

超声波时差法的原理和应用1. 超声波时差法的原理超声波时差法是一种基于声学原理来测量距离和位置的方法。

它利用声速恒定的特性和超声波在不同介质中传播速度的差异，通过计算超声波的传播时间差来确定目标物体的距离或位置。

1.1 超声波的传播特性•超声波是一种高频声波，频率通常在20kHz到100MHz之间。

•超声波在大多数介质中传播速度是恒定的，一般为343m/s。

•超声波的能量较强，能够穿透大多数物质。

1.2 超声波时差法的工作原理超声波时差法通常由两个超声波传感器组成，一个作为发送器，另一个作为接收器。

其工作原理如下： 1. 发送器发射超声波脉冲信号。

2. 超声波信号在空气或介质中传播，当遇到目标物体时会发生反射。

3. 接收器接收到反射回来的超声波信号。

4. 根据发送和接收的时间差，可以计算出目标物体与传感器的距离。

2. 超声波时差法的应用2.1 超声波测距仪超声波测距仪是超声波时差法最常见的应用之一。

它通常被用于测量目标物体与测距仪之间的距离。

具体应用包括： - 工业领域中，用于测量物体的位置和距离，如机械装置的定位和测量。

- 自动驾驶车辆中，用于测量车辆与障碍物之间的距离，以便进行避障操作。

- 渔业中，用于测量水下设备与鱼群之间的距离，以便进行捕鱼操作。

2.2 超声波流量计超声波流量计是利用超声波时差法来测量液体或气体流动速度和流量的设备。

它的工作原理如下： - 发送器发射超声波脉冲信号，通过流体中的传感器接收到反射回来的超声波信号。

- 根据超声波信号的传播时间差和介质的流速，可以计算出流体的流速和流量。

超声波流量计在工业领域中广泛应用，例如： - 石油和化工行业中，用于测量管道中液体和气体的流量。

- 水处理领域中，用于测量水流量，监控供水系统和排水系统的运行情况。

2.3 超声波层厚测量超声波层厚测量用于测量材料的厚度，其原理是通过测量超声波在材料中的传播时间来计算材料的厚度。

这种测量方法广泛应用于工业生产中，例如： - 金属加工中，用于测量金属板材的厚度，以确保产品符合标准要求。

超声波在不同介质中的传播速度及损耗系数测量-声学论文-物理论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——超声波是一种在弹性介质中传播的机械波，由于其具有波长短、传播方向性好等优点，在大学物理的声速测量实验中一般选择超声波段的声波进行测量。

超声波由于其频率高、功率大、穿透能力强、信息携带量大等特点，已广泛应用于工业、农业、生物医学以及科学研究等领域，如超声波测距和定位、超声波无损检测、超声波清洗等。

描述声波的物理量有波长、频率、传播速度、强度等，对这些量的测量是声学技术的重要内容，声速的测量在声波测距、定位和无损检测中有着广泛的应用。

声速测量实验属于大学物理实验中的基础性实验，一般仅开设超声波在空气中传播速度的测量，该部分原理简单，导致实验内容不饱满，因此，根据仪器特点，可将声速测量实验改造为超声波专题设计综合实验，增设一些设计性实验内容。

测量超声波在不同介质中的传播速度;研究同一介质中随发射和接收端距离变化，接收端振幅的变化规律;计算不同介质中超声波的损耗系数等。

对于实验数据的处理要求学生使用Origin、Matlab 等软件辅助完成，在学习物理内容的同时，熟练掌握常用数据处理软件的使用，不断挖掘学生学习的积极主动性，培养学生的创新意识和能力。

1 实验原理超声波传播速度常用的测量方法有共振干涉法、相位法、反射回波法等，本文采用共振干涉法研究不同介质中超声波的传播特性。

共振干涉法又称驻波法，实验装置如图 1 所示，由示波器、声速测量仪和信号发生器组成，S1和S2为压电陶瓷换能器，利用压电效应实现声压和电压之间的相互转换。

在信号发生器产生的交变电压作用下，使发射端S1产生机械振动，将激发的超声波经介质传播到接收端S2，若接收面与发射面平行，声波在接收面处就会被垂直反射，当接收端与发射端距离恰好等于半波长的整数倍时，两波叠加后形成驻波，当信号发生器的激励频率等于压电陶瓷换能器的固有频率时，会产生驻波共振。

超声波测速原理
超声波测速原理是一种利用超声波作为探测信号来测量物体速度的技术。

其基本原理是利用声波在不同介质中的传播速度差异，以及超声波在物体表面反射的现象来计算物体的速度。

超声波是一种声频高于人耳听觉范围的声波，其频率通常在20 kHz以上。

超声波在空气中传播速度约为340 m/s，在固体或液体中的传播速度则会因介质的密度和弹性模量等物性特性而有所不同。

超声波测速原理利用了超声波在物体表面的反射现象。

当超声波沿着物体表面传播时，它会遇到物体表面的不平整处或物体与介质之间的界面。

这些界面会对超声波造成反射，并将波的传播方向改变。

通过测量反射超声波的时间差和物体表面的距离，可以计算出物体的速度。

具体的测速原理可以分为两种常见的方法：多普勒效应和时间差测量法。

多普勒效应是基于声音频率的变化来测量物体速度的原理。

当超声波以一定频率向物体表面发射时，物体的运动会导致反射超声波的频率发生变化。

通过测量反射超声波的频率变化，可以计算出物体的速度。

时间差测量法则是基于测量超声波信号的来回传播时间差来计算物体速度的原理。

实际测量中，通过发射超声波信号并接收反射信号，并计算出超声波的往返时间差。

根据声速和往返时
间差，可以得到物体的距离变化，从而计算出物体的速度。

总结起来，超声波测速原理利用超声波在不同介质中的传播速度差异和物体表面反射的现象来测量物体的速度。

多普勒效应和时间差测量法是常见的测速原理方法。

这些技术在工业、医疗和交通等领域中广泛应用，为测量速度提供了一种可靠的方法。

超声波物位计原理
超声波物位计利用超声波在不同介质中传播速度不同的原理，测量液体或固体的物位。

其工作原理如下：
1. 发射超声波：超声波物位计内置一个或多个超声发射器，它们产生高频率的声波信号，通常在20 kHz到200 kHz之间。

这些声波信号以脉冲的形式发送到被测介质。

2. 超声波传播：声波信号通过传感器的震动生成超声波，并在空气与介质界面上发生反射。

当超声波遇到介质界面时，一部分能量被界面反射，一部分能量进入介质内部传播。

3. 接收超声波：超声波物位计内置一个或多个接收器，用于接收从介质界面反射回来的超声波信号。

4. 计算物位：接收到的超声波信号经过放大和滤波处理后，被转化为数字信号。

超声波物位计根据发射信号和接收信号之间的时间差来计算物位。

根据声速和时间差，可以使用速度=距离/时间的公式计算物位。

需要注意的是，超声波物位计的测量精度和可靠性受到多种因素的影响，如介质的密度、温度、压力、表面形状等。

因此，在使用超声波物位计进行测量时，需要根据实际情况进行校准和调整，以确保准确的物位测量。

超声波无损探伤原理
超声波无损探伤原理是利用超声波在材料中的传播和反射特性来检测材料内部的缺陷和异物情况。

具体原理如下：
1. 超声波传播速度：不同材料和介质中，超声波的传播速度是不同的。

例如，固体中的超声波传播速度比液体中的要高。

通过测量超声波的传播速度，可以根据其在材料中的传播时间来计算缺陷或异物的深度。

2. 超声波的反射和折射：当超声波传播到材料的界面或缺陷处时，部分能量会被反射回来，而另一部分能量则会被折射进入材料中。

通过检测反射回来的超声波能量的强弱和时间延迟，可以确定材料的缺陷类型和位置。

3. 谐振频率：材料的谐振频率与其物理特性有关，如密度、弹性模量等。

利用超声波的谐振频率特性，可以检测材料的缺陷和结构状态。

4. 声束传播和干涉现象：超声波传播时会形成一个声束，声束的形状和大小取决于传感器的设计和超声波的频率。

通过调整传感器的位置和角度，可以确定缺陷的位置和形状。

综上所述，超声波无损探伤原理是通过测量超声波的传播速度、反射和折射现象、谐振频率以及声束传播和干涉现象来检测材料内部的缺陷和异物情况。

1.声速：超声波在不同介质中传输速度是不同的。

气体350m/s左右，液体中1500m/s左右；固体中5000m/s左右。

2.声衰减在空气中，超声波除了因扩散引起衰减外，由于空气中的粘滞性、热传导以及分子的吸收也会引起衰减。

在20℃时的空气中，衰减系数在20℃时的水中，衰减系数如换算成位移衰减到I/e的距离x（1/ɑ）,则空气中x（m）=则水中x（m）=从表中可以看出：空气可水相比，其声衰减随频率的增大而急剧增加，即空气（各种气体均如此）不利于高频声传播，衰减很快，如500KHZ以上。

所以液体中超声一般选择1-5MHz，而气体中超声一般选择50-300KHz。

当然选择频率时还应考虑超声换能器之间的距离（声程）以及测量精度等要求。

3.特性阻抗与声反射、声折射、声散射特性阻抗由介质的密度和声速之积确定。

气体、液体和固体的特性阻抗之比约为1:3000:80000，差异很大。

超声从一种介质进入另一种介质的能力取决于特性阻抗。

流体中只存在纵波，纵波从流体向固体倾斜射入，在固体中除纵波外，还存在横波。

高频率的声波，如2MHZ，在照射到含有气泡和固体颗粒时液体时，会产生声散射。

4.超声换能器的指向性式中：--------指向性半角；--------波长；--------圆型辐射面直径气体介质中换能器的角一般取3-7度；液体介质中换能器的角一般取2-10度；可以上换能器的指向性均要求尖锐，以使能量较为集中。

5.温度特性在水中中，超声传播速度随温度升高而增大，但在90℃之后又开始减小。

1. 压电陶瓷片PZT用于测量液体流量的超声换能器，工作频率在0.5-5MHz.PZT压电片（圆形、半圆形、方形、矩形）是常用的形式，它的频率由下公式确定式中：-----------频率常数，PZT均为2200；-----------厚度（应远小于横向尺寸）。

1MHz的PZT圆片，直径10-12mm，厚度约2mm；1.5MHz的的PZT圆片，直径15mm左右，厚度约1.3mm；2. 换能器的基本结构压电圆片换能器一般结构有一下三种：液体换能器中，若在前后端设置匹配层，可有效提高电声转换效率和扩展频带宽度。

简述超声波的传播方式及举例说明超声波是一种机械波，是由声源振动产生的一种波动，它的频率高于人类能听到的声音，通常大于20kHz。

超声波的传播方式有以下几种：1. 直接传播：超声波可以直接在同质介质中传播，如在水中、金属中等。

当超声波在介质中传播时，它会以波动的形式传递。

举例来说，水中的超声波可以通过鱼雷来探测水下目标，医学中的超声波可以通过超声波探头直接传播到人体内部，用于检查和治疗。

2. 折射传播：当超声波从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象。

折射是由于不同介质的声速不同导致的。

例如，当超声波从水中传入人体组织中时，会发生折射现象，这也是医学超声波成像的基础原理之一。

3. 反射传播：当超声波遇到不同介质的界面时，会发生反射现象。

反射是由于介质的密度和声阻抗的差异引起的。

例如，超声波在人体组织中遇到骨骼或器官边界时会发生反射，这种反射可以被超声波探头接收到，从而用于成像和诊断。

4. 散射传播：当超声波遇到介质中的颗粒或不均匀性时，会发生散射现象。

散射是由于介质中微小结构的存在导致的。

例如，超声波在肝脏中遇到肝脏组织中的细胞和血管时会发生散射，这种散射可以提供有关肝脏结构和病变的信息。

5. 衰减传播：超声波在介质中传播时会逐渐衰减，即能量逐渐减弱。

衰减是由于介质的吸收和散射导致的。

例如，超声波在人体组织中传播时会受到组织吸收的影响，传播距离越远，能量损失越大。

6. 多次反射传播：超声波在介质中可以发生多次反射，通过多次反射可以获取更多的信息。

例如，医学超声波成像中的B超技术就是利用超声波在组织内部多次反射来获取图像。

7. 多次散射传播：超声波在介质中也可以发生多次散射，通过多次散射可以获取更多的信息。

例如，超声波在肝脏组织中多次散射，可以提供关于肝脏内部结构和血流情况的信息。

8. 衍射传播：当超声波通过小孔或者细缝时，会发生衍射现象。

衍射是由于波在通过障碍物时发生弯曲和扩散导致的。

例如，超声波通过超声波探头的发射孔和接收孔时会发生衍射，这种衍射可以影响到超声波的穿透深度和分辨率。