一種新的聲阻抗值測(cè)量方法

陳玉喜　單秉昆

【摘 要】本文設(shè)計(jì)了一種新的聲阻抗測(cè)量方法，該方法是通過(guò)獲取待測(cè)樣品表面超聲反射回波，并通過(guò)計(jì)算后得到該表面的聲阻抗值，該方法與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，不需要得到待測(cè)樣品的密度和聲速，具有明顯優(yōu)勢(shì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法測(cè)得的結(jié)果是穩(wěn)定可靠的。

【關(guān)鍵詞】聲阻抗；測(cè)量；新方法；超聲回波

【Abstract】A new method for testing sound impedance is introduced in this article.This method relies to receive the ultrasonic echo wave from the surface of samples，then we get the sound impedance through calculating the echo wave signal.Compares with the traditional way，the advantages of this method is not needing the density and sound velocity of the samples.The result of this method is proved to be stable and reliable in the experiment.

【Key words】Sound impedance； Testing； New Method； Ultrasonic Echo Wave

1 聲阻抗定義

它反映介質(zhì)中某位置因聲擾動(dòng)而引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻尼特性，并影響著介質(zhì)中的聲場(chǎng)特性[2]。從振動(dòng)與波的關(guān)系看，振動(dòng)是波動(dòng)的輻射源，這二者之間是存在相互作用和阻抗匹配的，聲阻抗正是這種相互作用和匹配效果的反映。在聲壓相同時(shí)，聲阻抗Z越大，相應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度越小。

2 聲阻抗測(cè)量方法

傳統(tǒng)的聲阻抗測(cè)量方法是利用聲阻抗的定義， 即聲阻抗在數(shù)值上等于該種介質(zhì)的密度與其中聲速的乘積，單位為×106kg/（m2·s）。所以傳統(tǒng)上測(cè)量某種介質(zhì)的聲阻抗時(shí)，需要分別測(cè)量出該介質(zhì)的密度與聲速，然后進(jìn)行相乘便可得出其聲阻抗值，這無(wú)疑是較為簡(jiǎn)單和有效的。但對(duì)于一些比較特殊的材料來(lái)說(shuō)，如果無(wú)法測(cè)量其密度或者聲速，亦或是想要測(cè)量一個(gè)內(nèi)部特性變化材料的某一個(gè)截面的聲阻抗值時(shí)，這種方法就無(wú)法適用了。

本文中設(shè)計(jì)的聲阻抗測(cè)量方法稱為回波測(cè)量法，利用的原理是界面兩側(cè)介質(zhì)與超聲波在界面上的反射和透射率的密切關(guān)系[2]。當(dāng)聲波垂直入射到平界面時(shí)（如圖1所示），超聲波聲壓反射率rp與界面兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗值具有密切關(guān)系。

3 結(jié)果分析

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，我們制備了4組共20個(gè)試樣用于測(cè)試，試樣是由鐵粉與少量樹脂混合燒結(jié)形成，圓柱形，直徑30mm，高20mm，待測(cè)表面由1200號(hào)砂紙仔細(xì)研磨后拋光，以保證各樣品具有相同的表面粗糙度。

我們分別利用密度聲速計(jì)算法和本文中的回波反射法來(lái)分別測(cè)量其聲阻抗值，通過(guò)比較兩者之間的結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)我們所使用的回波反射測(cè)聲阻抗方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

具體測(cè)試結(jié)果見表1。

由表可見，我們所使用的端面回波發(fā)射法與傳統(tǒng)計(jì)算法的測(cè)試結(jié)果是非常一致的。兩種方法中，傳統(tǒng)的計(jì)算法要相對(duì)穩(wěn)定，同組內(nèi)各樣品利用計(jì)算法測(cè)得的結(jié)果之間差值很小，在0.5×106kg/（m2·s）以內(nèi)，回波法同組樣品間差值相對(duì)較大，但均小于1×106kg/（m2·s），數(shù)據(jù)波動(dòng)在正常范圍以內(nèi)。各樣品使用兩種方法的測(cè)試結(jié)果差值變化見圖3。

圖3 兩種方法測(cè)得的聲阻抗值差值

由圖3可見，所有樣品中除第四組2號(hào)以外，利用端面回波法測(cè)得的值均小于計(jì)算法的結(jié)果，造成這樣現(xiàn)象的原因我們尚不清楚，但對(duì)于各樣品，兩種測(cè)量方法測(cè)得的聲阻抗值之間的差值絕大多數(shù)均在1×106kg/（m2·s）之內(nèi)，所以我們所使用的端面回波測(cè)聲阻抗法是較為準(zhǔn)確并且可信的。我們將圖4中各組內(nèi)樣品的數(shù)據(jù)平均后得到各組間數(shù)據(jù)對(duì)比，見圖4。

由圖4可見，將各組內(nèi)數(shù)據(jù)平均后，兩種方法之間的測(cè)量值更加接近，差值縮小，均在1×106kg/（m2·s），進(jìn)一步說(shuō)明了利用端面回波方法所測(cè)得數(shù)據(jù)的可信度。

4 結(jié)論

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的聲阻抗測(cè)量方法無(wú)需得知待測(cè)樣品的密度及聲速，僅需獲取待測(cè)樣品表面的超聲回波，測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單，所得結(jié)果經(jīng)驗(yàn)證是準(zhǔn)確可靠的。

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[責(zé)任編輯：湯靜]