專利名稱：精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)試波的傳播的裝置，特別是涉及一種精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置及方法。
背景技術(shù)：
一方面，海水聲速作為海洋監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)，能為艦船、潛艇等水聲設(shè)備的活動(dòng)搜集和提供重要的海洋環(huán)境參數(shù)，不同深度處海水聲速測(cè)量在水文地質(zhì)、反潛作戰(zhàn)、地質(zhì)調(diào)查、水文水道測(cè)量等方面起著重要作用；另一方面，超聲波檢測(cè)技術(shù)作為聲波研究的一項(xiàng)重要應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，具有高精度、無損傷、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，在土木、采礦、生命科學(xué)等領(lǐng)域有著重要地位和光明的發(fā)展前景。但是超聲波在傳播過程中隨應(yīng)力場(chǎng)的衰減規(guī)律并不清楚，從而限制了超聲波的進(jìn)一步應(yīng)用，在現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)與方法中，也沒有基于應(yīng)力條件測(cè)量的裝置與方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置及方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置，包括壓力裝置，所述壓力裝置包括壓力腔，所述壓力腔連接有加壓氣筒和壓力表，所述壓力腔的兩端分別連接有超聲波探頭；兩個(gè)超聲波探頭分別通過數(shù)據(jù)傳輸線與示波器連接，其中一個(gè)超聲波探頭的數(shù)據(jù)傳輸線上連接有信號(hào)發(fā)生器。本發(fā)明的上述的精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量超聲波在不同壓力下傳播規(guī)律的方法，包括步驟首先，向所述壓力腔內(nèi)注滿水，啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的正弦連續(xù)波信號(hào)分為兩個(gè)聲波信號(hào)，一個(gè)聲波信號(hào)通過壓力腔的兩端的超聲波探頭在壓力腔內(nèi)的水中傳播后從示波器的“Y”插孔輸入；另一個(gè)聲波信號(hào)直接從示波器的“X”插孔輸入；然后，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器電壓和頻率，使示波器上波形的效果達(dá)到最佳，并記錄下常壓下的示波器信息；之后，逐漸向所述壓力腔內(nèi)加壓至設(shè)定值，再逐漸降壓至常壓，并記錄下不同壓力值的示波器信息；根據(jù)所得的示波器信息得出超聲波在不同壓力下傳播規(guī)律。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置及方法，由于壓力腔連接有加壓氣筒和壓力表，壓力腔的兩端分別連接有超聲波探頭；兩個(gè)超聲波探頭分別通過數(shù)據(jù)傳輸線與示波器連接，其中一個(gè)超聲波探頭的數(shù)據(jù)傳輸線上連接有信號(hào)發(fā)生器。可以通過向所述壓力腔內(nèi)注滿水，并根據(jù)不同壓力值下的示波器信息得出超聲波在不同壓力下傳播規(guī)律，采用連續(xù)波相位差原理將聲速的微小改變放大為相位的顯著變化，能精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。圖1為本發(fā)明的精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置的線路連接示意圖；圖2為本發(fā)明中壓力裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中壓力裝置的左側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的實(shí)施例中加壓氣筒旋轉(zhuǎn)加壓過程的左側(cè)視剖面示意圖。圖中1-壓力腔，2_加壓氣筒，3_壓力表；A-壓力裝置，B-信號(hào)發(fā)生器，C-示波器，D-超聲波探頭，E-三接口分頭，F(xiàn)-數(shù)據(jù)傳輸線，G-耦合劑，H- “T”形手柄，I-端蓋，J-環(huán)形橡皮密封圈，K-圓形鋼管，L-球形閥；Dl-壓力腔外徑，Ll-壓力腔長(zhǎng)度，D2-壓縮筒外徑，δ 1_壓力容器厚度，δ 2_壓縮
筒厚度。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置，其較佳的具體實(shí)施方式
是，包括壓力裝置，所述壓力裝置包括壓力腔，所述壓力腔連接有加壓氣筒和壓力表，所述壓力腔的兩端分別連接有超聲波探頭；兩個(gè)超聲波探頭分別通過數(shù)據(jù)傳輸線與示波器連接，其中一個(gè)超聲波探頭的數(shù)據(jù)傳輸線上連接有信號(hào)發(fā)生器。所述壓力腔為筒狀，所述加壓氣筒和壓力表設(shè)于所述的壓力腔的中部，且所述加壓氣筒和壓力表與所述的壓力腔形成連通的整體。所述加壓氣筒包括壓縮筒，所述壓縮筒的一端與所述壓力腔連接，且該端設(shè)有閥門；所述壓縮筒的另一端設(shè)有端蓋，所述壓縮筒內(nèi)設(shè)有旋轉(zhuǎn)活塞，所述活塞連接有T形手柄，所述T形手柄穿過所述端蓋并與所述端蓋螺紋嚙合。所述旋轉(zhuǎn)活塞與所述壓縮筒的內(nèi)壁之間設(shè)有密封圈。所述端蓋與所述壓縮筒螺紋連接。所述超聲波探頭通過耦合劑連接在所述壓力腔的端部。本發(fā)明的上述的精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量超聲波在不同壓力下傳播規(guī)律的方法，其較佳的具體實(shí)施方式
是，包括步驟首先，向所述壓力腔內(nèi)注滿水，啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的正弦連續(xù)波信號(hào)分為兩個(gè)聲波信號(hào)，一個(gè)聲波信號(hào)通過壓力腔的兩端的超聲波探頭在壓力腔內(nèi)的水中傳播后從示波器的“Y”插孔輸入；另一個(gè)聲波信號(hào)直接從示波器的“X”插孔輸入；然后，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器電壓和頻率，使示波器上波形的效果達(dá)到最佳，并記錄下常壓下的示波器信息；之后，逐漸向所述壓力腔內(nèi)加壓至設(shè)定值，再逐漸降壓至常壓，并記錄下不同壓力值的示波器信息；根據(jù)所得的示波器信息得出超聲波在不同壓力下傳播規(guī)律。具體實(shí)施例中，向所述壓力腔內(nèi)加壓的設(shè)定值可以為4. OMPa,每隔0. 4MPa進(jìn)行一次測(cè)量。本發(fā)明是一種基于不同應(yīng)力條件精確測(cè)試聲波在水中傳播規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法，根據(jù)連續(xù)波相位差原理，將不同應(yīng)力下波速的微小改變量轉(zhuǎn)化為聲波的相位變化， 利用聲波的高頻實(shí)現(xiàn)微小量放大，從而達(dá)到精確測(cè)試波速的目的；水中應(yīng)力改變采用旋轉(zhuǎn)手動(dòng)活塞壓縮液體實(shí)現(xiàn)。從而為聲波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律的研究提供一種間接有效的途徑。具體實(shí)施例如圖1所示，整套裝置的正面連接總示意圖信號(hào)發(fā)生器發(fā)出正弦連續(xù)波信號(hào)經(jīng)過一個(gè)三借口分頭分為兩個(gè)聲波信號(hào)。一個(gè)聲波信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸線，通過緊貼在壓力腔上超聲波探頭在壓力水中傳播后從示波器“Y”插孔輸入；另一個(gè)聲波信號(hào)直接從示波器 “X”插孔輸入。如圖1、圖2、圖3所示，分別從主視、左側(cè)視、俯視角度清楚的展示了壓力裝置的具體細(xì)部構(gòu)造特征壓力表和加壓氣筒牢固焊接在壓力腔中間截面上，且成正交方位。如圖4所示，為加壓氣筒手動(dòng)加壓的一個(gè)左側(cè)面剖面圖的實(shí)施例，球形閥掰起至手柄與壓縮腔軸線平行，閥門孔連同；按圖順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)“T”形手柄，活塞緩慢向壓縮腔內(nèi)移動(dòng)，壓縮壓力腔內(nèi)的水，從而使水中應(yīng)力增大，達(dá)到預(yù)定應(yīng)力后，掰下手柄與壓縮腔軸線垂直，閥門孔隔開。具體實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生裝置可以采用能發(fā)出正弦波信號(hào)的TreiOlO DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；波形顯示裝置可以采用RIGOL數(shù)字型示波器；壓力裝置包括壓力腔1、手動(dòng)加壓氣筒2和普通壓力表3等。1)普通壓力表選用標(biāo)度范圍為0 IOMI5a壓力表，采用焊接形式連接在壓力腔側(cè)壁中間部位；2)壓力腔為鋼質(zhì)材料做成的兩端封閉的圓柱筒體，圓筒長(zhǎng)Ll = 375mm，外圍直徑 Dl = 150mm，壁厚 δ = 5mm ；3)手動(dòng)加壓汽筒焊接在與壓力表同一截面且與其垂直的方向上，它由T形旋轉(zhuǎn)手柄、活塞頭、帶孔端蓋、球形閥、壓縮筒組成。壓縮筒由一圓形鋼管做成，圓形鋼管外徑D2 = 30mm,既是注入水的通道，也是活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)加壓、減壓的部位；T形旋轉(zhuǎn)手柄由一光滑圓形鋼條和帶螺絲圓柱形鋼條焊接而成，帶螺絲圓柱形鋼條剛好穿過帶孔端蓋，能被其固定在光管上，帶螺絲圓柱形鋼條另一端連接圓柱活塞頭；圓柱活塞頭側(cè)壁有兩條凹槽，槽內(nèi)恰好能緊套橡皮密封圈，保證氣密性；球形閥門位于加壓氣筒與壓力容器連接處，掰起掰手， 內(nèi)外連接，可以注水和加減壓，掰下掰手，內(nèi)外隔絕，保證壓力容器內(nèi)應(yīng)力穩(wěn)定，便于讀數(shù)。
具體測(cè)量中，可以進(jìn)行以下步驟1).逆時(shí)針旋開端蓋，掰起球形閥門手柄，通過管口向壓力腔內(nèi)注滿純凈水或者鹽水，順時(shí)針旋緊蓋子；2)按裝置平面布置總圖(1)連接線路，將兩個(gè)超聲波探頭用耦合劑(黃油或其它)固定在容器兩端壁的中心位置，將發(fā)射信號(hào)接到示波器的X輸入，接收信號(hào)接入示波器 Y輸入，將掃描電壓調(diào)為0;3)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的電壓和頻率，在使示波器上波形的效果達(dá)到最佳前提下取較高頻率，并記錄下常壓下麗薩如圖的轉(zhuǎn)角Ψ0;4)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)加壓活塞至4. OMPa,每隔0. 4MPa掰下球形閥手柄，觀察并記錄一次壓力表度數(shù)和對(duì)應(yīng)壓力下麗薩如圖橢圓的長(zhǎng)半軸a、短半軸b和旋轉(zhuǎn)角Fi ；5)再由4. OMPa卸壓至OMPa，每隔0. 4MPa掰下球形閥手柄，觀察并記錄一次壓力表度數(shù)和對(duì)應(yīng)壓力下麗薩如圖橢圓的長(zhǎng)半軸a、短半軸b和旋轉(zhuǎn)角￥i。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)裝置采用連續(xù)波相位差原理，從而避免了直接測(cè)時(shí)間方法帶來巨大誤差，它將波速隨應(yīng)力變化而產(chǎn)生的微小變化轉(zhuǎn)化高頻聲波相位的變化。理論上，波的頻率越高，相位變化越顯著d Ψ⑴kcodu，即相位差與聲波頻率成正比，因此，只須需調(diào)大高超聲波信號(hào)發(fā)生器的頻率ω，d Ψ就會(huì)有很顯著的變化，示波器上的圖形變化會(huì)比較明顯，從而實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的發(fā)明目的。裝置和方法不同于其它測(cè)量聲波在水中傳播速度在于它直接基于不同應(yīng)力條件，這為研究和建立超聲波傳播與應(yīng)力之間的關(guān)系和利用超聲波測(cè)應(yīng)力的研究工作提供一種更為直接的方法。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用方便，手動(dòng)加壓裝置輕易加壓到5MPa就相當(dāng)于500米海水深度，無需復(fù)雜繁瑣的操作和去同等引力深度的水中去測(cè)量。因此，本發(fā)明從理論到實(shí)際操作都是一種全新的思路和方法，理論上只要不但改進(jìn)和較少操作誤差和提高讀數(shù)的精確性可以無線精確，同時(shí)操作簡(jiǎn)單。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置，其特征在于，包括壓力裝置，所述壓力裝置包括壓力腔，所述壓力腔連接有加壓氣筒和壓力表，所述壓力腔的兩端分別連接有超聲波探頭；兩個(gè)超聲波探頭分別通過數(shù)據(jù)傳輸線與示波器連接，其中一個(gè)超聲波探頭的數(shù)據(jù)傳輸線上連接有信號(hào)發(fā)生器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置，其特征在于，所述壓力腔為筒狀，所述加壓氣筒和壓力表設(shè)于所述的壓力腔的中部，且所述加壓氣筒和壓力表與所述的壓力腔形成連通的整體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置，其特征在于，所述加壓氣筒包括壓縮筒，所述壓縮筒的一端與所述壓力腔連接，且該端設(shè)有閥門；所述壓縮筒的另一端設(shè)有端蓋，所述壓縮筒內(nèi)設(shè)有旋轉(zhuǎn)活塞，所述活塞連接有T形手柄，所述T形手柄穿過所述端蓋并與所述端蓋螺紋嚙合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)活塞與所述壓縮筒的內(nèi)壁之間設(shè)有密封圈。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置，其特征在于，所述端蓋與所述壓縮筒螺紋連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置，其特征在于，所述超聲波探頭通過耦合劑連接在所述壓力腔的端部。
7.—種權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量超聲波在不同壓力下傳播規(guī)律的方法，其特征在于，包括步驟首先，向所述壓力腔內(nèi)注滿水，啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的正弦連續(xù)波信號(hào)分為兩個(gè)聲波信號(hào)，一個(gè)聲波信號(hào)通過壓力腔的兩端的超聲波探頭在壓力腔內(nèi)的水中傳播后從示波器的“Y”插孔輸入；另一個(gè)聲波信號(hào)直接從示波器的“X”插孔輸入；然后，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器電壓和頻率，使示波器上波形的效果達(dá)到最佳，并記錄下常壓下的示波器信息；之后，逐漸向所述壓力腔內(nèi)加壓至設(shè)定值，再逐漸降壓至常壓，并記錄下不同壓力值的示波器信息；根據(jù)所得的示波器信息得出超聲波在不同壓力下傳播規(guī)律。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的精確測(cè)量超聲波在不同壓力下傳播規(guī)律的方法，其特征在于，向所述壓力腔內(nèi)加壓的設(shè)定值為4. OMPa,每隔0. 4MPa進(jìn)行一次測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度的裝置及方法，包括壓力裝置，壓力裝置包括壓力腔，壓力腔連接有加壓氣筒和壓力表，壓力腔的兩端分別連接有超聲波探頭；兩個(gè)超聲波探頭分別通過數(shù)據(jù)傳輸線與示波器連接，其中一個(gè)超聲波探頭的數(shù)據(jù)傳輸線上連接有信號(hào)發(fā)生器?？梢酝ㄟ^向壓力腔內(nèi)注滿水，并根據(jù)不同壓力值下的示波器信息得出超聲波在不同壓力下傳播規(guī)律，采用連續(xù)波相位差原理將聲速的微小改變放大為相位的顯著變化，能精確測(cè)量不同應(yīng)力條件下波的傳播速度。
文檔編號(hào)G01H5/00GK102175301SQ20111005540
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者左建平, 熊國(guó)軍 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)