精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置及方法
2023-07-23 03:09:16 1
專利名稱：精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種測試波的傳播的裝置，特別是涉及一種精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置及方法。
背景技術：
一方面，海水聲速作為海洋監測的重要參數，能為艦船、潛艇等水聲設備的活動搜集和提供重要的海洋環境參數，不同深度處海水聲速測量在水文地質、反潛作戰、地質調查、水文水道測量等方面起著重要作用；另一方面，超聲波檢測技術作為聲波研究的一項重要應用，相對於傳統的檢測方法，具有高精度、無損傷、非接觸等優點，在土木、採礦、生命科學等領域有著重要地位和光明的發展前景。但是超聲波在傳播過程中隨應力場的衰減規律並不清楚，從而限制了超聲波的進一步應用，在現有測量技術與方法中，也沒有基於應力條件測量的裝置與方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置及方法。本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明的精確測量不同應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；兩個超聲波探頭分別通過數據傳輸線與示波器連接，其中一個超聲波探頭的數據傳輸線上連接有信號發生器。本發明的上述的精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置實現精確測量超聲波在不同壓力下傳播規律的方法，包括步驟首先，向所述壓力腔內注滿水，啟動信號發生器，信號發生器發出的正弦連續波信號分為兩個聲波信號，一個聲波信號通過壓力腔的兩端的超聲波探頭在壓力腔內的水中傳播後從示波器的「Y」插孔輸入；另一個聲波信號直接從示波器的「X」插孔輸入；然後，調節信號發生器電壓和頻率，使示波器上波形的效果達到最佳，並記錄下常壓下的示波器信息；之後，逐漸向所述壓力腔內加壓至設定值，再逐漸降壓至常壓，並記錄下不同壓力值的示波器信息；根據所得的示波器信息得出超聲波在不同壓力下傳播規律。由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的一種精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置及方法，由於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；兩個超聲波探頭分別通過數據傳輸線與示波器連接，其中一個超聲波探頭的數據傳輸線上連接有信號發生器。可以通過向所述壓力腔內注滿水，並根據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律，採用連續波相位差原理將聲速的微小改變放大為相位的顯著變化，能精確測量不同應力條件下波的傳播速度。
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。圖1為本發明的精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置的線路連接示意圖；圖2為本發明中壓力裝置的俯視結構示意圖；圖3為本發明中壓力裝置的左側視結構示意圖；圖4為本發明的實施例中加壓氣筒旋轉加壓過程的左側視剖面示意圖。圖中1-壓力腔，2_加壓氣筒，3_壓力表；A-壓力裝置，B-信號發生器，C-示波器，D-超聲波探頭，E-三接口分頭，F-數據傳輸線，G-耦合劑，H- 「T」形手柄，I-端蓋，J-環形橡皮密封圈，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。
具體實施例方式下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。本發明的精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置，其較佳的具體實施方式
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；兩個超聲波探頭分別通過數據傳輸線與示波器連接，其中一個超聲波探頭的數據傳輸線上連接有信號發生器。所述壓力腔為筒狀，所述加壓氣筒和壓力表設於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，且該端設有閥門；所述壓縮筒的另一端設有端蓋，所述壓縮筒內設有旋轉活塞，所述活塞連接有T形手柄，所述T形手柄穿過所述端蓋並與所述端蓋螺紋嚙合。所述旋轉活塞與所述壓縮筒的內壁之間設有密封圈。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。本發明的上述的精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置實現精確測量超聲波在不同壓力下傳播規律的方法，其較佳的具體實施方式
是，包括步驟首先，向所述壓力腔內注滿水，啟動信號發生器，信號發生器發出的正弦連續波信號分為兩個聲波信號，一個聲波信號通過壓力腔的兩端的超聲波探頭在壓力腔內的水中傳播後從示波器的「Y」插孔輸入；另一個聲波信號直接從示波器的「X」插孔輸入；然後，調節信號發生器電壓和頻率，使示波器上波形的效果達到最佳，並記錄下常壓下的示波器信息；之後，逐漸向所述壓力腔內加壓至設定值，再逐漸降壓至常壓，並記錄下不同壓力值的示波器信息；根據所得的示波器信息得出超聲波在不同壓力下傳播規律。具體實施例中，向所述壓力腔內加壓的設定值可以為4. OMPa,每隔0. 4MPa進行一次測量。本發明是一種基於不同應力條件精確測試聲波在水中傳播規律的實驗裝置和試驗方法，根據連續波相位差原理，將不同應力下波速的微小改變量轉化為聲波的相位變化， 利用聲波的高頻實現微小量放大，從而達到精確測試波速的目的；水中應力改變採用旋轉手動活塞壓縮液體實現。從而為聲波在介質中的傳播規律的研究提供一種間接有效的途徑。具體實施例如圖1所示，整套裝置的正面連接總示意圖信號發生器發出正弦連續波信號經過一個三藉口分頭分為兩個聲波信號。一個聲波信號經過數據傳輸線，通過緊貼在壓力腔上超聲波探頭在壓力水中傳播後從示波器「Y」插孔輸入；另一個聲波信號直接從示波器 「X」插孔輸入。如圖1、圖2、圖3所示，分別從主視、左側視、俯視角度清楚的展示了壓力裝置的具體細部構造特徵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，為加壓氣筒手動加壓的一個左側面剖面圖的實施例，球形閥掰起至手柄與壓縮腔軸線平行，閥門孔連同；按圖順時針方向旋轉「T」形手柄，活塞緩慢向壓縮腔內移動，壓縮壓力腔內的水，從而使水中應力增大，達到預定應力後，掰下手柄與壓縮腔軸線垂直，閥門孔隔開。具體實施例中，信號發生裝置可以採用能發出正弦波信號的TreiOlO DDS函數信號發生器；波形顯示裝置可以採用RIGOL數字型示波器；壓力裝置包括壓力腔1、手動加壓氣筒2和普通壓力表3等。1)普通壓力表選用標度範圍為0 IOMI5a壓力表，採用焊接形式連接在壓力腔側壁中間部位；2)壓力腔為鋼質材料做成的兩端封閉的圓柱筒體，圓筒長Ll = 375mm，外圍直徑 Dl = 150mm，壁厚 δ = 5mm ；3)手動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，也是活塞運動實現加壓、減壓的部位；T形旋轉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；圓柱活塞頭側壁有兩條凹槽，槽內恰好能緊套橡皮密封圈，保證氣密性；球形閥門位於加壓氣筒與壓力容器連接處，掰起掰手， 內外連接，可以注水和加減壓，掰下掰手，內外隔絕，保證壓力容器內應力穩定，便於讀數。
具體測量中，可以進行以下步驟1).逆時針旋開端蓋，掰起球形閥門手柄，通過管口向壓力腔內注滿純淨水或者鹽水，順時針旋緊蓋子；2)按裝置平面布置總圖(1)連接線路，將兩個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，將發射信號接到示波器的X輸入，接收信號接入示波器 Y輸入，將掃描電壓調為0;3)調節信號發生器的電壓和頻率，在使示波器上波形的效果達到最佳前提下取較高頻率，並記錄下常壓下麗薩如圖的轉角Ψ0;4)手動旋轉加壓活塞至4. OMPa,每隔0. 4MPa掰下球形閥手柄，觀察並記錄一次壓力表度數和對應壓力下麗薩如圖橢圓的長半軸a、短半軸b和旋轉角Fi ；5)再由4. OMPa卸壓至OMPa，每隔0. 4MPa掰下球形閥手柄，觀察並記錄一次壓力表度數和對應壓力下麗薩如圖橢圓的長半軸a、短半軸b和旋轉角￥i。本發明具有如下優點裝置採用連續波相位差原理，從而避免了直接測時間方法帶來巨大誤差，它將波速隨應力變化而產生的微小變化轉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，只須需調大高超聲波信號發生器的頻率ω，d Ψ就會有很顯著的變化，示波器上的圖形變化會比較明顯，從而實現精確測量的發明目的。裝置和方法不同於其它測量聲波在水中傳播速度在於它直接基於不同應力條件，這為研究和建立超聲波傳播與應力之間的關係和利用超聲波測應力的研究工作提供一種更為直接的方法。裝置結構簡單，實用方便，手動加壓裝置輕易加壓到5MPa就相當於500米海水深度，無需複雜繁瑣的操作和去同等引力深度的水中去測量。因此，本發明從理論到實際操作都是一種全新的思路和方法，理論上只要不但改進和較少操作誤差和提高讀數的精確性可以無線精確，同時操作簡單。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1.一種精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置，其特徵在於，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；兩個超聲波探頭分別通過數據傳輸線與示波器連接，其中一個超聲波探頭的數據傳輸線上連接有信號發生器。
2.根據權利要求1所述的精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置，其特徵在於，所述壓力腔為筒狀，所述加壓氣筒和壓力表設於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.根據權利要求2所述的精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置，其特徵在於，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，且該端設有閥門；所述壓縮筒的另一端設有端蓋，所述壓縮筒內設有旋轉活塞，所述活塞連接有T形手柄，所述T形手柄穿過所述端蓋並與所述端蓋螺紋嚙合。
4.根據權利要求3所述的精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置，其特徵在於，所述旋轉活塞與所述壓縮筒的內壁之間設有密封圈。
5.根據權利要求4所述的精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置，其特徵在於，所述端蓋與所述壓縮筒螺紋連接。
6.根據權利要求2所述的精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置，其特徵在於，所述超聲波探頭通過耦合劑連接在所述壓力腔的端部。
7.—種權利要求1至6任一項所述的精確測量不同應力條件下波的傳播速度的裝置實現精確測量超聲波在不同壓力下傳播規律的方法，其特徵在於，包括步驟首先，向所述壓力腔內注滿水，啟動信號發生器，信號發生器發出的正弦連續波信號分為兩個聲波信號，一個聲波信號通過壓力腔的兩端的超聲波探頭在壓力腔內的水中傳播後從示波器的「Y」插孔輸入；另一個聲波信號直接從示波器的「X」插孔輸入；然後，調節信號發生器電壓和頻率，使示波器上波形的效果達到最佳，並記錄下常壓下的示波器信息；之後，逐漸向所述壓力腔內加壓至設定值，再逐漸降壓至常壓，並記錄下不同壓力值的示波器信息；根據所得的示波器信息得出超聲波在不同壓力下傳播規律。
8.根據權利要求7所述的精確測量超聲波在不同壓力下傳播規律的方法，其特徵在於，向所述壓力腔內加壓的設定值為4. OMPa,每隔0. 4MPa進行一次測量。
全文摘要
本發明公開了一種精確測量不同應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；兩個超聲波探頭分別通過數據傳輸線與示波器連接，其中一個超聲波探頭的數據傳輸線上連接有信號發生器。可以通過向壓力腔內注滿水，並根據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律，採用連續波相位差原理將聲速的微小改變放大為相位的顯著變化，能精確測量不同應力條件下波的傳播速度。
文檔編號G01H5/00GK102175301SQ20111005540
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月8日 優先權日2011年3月8日
發明者左建平, 熊國軍 申請人:中國礦業大學(北京)