声速测量实验范文第1篇

关键词：超声多普勒效应；速度；误差

1 多普勒测速实验原理

根据多普勒效应原理，如果波源不动，观察者沿波源与观察者连线方向以速度v运动，则观察者接收到的波的频率与波源发射频率会产生频移f：

其中，u为空气中的声速。当观察者向波源运动时v取正值，反之v取负值。

本实验中，声源位置不动，将超声接收器固定在滑块上沿二者连线方向向声源运动，并测量f的值。实验所用超声波的频率f0由超声信号源给出。将式（1）写为

从而求得接收器的运动速度。将多普勒效应计算速度与光电门测得速度相比较，即可验证多普勒效应。

2 自组多普勒测速实验装置

图1所示实验装置是自组的超声多普勒效应实验装置[1]。本实验装置利用超声声速测定仪做为超声波源和接收器，将气垫导轨做为运动平台，使用数字信号示波器采集波形信号并叠加得到波拍，从而达到精确测量频移信号并测速的实验目的。

实验中，SVX-5信号源发出频率为40kHz左右的电信号，并由压电陶瓷换能器S1将其转换为超声信号，此信号由接收器S2接收并转换成电信号输回信号源，经过整流和放大处理后，信号源将发射信号和接收信号分别输入数字示波器的CH1和CH2通道，示波器屏幕上显示两个正弦波曲线，分别是信号源产生的初始频率f0及接收器的接收频率f。将两个信号叠加形成“拍”，拍频即两个信号的频率差f，利用式（2）求得滑块速度v。我们利用光电门被遮挡时输出电压发生变化这一特点，将光电门输出电压做为示波器的触发源，这样可以精确地获得滑块经过光电门时的拍频波形，同时数字毫秒计可以给出当时测量的滑块速度v'，比较v与v'的值，从而验证多普勒效应，并分析得到实验误差。

3 两种读数方法精度比较

在实验中，我们分别用两种读数方法来采集频率差f的数据：一种是测量单个波拍的频率，求出多普勒速度v，并与光电门测量速度v'相比较，求得误差E；第二种是测量多个波拍的频率f/n，并换算求得多普勒速度，与光电门速度比较求出误差。

我们分别用两种读数方法测量30组不同速度下的实验数据，并比较多普勒计算速度和光电门测量速度之间的误差，结果如图2所示。

图2中，横坐标为滑块的滑动速度，纵坐标为多普勒速度与光电门速度的误差。可以看到，使用测量单个波拍频率的方法（图中黑线方点所示），测得的多普勒速度与光电门速度的百分差E不随滑块速度变化而发生明显变化，即测量误差与滑块速度无明显相关。而采用测量多个波拍的频率f/n的方法（图中红线圆点所示），测得的百分差E随着滑块速度的改变发生明显变化：当滑块速度低于0.5m/s时，误差较大，甚至高于测量单个波拍频率方法的普遍误差；当速度高于0.5m/s时，相比于测量单个波拍频率的方法测量误差大幅减小。

分析得到，本自组实验误差主要产生于数字示波器光标读数过程。

（1）采用测量单个波包频率方法：每次测量时，都会调整示波器的时基，使示波器屏幕上显示约3个完整波包，移动光标测量每个波包的周期t则示波器会显示相应的f即频移量。所以此种测量方法的误差来源于实验者的读数误差，不随滑块的速度变化而变化。

（2）采用测量多个波包频率方法：为了便于读取多个波包的周期，每次测量会使示波器显示5个以上波包。在滑块速度较低时，波拍的频率f较小，对应示波器图像的时基较大，因此在移动光标测量多个波包周期时，会得到较大的时基误差。而在速度较大时，由于横轴时基变小，时基误差会大幅缩减。此时测量的主要误差变为实验者读数误差，而测量多个波包可以有效减小读数误差。因此在较高速度时，第二种测量方法可以获得比第一种测量方法更高的精度。

4 结论

进行超声多普勒效应测速实验时，我们应该根据滑块速度采用两种不同的测量方法进行数据读取：在滑块速度低于0.5m/s时，调整示波器时基使屏幕上显示3个左右完整的波包，测量单个波包的频率，计算多普勒速度；在速度高于0.5m/s时，应该采用测量多个波包频率的方法测量多普勒频移，计算多普勒速度。这样，可以有效提高实验的精度，收到更好的实验效果。

声速测量实验范文第2篇

关键词:超声回弹综合法；混凝土强度；影响因素；测距；角度

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：

随着混凝土的应用也越来越广泛，为了确定结构的安全性和耐久性是否满足要求，有必要对混凝土强度进行检测和鉴定、对其可靠性作出科学评价。超声回弹综合法由于设备简单、操作应用较方便而被研究较多，其技术较成熟，已成为目前应用最为广泛的一种混凝土强度检测方法。但是影响超声回弹综合法检测的因素也不少，不利于保证检测结果的准确性，因此，本文就结合试验，对超声回弹综合法检测混凝土强度的影响因素进行分析，为超声回弹综合法检测混凝土强度时提供一定的帮助。

1 原材料影响因素

1.1 实验材料

实验采用的原材料与目前江门地区普遍使用的材料基本相同，其来源为：

1)水泥—普通硅酸盐水泥： P.O42.5水泥。

2)粗集料—碎石，包括多种粒径范围。

3)细集料—中砂，细度模数2.4～2.6。

4)外加剂、掺合料：台山电厂一级粉煤灰、上海LEX-9H聚羟酸减水剂。

并根据不同强度等级的要求确定配合比，塌落度一般控制在160～220mm，混凝土强度富余系数不宜过大。

1.2 实验设备

分别采用乐陵市回弹仪，北京康科瑞工程检测技术有限公司生产的智能型非金属超声波检测分析仪；抗压强度实验使用新三思YAW4206电液伺服压力试验机，所有仪器实验之前均经计量检定。

1.3 实验内容

本次实验选用江门地区常用水泥、粗骨料根据最佳配合比制作同条件下混凝制作混凝土标准试块，强度等级有C15~C60三种，分别在7d、14d、28d、60d、90d、180d、360d进行超声、回弹测试，测试结束后对试块进行抗压强度试验。

1.4试验数据采集与原理

通过对实验试块内添加不同的骨料、不同品种水泥、外加剂，形成不同影响因素的测试组，同时根据测试结果，把新产生的数据与本地区某混凝土公司近年来建立的测强曲线（采用与统一曲线回归方程fcuc=avbRc相同的形式，地区曲线：fcuc=0.0721v0.5689R1.3828）所用的原始数据一起用Excel软件拟合回归出新的曲线方程和得出相对误差er和直线相关系数R，通过对比前后方程相对误差er和相关系数R的变化情况，分析各因素的影响情况。相对误差er反映回归值对于实测值的误差范围，衡量方程规律性的波动范围，其值越小，回归方程越趋于稳定和有效预测。相关系数R主要用于判断方程拟合的优劣程度，越趋于1，回归方程越有效。新数据的加入对能使er减小和R提高，则有利于提高回归方程的准确性，应考虑该因素的影响。反之，则可以忽略该因素的影响。

1.5原材料影响试验分析

表1 原材料影响数据分析表

从表1可以看出：

1)粗骨料方面，不同碎石品种对测强曲线各参数有相当显著的影响，这是由于骨料的声速比混凝土中其他组分的声速要高得多,而且它在混凝土中所占的比例高。混凝土的强度与粗骨料与砂浆间的界面粘结情况密切相关，但除非粗骨料与砂浆胶结不良或明显缺陷，对声速有明显降低，一般情况，界面的胶结情况的变化未能灵敏地在V、R上反映出来。因此,不能忽略粗骨料品种、用量和粒径对测强曲线的影响，特别是粒径超过4cm，使用综合法更应使用专用曲线或通过钻芯法修正结果。

2)数据显示水泥品种对测强曲线影响不大。不同品种水泥的密度和强度的是两个影响因素，但前者对混凝土强度影响较小，后者在28天以后，强度发展基本趋于一致，因此不同水泥品种在允许的范围内变化水泥用量对曲线的影响较小。但当水泥用量超出这个范围影响较大，需另制定测强曲线或修正。

3)材料因素中，细骨料用量在波动范围较小，掺合料和减水剂作用对混凝土前期强度影响较大，对于后期则趋于稳定，对测强曲线影响一般予以忽略。

2 设备频率实验分析

通过调整超声仪测试频率30kHz、54kHz、82kHz，对相同的一组立方试件上测试，测试后计算声速值，取30组立方体的声速平均值作为分析数据。

表2 不同频率测试结果

从表2可以看出：频率对声速测值有一定影响，频率越高所测试声速值越大。因此我们在曲线数据采集中和实际测强中，建议收集仪器设备的参数资料，统一使用相近的仪器和相同的测试频率，减少设备频率的影响。

3. 测距实验分析

通过现场测试，记录数据并计算得出声速值，然后求得相同强度等级和相同测距的声速平均值(见表3)。

图1 测距声速值图

表3声速测值平均值

从表3和图1可以看出：①随着测距的增加，其所测的声速值将出现递减，特别是测距在800mm以内时，声速值的递减趋势比较明显。②测距在800mm以上时，其声速值的递减趋势逐步趋于平缓。因曲线采集数据试块为150mm×150mm，工程实际中柱子截面尺寸约500～800mm，波速降低约5%～10%，我们在工程检测中应引起重视。

4.测试角度实验分析

一个换能器放在A位置，另一个换能器分别放在B、C、D位置进行平测、对测和角测，所测定的混凝土波速如表4所示。

表4 混凝土波速

通过表4数据，未考虑测距的不同对声速的影响，可得以下结论：

1)K=Vd/Vp=4450/4357=1.021(Vd为对测波速；Vp为平波速)。2)对测波速和角测波速接近。

3)平测法离散性大，标准差较对测法大。因曲线采集数据为对测法，因此工程检测中应优先采用对测和角测法，其次为平测，采用平测时考虑其对波速的影响,宜采用同一构件的K=Vd/Vp 对平测声速进行修正。当构件不具备对侧和平测的对比条件，应用回归方程法对平测声速进行修正。

3 结论

总之，影响超声综合回弹法检测混凝土强度的因素有很多，本文仅从四个方面主要的影响因素入手。在综合法实际工程检测中，首先仪器性能、测试技术、测试误差应满足规范要求，同时掌握配合比等基本资料，确认测强曲线的适用性。对已查明对测强影响因素的情况下，应当采用减少或抵消影响的因素。最后强度应用同条件养护试件或抽芯试件修正，以提高检测精度。因此，为了在施工现场准确、有效、快捷地使用超声综合回弹法，必须对影响因素作深入的了解，以保证检测精度，使其在检测混凝土质量中发挥应有的作用。

参考文献

声速测量实验范文第3篇

1.1试验研究平台

试验研究平台主要由一系列不同类型的、可以根据试验研究任务需要进行改装或挂载试验部件的现役飞机或导弹构成。该类平台长期使用，是空气动力学飞行试验研究的主力设备，主要建立于NASA阿姆斯特朗飞行研究中心。按空气动力学研究划分习惯（速度范围/用途），划分如下：(1)高超声速：“凤凰”导弹高超声速试验平台（PMHT）。NASA用海军“凤凰”空对空高超声速导弹改装的高超声速试验平台；桑迪亚国家实验室的战略靶弹系统（STARS）、ALVX-1火箭、猎户座探空火箭等。(2)跨、超声速：“大黄蜂”F/A-18(尾号853)、“鹰”F-15B（尾号836，见图1）战斗机，他们是NASA空气动力学飞行试验的主力设备，主要用于空气动力学、仪器仪表和推进系统等各种研究试验。(3)亚声速：NASA的“湾流”G-III(尾号804)、“捕食者”MQ-9（尾号870）、“空中国王”B-200（尾号N801NA）、“门特”T-34(尾号805)；德克萨斯州农业机械大学飞行试验室的O-2A飞机。(4)高空/长航时：NASA的“全球鹰”RQ-4（尾号872）、“龙小姐”ER-2飞机（尾号809）。高空/长航时飞机主要用于地球亚轨道（近空间）科学研究，航空方面用于动力学研究。(5)高升力/远程研究：NASA的DC-8（尾号817），被称为“机载科学实验室”。该机可用于高升力系统研究。(6)结冰研究：NASA格林研究中心的“双水獭”DHC-6飞机。飞机上有测量结冰云参数的多种探头、冰型记录用的摄像、照相系统，飞机背部有固定结冰试验部件的平台。

1.2概念技术验证平台

概念技术验证平台是航空航天飞行器新概念、新技术的实际飞行验证平台，它是全尺寸或大尺度、高仿真的验证研究机，其验证的新概念、新技术或获得的试验数据可直接应用于全尺寸飞机。概念技术验证平台不同于通用的飞行试验研究平台，它通常和某个飞行器计划或项目紧密联系，具有很强的新概念或新技术探索针对性和时效性。概念技术验证平台的飞行试验研究内容是综合性的，即：包含空气动力学，却不仅限于空气动力学。几个典型例子如下：(1)X-15高超声速飞机试验平台。这是一架有人驾驶的高超声速计划研究机，机身长约15m，翼展约6.7m，高4m。该飞机首次实现了马赫数6.7的有人驾驶高超声速飞行。(2)AD-1（AmesDryden-1）可回转斜置翼试验平台。这是一架小型、简易的亚声速喷气动力研究机，机身长约12m，翼展约10m。该机曾飞行验证NASA艾姆斯研究中心提出的0~60°回转斜置翼概念。(3)X-36无尾战斗机机敏性试验平台。美国NASA、波音研制的缩尺比28%的X-36无尾研究机，机身长5.6m，翼展3m，高0.9m，重量约500kg飞机采用标准战斗机头盔显示系统遥控飞行。(4)X-56A多用途技术研究验证平台（见图2）。由洛克希德.马丁公司为美国空军实验室制造的遥控无人试验机，长2.3m，翼展8.5m，重约200kg，主要用于研究细长、大展弦比、挠性机翼的主动颤振抑制、阵风载荷缓解和挠性结构飞控系统。(5)微型飞行器概念技术验证平台[1]。它主要有固定翼（刚性/柔性）、扑翼、旋翼和环翼四种形式，如美国的“黑寡妇”、“微星”、“Mesicoptor”、“iStar”等等都是微型飞行器概念技术探索研究的产物。

1.3模型自由飞平台

模型自由飞平台是一种小尺寸、自由灵活的低速遥控飞行实验研究平台，在科研院校采用较多。模型自由飞平台试验成本和风险相对较低，主要用于动力学建模、飞行控制设计或低雷诺数空气动力学研究，是一种空气动力学飞行试验研究的辅助平台。美国NASA将模型自由飞平台视为快速评估级（REC）平台。另外，在航天和武器弹头试验方面，发展有射弹自由飞平台。典型样例有：(1)飞行控制试验平台（FLiC）。NASA兰利中心发展的一个商业级、重量为2~5kg的小型无人飞行器，能够遥控自动驾驶、导航和记录飞行数据，该平台用于发展高风险的、创新的、甚至是有争议的飞行控制技术。(2)空中缩尺运输机试验平台（AirSTAR）[2]。该平台为兰利中心用于支撑NASA航空安全计划的平台，包括3种类型的模型：①按5.5%动力学相似缩尺的通用运输机模型，长2.4m，翼展2.1m，重量约23kg，以两个小涡轮发动机为动力；②价格便宜的非定制单涡轮动力运输机模型，模型尺寸、重量与动力相似模型接近；③非定制小螺旋桨模型。(3)射弹自由飞试验平台（炮）[3]。美国陆军研究室（ARL）自20世纪60年代起，建造了178mm炮，采用射弹自由飞技术开展高空研究项目（HARP）。该平台至今仍在使用，试验模型最大直径171mm，马赫数可达4。

2飞行试验支持平台和测试技术

空气动力学飞行试验除真实大气环境中的上述飞行平台外，还需要发展地面/空中辅助试验设备和测试技术，才能确保飞行试验安全并获得所需的试验结果。

2.1主要地面支持平台

(1)研究机集成设备（RAIF）。研究机集成设备（RAIF）[4]是NASA阿姆斯特朗飞行研究中心飞机飞行研究的地面准备、测试和飞行模拟的综合设施。飞行研究飞机的飞控系统、航电系统和其他各种试验系统在此集成组装，并进行飞行前的最终检查和模拟确认。在RAIF内，除不能进行发动机试车外，研究机的所有飞行功能都能采用真实飞机进行飞行状态模拟。(2)微型飞行器试验间。2010年，美国空军研究实验室建成微型飞行器大型试验间并投入使用。实验室主要设备是一套可视运动捕获系统。该系统由60台实时采集飞行器数据的照相机组成，可捕获的试验飞行器尺寸约39~59cm。俄克拉荷马州立大学也建设了类似的微型飞行器试验间。

2.2空中支持平台

空中支持平台主要是伴飞飞机，由不同飞行速度的多种飞机组成。如：超声速飞机有双座F-15D和F-18；亚声速有“超级空中国王”；低速有双座T-34C等。伴飞飞机在试验中主要完成为试验飞机照相、录像工作，实时目视监视试验飞机状态，并与试飞员和地面保持沟通，传输飞行试验视频供地面工程师分析，并起到护卫作用，增强飞行试验的安全性。

2.3飞行测试技术

根据空气动力试验需要，试验研究平台可以进行大幅度改装，例如机头、机身、机翼等可以局部改装换成全尺寸真实试验件。F-15B跨超声速飞行试验平台有3种试验件固定挂载方式[5]：先进飞行试验固定架（AFTF）、推进飞行试验固定架（PFTF）和中心线装有仪器的挂架（CLIP）。飞行测量设备主要有4类：⑴飞行/试验所需的基本大气环境测量设备，如：静压、动压、流向角测量探头，结冰试验的结冰云参数测量探头等；⑵试验件试验参数测量设备，如压力传感器、热膜、结构加速度计、应变计等；⑶试验流动显示测量设备，如：烟流、红外照相机、纹影仪等；⑷飞行录像设备。

3典型空气动力学飞行试验研究案例

3.1试验研究平台

(1)大迎角气动特性研究机敏性是现代战斗机重要战术指标，自20世纪80年代至90年代，NASA持续致力于大迎角技术计划（HATP）研究，以便探索大迎角高机动战斗机的控制新概念、设计准则、增进了解和改进预测技术。在该计划中，F-18被用作飞行试验平台，开展了大迎角空气动力学（前体边条、前体涡诱导的垂尾抖振）和推力矢量等飞行试验研究。前体边条飞行试验研究[6]中对F-18机头进行了改装，增加了边条，绕机头多个剖面布置了测压孔，增加了烟流显示装置。试验测量了非对称边条展开角对偏航力矩系数的影响；测量了边条对前体压力系数的影响；进行了烟流流动显示研究。(2)推力矢量飞行试验推力矢量飞行试验研究中对F-18尾部进行了改装，安装了多轴推力矢量控制系统，主要由喷管外部的六个叶片和专用的研究飞控系统组成。飞行试验测量了稳定性和控制导数，研究拓展飞行包线，验证70°大迎角飞行稳定性和60°大迎角高速率滚转机动等。(3)边界层转捩研究边界层转捩是空气动力学研究的一个重要问题。美国基础航空计划（FAP）中的超声速项目（SP）和高超声速项目（HP）都有边界层转捩研究专项。在高超声速方面，美国空军实验室和澳大利亚联合开展了高超声速国际飞行研究试验；NASA开展了高超声速边界层转捩飞行试验；在跨超声速方面，“湾流”G-III亚声速飞行平台通过对机翼局部翼段改装，开展了离散粗糙元层流套亚声速飞行试验，验证层流控制方法；F-15B超声速飞行平台开展了超声速边界层转捩飞行试验研究[7]；在亚声速方面，德克萨斯州农业机械大学飞行实验室和美国空军研究实验室用O-2A飞行试验平台挂载后掠翼试验件开展亚声速层流控制研究。(4)超声速声暴抑制飞行试验研究[8]声暴是制约民用超声速飞机发展的重要因素之一。美国联邦航空规章（FAR91.817a）禁止民用飞机超声速飞行，鉴于未来民用超声速飞机的市场需求，“湾流”飞机公司和NASA联合开展了“安静长钉”声暴抑制技术的研究，采用F-15B超声速飞行试验平台，机头加装可收缩“安静长钉”，进行了马赫数1.4~1.8的飞行试验，测量了近场声压，验证了声暴抑制/预测理论。

3.2概念技术验证平台

2003年，美国空军和美国国防预研局（DARPA）启动了“猎鹰”计划，发展了一系列高超声速技术验证飞行器。HTV-1是一个集成了已有最先进高超声速材料和技术制造的无动力、可机动、高超声速再入飞行器，利用它验证了飞行器的空气动力学、气动热和热结构性能以及先进的碳-碳加工方法；HTV-2吸收了HTV-1的成果，进一步验证先进的空气动力布局和热防护系统、先进的制导、导航和控制系统等；HTV-3验证集成双涡轮冲压SERN喷管、再生制冷双模态冲压、涡轮喷气、喷管构型。在空气动力方面，验证集成内弯涡轮冲压进气道的乘波气动构型，以及低的跨声速阻力、高的高超声速升阻比气动设计技术。

3.3模型自由飞平台

(1)机翼流动控制研究美国亚利桑那大学开展了低雷诺数下的主动流动控制技术研究[9]。在风洞试验和数值计算取得成果的基础上，利用模型自由飞飞机进行了技术验证，在机翼上加装了NACA643-618研究翼型的翼段，安装了用于主动流动控制的零净质量通量（ZNMF）作动器。在飞行条件下，测量了表面压力，并与风洞试验研究结果进行了分析对比。(2)火星科学实验室（MSL）飞行动力学研究美国陆军研究室与NASA合作利用发展的射弹自由飞技术开展航天自由飞试验研究。该技术将缩尺模型包裹在弹托内，模型内安装有各种惯性、电磁和压力传感器测量并记录数据，弹托由大口径（内径178mm）高能炮（M256）射出后，弹托在飞行中分离并抛出试验模型进行飞行试验。陆军研究室利用此技术开展了阿波罗返回舱、乘员探索飞行器（CEV）、火星科学实验室等航天器的模型自由飞试验，模型最大直径171mm，Ma=2~4，研究了气动力、飞行姿态等。

4结束语

声速测量实验范文第4篇

1.1基本原理

超声回弹综合法是利用声速和回弹这两个物理量来推定混凝土强度。声速主要反映材料的密实度，而密实度与材料强度有关。回弹值则反映了材料的表面硬度，而硬度也与强度有关，因此能确切地反映混凝土表面(深3cm左右)的状态。测得两个指标后，利用已建立起来的测强公式推算该测区混凝土强度。

1.2测试方法及注意事项

1.2.1测试方法选择根据构件的几何形状、所处环境、尺寸大小以及所能提供的测试表面等条件，选用不同的超声测试方法：

（1）对测法。当混凝土被测部位能提供一对相互平行的测试表面时，可采用对测法检测。例如检测一般混凝土柱、梁等构件；

（2）角测法。当混凝土被测部位只能提供两个相邻表面时，虽然无法进行对测，但可以采用丁角方法检测。例如检测旁边存在障碍物的混凝土柱子；

（3）平测法。当混凝土被测部位只能提供一个测试表面时，可采用平测法检测。

1.2.2超声平测法测区布置及测试注意事项

（1）应在构件上均匀布置测区，每个构件上测区数不应少于10个；

（2）为了避开钢筋的影响，布置平测超声测点时，应使发射（F）和接收（S）换能器的连线与测点附近钢筋轴线保持一定夹角，一般控制在40°～50°，对预应力混凝土梁体，还应完全避开预应力孔道的位置；

（3）平测时测距宜保持在200～500mm；

（4）宜采用在每测区画方格网的方法控制测距，且最好给两换能器配备合适的定位设施，以避免测距的误差导致最终结果不准，尤其是在测量求平测声速修正系数相关的一系列声时值时。

1.3数据的处理分析

1.3.1混凝土声速计算与修正平测时某测点的声速应按式（1）计算，精确至0.01km/s。vi=li/(ti-t0)（1）式中:vi———第i点平测声速值（km/s）;li———第i点F、S换能器中心之间的距离（mm）;ti———第i点声时读数；t0———声时初读数（sμ）。平测修正后的混凝土中声速代表值应按式（2）计算，精确至0.01km/sva=(λ∑vi)/n（2）式中:va———为平测修正后的平测时混凝土中声速代表值（km/s）；∑vi——为该测区各测点的平测声速值之和（km/s）；n———为该测区的测点数量；λ———为平测声速修正系数。测试面修正后的混凝土中声速代表值应按式（3）计算，精确至0.01km/s。v=βva（3）式中:v———修正后的平测时混凝土中声速代表值（km/s）；β———超声测试面的声速修正系数，顶面平测为1.05，底面平测为0.95，测面1.0。在进行超声波平测时，测区混凝土声速的确定要根据所测构件测试面的实际情况求出修正系数λ，先对平测声速进行适当修正后，再进行混凝土强度计算，不能盲目套用某种修正方法或某一修正系数，否则会引起较大误差。实际工程检测中，如有条件在同一测试部位做平测和对测比较，可求出实际修正系数，按实测修正系数λ对平测声速进行修正。当无条件做对比测试时，可选取有代表性的部位，依次改变发射和接收换能器之间的距离（如200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200mm）进行平测,逐点读取相应声时值，然后以测距li与对应声时ti求回归方程l=a+bt,其中回归系数b相当于对测时的混凝土声速Vd，然后以Vd与各测点声速的平均值Vm进行比较，求出该状态下的平测声速修正系数λ。

1.3.2混凝土强度换算测区混凝土强度的换算应优先采用地区测强曲线，若无地区测强曲线，可采用全国统一测区混凝土强度换算表换算。

1.3.3混凝土强度推定构件测区数少于10个时，按式（4）计算。fcu.e=fcuc.min（4）式中：fcuc.min———构件最小的测区混凝土抗压强度换算值（MPa）；fcu.e———构件的混凝土抗压强度推定值（MPa）。构件测区数不小于10个或按批量检测时，按式（5）计算。fcu.e=mfcuc-1.645sfcuc（5）式中：mfcuc———构件测区混凝土抗压强度换算值的平均值（MPa）；sfccu———构件测区混凝土抗压强度换算值的标准差（MPa）。出现下述三种情况时，构件不能按批推定强度，应全部按单个构件检测推定强度。

（1）该批构件混凝土强度平均值小于25.0MPa，标准差sfccu＞4.50MPa；

（2）该批构件混凝土强度平均值在25.0～50.0Ma，标准差sfccu＞5.50MPa；

（3）该批构件混凝土强度平均值大于50.0MPa，标准差sfccu＞6.50MPa。

1.4超声回弹综合法的特点

与单一回弹法相比，综合法测试精度高、适用范围广、能够较全面地反映结构混凝土的实际质量等优点。平测法只能反映浅层混凝土的质量，对于厚度较大的板式结构（如混凝土承台、筏板等）不宜用平测法，可沿结构表面每间隔一定距离钻一个φ40～φ50mm的超声测试孔，用径向振动式换能器进行声速测量。影响超声波声速的因素很多，如混凝土的砂率、混凝土的坍落度、石料比重、测距、温度等。为了提高综合法所测结果的准确性，不同地区宜根据当地的实际情况，试验研究得出该地区的各种声速影响因素的程度，从而在推定混凝土强度之前对声速进行修正，以提高最终结果的准确性。

2钻芯法

2.1基本原理

钻芯法是利用专用钻芯机从被检测的结构或构件上直接钻取圆柱型的混凝土芯样，并根据芯样的抗压试验强度来推定混凝土的抗压强度，是较为直观可靠的检测混凝土强度或观察混凝土内部质量的局部半破损现场检测方法。相对于非破损法和其他半破损法而言，钻芯法由于具有不受混凝土龄期限值、测试结果误差范围小、直观、能真实地反映混凝土强度等诸多优点，在实际工程中得到广泛的应用。但是，钻芯会造成结构或构件的局部破坏,因此其测点的数量受到严格的限制,不可在构件上普遍使用。

2.2钻芯位置

芯样应在结构或构件的下列部位钻取：结构或构件受力较小的部位；混凝土强度质量具有代表性的部位；便于钻芯机安放与操作的部位；避开主筋、预埋件和管线的位置，并尽量避开其它钢筋；用钻芯法和其他方法综合测定强度时，钻芯部位应有该方法的测区或在其测区附近。固定钻机钻取芯样,取出芯样进行编号,并记录被取芯样的构件名称、位置和方向。结构物的芯样钻取后所留下孔洞应及时进行修补,以保证其正常工作。

2.3芯样试件处理

芯样应为公称直径100mm、高径比为1:1的混凝土圆柱体试件。芯样试件内不应含有钢筋。如不能满足此项要求，每个试件内最多只允许含有二根直径小于10mm的钢筋，且钢筋应与芯样轴线基本垂直并不得露出端面。小直径芯样不得带有钢筋。芯样外观尺寸对强度的影响主要取决于端面的平整度、平行度和垂直度。锯切后的芯样，当不能满足平整度及垂直度要求时，应进行端面补平加工,补平层与芯样层要结合牢固,以使受压时的补平层与芯样的结合面不提前破坏。芯样试件一般应在自然干燥的状态下进行试验。当结构工作条件比较潮湿，需要确定潮湿状态下混凝土的强度时，芯样试件宜在20℃±5℃的清水中浸泡40～48h，从水中取出后立即进行试验。

2.4芯样试件的试验和抗压强度值的计算

芯样试件进行抗压试验时，应按现行国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》GB/T50081中对立方体试块抗压试验方法进行。芯样试件的混凝土抗压强度可按式（6）计算：fcu,cor＝Fc/A（6）式中：fcu,cor———芯样试件的混凝土抗压强度值（MPa）；Fc———芯样试件的抗压试验测得的最大压力（N）；A———芯样试件抗压截面面积（mm2）。检测批混凝土强度推定区间的确定方法：由于抽样检测必然存在着抽样不确定性，给出确定的推定值必然与检测批混凝土强度值的真值存在偏差，因此给出一个推定区间更为合理。推定区间是对检测批混凝土强度真值的估计区间。钻芯确定单个构件的混凝土强度推定值时，有效芯样试件的数量不应少于3个；对于较小构件，有效芯样试件的数量不得少于2个。单个构件的混凝土强度推定值不再进行数据的舍弃，而应按有效芯样试件混凝土抗压强度值中的最小值确定。

2.5钻芯法的特点

钻芯法直接从结构或构件上钻芯样，根据芯样试压强度推定结构混凝土立方体抗压强度，不受混凝土龄期和碳化深度影响，直观、可靠、精度高。但是，钻芯及芯样加工需要专用的配套设备和较长时间，且对鉴定结构有局部损伤，需要修补，且成本较高。

3工程实例

某市新建乡道桥梁工程，设计采用混凝土墙式护栏，设计强度C30。在施工质量控制过程中，发现有17座桥梁的墙式护栏的标准立方体试件标准养护28d抗压强度不合格。受建设单位委托，对这17座中小桥梁的混凝土墙式护栏进行了混凝土强度专项检测。考虑到单一检测方法的局限性，采用了回弹法、超声回弹综合法、钻芯法三种方法进行了检测。全部17个混凝土构件均采用回弹法测强，其中5个构件的标准立方体试块及回弹法检测结果都显示强度误差较大的，又进行了钻芯法检测，另外12个构件除了回弹法检测外，还采用了超声回弹综合法检测。使用仪器有：回弹仪、混凝土碳化深度测量仪、NM-4A非金属超声波检测仪、多功能混凝土钻孔取芯机、切割机、液压万能试验机、钢直尺、游标卡尺等。从实验结果可以看出，各种检测而方法所得的混凝土强度都有一定差异。回弹法与超声回弹综合法测得的混凝土强度值离散性较大。超声回弹综合法较回弹法测得的混凝土强度值较略高。根据施工记录，五个采用钻芯法的构件为冬季气温较低时施工，且现场保温措施不当。对该五个构件采用回弹法所测得的强度值相对较低，采用钻芯法测得的强度值均较回弹法的测值略高。钻芯法能较为接近的反映混凝土的实际强度状况；回弹法对表面有一定劣化的混凝土构件，所测的强度值偏低，不能准确反映构件内部混凝土的实际情况；钻芯法可以作为回弹法的良好补充。由于混凝土湿度和龄期对测得的声速值和回弹值均有较大影响，当混凝土龄期较长时，声速值偏低而回弹值偏高。试验表明采用超声回弹综合法来推算混凝土强度时，可以互相弥补不足，能较全面地反映混凝土的质量情况，相互抵消影响因素的干扰。因此，测试精度高，可靠性大，适用范围广，尤其对已失去混凝土原始资料的长龄期构件。

4体会

声速测量实验范文第5篇

关键词：管道；超声波检测；单相流体；多相流体

中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）12-0086-02

1 管道探测实验背景

随着工业生产规模的扩大，在工业生产过程中对于管道运输技术的使用也更为依赖，同时也对管道的质量提出了更高的要求，对于管道内物体的状态分析也成为了一个难题。当前，常规的管道内检测方法有漏磁检测、涡流检测、超声波检测等，其中漏磁检测的应用最为广泛和成熟，但漏磁检测只适用于材料表面和近表面的检测，且抗干扰能力差、空间分辨力低，因此，被测管壁不能太厚。涡流检测由于自身特点在应用中尚存在一些技术难题，例如深透性变化会产生类似金属缺损的信号，掩盖真正的信号。

相对于其他技术而言，超声波检测技术[1]是依靠物体本身的物理性质的一种检测技术，受工作环境影响小，可以在不影响管道运行的情况下进行管道内检测，而且超声波技术的检测精度高，检测速度快，可以通过不同的特殊配置从而适用于不同管径和复杂环境的管道，已经成为近年来管道内检测领域的研究热点。

2 管道测量方法综述

2.1 单相固态测量

（1）直接物位观察法：由容器上的透明窗口直接观察物料，或用连通器原理直接观察液体的物位，方法简单、准确、可靠，但需要现场指示，而且通过肉眼人为观测，存在较大的误差，也降低了工业生产的效率。（2）静压式物位检测法：当被测介质密度不变时，静止介质内某一点的静压力与此点上得介质高度成正比，则可通过测量压力计算获取物位信息。（3）电气式物位检测法：物体运输过程中，对应的电磁场也会发生改变，从而可以将物位的变化转化为电量参数的变化来计算物位信息。（4）机械接触式物位检测法：通过与被检测物体的直接接触，获取物体的质量等信息，主要有重锤式、音叉式和旋翼式音叉式等。（5）其他检测法：声波式，光学式，辐射式等测量方法主要通过被测物体的声波，光波，热量反射测算物位信息。

2.2 单相液态测量[2]

（1）浮力式液位检测：利用漂浮于液面上的浮标来对液体物位进行检测。（2）电气式液位检测法：液体流动过程中，对应的电磁场也会发生改变，从而可以将流场的变化转化为电量参数的变化砑扑阋何恍畔。

2.3 多相测量

（1）声波式：即利用超声波为代表的声波进行测量，通过使用声波的传播和反射特性进行计算和重建多相相位和相面信息。（2）光学式和辐射式：利用红外等方式进行测量，通过电磁波波长等特性进行测量。

3 超声波测量原理

3.1 超声波基础信息采集

3.1.1 穿透式

顾名思义，穿透式信息采集方式是指将超声波收发装置分离并置于待测物质两侧或其它利于采集数据的位置。收集穿透待测物质的超声波作为信息源进行分析。

由于超声波有一定的穿透能力，采用穿透式正是因为如此，并且因此穿透式更适用于超声波衰减较小的、误差可以接受的物质测量上。

该方式的使用比较甚至可以说是相当灵活，利于组成阵列，更适合搜集多样的数据。但在发射装置的强度和接收装置的灵敏度上也有较高要求，并且对于待测物质也有一定的限制。

从经济角度来看，该方式也会使用较多的超声波检测器或收发装置，另外，这种装置的价格也都较为昂贵，尽管使用方式多样，技巧性高，但是也会造成实验装置不够精巧、体积笨重。相较而言，实验平台也较难搭建，各个装置的位置和固定精度要求都较高，对实验的准备工作、信息采集和实际应用来说有一定的困难和限制。

3.1.2 反射式

同样的，顾名思义，反射式的信息采集方式是指在同一处或者同一侧发射并接收信息。收集从介质表面反射回的超生波信号来作为信息源进行分析和检测计算。

由于超声波在接触介面是不仅有一部分穿透，还有相当一部分声波被反射，采集这部份声波进行实验对待测物质的要求和收发装置的强度以及灵敏度要求相比于穿透式而言要降低许多。

但是相应的，由于收发信号的装置在同一处或同一侧，试验装置或应用中对于探测器位置和算法的要求会相应提高。也就是说探测器的灵活性降低，所能测得的数据广度也会相应降低，在理论上需要更多的计算和研究。

3.2 精度调整及环境补偿

3.2.1 超声波速度调整

由于环境对超声波波速有影响，为了提高测距的精度，通常用补偿算法来计算声速在不同环境下的数值。可以从硬件和软件两个方面着手来实现测量精度的提高。

硬件：可以加入电路来进行环境温度检测。

软件：通过优化程序来准确获取渡越时间。影响波速的因素有大气压力、环境的温度、湿度等。温度影响占主导地位，这是因为超声波是一种机械波，传播速度的直接影响因素是传播介质密度，且介质的密度越大，声波速度越快，而空气密度和温度有密切关系。

空气中超声波速度与环境温度之间的关系可用以下公式确定：

我们提出以下方法对超声波声速进行温度补偿：采用温度采集模块获取环境温度，按照公式对超声波声速进行补偿计算。

3.2.2 超声波路程调整

超声波与光波相同，都是以波的形式在介质中传播，所以，在多相流体中，由于存在声密介质和声疏介质这两种不同的介质，超声波会在两种介质的界面发生折射，从而导致超声波的传播路径发生改变，影响最终的结果。由于超声波检测技术是对管道内多相流体各相的位置进行测量，所以在测量时，相界面的位置无法得知，所以也无法确定对应的折射角和由于折射增加的声波路程。这个问题对于目前的检测而言是一个难题。

4 多相流体实验模拟

根上述方法和原理，我们拟采用Matlab编程进行实验，模拟生产过程中石油工业，输油管道内多相流体探测[4]，验证超声波重建成像的可行性。

4.1 实验设备及说明

实验器材：

电脑1台，用于运行建模程序，显示成像结果；

51单片机1套，用于接收基础信号；

超声T/R模块多组，用于发射、接收超声信号；

橡皮泥0.5kg，用于模拟介质1；

凝胶（其他固体）一瓶，用于模拟介质2。

注：超声波T/R组件外形尺寸参数：

半径Φ=16mm，高H=10mm

4.2 实验基本原理与假设

（1）当收发组件的相对位置确定之后，收发元件之间的距离固定。（2）假设单一介质中，声波的速度分布是一致的。（3）假设根据流体的流动特性，两相之间的分界面完全垂直于管截面。（4）假设超声波定向性近似于一条直线。（5）若管内流动的是一相流体，在1至8的发射组件一次开启组成的周期内，发收时间应该满足一定的数学关系。（6）如果存在两相界面，那么速度场会产生变化，依据速度场的差异可重建管内流体图像。（7）图像重建的核心在于判断分界面的位置，根据速度分布确定两相流体分界面的位置。

4.3 实验步骤

使用MATLAB软件编程，设置圆形管道，让4组传感器在其上均匀分布。自由设定管道直径，液面高度，传感器位置，两种介质中的声波的传播速度。通过调节参数获得相应实验数据，求得液面高度。模拟圆形管道图如图1所示。

4.4 实验结果

（1）不同液面高度实验数据。如表1所示。

（2）不同管道半径实验数据。如表2所示。

在上述实验所得的数据中，我们可以看出，在大部分情况下，实际液面高度与计算液面高度都可以较好的匹配，所以我们可以证明，通过多组传感器测量时间数据从而计算两相界面的方法是较为科学，准确的。

5 结语

通过对于国内外许多论文文献的学习，我们对于目前用于工业生产中的各种检测技术有了更深的了解，并且将这些技术与超声波检测技术进行对比，认识到超声波在检测技术上的诸多优势以及应用于大规模工业生产的可能性。同时我们也对超声波的检测原理进行了学习和模拟实验，拥有了这些理论，我们才能设计出科学而合理的方法进行管道内物质状态的探究，虽然目前存在着许多的问题，但需要我们不断去尝试更好的方法才能得以解决。

参考文献

[1]刘时亮.超声波固态物料料位检测系统设计[D].合肥：合肥工业大学，2011.

[2]王玉磊.利用超声波技术对管道液体的无损检测[D].2011.