1、摘 要本文对超声在固体中的传播特性进行了实验研究，引入显示声波在固体与液体中传播过程的新方法，实现了非透明固体中声传播过程的实验观测。实验记录了声波在铝板和有机玻璃板中的传播过程，直观地呈现了声波在含有障碍物以及存在外加应力时的传播特征。在固体中传播的声波遇到障碍物时将会发生反射与透射，形成直达波与反射波叠加的声场。由测量的声场分布图可以比较有效地区分出直达波与反射波。对施加一维应力作用后声波在铝板中的传播特征进行了实验观测，发现波阵面有一定的变形，沿应力方向波阵面发生畸变，曲率变小（传播速度随着应力的增大而增大所引起） 。由液-固边界波形图和声场分布图出发,利用几何计算方法可以对声波在固体中
2、的传播速度进行计算。利用 STC 方法对液-固边界波形进行处理，可得到相对精确的声速值。井间地震技术这种勘探方法记录的数据中常常含有很强的管波，这些管波叠加在反射信号上，严重影响了有效信号的提取，因此，本文对井间地震管波的传播机制进行了实验研究，为能在纪录数据之前削弱管波提供理论依据。目 录第一章 绪论.11.1 引言 11.2 本文的主要工作 2第二章 固体中声波基础理论及相关计算.42.1 无限大固体中声波传播的基本方程 42.2 面波深度的计算 52.3 换能器背衬的原理及设计 .10第三章 超声在固体和液体中传播过程的显示方法183.1 常用的声波显示方法概述 .183.2 声波在固体
3、和液体中传播过程的显示方法 .183.3 不同声波模型的实验观测 .21第四章 固体和液体中的声场及其分析254.1 横波速度测量 .254.2 声波通过圆柱孔时散射声场的实验研究 .294.3 应力作用下声场的实验观测 .34第五章 井间地震管波的实验观测385.1 引言 .385.2 井间地震管波的实验观测 .385.3 井间地震管波的传播机制 .435.4 井间地震管波的削弱 .445.5 小结 .48第六章 结论49参考文献51发表论文和参加科研情况说明55致 谢56第一章 绪论不同介质构成的固-固界面传播【18】时，实验记录到两组波脉冲快波组和慢波组，其中快波组包括快速层中的纵波脉冲
4、及其产生的三种头波，慢波组包括慢速层中的纵波脉冲及其产生的两种头波。诸国桢先生也用动态光弹法对声波在流体饱和多孔介质及其与流体、固体介质界面的反射与折射【19】进行了实验观察。用阴影法【20】记录了低频超声脉冲受埋在沙中圆柱体、类圆柱体散射的散射波【21】，记录到纵波爬波和横波爬波。上述研究工作都是采用光学玻璃这种透明介质作为实验对象，认为均匀的和各向同性的非透明固体中的声传播过程与光学玻璃中的传播过程是类同的，对于一般的金属或非金属等非透明固体材料中的声传播过程则无法通过实验进行观测。为了能够通过实验直接观测到非透明固体中的声传播过程，本文引入一种显示声波在固体或液体中传播过程的新方法。另外
5、，井间地震技术作为油气田勘探开发领域的一项新技术已越来越受到人们的重视。井间地震是井间地震学的重要组成部分【22】，它是一种在一口井中激发，在另外一口或多口井中接收的地震勘探方法，该方法具有能量传播距离短，接近探测目标，避开低速地层等特点，能够采集到高频率与高信噪比的数据。20 世纪 70 年代初油气勘探开发领域引入了井间地震技术，1972 年，美国地球物理杂志首次报道了井间地震技术在油田的试验情况，试验所用设备简单，成像效果不好，没有引起广泛的关注。20 世纪 80 年代初井间地震技术发展到模型实验、方法研究和野外采集试验阶段。随着层析成像技术成功引入，大大提高了井间地震成像的质量。由此形成
6、了井间地震研究的热潮，研制开发了多种类型的设备，如功率可控震源、高效压电震源、多级三分量检波器串等，在处理方法技术上井间地震层析成像和反射成像等都取得长足进步。国内也开始了理论研究和数值模拟等工作。90 年代开始，井间地震技术进入初步的工业应用阶段。国内在这一阶段开展了许多工作，在设备研发、数值模拟、野外数据采集、层析成像等多方面进行了探索，取得了一定发展【23】。1995 年 Rector 预言井间地震技术的未来是光明的，没有哪一项技术能够像井间地震一样，可以获得有关目标层位的如此高分辨率、高精度的图像【24】。1997 年 Williams 等人指出，要描述远离钻井的储层特征，井间地震数据
7、是唯一空间连续且具有特高分辨率的方法【25】。井间地震技术具有良好的前景，但是在井间地震资料中常含有管波，因此本文为了削弱管波对井间地震管波的传播机制进行了实验观测。1.2 本文的主要工作2 第一章 绪论本文通过阅读大量国内外文献了解了超声在固体中传播的现状。本文首先从超声在固体中传播的基础理论出发，对面波深度与换能器背衬参数进行了数值计算。理论上研究了面波深度与声源频率、介质密度等参数的关系及声波透射系数与换能器背衬参数之间的关系。引入一种显示声波在固体或液体中传播过程的新方法，利用该方法对有机玻璃板和铝板中声波的传播过程进行了实验观测，实现了非透明固体中声波的实验观测。利用实验记录的边界波
8、形图和不同时刻的声场分布图，用几何方法与 STC 方法对固体中横波的传播速度进行了测量。同时，对铝板中声波遇到圆柱孔和存在一维应力作用时的声传播过程进行了实验观测。另外，井间地震技术是一种新型物探方法，广泛应用于水文工程无损检测、市政工程基低地质调查、矿产资源勘探等领域。但是，在井间地震记录中常常含很强的管波，影响有效信号的提取，为此本文对管波的传播机制进行了实验研究。3 体中声波基础理论及相关计算第二章 固体中声波基础理论及相关计算2.1 无限大固体中声波传播的基本方程【26-28】在各向同性弹性固体中，应力向量 T 与应变向量 S 之间遵从下列方程式：T = SI+2S(2-1)式中， 是
9、拉梅系数， 是刚性模量，I 是并向量恒等运算符。应变向量与粒子的位移矢量满足下列关系：()21S = u+u(2-2)在固体中满足这些关系的波动方程可表示为：( )( )2(23)22=+ uutu式中， 表示固体的密度。利用亥姆霍兹（Helmholtz）定理即任何矢量 u 都可以分解为两部分：u= +(2-4)式中 =0， 是个标量， 是个矢量。( )u =uu2利用公式 可将波动方程(2-3)式分解为下面两个独立的波动方程：(25)12222=ctc(26)12222=cts式中，(2-7)式(2-5)、 (2-6)即为标准的波动方程， 和 是两种波的声速， 。由此可知：在无限大介质中有两
10、种声波以各自独立的速度传播，一种是纵波，传播速度为 ，一种是横波，传播速度为 ；纵波的传播速度快，横波的传播速度慢，声速 和 只与介质的参数有关，不依赖于声波的频率。对于平面波，由ccsccsc cccscccsc 标志的波通常称为纵波，由 标志的波通常称为横波，后面我们所要讨论的声波即为平面波。22 +cc=(2-8)2=sc4 第一章 绪论1.1 引言超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播的特点。因此，超声波的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，因此，超声波检测广泛应用在工业
11、、国防、生物医学等方面，在工业方面超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。无论是探伤还是测厚，我们都必须首先了解超声波在固体中的传播特征,为此科学家们作了大量的研究。在 20 世纪 40 年代后期，Mason 等人对超声脉冲在固体中的传播与衰减进行了实验研究。1947 年，Mason 和 McSkimin 实验测量了高频声波在金属（铝）和玻璃中的散射与衰减【1】。1948 年，Roth报道了一个利用脉冲技术测量超声波辐射的吸收和速度，声波频率范围从 5到 100 MHz【2】。同年，Mason 和 McSkimin 报道了金属中由于散射和漫射导致的声能量的损失【3】。1954 年，
12、应崇福与 Rohn Truell 对超声波在真空锻炼和内部氧化的稀释铜合金单晶中的衰减【4】。1956 年应崇福与 Rohn Truell 首次对无限大各向同性的弹性固体中遇到球形障碍物的散射进行了理论计算【5】，标志着固体中超声波散射研究的开始，计算给出了散射波的表达式和总的散射能量。1977 年 Hall 将用于显示固体中应力波传播的光弹法推广用来显示透明固体中的超声波【6】。1982 年 Tittmann 和 Cohen 利用脉冲平面波入射对钛合金中球形空腔的散射进行了测试【7】，发现空腔除了散射纵波外还有散射横波，这表现了固体中声波传播的主要规律之一。20 世纪 80 年代开始，应崇福
13、等人对固体中超声的散射问题作了大量的实验与理论研究，同时引用和发展了动态光弹法【8】显示超声的技术，对透明固体内的超声传播过程进行了实验观测【9-17】。先后对圆柱形孔、带状裂缝及固体尖角等类型的散射体进行了理论计算和实验观测，不论采用纵波平面波入射还是横波平面波入射，声脉冲碰到圆柱孔时都观测到爬波。其速度小于体波速度，横波激发的爬波比纵波激发的爬波衰减慢。声脉冲在带状裂缝的散射是声波在裂缝平直部分的散射和两个棱边反复散射的叠加。另外，还对兰姆波的形成、传播、散射过程及声波在固体直角棱边的散射进行了实验观测。诸国桢先生也对固体中的声波传播进行了大量的研究。超声脉冲沿两种1 体中声波基础理论及相
14、关计算由 u = + 可知：xyzuyzx+=（2-9）yzxuxzy+=（2-10）zxyuxyz+=（2-11）=0y对于二维问题，选择（x, z）平面直角坐标系，因此 。利用胡克定律可知应力与位移之间的关系为：zuzuxuxzzz+ = ( )2（2-12）(x zzxu uz x )= + （2-13）yzyuz =（2-14）yzxux =（2-15）在给出声波的势函数之后，利用公式（2-9）（2-15 ）可以得到位移和应力的表达式，结合边界连续条件我们可以对实际问题进行求解。2.2 面波深度的计算1885 年瑞利（Lord Rayleigh）首次从理论上计算了在线性弹性半空间与空气
15、的平面界面上传播的面波【29】，指出这些面波随深度增加会发生衰减，并且预言面波是地震波的主要组成部分。19 世纪 20 年代，人类在观察波在地球表面传播时，第一次证实了声表面波的存在【30】。1965 年，White 和 Voltmer在各向同性的弹性介质石英自由表面激发得到面波【31】。另外，还有许多科学家对面波的存在进行了理论研究，如 Viktorov(1967)、 Farnell(1970)、J.W.S.Rayleigh(1976)、Taylor and Currie（1981） 、Fu and Mielke（2002，2004）等【32-37】。由上可知，面波是存在于固体自由表面并沿着
16、表面传播的、振幅随离表5 体中声波基础理论及相关计算面深度迅速减弱的一种弹性波，一般在不超过几个波长的深度它已几乎不存在。前人对面波的研究虽然已经形成一套比较完整的理论体系，但是由于声表面波在地质勘探、工程检测等领域有着广泛地应用，不断遇到新的问题，例如上面提到的面波深度一般不超过几个波长，但没有明确给出具体倍数、或者与什么参数有关等等，加上面波是声学中重要的部分，对面波我们有进一步研究的价值。【38】2.2.1 液体、固体中声场的理论计算在如图 2-1 所示二维平面内，设坐标原点在液固界面上，声源位于界面上于原点处。将声源激发的声波表示为关于波数xk 的傅利叶积分形式为：z液体固体 O x图
17、 2-1 物理模型2( , , ) ( ) ( ) zxik z ik xi tx xzS z x t V O k Ae e dk e dk = （2-16）f2 2 2x zk + k =v2， 表示液体中的声波频率，Vf式中， v ( )表示声源的频谱，( )xO k 描述声源的几何尺寸对发射声波的影响，由于每个公式里面都含有这些因子，为了简洁，在以下公式中均将这些因子和对频率 的积分省略。由于声源位于液-固平面界面上，因此液体中的势函数只包含液- 固界面导致的反射波：2( )z zxik z ik zik xxe Ae e d= +zkk（2-17）固体中的描述纵波与横波的两个势函数可以
18、表示为：( )c xk z ik xxBe e dk= （2-18）y =s(C )xk z ik xxe e dk（2-19）6 体中声波基础理论及相关计算上述公式中 k 表示波数，下标为 x、z 表示波数在二维平面的分量，c、s 表示纵波波数和横波波数， 表示声波频率。将公式（2-17）（2-19）代入公式（2-9） 、 （2-11 ） 、 （2-12 ） 、 （2-13）可得液体和固体中位移 ，应力zuz 及剪切应力zx 的表达式，在液-固边界处，由位移 连续、应力zuz 连续、剪切应力zx 为 0 得到三个代数方程，用矩阵形式表示如下：2 2 22 202 20 2z c xf x x
19、 sc x s xik ik ik Ak k k Bk k k k C 10 = （2-20）对每个频率和波数，用上述方程解得的相应系数，代入固体或液体势函数表达式或位移 、应力zuz 表达式得到被积函数，乘上描述声源的函数后，用 FFT 实现积分计算得声场的解。2.2.2 液体、固体中声场的计算结果图 2-2 给出频率 182kHz 时，铝介质中不同深度下面波幅度随波数的变化曲线，图中 代表纵波波数， 代表横波波数， 代表液体波波数，其中直线后面的最大值代表了面波幅度最大值。以面波幅度最大值为研究对象，ckskskfk7 体中声波基础理论及相关计算图 2-2 频率为 182kHz 时，面波幅
20、度随波数的变化曲线频率为 364kHz、819kHz 时，面波幅度随深度的变化曲线如图 2-3、2-4 所示。由图可知在不同的频率段，面波幅度随着深度的变化趋势是不同的，在低频段，面波幅度随深度增加先增大后减小，在高频段，面波幅度随深度的增大呈指数规律衰减，随频率增大面波幅度迅速减小为零。图 2-3 频率为 182kHz 时，面波幅度随深度的变化曲线8 体中声波基础理论及相关计算我们换成有机玻璃介质，比较一下在相同频率下介质密度对面波深度的影响。图 2-5 是频率为 91 kHz 时，深度 0.0134m0.1675m，铝和有机玻璃介质中面波的变化曲线，图 2-6 是频率 458kHz 时，深
21、度 0.0134m0.1000m，铝和有机玻璃介质中面波的变化曲线，左图为铝介质中的变化曲线，右图为有机玻璃介质中的变化曲线。由图可见随着频率的增加，在同一深度铝中面波幅度仍比有机玻璃中的大，由此说明：（1）在密度值 较大介质中，同一深度下面波的幅度值较大，随着密度值 的减小面波的幅度值相应地减小；（2）在两种介质中，面波幅度随深度的变化快慢不同，在密度值 较小的介质中面波幅度值较快地衰减为零；（3）随着深度的增大，在密度值 较小的介质中面波幅度值在很短的时间就会衰减为零；（4）虽然面波的幅度随深度的加深不一定是简单趋于零，但最终总是趋于零，这与理论推导结果是相符的【39】。前面我们曾提到面波
22、深度同波长的比值关系，通过计算我们用表格 2-1来描述，由表格可知：（1）面波的深度不仅与声源频率有关，而且与介质的密度也有很大的关系，不是一个确定的值；（2）同一密度下，声源频率越高，比值越大；（3）同一频率时，密度越小，比值越大。频率(kHz)比值()介质91 182 819铝 2.7g/cm32.4 3.2 10.2有 机 玻 璃1.18g/cm310 20 _表 2-1 面波深度同波长的比值关系2.3 换能器背衬的原理及设计孔间测量和截渗墙检测均需要发射功率比较大，余震比较短的发射换能器。设计制作这类换能器除了选择电声转换系数比较大的压电材料和几何尺寸外，还有一个重要因素就是换能器背衬
23、的设计。利用一维多层介质声波传播的物理模型进行研究，用所测介质位移的透射系数分析换能器背衬参数对换能器发射效率的影响。计算了背衬参数改变时位移透射系数随频率的变10 体中声波基础理论及相关计算图 2-4 频率为 819kHz 时，面波幅度随深度的变化曲线图 2-5 频率为 91kHz 时，两种介质中面波变化趋势对比图 2-6 频率为 458kHz 时，两种介质中面波变化趋势对比图 2-22-4 为铝介质中面波幅度随深度的变化及其与频率的关系，下面9 体中声波基础理论及相关计算化曲线。在 1kHz 附近，背衬长度对透射系数影响比较大。以计算结果为指导，设计制作了四个大功率压电换能器，在黄河截渗墙
24、进行了实验，测量波形中有多个幅度比较明显的后续波，为进一步分析截渗墙特征提供了基础。2.3.1 换能器的声学匹配原理超声检测过程就是超声信号的发射、接收、传输与识别过程。因此超声检测的主要内容有两部分，即超声信号的产生与接收，以及超声信号的 传输、识别、处理与再现。检测超声换能器是实现产生和接收超声信号的主要器件，随着无损探伤技术的发展，检测超声换能器的理论探讨和设计制作，受到广泛地重视。目前检测超声换能器主要采用压电式超声换能器。换能器可分为发射型、接收型和接发两用型，对发射换能器要求有比较大的输出声功率和比较高的电声转换效率，对接收换能器则要求宽频带和高灵敏度【40】。由于压电材料的声阻抗
25、率较高，为了很好地与检测对象实现声匹配，应设法降低换能器的声阻抗，以提高换能器的发射功率。常用的声匹配方法包括匹配层法、复合材料法、多层结构振子法等。除此之外，为了获得狭窄的激发声脉冲，常常在换能器的背面附加高阻抗、高衰减的背衬材料。换能器脉冲宽度直接影响轴向分辨率，在匹配层技术得到认识和实用之前，这一直是提高换能器轴向分辨率的惟一方法。其主要作用是吸收振动能量，使压电陶瓷的振动在被发射脉冲激励后很快停下来，有效地降低换能器的机械品质因数 Qm。为使压电陶瓷的振动能够有效地传输给吸收块，然后将其消耗掉，还需要考虑压电陶瓷晶片与吸收块之间的声耦合匹配。在现有的单相材料中，从声学特性和工艺特性综合
26、考虑还没有发现一种可以直接作为超声换能器背衬，只能采用专门配置的复合材料。背衬材料的选择目前已经有成熟的理论，声阻抗率超过 10106Pasm-1采用高阻抗背衬，声阻抗率在（410）106Pasm-1的采用中阻抗背衬，声阻抗率在 4106Pasm-1以下者采用低阻抗背衬。目前阻尼块大多使用环氧树脂与钨粉混合后浇注在压电换能器的背面，但是阻尼块的配比量、厚度等因数与换能器的频率响应有关，因此有必要对不同的频率范围对阻尼块的参数进行理论计算以更好地实现超声换能器的设计。2.3.2 换能器背衬参数理论计算2.3.2.1 物理模型根据实际问题，我们选择横截面积不同的多层介质物理模型如图 2-7 所示，
27、在 x 轴上有三个不连续点，分别位于 x1、x2、x3位置，将 x 轴分成四个区11 体中声波基础理论及相关计算间，分别记为 A、B、C、D。A 区为所测固体介质，B 区为压电晶体，C 区是后背衬，D 区为空气层，其中 A 区和 D 区为无限厚介质，四个区域的横截面积分别为s1、s2、s3、s4。当频率为 f 的声波沿 x 轴传播时，在这三个不连续位置上将会有反射和透射，如图中箭头所示。x1x2x3O XA B C D图 2-7 物理模型2.3.2.2 计算方法根据实际问题，我们选择横截面积不同的多层介质物理模型如图 2-7 所示。在研究固体介质中的一维纵振动，设任意一点 x 位置的作用力为
28、F，应力为 ，横截面积为 S，位移为 u, 有下列关系【41】：作用力与应力： F =S （2-9）xuE应力与位移： =（2-10）式中，E 为杨氏模量，一维情况下有 ， 为纵波速度，2cE =vcv 是介质密度。规定波函数中时间函数为 ，每个区域都含有该项，可将其约去，这样四个区域的位移函数可以写为：iteA 区： B 区：ikxAae11=22 3ik x ik xBa e a e= +2C 区： D 区：ikxikxCaeae3345=+ikxDae46=cvk由公式（2-9） 、 （2-10）和 =可得各个区域的应力函数为：A 区： B 区：ikxikxBivaeivae222222
29、23= +ikxAivae1111= C 区： D 区：3 33 3 4 3 3 5ik x ik xC i v a e i v a e= +44 4 6ik xD = i v a e规定波函数中时间函数为 ，每个区域都含有该项，可将其约去，这ite12 体中声波基础理论及相关计算样四个区域的位移函数可以写为：在不连续位置，由边界条件：位移连续、作用力连续【41】可得到一复数方程组，其未知系数是反射、透射系数 a1a6。若将波函数选为应力函数，此时位移为式（2-11） ，其中正负号由应力波函数决定，与波函数中指数的正负号一致。 在不连续位置同样由位移连续，作用力连续得到一复数方程组。解该方程组
30、可以得到 6 个未知系数。本文仅研究所测介质透射系数 a1。2iku = （2-11）2.3.2.3 计算结果计算结果可通过两种方法进行验证。方法一：固定各层物理参数，分别取位移为波函数、应力为波函数进行计算，所得到的透射系数曲线（一个为实线、一个为点线）完全重合见图 2-8 左图。方法二：将四个区域介质的物理参数取相同数值，即声波在同一介质中传播，这时其透射系数应该是一个恒定常数，不随频率改变，图 2-8 右图给出所测介质的透射系数。所测介质的透射系数随频率变化。在频率比较低和 63kHz 位置有极小值，在大多数频率段，透射系数恒等于 1。该结果说明如图 2-7 所示的换能器模型激发的声波能
31、量大部分直接进入所测介质，只有一些特殊的频率，声波能量只有很小部分进入所测介质，绝大部分在换能器内部消耗掉。这是换能器设计所要尽量避免的，或者说，在这些频率，换能器激发效果最差。下面我们具体分析一下位移透射系数随参数的变化，首先分析所测介质A 区参数对换能器效率的影响。图 2-9 是 A 区密度和声速不同时，透射系数随频率的变化。所测介质的声速越高、密度越大，极小值位置透射系数小于1 的区域越大。另外，密度和声速对透射系数的影响结果是一样的。图 2-8 两种计算方法计算的透射系数13 体中声波基础理论及相关计算图 2-9 所测介质密度和声速改变时，所测介质透射系数随频率的变化曲线图 2-10
32、后背衬厚度改变时，所测介质透射系数随频率的变化曲线图 2-10 是后背衬（C 区）厚度改变时，所测介质透射系数随频率的变化曲线。后背衬厚度越厚，极小值的所在的频率越低。图 2-11 是后背衬（C 区）密度改变时，所测介质透射系数随频率的变化曲线。密度越大，极小值所在频率越高。2.3.2.4 实际应用孔间测量和截渗墙检测需要主频在 1kHz 附近的发射声波换能器。由图2-9、2-10、2-11 可知，该换能器性能主要由低频处的频率特征决定。我们取 0-2kHz 频段进行分析，所测介质的参数取为：密度 2.5g/cm3，声速 2500m/s，压电圆盘（B 区）参数取为：密度 92.5g/cm3，声
33、速 8000 m/s，D 区为空气层，密度为 0.12932.5kg/m3，声速为 340 m/s。所测介质透射系数随后背衬层厚度、密度和声速的变化曲线如图 2-12 所示。随着后背衬长度的增加，低频时透射系数增加的比较快。以 1kHz 处的透射系数为标准，从图 2-12a 可以看到：厚度为 3cm 透射系数为 0.84、4cm 时为 0.88、5cm 时为 0.92。同样，后背衬密14 体中声波基础理论及相关计算度增加，其效果一样；声速增加，透射系数变化比较小。图 2-11 后背衬密度改变，所测介质透射系数随频率的变化曲线(a) 厚度改变 (b) 密度改变(c) 声速改变（低频区） (d)
34、声速改变（高频区）图 2-12 C 区透射系数随后背衬的厚度、密度和声波速度的变化曲线15 体中声波基础理论及相关计算A（mv）图 2-14 截渗墙上接收的 26 个波形平均后的结果2.3.3 结论与讨论本文用一维振动模型分析了大功率压电换能器的频率特征。在设计换能器时，增加后背衬，所测介质的透射系数会有一系列的极小值。极小值所对应的频率与后背衬的长度和声学参数有关，后背衬长度增加，极小值所对应的频率降低，后背衬密度增加，极小值所对应的频率增加。对于频率位于 1kHz附近的发射换能器来讲，后背衬的影响比较大，当后背衬厚度为 4cm 时，所测介质的透射系数达到 0.9。用该模型设计了大功率压电换
35、能器，测量结果基本上达到了设计要求。在超声检测中获得窄脉冲的最有效办法就是采用高阻抗、高衰减背衬，但是由于一部分能量被转化为热耗散，背衬带来好处的同时，也使其发射接收灵敏度降低。实际应用中只能在侧重某一方面要求或两方面要求都不高的情况下可以两者兼顾。但是，如果综合运用背衬和匹配层，可得到能够满足要求的换能器。17 固体或液体中传播过程的显示方法P A1L2L样 TV光源 品 相机T光激发脉冲 声激发脉冲计算机延时控制器 时钟发生器图 3-1 动态光弹法实验装置示意图多研究工作。到目前为止最有效而且常用的方法有施利仑法和动态光弹法【8】。施利仑法主要根据声波将导致介质密度变化从而引起光折射率的改
36、变，用光学方法显示声波的传播过程。50 年代起施利仑法被用到液体中显示超声波,可用于透明固体和液体,但在液体中比较灵敏,原因是相同功率的超声波在液体中引起的光折射率的改变比较显著。光弹法则是利用声波是一种应力波，当固体中有声波传播时会导致固体中应力场的改变，使得入射偏振光由于双折射而改变偏振方向的原理提出的，开始只是用来显示应力场尤其是静场，在研究声波在固体中的传播及散射过程时，该方法才被用来显示透明固体中的声波传播过程【8】。Schlieren 法和动态光弹法只能显示透明介质中的声波传播，并且要求介质的残余应力很小，这样，样品的制作比较困难。因此，我们提出一种声波显示方法, 该方法不但能够显
37、示透明介质而且对不透明介质也能够显示其声波传播过程，能够同时显示固体、液体中的声传播过程，对介质内部的应力也没有要求。3.2.1 实验原理图 3-2 是液- 固平面界面附近的声场分布图【30】，图中给出了液体和固体中传播的声波及其声波在液-固界面上的耦合关系（示意图中 x 轴上方为液体，下方为固体） 。由图可知，固体中每有一个波液体中就有一个波与其耦合，因此界面上方表层液体中的声波传播能够反映固体中声波的传播。将液体作为耦合介质，通过对固体表层液体中声波传播过程的观测来反映固体中声波的传播过程，这就是该成像方法的理论基础。19 固体或液体中传播过程的显示方法第三章 超声在固体或液体中传播过程的
38、显示方法在 20 世纪 40 年代开始，超声在固体中的应用得到发展，尤其是在超声无损检测中。超声可以透入不透明材料，发射方向性好，可以形成狭窄的波束。检测时可以使用脉冲超声束，声波遇到障碍物时将被部分反射回来，从反射波的有无则可以判断障碍物的有无，由反射波的来回时间可以判断障碍物的位置。随着时间的推移，人们对超声无损检测提出更高的要求。不仅要知道障碍物的有无及其位置，还希望知道其大小、形状、取向和障碍物属性等。在无损检测中，声波载体大多数是固体，因此，需要了解不同形状、不同大小等等障碍物所散射声波的特征，然后从接收的散射波汲取障碍物信息。要观测声波的传播特征，首先要实现对声波的显示，因此对超声
39、在固体和液体中传播过程显示方法的研究是十分有必要的。3.1 常用显示声波方法概述一般情况下，声波是看不见的。在研究声波时，人们通常用超声换能器的传声器进行观测。为使声波成为可见，人们很早就开展了研究工作。1933年实现了感光板上超声辐射成像的方法。以后，人们又利用不同的超声参数变化建立了不同的显示方法。有利用辐射压力来显示声波的“坡尔曼(Pohlman)盒” ，盒子是透声的，里面装满液体并悬浮有大量微小的铝片，原本无规则排列的铝片，在声波辐射压力的作用下，取向发生变化，显示出声场的分布。有利用声波会导致介质密度变化从而引起光折射率改变的施利仑（Schlieren）法【20】，该方法刚开始用来显
40、示液体中的温度分布，后来被用到液体中显示超声波。施利仑法可以用于显示透明固体，但在液体中较为灵敏，原因是超声波在液体中引起的密度剃度比固体中要大。有利用超声波引起的应力显示声波的光弹法，光弹法刚开始用于显示透明固体中静态应力的分布。后来试加了瞬态外力，于是光弹法被用来显示固体中应力波的传播，而超声波也是应力波，因此在 19 世纪 70 年代，该显示技术被推广应用来显示透明固体中的声波。发展到目前，最有效而常用的声波显示方法是光弹法和施利仑法。光弹法实验装置示意图如图 3-1 所示。3.2 声波在固体和液体中传播过程的显示方法为了使声波在固体或液体中的传播过程可见，先前的科学家们开展了许18 体
41、中声波基础理论及相关计算图 2-12 为 C 区透射系数随后背衬参数的变化曲线，由图可知:(1)在低频范围内，后背衬层的厚度值越大其透射性能越好。(2)在厚度一定的情况下，后背衬层的密度越大其透射性能越好。(3)在 0-2kHz 的低频范围，后背衬的声波速度对透射系数影响比较小。将后背衬层厚度定为 4cm，选择钨粉（密度 19.13g cm）作为附加后背衬材料，以保证所测介质的透射系数在 1kHz 附近接近 0.9。根据上述计算结果，我们设计制作了用于截渗墙探测的大功率发射换能器, 并在黄河截渗墙上进行了实验。图 2-13 是实际测量的波形及其频谱，在1kHz 附近，有两个明显的峰。由于发射声
42、源一致性比较好，为了得到底部反射波等幅度比较小的信号，我们进行了多次重复测量，将 26 次测量的波形取平均得到图 2-14，从中可以看到，低频 1kHz 附近的声波在 10ms 以后出现，幅度比较大，与底部反射和缺陷反射的声波有关系，为进一步分析截渗墙特征的提供了基础。这里介绍的大功率压电换能器一致性比较好，可以控制，这样便可以利用这种声源进行各种组合和相控发射，为截渗墙检测提供新的技术手段。-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-0.0500.05T (ms)A(mv)0 1 2 3 4012F (kHz)A(A（mv）mv)A（mv）图 2-13 截渗墙上用大功率声源激发得到的波形及其
43、频谱16 固体或液体中传播过程的显示方法每个斜率值对应一组平行线，这是由于受到接收换能器余震的影响。另外，图中液体波的幅度比纵波、横波的幅度要大，这是由于实验要将样品放在液体中进行，受液体中的直达波影响造成。下面给出部分由该方法观测到的固体和液体中的声场分布图。图 3-5 给出铝平板中不同时刻的声场分布图。图中包含液体和固体两部分的声场，灰度较深的部分为铝板，灰度较浅的部分为液体，P、S、M 分别表示纵波、横波、面波，PH、PS 分别表示液体中的声波与铝板中纵波、横波之间的头波。图 3-5 铝板中不同时刻声场分布图图 3-6 记录的是有机玻璃中不同时刻的声场分布图。图中灰度较深的部分为有机玻璃
44、，较浅的部分为液体，P、S 表示纵波、横波，PH 表示纵波头波。与图 4 相比，图中没有记录到面波,由于有机玻璃中横波速度与液体波速度相近，横波和横波头波观察不明显。图 3-7 给出声波在铝板中传播遇到圆柱形孔时的散射声场。图中声波传播遇到圆孔时开始反射，可以观察到反射波。同时，声波还沿孔壁向前传播，与孔内液体中的声波在圆形界面相互耦合。由图 3-5、图 3-6、图 3-7 可见，由于液体直达波的影响，使得固体中靠近声源部分的声场被直达波所覆盖，这个范围内就只能观察到直达波的分布。实验中我们采用降低发射换能器频率、增大发射换能器尺寸等办法，液体直22 固体或液体中传播过程的显示方法图 3-2
45、液固界面声场分布图形及其示意图3.2.2 实验装置及成像过程数据文件 示波器 放大滤波器A/D 转换卡原始模拟信号计 算 机控制 指令 接收换能器坐 标 架 控制 模 声激发 脉冲信号控 制 器 信号 型 脉冲 发生器发射换能器图 3-3 实验原理示意图图 3-3 是实验原理示意图，由图知该成像系统包括计算机、脉冲信号发生器、受其激发的发射换能器、采集样品激发声场原始信号的接收换能器、电信号放大滤波器、示波器、A/D 采集卡以及传递计算机控制参数的坐标架控制器。其过程包括：脉冲发生器发出幅值为 15V、脉宽 10s-250 s 连续可调的声激发信号到发射换能器，在固体样品中激发出声场；在计算机
46、控制界面上设定参数，将移动步长（移动一次的距离） 、测量面积（二维平面内的测量范围）两个设定值发送到坐标架控制器，同时将采样频率、采样次数（平均次数） 、采样长度（每一点数据的保存时间长度） 、触发电平等设定值发送20 固体或液体中传播过程的显示方法到 A/D 采集卡，之后开始采集声场原始信号；声场原始信号由接收换能器接收转换，经过放大滤波器得到最终电压模拟信号，电压模拟信号通过高速 A/D转换卡将采样数据发送到计算机；将各点采样数据中同一时刻的数据值抽取出来形成一个矩阵，用 Matlab 绘图函数处理，将数字矩阵转化为图形，得到声波在固体和液体中不同时刻的声场分布图。3.3 不同样品的实验观
47、测结果3.3.1 实验结果及其分析实验时将样品放在实验槽的支架（支架由四根顶端为圆锥形的圆柱组成，圆柱高为 4 厘米，槽深为 15 厘米）上，往槽中注油直到超出样品上表面 5-6毫米，其中作为耦合介质的液体是可以任意选用，我们选用的是食用油。实验样品采用铝和有机玻璃两种材料，材料中声波的速度可以由液-固边界波形图得到。图 3-3 是合金铝和液体边界的波形图，三条直线分别代表纵波、横波、液体波的波阵面，通过直线的斜率即可求得合金铝板中纵波速度约为5263.2 m/s （纯铝的参考值为 5360m/s，实验值与参考值相差很小） ，横波和液体纵波的速度值同样可以求得，分别为 2631.6m/s 和
48、1597.4m/s。图中图 3-4 合金铝板与液体边界波形图21 固体或液体中传播过程的显示方法达波的影响将会变小，如图 3-7 所示。图 3-6 有机玻璃板中不同时刻声场分布图图 3-7 铝板中声波遇到圆柱形孔时的散射声场23 固体或液体中传播过程的显示方法3.3.2 结论与讨论本文给出了一种声波在固体和液体中传播过程的显示方法，该方法能够显示声波在二维平面内的动态传播过程。与动态光弹法、Schlieren ( 施利仑)法等声传播显示方法相比，该方法不仅能够同时显示不同时刻固体、液体中的声场，而且还适应于非透明固体；另外，对样品的残余应力没有要求，制作比较容易；但是，测量的声场是间接的，受接收换能器余震和液体直达波影响。将铝板放在液体里，我们记录到了在铝板中传播的纵波、横波和面波，在液体中传播的直达波以及三种头波，它们分别与铝板中传播的纵波、横波和面波相耦合，并且直观地显示了铝板和液体界面上所传播的声波之间的耦合关系；将有机玻璃防在液体中，记录了有机玻璃中传播的声波及其与液体中所传播声波的耦合关系。由实验结果可知，该成像方法与常用的 Schlieren法和动态光弹法相比较有其自身的优点：1.现在常用的两种方法只能显示透明介质中的声场，该方法不仅能够同时显示不同时刻固体、液体中的声场，而且还适应于非透明固体；2.Schli
