超聲波波形圖怎麼算聲速和波幅

⑴ 什麼是超聲的頻率、聲速和波長,

超聲和一切波動一樣，具有頻率（f）、聲速（c）、和波長（λ）三個物理量，三者之間的關系可用下列公式表示：c=fλ。 頻率（f）：單位時間內質點振動的次數，一般以每秒振動次數表示，以Hz為單位，每秒振動工次為1Hz。 聲速（c）：單位時間波動傳播的間隔，常用單位為m/s。人體軟組織均勻聲速為：1540m/s，或近似於是1500m/s。 波長（λ）：波動傳播過程中相鄰的兩個期中，對應點的間隔或相鄰的兩個波峰或波谷間的間隔，常用單位為mm。 波長、聲速頻率三個參數是超聲診斷中最常用的物理量。 在人體軟組織中傳播時，超聲頻率與波長的關系如下表所示。表1－1 常用超聲的頻率與波長

⑵ 超聲波波形的特徵

超聲波在示波器上一般為射頻信號，可以測出其中心頻率，如果是動態的時間軸那麼就是正玄波。

實際應用中超聲分為縱波和橫波，其波速相差較大，以鋼材為例橫波3220時縱波為5920。

超聲波可以在幾乎所有的介質中傳播，像水，石油，鋼，鋁等比較均勻的介質中都是可以傳播的。但是如果出現斷層，大密度差，氣孔，介質不均勻等情況衰減或反射波會非常厲害，一般效果不太好。

(2)超聲波波形圖怎麼算聲速和波幅擴展閱讀：

聲波是物體機械振動狀態（或能量）的傳播形式。超聲波是指振動頻率大於20000Hz以上的，其每秒的振動次數（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的一般上限（20000Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。由於其頻率高，因而具有許多特點：首先是能量集中，其波長比一般聲波短得多，因而可以用來切削、焊接、鑽孔等。再者由於它頻率高，波長短，衍射不嚴重，具有良好的定向性，工業與醫學上常用超聲波進行超聲探測。

⑶ 簡述超聲波聲速測定的方法有哪些

聲速測量的方法 方法1：測量聲音的速度還有一種利用迴音來測量的方法：所謂回聲，就是聲音在傳播的過程中碰到高大的障礙物被反射了回來，那麼我們就可以根據這樣的原理，站在離高牆較遠的地方(事先測出你到高牆的距離）大聲地喊一下，在你喊的同時按下秒錶，當你聽到自己的回聲再按一下秒錶，這樣一來，你的喊聲從你那兒到高牆打了一個來回，你只要把上面說的你跟高牆的距離除以測得的時間的一半，這聲音的速度也就出來了（這里要注意的是因為人能分辨出自己的回聲的時間間隔要超過0.1秒，聲音有傳播速度是340米每秒，所以你與牆的距離，至少不得少於17米才行,而且中間還不能有障礙物）。 二、現代大學實驗室中測量方法 測量聲速最簡單、最有效的方法之一是利用聲速v 、振動頻率f和波長λ之間的基本關系，即實驗時用結構相同的一對（發射器和接收器）超聲壓電陶瓷換能器，來作聲壓與電壓之間的轉換。利用示波器觀察超聲波的振幅和相位，用振幅法和相位法測定波長，由示波器直接讀出頻率f。 方法1：:共振干涉法 由發射器發出的聲波近似於平面波。經接收器反射後，波將在壓電陶瓷換能器的兩端面間來回反射並且疊加。當兩個換能器之間的距離等於半波長的整數倍時發生共振，產生共振駐波現象，波幅達到極大。由縱波的性質可以證明，振動位移處於波節時，則聲壓是處於波腹。接收器端面近似為一波節，接收到的聲壓最大，經接收器轉換成的電 信號也最強。聲壓變化和接收器位置的關系可從實驗中測出，當接收器端面移動到某個共振位置時，示波器上會出現最強的電信號，如果繼續移動接收器，將再次出現最強的電信號，兩次共振位置之間的距離即為1/2λ 。 方法2：相位比較法 波是振動狀態的傳播，也可以說是相位的傳播。沿傳播方向上的任何兩點，其振動狀態相同，或者說其相位差為2π的整數倍時兩點間的距離應等於波長λ的整數倍，利用這個公式可測量波長。由於發射器發出的是近似於平面波的超聲波，當接收器端面垂直於波的傳播方向時，其端面上各點都具有相同的相位。沿傳播方向移動接收器時，總可以找到一個位置使得接收到的信號與發射的信號同相。移過的這段距離必然等於超聲波的波長λ 。為了判斷相位差並且測定波長，可以利用雙蹤示波器直接比較發射的信號和接收的信號，同時沿傳播方向移動接收器尋找同相點。也可以利用利薩如圖形尋找同相時橢圓退化為斜直線的點。 方法3：時差法 即用比傳統方法更精確的儀器測出聲波傳播一定距離所用的時間

⑷ 超聲波測速儀工作原理及計算

超聲波測速儀每隔一相等時間，發出一超聲脈沖信號，每隔一段時間接收到一經汽車反射回的該超聲脈沖信號，若汽車勻速行駛，則間隔時間相同，根據發出和接收到的信號間的時間間隔差和聲速，測出被測汽車的速度

⑸ 怎樣測量聲速

方法1：一個聲音產生後，並不會立刻傳到你的耳朵，通常要經過一段時間。除非你自己有這種經驗，否則這是很難理解的。例如：如果你參加一個運動會，坐在離鳴槍的人有一段距離的地方，你會先看到槍冒煙，後聽到槍聲。這是因為光行進的速度非常快(約1秒鍾300000公里)，而聲音的速度就慢得多(約1秒種340米)。所以你會立刻看到槍冒煙，但聲音要過一會兒之後才會聽到。�
於是早期測量聲音的速度是利用槍來做實驗。幫忙的人要拿著槍在一個量好的距離外，另一個人就拿著馬表站在原點。在看到信號之後，幫忙的人就對空鳴槍。在原點的人一看到槍的火花和煙時，就把馬表按下來；而當他聽到槍聲時，就再按一次馬表讓馬錶停下來。看到火花和聽到槍聲之間的時間，就是聲音行經這一段量好距離所需的時間。就能算出聲音的速度。根據這一原理你不妨在今後的校運動會的時候試驗一下（利用百米賽跑就可以了）.
為了測量聲音的速度你需要一個馬表和一個皮尺。量一個500公尺的距離，要盡可能量得准確一點。你和你的同學分別站在兩端；你的同學兩手各拿一塊大石頭（或者鑼、鼓、或者乾脆拍手--拍手的聲音太低如果對方聽不到就不好辦了），你則拿一個馬表。當你大叫「開始」時，你的同學要把石頭舉到頭頂，盡量大聲敲擊。�當你一看到石頭撞在一起，就按下馬表。等到你聽到石頭撞擊的音，就再按一下馬表讓馬錶停下來。時間方面要記錄到十分之一秒。如果能多做幾次實驗，算出時間的平均值是最好的。�你只要用計算機把你和你同學的距離除以時間，就可以算出聲音的速度了。

方法二.
測量聲音的速度還有一種利用迴音來測量的的方法：（
所謂回聲，就是聲音在傳播的過程中碰到高大的障礙物被反射了回來，不是在電視里（當然是誇張）有時看到一個人面對大山大喊一聲，可以聽到三個、四個甚至五個回聲嗎？
哪么我們就可以根據這樣的原理，站在離高牆較遠的地方(事先測出你到高牆的距離）大聲地喊一下，在你喊的同時按下秒錶，當你聽到自己的回聲再按一下秒錶，這樣一來，你的喊聲從你那兒到高牆打了一個來回，你只要把上面說的你跟高牆的距離除以測得的時間的一半，這聲音的速度也就出來了（這里要注意的是因為人能分辨出自己的回聲的時間間隔要超過0.1秒，聲音有傳播速度是340米每秒，所以你與牆的距離，至少不得少於17米才行,而且中間還不能有障礙物）。

利用回聲測聲音速度比較高級和精確的做法是：
利用超聲波遇到物體發生反射，超聲波發生器通過電纜線連與超聲接受器連為一體，接受器能將接收到的超聲波信號進行處理並在電腦屏慕上顯示其波形，超聲波發生器每隔固定時間發射一短促的超聲波信號，而接收到的由於障礙物反射回的超聲波信號經儀器處理後也可在電腦屏上顯示出來（兩個波的形狀一大一小便於區分），每個反射波與相應的發射波之間的滯後的時間可經電腦的處理輸出，即能直接從電腦上讀出一個超聲波發射後遇到障礙物返回來的時間間隔，只要你事先測出超聲波發生器到障礙物之間的距離S，並將S除以往返時間的一半就是聲音在空氣里的傳播速度了。（超聲波在空氣中的傳播速度跟一般人能聽得到的聲波速度是相等的）。

測量聲速最簡單、最有效的方法之一是利用聲速v 、振動頻率f和波長λ之間的基本關系，即實驗時用結構相同的一對（發射器和接收器）超聲壓電陶瓷換能器，來作聲壓與電壓之間的轉換。利用示波器觀察超聲波的振幅和相位，用振幅法和相位法測定波長，由示波器直接讀出頻率f。

(一)諧振頻率
超聲壓電陶瓷換能器是實驗的關鍵部件，每對超聲壓電陶瓷換能器都有其固有的諧振頻率，當換能器系統的工作頻率處於諧振狀態時，發射器發出的超聲波功率最大，是最佳工作狀態。

(二)振幅法
由發射器發出的聲波近似於平面波。經接收器反射後，波將在壓電陶瓷換能器的兩端面間來回反射並且疊加。當兩個換能器之間的距離等於半波長的整數倍時發生共振，產生共振駐波現象，波幅達到極大。由縱波的性質可以證明，振動位移處於波節時，則聲壓是處於波腹。接收器端面近似為一波節，接收到的聲壓最大，經接收器轉換成的電信號也最強。聲壓變化和接收器位置的關系可從實驗中測出，當接收器端面移動到某個共振位置時，示波器上會出現最強的電信號，如果繼續移動接收器，將再次出現最強的電信號，兩次共振位置之間的距離即為1/2λ 。

(三)相位法
波是振動狀態的傳播，也可以說是相位的傳播。沿傳播方向上的任何兩點，其振動狀態相同，或者說其相位差為2π的整數倍時兩點間的距離應等於波長λ的整數倍，利用這個公式可測量波長。由於發射器發出的是近似於平面波的超聲波，當接收器端面垂直於波的傳播方向時，其端面上各點都具有相同的相位。沿傳播方向移動接收器時，總可以找到一個位置使得接收到的信號與發射的信號同相。移過的這段距離必然等於超聲波的波長λ 。為了判斷相位差並且測定波長，可以利用雙蹤示波器直接比較發射的信號和接收的信號，同時沿傳播方向移動接收器尋找同相點。也可以利用利薩如圖形尋找同相時橢圓退化為斜直線的點。

⑹ 超聲波能量如何計算有沒有具體的計算公式

超聲波能量無法計算，但可以使用超聲波熱量表進行測量。

超聲波熱量表通過超聲波的方法測量流量及顯示水流經熱交換系統所釋放或吸收熱能量的儀表。它通過兩種感測器測得的物理量——熱載體的流量和進出口的溫度，再經過密度和熱焓值的補償及積分計算，才能得到熱量值。它是一種以微處理器和高精度感測器為基礎的機電一體化產品。

1、超聲波速差法（時差法）原理：是依靠超聲波信號在流體中傳播的時間差，來測量流體流量。

2、當超聲波速在流體中傳播時，流體的流動將使超聲波信號的傳播速度發生傳播的時間差。時間差的大小與流體的流速成正比關系。由此，便可測量流體流量。

(6)超聲波波形圖怎麼算聲速和波幅擴展閱讀：

超聲波的兩個主要參數：

1、頻率：F≥20KHz（在實際應用中因為效果相似，通常把F≥15KHz的聲波也稱為超聲波）；

2、功率密度：p=發射功率(W)/發射面積(cm2)，通常p≥0.3w/cm2。

在液體中傳播的超聲波能對物體表面的污物進行清洗，其原理可用「空化」現象來解釋：超聲波振動在液體中傳播的音波壓強達到一個大氣壓時；

其功率密度為0.35w/cm2，這時超聲波的音波壓強峰值就可達到真空或負壓，但實際上無負壓存在，因此在液體中產生一個很大的壓力，將液體分子拉裂成空洞一空化核。

此空洞非常接近真空，它在超聲波壓強反向達到最大時破裂，由於破裂而產生的強烈沖擊將物體表面的污垢撞擊下來。這種由無數細小的空化氣泡破裂而產生的沖擊波現象稱為「空化」現象。太小的聲強無法產生空化效應。

⑺ 測聲速的方法都有什麼

測量聲速最簡單、最有效的方法之一是利用聲速v 、振動頻率f和波長λ之間的基本關系，即實驗時用結構相同的一對（發射器和接收器）超聲壓電陶瓷換能器，來作聲壓與電壓之間的轉換。利用示波器觀察超聲波的振幅和相位，用振幅法和相位法測定波長，由示波器直接讀出頻率f。

(一)諧振頻率
超聲壓電陶瓷換能器是實驗的關鍵部件，每對超聲壓電陶瓷換能器都有其固有的諧振頻率，當換能器系統的工作頻率處於諧振狀態時，發射器發出的超聲波功率最大，是最佳工作狀態。

(二)振幅法
由發射器發出的聲波近似於平面波。經接收器反射後，波將在壓電陶瓷換能器的兩端面間來回反射並且疊加。當兩個換能器之間的距離等於半波長的整數倍時發生共振，產生共振駐波現象，波幅達到極大。由縱波的性質可以證明，振動位移處於波節時，則聲壓是處於波腹。接收器端面近似為一波節，接收到的聲壓最大，經接收器轉換成的電信號也最強。聲壓變化和接收器位置的關系可從實驗中測出，當接收器端面移動到某個共振位置時，示波器上會出現最強的電信號，如果繼續移動接收器，將再次出現最強的電信號，兩次共振位置之間的距離即為1/2λ 。

(三)相位法
波是振動狀態的傳播，也可以說是相位的傳播。沿傳播方向上的任何兩點，其振動狀態相同，或者說其相位差為2π的整數倍時兩點間的距離應等於波長λ的整數倍，利用這個公式可測量波長。由於發射器發出的是近似於平面波的超聲波，當接收器端面垂直於波的傳播方向時，其端面上各點都具有相同的相位。沿傳播方向移動接收器時，總可以找到一個位置使得接收到的信號與發射的信號同相。移過的這段距離必然等於超聲波的波長λ 。為了判斷相位差並且測定波長，可以利用雙蹤示波器直接比較發射的信號和接收的信號，同時沿傳播方向移動接收器尋找同相點。也可以利用利薩如圖形尋找同相時橢圓退化為斜直線的點。

如果你想得到空氣中的聲速 那可以用下面這個簡單的方法：
為了測量聲音的速度你需要一個秒錶和一個皮尺。量一個500米的距離，要盡可能量得准確一點。你和你的同學分別站在兩端；你的同學兩手各拿一塊大石頭（或者鑼、鼓、或者乾脆拍手--拍手的聲音太低如果對方聽不到就不好辦了），你則拿一個馬表。當你大叫「開始」時，你的同學要把石頭舉到頭頂，盡量大聲敲擊。�當你一看到石頭撞在一起，就按下秒錶。等到你聽到石頭撞擊的音，就再按一下馬表讓秒錶停下來。時間方面要記錄到十分之一秒。如果能多做幾次實驗，算出時間的平均值是最好的。�你只要用計算機把你和你同學的距離除以時間，就可以算出聲音的速度了。

⑻ 　聲波法

固體中的機械波是聲波。由於其作用力的量級所引起的變形在線性范圍，符合虎克定律，也可稱其為彈性波。聲波檢測和淺層地震、面波勘探同屬彈性波「動測」技術。

聲波檢測（Sound Wave Detecting）所使用的波動頻率從幾百赫到50千赫（現場原位測試）及50到500千赫（岩石及砼樣品測試），覆蓋了聲頻到超聲頻，但在檢測聲學學科領域中稱其為「聲波檢測」。其測試原理與淺層地震相同，但使用頻率及測時精度均高於淺層地震勘探。

應提及的是，這里所闡述的聲波檢測包含被動聲波檢測，即不需要振源的地聲檢測技術。

12.3.1基本原理

聲波檢測技術中有三個聲學參量，即聲速（俗稱波速）、聲波波幅及頻率，可對介質的物性做出評價。當前應用最多的是聲速，其次為波幅，頻率參量也日漸加入應用。

聲波可以評價岩體（及混凝土）的性狀，更可提供物理力學參數，但固體的聲速和介質的幾何尺寸有關。無限體（大塊的岩體）、一維桿（防滑樁）、二維板（擋土牆）的聲速表達式中的動彈性力學參數不盡相同，邊界條件不一樣，有必要對它們分別討論。

12.3.1.1無限（無界）固體介質中的聲速

無限體指的是介質的尺寸遠比波長λ

波長A是一個基本的聲參量，其物理含意是聲波波動一個周期T所傳播的距離。所以A=T·C式中C為聲速。而周期 T與頻率f存在T=1/f，因此A=T·C=C/f。大，理論及實驗證明，當介質與聲波傳播方向相垂直的尺寸D＞(2～5）λ，此時的介質可認為是無限體。

聲速是介質質點彈性振動的傳遞（傳播）速度。由彈性理論可知，在無限固體介質中由應力引起彈性應變過程的波動方程為：

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式中：θ為體積膨脹率，

表示在聲波擾動下體積相對變化；u_x、u_y、u_z分別為x、y、z方向的位移；λ、μ為拉梅常數；▽²為拉普拉斯運算元，

；p為介質密度。將12.6式中的第一式對x求導，第二式對y求導，第三式對z求導，然後相加，可得：

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設

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式中：E為彈性模量；σ為泊松比，兩者都是介質的彈性常數，它們與拉梅常數λ、μ之間有一定互換關系。將（12.8）式代入（12.7）式，可有：

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顯然，（12.9）式中的C_l具有速度的量綱，代表介質內由質點振動傳遞過程引起的體積膨脹率的傳播速度，也就是縱波的傳播速度，人們常用v_P表示。即：

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縱波的質點振動傳播的物理過程可用圖12-6a表示。可見，質點的振動和傳播方向是一致的。

圖12-6縱波及橫波質點傳播過程

從三維角度看，質點的振動還可以與傳播方向相垂直，這種波動稱之為切變波或橫波，它不引起固體微元的體積變化，故從12.6式中令θ＝0可求得：

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式中：C_t代表橫波傳播速度，人們常用v_s表示。

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式中：G為剪切模量。橫波的質點振動傳播的物理過程可用圖12.6b表示。

（1）聲速與彈性力學參數：由（12.10）及（12.12）式可見，只要測取岩體的縱波及橫波聲速v_p及v_s，並已知岩體密度p的情況下，便可以獲取岩體的動彈性模量E、剪切模量 G及泊松比σ，對岩體的動力學特徵做出評價。故動彈性力學參數可由下列公式計算：

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（12.14）及（12.15）式中v_P及v_S以m/s計，p以kg/m³計，E、G的單位為Pa。

（2）用v_P/v_s評價岩體質量：泊松比σ反映的是岩體彈性性能，即在應力作用下產生縱向（應力方向）相對變形量與橫向（應力垂向方向）相對變形量之比的倒數，反映的是岩體的「軟」、「硬」程度。由於泊松比與縱、橫聲速之比有著密切的關系，所以常用縱、橫波速度之比來反映岩體的物理性狀。縱、橫波速度比v_P/v_s與泊松比σ的關系如表12-5。

顯然，v_P/v_s值越大，岩體越「軟」。通過大量的統計，v_P/v_s的量值與岩體的完整程度如表12-6。

表12-5縱橫波速度比 v_p/v_s與泊松比σ的關系

表12-6v_P/v_s的量值與岩體的完整程度

（3）聲速岩體完整性指數：評價岩體的質量也可以只用縱波聲速。例如「工程岩體分級標准」（GB50218-94）規定，可以用岩體的縱波波速v_Pm與岩石的縱波聲速v_Pr按（12.6）式測算出岩體完整性指數K_v。

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顯然岩體包含的裂隙、節理比小體積的岩石要少，故 K_v＜1。可見，它反映的是岩體的完整程度。由完整性指數，可對岩體的工程力學性質進行分類，如表12-7。

表12-7工程兵某部的岩體分類研究

（4）聲速與岩性：不同岩性由於其結構、礦物組合、成因、地質年代等因素的不同，聲速是不同的。又由於節理、裂隙等結構因素，它們的聲速並不固定，而分布在一定范圍。表12-8是常見到的幾種有代表性岩體的縱波聲速統計值。

表12-8常見岩體的縱波聲速統計值

（5）聲速與岩體風化：同一種岩性風化程度的不同其聲速有著明顯的區別（表12-9）。以長江三峽三斗坪壩岩體風化程度與縱波聲速為例，說明用縱波聲速劃分岩體風化的可行性。

表12-9風化岩石縱波聲速值（波速單位km/s)

（6）聲速與岩體的裂隙：眾所周知，岩體裂隙無論是原生的還是後期因地應力作用產生的次生裂隙，裂隙的出現便是岩體風化的開始。所以，有必要論述聲速與岩體裂隙及風化相關的機理。

聲學理論中的「惠更斯原理」對這一機理做出了合理的解釋。惠更斯原理指出：彈性介質中，在某一時刻 t，聲波波前上的所有點，均可視為該時刻開始振動的新的點振源，各點振源產生新的球面波，這些球面波在 t＋△t後波前的包絡的疊加組合，形成新的波前，如此循環不已。故當波動的前方有裂隙存在時，在裂隙尖端所產生的新的點振源將可繞過裂隙繼續傳播，形成波的「繞射」。繞射的過程聲線「拉」長，聲時（聲波傳播的耗時）加長，使視聲速降低，故聲速不僅可對岩體的風化程度加以劃分，對岩體中存在的裂隙有著極為敏感的反映，特別是張裂隙。

（7）聲速與岩體結構的關系：岩體的結構可分為四類：整體塊狀結構、層狀結構、碎裂結構、散體結構。聲波在整體塊狀結構中的傳播速度最快。後三類結構中，由於岩體的節理裂隙發育程度不相同，聲波在這種非均質介質中傳播，將會在不同的波阻抗界面產生波的反射、折射、波形轉換等，使聲線拉長，從而使聲速隨結構的復雜而降低。但在聲波的傳播中還有一個原理，即「費瑪原理」。費瑪原理指出：聲波從一個點向另一個點傳播，會沿著最短、最佳、最不費時的路徑傳播。這就決定了隨著岩體結構的不同，聲波的傳播走時是會有一定規律的，其關系如表12-10。

表12-10聲速與岩體結構

（8）聲速與地應力：裂隙對聲速的影響稱之為「裂隙效應」。岩體受到外界應力作用時，其變形首先是裂隙的壓密，由此可使聲速提高。但當應力超過強度極限，岩體又會出現新的裂隙而使聲速下降。圖12-7是四塊岩石試塊（砂岩）應力與聲速關系的實測曲線。

圖12-7岩石應力與超聲波波速的關系

P—壓力方向；F—發射換能器；S—接收換能器

根據上述原理，對岩體做應力釋放處理測取應力釋放前後的聲速，然後再對取得的岩心加壓測量其聲速，可推測出地應力的量值及方向。

12.3.1.2有限固體介質中的聲速

（1）一維桿的聲速：固體介質的尺寸和波長滿足下列關系稱為一維桿。即：

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式中：λ為波長，D是一維桿直徑，L是一維桿的長度。這時桿軸線方向的縱波聲速存在下列關系：

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顯然，

與無限體的縱波聲速相差

0.25,

，見（12.10式），當σ＝0.2～

（2）二維板的聲速：當固體二維板在x及y方向的尺寸遠大於：方向尺寸，且z方向的尺寸L_z＜λ時，二維板在x及y方向的縱波聲速如下：

而橫波聲速不依賴幾何尺寸。

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討論—維桿及二維板的縱波聲速，目的在於對滑坡體治理時可能採用抗滑樁及擋土牆等工程治理措施，其施工質量的檢測大多會採用聲波透射法及聲波反射法。對於正常聲速的取值及動彈性力學參數的測算，分別應使用（12.8式）及（12.9式）。抗滑樁使用混凝土的情況較多，一維桿使用反射波法對混凝土優劣的聲速劃分與用聲波透射法不同，見表12-11。其不同的原因是反射波使用的聲波頻率在1kHz左右（A=4m左右）屬一維桿的縱波聲速，而聲波透射法使用30kHz左右的頻率（λ＝0.13m左右）屬無限體的聲速。

表12-11測樁混凝土聲速分級

12.3.1.3聲波的反射、折射及波型轉換

聲波在固體介質中的反射、折射及波型轉換是岩體及砼聲學檢測的重要理論依據。

（1）垂直入射時的反射及透射：當固體介質不連續時，如存在波阻抗界面（波阻抗的定義是介質密度ρ與聲速c的乘積，即Z＝ρc），如圖12-8，如聲波傳播的聲線與x=n的界面相垂直，則為垂直入射。在該界面處，質點振動振速 v及振動產生的聲壓P具有聲壓連續及振速連續，如下：

圖12-8聲波（平面波）的入射、反射及透射示意圖

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式中：P、v為入射聲速的聲壓及振速；P₁、v₁為反射聲壓與振速；P₂、v₂為透過的聲壓及振速。將波阻抗Z＝ρc關系代入上式可求出：

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（12.22）式中的R_P為聲壓反射系數，（12.23）式中的_Rv為振速反射系數。它們從不同角度說明聲波反射的同一物理現象，聲壓反射系數說明了反射時質點振動的應力關系。同理可推導出聲壓透過系數。

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垂直反射比較簡單，不產生波型轉換。

（2）斜入射時的反射、折射及波型轉換：如果在波阻抗界面處入射聲波不是垂直入射，將產生反射、折射及波型轉換，其規律見圖12-9及圖12-10。

圖12-9聲波斜入射時的反射示意圖

註：

(a）縱波斜入射；（b）橫波斜入射

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反射、折射規律遵循Snell定律，如（12.25）式：

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式中：α_l、

β_l、β_t的含意見圖12-9及圖12-10。由（12.25）式可得到一個重要的入射角，稱為第一臨界角α_i：

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該式說明：當縱波入射角等於第一臨界角時，在比第一層介質聲速高的第二層介質中的折射角等於90°，即折射波在第二層介質表面滑行。

（3）斜入射時的反射及折射系數：圖12-9(a）縱波斜入射的反射系數 R_P（如式12.27），而圖12-10(a）中聲波的透過系數R_T（如式12.28）：

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（12.27）式及（12.28）式中的Z₁＝ρ₁c₁,Z₂＝ρ₂c₂，分別為上下層介質的波阻抗。

（4）聲波的繞射及散射：用惠更斯原理可解釋聲波的繞射，前文已述及，不再贅述。

聲波在介質中傳播，如介質中含有隨機分布的不同波阻抗的顆粒，而這些顆粒的幾何尺寸 r＜λ（λ為波長），這時聲波將被這些顆粒反射而散射開來，使聲波不能全部向前傳播形成聲能的損失，這種現象稱為散射。

12.3.1.4聲波的波幅及聲波的衰減

聲波的傳播是質點振動的傳遞過程，單位時間傳遞的距離就是「聲速」，而質點在振動傳遞過程中其振動的幅度便是聲波的「波幅」。聲波波幅會隨著質點振動相互碰撞，在將動能轉換成熱能的過程中，質點振動的能量耗損使其振動幅度漸減，稱之為聲波的衰減。聲波的衰減顯然隨介質材質、結構及聲波頻率的不同而各異，同一種介質，聲波頻率高衰減快。

在聲波檢測技術的應用中，目前還沒有用聲波的衰減評價被測介質特性，而是通過測量聲波波幅的變化檢測諸如岩體內裂隙的發育情況、風化特徵以及混凝土內部的各種缺陷等。

聲波的波幅A與傳播距離有下列關系：

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兩式中：A_m為發射點的聲波波幅；α為聲波衰減系數，l為傳播距離。（12.29）式適用平面波，（12.30）式適用球面波。

12.3.1.5聲波的頻率

由富氏變換可知，聲波檢測發射的脈沖波是由多個不同頻率的正弦波組成。在岩體中隨著傳播距離加大，或由於岩體裂隙的發育程度、風化程度的不同，接收到的脈沖波的高頻信號衰減快，使接收信號的主頻（能量最豐富的頻率）降低。故接收到的聲波信號的頻率特性，可反映出岩體的物理性狀。

12.3.1.6聲發射現象與凱薩效應

當岩體受到外力作用，例如地下殘余應力、人為或自然界對岩體產生擾動引發的應力集中等，超過岩體的強度時，岩體內部將被破壞。這種破壞往往要經歷一個過程，開始時局部產生微破裂，出現一些新的裂隙，當外應力增加，這種破裂的數量（次數）增加，新生的裂隙增加並延伸，外應力增加到一定程度後，最終造成整塊岩體破損坍塌。在上述岩體受力破壞的過程中，每產生一次破裂，能量被釋放並轉換成一次脈沖波動，形成一組聲脈沖，稱為「聲發射」。每出現一次聲發射，即為一次聲發射「事件」。

聲發射現象產生的脈沖聲波的頻譜甚為豐富，據國外文獻及國內有關單位研究，其頻率的上限到兆赫，下限到千赫。因此，可以在距離聲發射點幾十米以外接收到聲發射信號，一般接收儀器接收到的是主頻數千赫以下的聲發射脈沖波組。由所接收到聲發射事件的次數、單位時間內事件數，及聲發射信號的波幅強度等動力學特徵，可對岩體是否失穩進行預報。

岩體聲發射現象，還有一個特殊效應系由凱薩氏發現，定名為「凱薩效應」。從岩體上取下一塊完整的岩石試樣，放在材料試驗機上緩緩施加壓力，在所加壓力未超過它歷史上所受到應力之前，是不會發生聲發射的。由此，從加壓後開始出現聲發射現象之前的一級壓力，即為該岩體歷史上所受到的最大應力。

12.3.2觀測方法

聲波檢測（主動式）的全過程，可用圖12-11加以說明。當今聲波檢測儀均已數字化，現以數字化聲波檢測儀的發射、接收、數據採集及信號處理過程說明聲波檢測的觀測原理。

圖12-11聲波檢測（主動式）原理框圖

（1）聲波的發射：傳統的聲波儀用壓電型換能器的逆壓電效應將電脈沖信號轉換成機械振動，向岩體輻射聲波，其透射距離在10m以內（頻率20～50kHz）。為加大穿透距離，聲波儀也可以用電火花、錘擊等單次瞬態激勵振源向岩體發射聲波（頻率約3kHz以下）。

（2）聲波的接收：傳統的聲波儀多使用壓電型接收換能器的壓電效應，將經岩體傳播後的聲波信號轉換成電信號，這些信號攜帶了岩體的物理力學及地質信息。

（3）放大及數據採集：見圖12-11，由接收換能器送出的信號先經接收放大系統加以適當的放大，再經A/D轉換數據採集系統對放大後的信號由A/D轉換器將模擬信號轉換成二進制數字信號，並按采樣的時間順序存儲在隨機存儲寄存器（RAM），再將這些離散的二進制數字信號送入微電腦，最終接收換能器接收到的聲波信號波形顯示在電腦顯示屏上。目前最高檔的聲波檢測儀，在將波形顯示在屏幕上的同時，可將接收信號的首波波幅及首波的到達時間（即聲時）自動加以判讀，同時加以顯示。接收到的波形、波幅、聲時等可存入電腦的硬碟或軟盤，用作下一步的分析處理。上述聲波信息可在專用的數據與信息處理軟體的支持下，對被測介質作出評價。

（4）被動式聲波檢測：岩體中的聲發射信號、滑坡體蠕動產生的摩擦聲信號統稱為「地聲信號」。對這些信號的接收過程與圖12-11基本相同，只不過沒有聲波發射系統，但接收是多通道的（三個以上），故稱之為被動式聲波檢測。另一個重要的不同點是，它需要計時系統，記錄出現地聲的時刻，同時需對地聲脈沖信號的主頻、波幅量化處理後存儲記錄，統計出地聲事件出現的頻度。被動式聲波檢測儀必須長時間連續工作，提供不間斷的觀測記錄。地聲監測是地質災害的勘查手段之一，對於研究地質災害發展規律十分重要。

12.3.3檢測方法

由檢測對象及檢測目的的不同，聲波檢測有多種方法。

12.3.3.1透射法

發射的聲波經被測介質傳播透過後，由接收換能器接收的測試方法為透射法。

（1）表面測試：工程場地的岩體、混凝土，如需檢測內部結構特性、缺陷及力學性能，而目標體又有外露的測試面，可採用對測法，如圖12-12(a）；只有一個檢測面時，可採用平面測試法，如圖12-12(b）。

表面測試多用於地下洞室、隧道、邊坡、大型橋墩等如圖12-13。

圖12-12表面測試原理圖

I—聲波檢測儀；T—發射換能器；R—接收換能器；M—檢測介質

圖12-13聲波表面測試示意圖

1～3—隧道及洞室；4—橋墩類

＞發射點；接收點

（2）跨孔測試：在兩個相距一定距離的鑽孔中，分別放入發射振源和接收換能器，如圖12-14。具體方法有同步提升測試法，圖12-14(a）；斜測法，如圖12-14(b）；及扇面測試法，如圖12-14(c）。

跨孔測試用於孔間岩體破碎帶、岩溶、滑坡的滑帶（床）的測試；扇面測試用於聲波層析成像（CT）測試。此外，跨孔測試還用於防滑樁、擋土牆等地質災害防治工程的工程質量檢測。

如圖12-15，在鑽孔地面旁敲擊，孔中用三分量檢波器（或壓電換能器）接收。橫敲木板可測取地層橫波聲速，直接敲地面測取縱波聲速。地面—孔中測井可用於測取地層動力學參數，劃分地層，對滑坡體進行檢測，掌握滑床（帶）部位、物理性狀等。

圖12-14聲波跨孔測試示意圖

T—發射振源；R—接收換能器；H—鑽孔

12.3.3.2折射法——單孔一發雙收聲測井

如圖12-16，發射換能器 T近似點振源，故總有一條聲線滿足第一臨界角，這時進入岩體的聲波折射角為90°，射波沿孔壁滑行，以後又被相距L的R₁及相距為L＋△L的R₂接收，其聲時分別為t₁及 t₂。聲速v_P為：

圖12-15聲波地面—孔中測試示意圖

I—聲波儀；R—三分量檢波器；B—帖壁氣囊；M—岩體；H—鑽孔；W—激振木板；P—壓力；F—正向激振；F′—反向激振I—聲波儀；T—發射換能器；R₁、R₂—接收換能器；M—岩體；H—鑽孔

圖12-16單孔一發雙收聲波測井原理

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單孔－發雙收聲波測井用於岩體風化殼劃分及強度評價，深部地層的構造、軟弱結構面、破碎帶埋深及發育的勘查。

一發雙收聲波測井必須注意的問題是，接收換能器R₁在接收到沿孔壁滑行折射波的同時，還能接收到由井液中直接傳播的聲波，因此必須保證滑行波的走時t_.小於井液中傳播的聲時t_w，才能保證正確的測試。由於岩體的聲速大於井液的聲速，所以，只要加大發射換能器 T與接收換能器R1之間的距離 L(L稱源距）即可達此目的。通過計算可求得最小的源距 L_min有下列關系：

（12.32）式中D為鑽孔直徑；α為換能器外徑；C_w為井液聲速；C_m為岩體縱波聲速的最低值。

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（12.31）式說明，當一發雙收換能器的直徑及源距確定後，所能適用的鑽孔孔徑也就被限制在一定范圍之內。用其在鑽孔中進行測試之前，應按（12.31）式核算一下是否適應孔徑。

12.3.3.3反射法

圖12-17是樁（或混凝土擋土牆）反射波測試示意圖。用手錘或力棒敲擊樁頂產生入射波T，在樁底（或有缺陷 F）產生反射波R(R′）。接收感測器 T_，先後接收到直達波D、缺陷反射R′及樁底反射波R，即可由檢測儀器I將它們依次記錄。由記錄的波形可判斷樁是否完整，或有無缺陷，以及樁身混凝土聲速，並由聲速推斷混凝土質量（強度等級）、缺陷的位置。

圖12-17樁（牆）反射波測試

I—儀器；H—手錘；Tr—感測器；P—樁（牆）；F—缺陷；E—地層；T—入射波；R—樁底反射波；R′—缺陷反射波；D—直達波

上述樁的反射波法，實際是一維桿的「零」偏移距反射波法（也就是淺層地震所謂的最小偏移距反射法）。按此原理，還可以對地下連續牆、擋土牆進行牆體的完整性及深度檢測。依此類推，也可以對地下隧道開挖面前方的岩體破碎帶、溶洞等不良地質體進行「零」偏移距反射波法測試，目前已取得較好的實測結果。

12.3.3.4岩石樣品的聲波測試

（1）岩石樣品（試件）聲波測試的目的。岩石樣品多由鑽探取芯或工程現場取樣獲取。測試岩石樣品的目的是：獲取無結構面的完整岩石聲速，作為評價岩體完整性的基礎數據；研究聲速與應力間的關系；利用凱薩效應掌握歷史上曾受到過的地應力的最大值；提供岩石動彈性力學參數 E_d、G_d、σ等。

（2）岩樣的幾何尺寸與測試頻率的選擇。岩石樣品幾何尺寸較小，按有關規程規定，其尺寸應為5×5×5(cm）、5×5×10(cm）、φ7×5及φ7×10(cm）。為了獲取無限體的聲速，必須採用高頻換能器測取縱波、橫波聲速v_p、_v。頻率的選取原則是 D≥（2～5)A如2.1.1(B）節中的要求。因此，聲波換能器的頻率應在200～1000kHz，儀器的測量聲傳播時間的解析度，應達到0.1μs。

表12-12多種聲波檢測方法總匯

（3）岩石樣品的加工要求，見原地質礦產部《岩石物理力學性質試驗規程》（1986年12月頒布）。

12.3.3.5多種聲波檢測方法總匯

因檢測目的的不同，聲波檢測有著多種測試方法，各種方法又隨探測距離各異，出現多種發射振源及不同接收方式。各種聲波檢測方法的總匯如表12-12。

12.3.4信號處理

我國的聲波檢測儀已普遍實現數字化並領先於國際水平。數字化的實現，加速了信號處理技術的提高。目前已在多個方面應用了信號處理技術，並開發出了相應的處理軟體。

（1）為研究應用聲波信號的頻率特性，傅氏變換頻譜分析技術普遍用於聲波檢測，並備有相應軟體供用戶使用；

（2）高、低、通數字濾波軟體，用於濾除不同的干擾信號；

（3）積分處理對接收信號進行積分運算，將振動加速度信號轉換成振動速度型信號及消除接收信號（直達波及反射波）的余振；

（4）多點平滑濾波將數字序列中的第i點信號（i=0、1、2、3、……N）與相鄰的i+n個信號幅度相加除以i+n的值作為i點的波幅，目的是消除噪音使波形光滑；

（5）疊加處理將n次（n任選）發射、接收到數字信號序列逐點相加，使波幅增強，以提高信噪比，消除隨機噪音。

上述信號處理軟體，多已裝入儀器，可以方便地調用。

12.3.5數據處理

數據處理的目的是用測取的聲學參量，以及由它們衍生出的物理量評價岩體的結構、物理力學性能及混凝土結構強度、完整性等。

（1）聲速計算：

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其含義與（12.10）式及（12.12）式相同。

（2）岩體完整性指數（K_v）：

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式中：vP_m為岩體縱波聲速[km/s],vP_r為岩石試件縱波聲速[km/s]。根據《工程岩體分級標准》（GB50218-94）,K_v定性劃分岩體完整程度的對應關系如表12-13。

表12-13K_v定性劃分岩石完整程度的對應關系表

（3）准岩體抗壓強度（F_m）:

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式中：F_r為岩石試樣的單軸抗壓強度。

（4）岩體風化系數（I）：

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式中：

為完整岩體的縱波聲速；

為風化岩體的縱波聲速。

（5）動彈性力學參數：當測取了岩體及混凝土的縱波及橫波聲速，可求得下列動彈性力學參數

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（12.36）至（12.38）式中：v_P、v_s為縱、橫波聲速；ρ為密度。

12.3.6儀器設備

（1）水文地質工程地質專用聲波測井儀見表12-14。

表12-14水文地質工程地質專用聲波測井儀一覽表

（2）典型超聲波（聲波）檢測儀見表12-15。

（3）電火花振源：為加大聲波穿透距離，可使用大功率電火花振源。其原理是：在高壓儲能電容上充4～8kV電壓，然後通過電纜及放電電極在水中瞬間放電，使水高熱氣化，產生激勵脈沖聲波。其特點是：能量可控、一致性好、能量大。攜帶型電火花振源的能量可達300～700J（焦爾），湘潭市無線電廠生產，型號XW5512A。

表12-15典型超聲波（聲波）檢測儀

（4）發射與接收換能器：由於聲波測試方法的不同，需要有多種換能器，滿足不同的測試要求。現有定型生產的各類換能器，表12-16所示給出了它們的名稱及主要技術性能、外形尺寸、耦合方法及適應的測試方法。

表12-16定型生產的各類換能器

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⑼ 聲速是怎麼測出來的拜託了各位 謝謝

聲速測量儀必須配上示波器和信號發生器才能完成測量聲速的任務。實驗中產生超聲波的裝置如圖所示。它由壓電陶瓷管或稱超聲壓電換能器與變幅桿組成；當有交變電壓加在壓電陶瓷管上時，由於壓電體的逆壓電效應，使其產生機械振動。此壓電陶瓷管粘接在鋁合金製成的變幅桿上，經過電子線路的放大，即成為超聲波發生器，由於壓電陶瓷管的周期性振動，帶動變幅桿也做周期軸向振動。當所加交變電壓的頻率與壓電陶瓷的固有頻率相同時，壓電陶瓷的振幅最大，這使得變幅桿的振幅也最大。變幅桿的端面在空氣中激發出縱波，即超聲波。本儀器的壓電陶瓷的振盪頻率在40kHz以上，相應的超聲波波長約為幾毫米，由於他的波長短，定向發射性能好，本超聲波發射器是比較理想的波源。由於變幅桿的端面直徑一般在20mm左右，比此波長大很多，因此可以近似認為離開發射器一定距離處的聲波是平面波。超聲波的接受器則是利用壓電體的正壓電效應，將接收的機械振動，轉化成電振動，為使此電振動增強。特加一選頻放大器加以放大，再經屏蔽線輸給示波器觀測。接收器安裝在可移動的機構上，這個機構包擴支架、絲桿、可移動底座（其上裝有指針，並通過定位螺母套在絲桿上，有絲桿帶動作平移）、帶刻度的手輪等。接收器的位置由主、尺刻度手輪的位置決定。主尺位於底座上面；最小方尺位於底坐上面；最小分尺為1mm，手輪與絲桿相連上分為100分格，每轉一周，接收器平移1mm，故手每一小格為0.01mm，可估到0.001mm