声速测量篇1
关键词: 空气中声速测量方法 改进 注意点 优点
一、常见空气中声速测量方法
声速的测量通常有两类方法:一种方法是测量声波传播的距离s和时间t,然后根据公式v=s/t计算出声速;另一种方法是测量声波的频率f和波长λ,然后根据公式v=λf计算出声速。
前一种方法只需要长度测量工具刻度尺和时间测量工具秒表,后一种方法则需要声速测量仪、示波器、信号发生器等专业工具,且后期的分析处理较为复杂。所以在初中物理学中声速的具体测量方案都是基于前一种方法设计的。教材中普遍使用了发令枪测声速,即一名同学持发令枪在起点发令,另一名同学在终点测出看到发令枪冒烟和听到枪声间的时间间隔t,再根据公式v=s/t算出空气中声速。
在实际教学中,我们基于前一种测量原理,进行了各种声速测量尝试,找到一种较为准确且简单的测量方法:利用摩托车测量法。
二、改进后的空气中声速测量方法
1.实验原理
v=s/t。
2.实验器材
摩托车(豪爵海王星)、卷尺、秒表(电子式)。
3.实验方案
首先用卷尺测出合适的直线距离s,在该直线距离的起点放置一辆摩托车,并将摩托车头部正对直线距离终点的同学乙,起点同学甲使得摩托车喇叭和头部车大灯(头灯)同时工作,终点的乙同学自看到摩托车车灯亮起时开始用秒表计时,待听到摩托车喇叭声时停止计时,所测时间即为声音在直线距离s中传播所用时间t,再根据v=s/t计算出空气中的声速。
为了解决传统发令枪测声速中距离难把握的问题,我们在实验中采取从声源(摩托车喇叭)逐渐远离的方法进行了对比,在确保能较清晰地听到声源发出声音的前提下,通过多次比较发现距离在600m左右为最佳,大大减小了人的反应时间对测量结果的影响。
4.实验数据及处理
在多次对比实验的基础上了最终确定了直线距离为s=612m,并测量出了18组数据。根据公式v=s/t我们分别算出18次实验中的声速,如表1所示。
根据多次测量取平均的方法,根据18次所测得声速求得所测声速为v=327.8m/s。
同学甲将起点摩托车移至终点位置,而乙同学移至起点,重复实验,再测出18数据。根据公式v=s/t,我们分别算出了18次实验中的声速,如表2所示。
根据多次测量取平均的方法,根据18次所测得的声速可求得所测声速为v=321.5m/s。
5.实验思考
为什么两次实验结果有较大的差异?
分析:测量中所选择的直线距离沿着南北方向,两次声源和测量者的位置正好相反,前18组数据是顺风测量的,而后18组数据是逆风测量(风向为西北风),风速影响了声速。
三、实验注意点
综合多次实际测量操作,在具体实验时我们需要注意以下几点。
1.所选摩托车的车头大灯亮度较亮,摩托车喇叭声音较响。
2.所测直线距离要适中,对于豪爵海王星踏板摩托车距离600m左右较为合适。不同型号摩托车的喇叭响度不同,在实际实验中可采取从声源处逐渐远离的方法寻求最佳距离。
3.为保证车灯和喇叭同时工作,先将车灯开关打开,同时左手长按喇叭按钮,右手通过拨动钥匙来使得摩托车电路接通,使得车灯和喇叭同时通电而同时工作。
4.尽量选择无风或风速较小时进行实验,以减小风速对声速的影响。
5.为防止环境噪声的影响,可选择晚上进行实验,而且可增加对车灯的可视度,提高实验的精确度。
6.在具体实验前,甲乙同学应进行多次练习,熟练配合,实验时应该进行多次实验,确保实验测量的准确性。
四、实验方案优点
该方案原理简单,所用器材简单常见,无需专业测量仪器,操作简单,可行性较强,适宜所有中学使用。更重要的是在夜晚漆黑安静环境中操作实验,摩托车车灯的视觉效果和摩托车喇叭声音的听觉效果较好,实验中声音传播距离较长,最大限度地减小人的反应时间的影响,测量结果较精确。
参考文献:
[1]中华人民共和国教育部.全日制义务教育物理课程标准[S].北京:北京师范大学出版社,2001.
[2]安忠.中学物理实验教学研究[M].北京:高等教育出版社,1986.
[3]刘炳生,冯容士.中学物理实验教学与自制教具[M].上海:上海教育出版社,2000.
声速测量篇2
关键词：声速；实验；测量方法；实验数据；技能
声速的测量实验，基本有三种测量方法：驻波法(共振干涉法)；相位比较法(李萨如图法)； 时差法。通过对三种测量方法分析，我认为三种测量方法各有优缺点。前两种方法存在一定的视觉测量误差，测量结果不确定性的增大，容易引起测量精确度的降低，但操作性强，便于实验者技能的培养；后一种方法精确度大大提高，在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用，但因为由仪器本身来计测有关数据，对实验者的实验技能和技巧没有太大帮助。建议实验者带着比对、加深印象目的使用这三种方法进行测量声速。建议优先用相位法、驻波法测量并分析误差的原因，有利于理论和技能的综合提高。如增加实验组数，也有效增加了测量的精确度。下面就三种方法简单介绍并实验说明。
实验介绍：
1、驻波法(共振干涉法) 由测试架上发射换能器发射出的声波经介质传播到接收换能器时，在接收换能器表面(是一个平面)产生反射。此时反射波与入射波在换能器表面叠加，叠加后的波形具有驻波特性。从声波理论可知，当二个声波幅度相同，方向相反进行传播时，在它们的相交处进行声波干涉现象，出现驻波。而声强在波幅处最小，在波节处最大。所以调节接收换能器的位置，通过示波器看到的波形幅度也随位置的变化而出现起伏，因为是靠目测幅度的变化来知道它的波长，所以难以得到很精确的结果。特别是在液体中传播，由于声波在液体中衰减较小，发射出的声波在很多因素影响下产生多次反射叠加，在接收换能器表面已经是多个回波的叠加(混响)，叠加后的波形的驻波特征较为复杂，并不是根据单纯的两束波叠加来观察它的幅度变化，来求出波长。因此用通常的两束波叠加的公式来求速度，其精确性大为下降，导致测量结果不确定性的增大。通过在测试槽中的左、中、右三处进行测量，可以明确看出用通常的计算公式，在不同的地方计算得到的声速是不一样的。
2、相位比较法(李萨如图法) 声速在传播途中的各个点的相位是不同的，当发射点与接收点的距离变化，二者的相位差也变化。通过示波器用李萨如图法进行波长的测量。与驻波法相同的是都是目测波形的变化来求它的波长，同样测量结果存在着一定的不确定性。同样因为声波在液体中传播存在着多个回波的干涉影响，从而导致测量结果的不确定性的增大。
声速测量篇3
关键词：声速测井、煤田、原理、应用
中图分类号：O434文献标识码： A
1、引言
从上世纪50年代开始，声速测井技术就已经出现，在经历了半个多世纪的发展，已经成为地球物理测井领域的重要技术，在当今应用十分广泛，如用于油气储藏、煤田地热、工程勘察、地质灾害研究等方面，都发挥着积极的作用。声速测井也称为声波时差或声波速度测井，通过声波在地层中的传播距离所需的时间来反映地质结构，从而达到判断岩层、煤层、对比地层、确定岩层孔隙度等目的，论文针对煤田测井方面的内容做简要的概述，就其测井的原理和应用做一些探讨。
2、声速测井的特点及原理分析
2.1声速测井在煤田勘探中的特点
在煤田勘探中采用声速测井的优点是解决煤层的深、厚度等技术问题，主要采用声波全波列测井、声波速度测井和井下超声成像测井。声速测井可以提高煤层定厚定性解释的可靠性和准确性。但是在运用声速测井时，井的直径会影响泥岩和煤层的区别，煤层中的石英会降低煤的孔隙度。声速测井应用于煤田勘探中，操作简便、准确度高，并且成本较低，能够取得很好的经济效益，因而应用非常广泛，但深入的技术改进工作仍然有待进一步开展。
2.2声速测井在煤田勘探中的原理分析
声速测井的信号由发射器发出的纵波，沿着井壁传播，测量纵波到达近、远接收器的时间差。依据射线声学理论，在井内传播的有一次和多次反射波、直达波、滑行横波和滑行纵波，而在这些声波中，只有滑行波可以携带井外地层的速度信息，因而要测量地层的横波或纵波速度，应该记录到滑行波。声速测井中的各种波会形成叠加、干涉，产生综合效应的波列。在这些波列中很难区分直达波、滑行波、一次和多次反射波，因而可以根据滑行波的特点，选在适当的接受间距和接收点，使滑行波可以及早的到达接收器， 这样就可以进行波形的识别和提取。而形成滑行波的最为基本的条件是地层中的纵波的速度要大于井内的流体中的纵波的速度，并且要选择适当的源距保证滑行纵波作为首波达到接收器。
声速测井主要是通过地面控制器、井下换能器和记录处理系统三个部分组成，井下仪器的主要部分是换能器，换能器可以完成声电信号的转换，分为声发射探头和接收探头，可以进行电-声和声-电的转换。声速测井的仪器有单发单收、双发双收和单发双收三种，在煤田地质的勘探中，普遍采用单发双收的模式，可以减少钻孔的影响，其原理如图1所示。
图1：声速测速的原理
3、声速测井在煤田勘探中的应用
3.1声速测井在煤田勘探中的影响因素
声速测井在煤田勘探中的影响因素包括探头、源距和间距、周期跳跃等，声速测井采用脉冲式发射，频率为15次/秒，声波频率为24KHZ，发射器和接收器都采用φ42×φ37×φ35径向激化锆钛酸铝。 为了保证滑行波折射后首先达到接收探头，要提高讯噪比，尽量缩短源距，间距小可以提高分辨能力，但太小会使两接收器的时间差值很小，影响测量结果，因而间距取值适当。周期跳跃和岩层有关，在破碎带、裂隙地层、井径扩大明显、泥浆中溶有气体和声速非常高的岩层都会存在，是一种无规律的现象，不应作为主要的依据，但要改进仪器，尽量减少干扰。
3.2煤层划分
煤的波速在煤系地层中最小，一般为1900-2500m/s之间，在时差曲线上，往往以高异常反映出来，对于厚度大于测量间距的夹层和煤层，曲线有明显的反映。
3.3划分地层和对比地层
声波在地层中的传播是岩石弹性和密度的函数，不同的岩性具有不同的传播速度，因而根据时差曲线划分不同岩性的地层。在自云岩、石灰岩、火成岩等一些致密的地层中，声速大、时差小，时差曲线显示为低值；在泥岩中，声速小，时差曲线显示为高值，砂岩的声速小于石灰岩而大于泥岩，因而介于两者之间。由于煤层的声速低，在时差曲线上反映为高值，但泥岩会造成一定的干扰，导致分不清炭质页岩和煤层的界面，因而需要和密度曲线结合来进行解释。
3.4确定地层的孔隙度
声速的传递和岩石的密度直接相关，而密度又和孔隙度相关，对于均匀的粒间空隙地层，在实验室研究的基础上，得到了公式：1/V=φ/Vf+(1-φ)/Vma，其中φ为孔隙度，V为声速测井曲线读数，Vf和Vma为地层空隙中流体声速和岩石骨架的声速。
4、结束语
声速测井技术广泛应用与煤田勘探中，对于煤田开采可以提供重要的数据，因而研究其原理、影响因素和应用的情况，对于提升相关的研究水平具有积极的意义，论文基于笔者的工作研究，做简要的分析，相关论点有待深入研究。
参考文献：
[1] 田秋生; 王铁利. 声速测井在煤田地质勘探中的应用[J]. 西安文理学院学报(自然科学版). 2011-04-15.
[2] 彭化伟; 黄锐; 孙宝喜. 声速测井技术方法和应用[J]. 黑龙江水利科技. 2010-12-20.
[3] 马世稳. 声速测井在煤田勘探中的应用[J]. 河北煤炭. 2008-12-25.
声速测量篇4
聂洪（1987-）；男；民族：汉；籍贯：贵州省威宁县 就读于贵州师范大学物理学专业，本科
摘 要：测量声速方法有很多种。本文从测量空气中声速出发，比较如有时差法，共振干涉法，相位差法等方法。从实验原理，实验结果和实验误差等三方面对三种方法进行比较，从而体现改装过的时差法的一些优劣。
关键词：改装时差法，比较。
引言：
声速测量是物理学中最为常做的实验之一，其方法有许许多多种。声速测量也能更好体现物理学习过程和科学探究精神，对探索物理世界的知识的方法和更好的揭示物理现象与本质的关系。随着时间的推移科学的发展先进仪器的发明，人们对一些物理量测量越来越精确。但是每种新的方法的产生总是伴随着新优势的同时总会有些缺点。物理量测量越来越精确，如光速，重力加速度，万有引力常量等等的测量都更加精确。声速测量亦是如此。常见的声速测量方法中时差法最好理解，共振干涉法，驻波发，相位差法各具有点。声波是在弹性介质中传播的波，频率在20赫兹以下的是次声波，频率在20――20K赫兹范围内的是人耳可以闻的声波，频率在20K赫兹以上的就是超声波。每种声波对人类都有好有坏，关键是怎样认识其用途做到趋利避害，认识声波声学研究与应用涉及物理、化学、工程技术等各个领域。例如如何避免噪声、如何利用声的作用来促进化学反应、海底地质勘测（声音导航和测距）、超声探伤、超声清洗，声速的测定,在声波探伤、定伤、测距、 显示等方面都有重要的意义。
1．简单改进过的时差法
1.1实验原理
改进方法：
因为时差法测声速这实验中用到的是可闻声波，而可闻声波不是良好的线性，发散较大，波长较长，不易于定向发射等，所以测量结果误差较大。且原来的《大学物理教材实验》中时差法测声速的实验中对外界其他的可闻声波影响没有作出合理的处理方法。所以本文对时差法稍作改进。改进方法是在实验装置图中在扬声器和传声器之间加塑料管，其作用是防止外面的声波干扰，能起到很好的效果，粗细以能和扬声器和传声器弥合最好，但保证扬声器与传声器界面要严格平行，这样起到减少混响反射等影响，减少空气流动的影响［1］。
1.1.1声速描述声波在弹性媒质中传播快慢的物理量，方法有两类：
① 根据公式v=?・λ 其中?是频率λ是波长
②根据公式v=s/t,测出声波传播路程s和所需时间t即可求出速度v.即为时差法
①时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理 是基于速度v=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间，从而计算出声波的传播速度。
②连续波由控制电路调制后定时发出一个声脉冲，由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。接收到的信号经放大、滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计 算出声波在某一介质中的传播速度。因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响可以忽略不计，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。
③通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t，就可以计算出当前介质下的声波传播速度。
1.2实验内容
1.如图1所示，扬声器与低频方波信号发生器功率输入端相连接，频率取1到5赫兹。
2低频方波信号发生器电压输出端与数字式示波器CH1（通道1）连接，作为触发基准信号。
3.传声器（话筒）接收到声波信号，通过屏蔽线与CH2相连接，将光标1指示在第一个波峰上（示波器屏上显示通道2的波形）。
4.向后拉动传声器，此时示波器屏上（屏上显示通道2的波形）显示的波峰向后移动，将光标2指示在第一个波峰上。
5.读出光标1与光标2的时间差t，用尺量出传声器向后移动的距离s.并算出声速。
图1 改进
差分析
1.3.1 将测试方法设置到脉冲方式，将S1和S2之间的距离调至一定距离（50mm）。再调节接受增益，使显示时差法声速测量实验装置图
1.3实验数据处理及误的时间差值读数稳定，此时仪器内置的定时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和显示的时间值li-1、ti-1 (时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)。移动S2，同时调节接受增益使接受信号幅度始终保持一致。记录下这时的距离值和显示的时间值li、ti。则声速vi=（li-li-1）/（ti-ti-1）。多次测量算出vi值求平均得到结果。
数据表格
(空气温度T=130°C
(平均声速V=33802 m/s
(温度T=(t+27315)K= 28615 K 速度理论值= 33912 m/s E=｜V-Vs｜/Vs×100%=032%
1.3.2 不确定度的处理
(实验结论与理论值的比较，记录室温t（℃），在室温t下，忽略空气湿度的影响修正值为：v′=v01+tT0
（式中T0=27315K，v0为温度为T0时声速，v0=33145m/s。）
(把测得的波长λ值，求出声速实验测量值v，分别用绝对误差报告测量方法的实验结果结论：1 时差法测声速易于理解。
2 改进过的时差法避免了空气流动对结果的干扰。
3 声波从波疏介质正人射到波密介质其反射波存在半波损失。（作者单位：贵州师范大学物理与电子科学学院）
参考文献：
［1］ 潘正元、冯壁华、于瑶．大学物理实验［M］．南京：南京大学出版社，2002
［2］ 丁慎训，张孔时．物理实验教程(普通物理实验部分)［M］．北京：清华大学出版社，1992
［3］ 钱士庄 戴斌江都市仙城中学,江苏江都225200 考试周刊
［4］ 卢学伟用共鸣管测量声速实验的创新［J］．大学物理实验．1999．I2l4)．22―23
声速测量篇5
关键词： 嵌入式处理器; 测速测距; 超声波; 温度补偿
中图分类号： TN919?34; TP933 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）24?0087?03
Design of ultrasonic velocity and range measurement system based on STM32
CAI Guang?zhao， HONG Yuan?quan， ZHOU Yong?ming
（Department of Electronic Engineering， Shaoguan University， Shaoguan 512005， China）
Abstract： The system takes the STM32 processor as its control core， and mainly includes ultrasonic transmitting circuit， ultrasonic receiving circuit， temperature compensation module and liquid crystal display circuit. The distance and speed are calculated by measuring the time difference between ultrasonic emission and return. DS18B20 is used to detect the ambient temperature， and correct the ultrasonic propagation velocity error. The testing results show the system can measure the distance within 5 m and speed in 100 cm/s.
Keyword： embedded processor; velocity and range measurement; ultrasonic wave; temperature compensation
随着科学技术的快速发展，测速测距仪在教学、科研和生活中的应用越来越广泛。目前，市面上大多测速测距仪器是基于激光或雷达的，虽然精度高，但价格较昂贵，操作复杂，难以普及应用。而且，在很多场合，测速和测距的精度要求也不高。因此，操作简单、价格低廉、携带方便的自动测速测距仪器有广泛的应用空间。本文介绍了一种基于STM32处理器的超声波测速测距系统的设计，具有操作简单、携带方便、测量快速、性价比高等优点。
1 超声波测速测距原理
谐振频率高于20 kHz的声波称为超声波。超声波为直线传播方式， 频率越高， 反射能力越强， 而绕射能力越弱。利用超声波的这种特性， 常常用做距离或者速度的测量。
超声波发生器发出40 kHz的超声波，以声速[c]在空气中传播。超声波到达被测物体时，反射返回到超声接收器。假设超声波的往返时间为[t]。则被测物体的距离[S]如式（1）所示：
[S=ct/2] （1）
超声波是声波的一种，其速度不是一个固定值，跟温度大小成正比关系。在干燥空气中，声速的经验计算公式如式（2）所示：
[c=331.3+0.606T] （2）
式中：[T]为摄氏气温。常温15 ℃下，声速为340.4 m/s。
测量被测物移动速度时，在等间隔时间ΔT内，先后测量出待测物的距离S1，S2，利用式（3）可算得移动速度[V]：
[V=（S2-S1）ΔT] （3）
可见，超声波测速测距系统中，关键是超声波信号的发射接收以及超声波发射到遇障碍物返回的时间的准确测量[1?3]。
2 系统电路设计
超声波测速测距系统电路主要包含STM32系统接口电路、超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路等组成[4]。
系统结构图如图1所示。
2.1 STM32处理器及系统接口电路
STM32F103处理器是32位的ARM微控制器，采用Cortex?M3 内核，工作频率为72 MHz。内部集成多达128 KB的闪存，64 KB的SRAM。外设接口丰富，包括2 个12 b 的D/A转换器、3个12位的A/D转换器、3个通用16 b定时器和一个PWM 定时器。该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求[5]。STM32处理器的主要接口电路如图2所示。
2.2 超声波发射电路
超声波发射电路如图3所示。主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，微处理器I/O口PA8输出的40 kHz的方波信号TRIG，一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。这种推挽连接形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R3，R4一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间[6?7]。
2.3 超声波接收电路
超声波接收电路如图4所示，主要超声波专用接收芯片CX20106及其器件组成。超声波接收探头接收到的超声波信号，送往CX2016的1脚，在芯片内部进行放大、滤波、积分比较和整形后，7脚输出脉冲信号ECHO送往微处理器的PA8引脚进行处理。ECHO信号为高电平时，表示没有接收到超声波信号。一旦接收到超声波，ECHO产生下降沿。如果持续接收到超声波信号，则ECHO信号为周期性脉冲波[8?10]。
3 系统软件设计
系统软件设计的主要任务是控制定时器驱动超声波发送器，并计算超声波发射到返回的时间差，实现测速测距功能。
测速测距的波形图如图5所示，发送波TRIG由定时器TIM2产生，每隔T1时间，产生长度为T1的40 kHz方波，驱动超声波发送器。T1的大小与系统的最大测量距离有关。如果测量距离为5 m，声速按照常温计算，T1至少为29.4 ms，系统设置T1为50 ms。为了计算超声波发送到接收的时间差，从TRIG产生脉冲波开始，启动定时器TIM3，对系统内部72 MHz高速时钟进行计数。一旦回波ECHO产生下降沿跳变，则停止计数。根据计数值，算出T的大小，即为超声波发送到接收的时间差。
软件设计上，采用前后台系统完成程序设计。前台程序负责产生发送波TRIG和时间差T的计算。后台程序负责系统的初始化控制，回波检测，时间差、速度和距离的计算显示。后台控制的程序流程图如图6所示。
4 结 语
基于STM32处理器为控制核心的超声波测速测距系统，反应速度较快，既可以测量速度，也可以测量距离，能满足一般的日常需求。并且加入了温度补偿模块和报警模块，大大地增加的测量的准确性和产品的人性化设计。系统能够精准地测量出5 m内的距离，100 cm/s内的速度，可以广泛地应用于工地测量，管道长度测量，井深等不需要很高精度测量的场合。
参考文献
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[9] 秦伟，颜文俊.基于CX20106A的超声倒车雷达设计[J].压电与声光，2011（2）：161?164.
声速测量篇6
关键词：医用物理学；虚拟实验；实验教学；Flash
中图分类号：G642，O4-39 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2017）09-0064-04
由于医学专业学生对医用物理学认知不足，普遍对基础课程实验兴趣较低，教学效果大打折扣。为了增强学生学习兴趣，提高学习效率，我们可利用Flash动画可交互的特点[1，2]，设计虚拟实验，将医用物理学实验的内容及过程和相关知识形象生动、浅显易懂地表现出来，显示在计算机屏幕上。[3]在实验前进行虚拟实验操作，可以让学生了解本实验的测量原理和测量过程。在实验过程中运用虚拟技术分析实验的重点和难点，演示实验数据处理的方法，展示实验结论，能有效地提高实验课的教学质量。
为此，笔者专门设计了5个虚拟实验，用于课堂和实验课的教学，并取得了不错的成效。
虚拟实验《旋光仪的使用》
虚拟实验《旋光仪的使用》目的是测量旋光溶液浓度和旋光度的关系，实验界面如图1所示，包括试管选择、刻度盘调整、视野显示、角度x数等几个部分。
实验中刻度盘可以快速调整也可以细调。在刻度盘圆环上单击并拖动鼠标可以快速转动刻度盘。刻度盘细调按钮可以接受鼠标单击和双击。单击按钮调整0.05度，双击调整0.5度，而刻度盘快速调整最小单位也是0.5度。调整时刻度盘会有旋转动画，同时左右游标示数和目镜中三荫片视野各条纹亮暗程度也会相应地做同步变化。在刻度盘圆环上单击并拖动鼠标左键，调用下面这个函数：
通过选择空白试样、标准试样和待测试样，调整刻度盘使视野在暗视场状态下出现三荫片的条纹间边界消失（此时各条纹亮度相同），读取刻度盘读数，与空白试样的读数相减，可以获得标准试样和待测试样的旋光度，从而测得待测试样的浓度。每次启动这个虚拟实验，待测试样的浓度值会随机设定，测得的数值都不一样。
虚拟实验《超声声速测定实验》
《超声声速测定实验》在介绍了驻波法和相位法测声速的原理后，可以在双踪示波器上设定双踪方式（驻波法）或者X-Y方式（相位法）两种测量方式，实验装置如图2所示，主要包括频率显示、声速测定仪的调整和刻度显示、示波器波形选择和显示等三个部分。
测量界面的示波器、声速测定仪、信号源间已经正确连接完成。单击声速测定仪的接收探头左移或右移按纽，示波器上的波形就会做相应的改变，在驻波法方式下可以获得一系列波形最高时的接收探头的位置读数，而在相位法时也可获得李萨如图形为正斜率直线时接收探头的一系列位置读数，利用逐差差处理数据，可得两种测量方法下空气中的声波波长和波速。探头移动有时需要慢速精确进行，有时需要快速进行。持续按住探头左移或右移按钮不松开，探头移动速度逐渐加快，直到10倍于最初速度。
虚拟实验《用分光计测量衍射光的波长》
在《用分光计测量衍射光的波长》实验中，光栅在界面中央，分光计望远镜可以绕光栅旋转，角度游标可同时显示望远镜位置，如图3所示。
汞灯发出的复色光经光栅衍射后获得不同衍射角的单色光，移动望远镜到合适位置，在望远镜目镜的视野中用能显示衍射条纹，游标读数为目镜视野中央单色光的衍射位置，如此可以测量这些光的衍射角。分光计望远镜的移动采用按钮形式，利用鼠标中间的滚轮也可以移动望远镜，这就大大增加了操作的便利性。
当望远镜转动到某一条衍射光位置时，视野内观察到的衍射条纹会相应地动态移入分划板中心，同时主尺刻度盘配合左右游标也能获得相应的读数。望远镜动态移动的实现方式是利用setInterval函数设置转动函数wyj_rota_to的自动运行时间间隔，使望远镜在到达目的角度phi之前按setp距离连续增加，缓慢移动，到达目的角度后执行cleraInterval，使函数wyj_rota_to停止自动运行。
望远镜视野的衍射条纹的移动也可用同样的方法实现，如此实现望远镜和望远镜视野都缓慢移动到目的位置，使虚拟实验更逼真，界面更友好。由此可以读出±1级、±2级和±3级衍射光的衍射角（各种色光的每一级衍射光都有上下两条光线，望远镜分别在上下两个位置可以观察到它们，测得的衍射角需要求出平均值），利用光栅方程就可得到这些光的波长。
虚拟实验《测定液体的黏度》
《测定液体的黏度》根据已知的蒸馏水的黏度用比较法测量无水乙醇的黏度，实验装置如图4所示，主要包括乌氏黏度计和电子秒表两个部分。选择一种液体注入黏度计（蒸馏水或者无水乙醇），单击“打气”按钮（未注入液体或注入液体未完成则“打气”按钮不可用），黏度计内的液体充满B、C两个支管。给黏度计打气后，“打气”按钮文字变成“放气”。单击“放气”按钮，C支管液体立即落下，B支管液面缓慢下降。通过一个下降的遮罩矩形实现液体液面的下降这个动作，遮罩矩形下降的速度依据液体截面的大小进行调整。
B管液面在m、n刻线之间启动和停止秒表，可得一次测量数据。水浴温度数据设计为在14～20摄氏度之间随机取值，之后每一次为黏度计液体打气，有一定概率使温度上升0.1摄氏度，表示水浴温度随环境缓慢上升。实验中使用到的水的黏度和密度、乙醇的密度，可以在单击“查附表”按钮后显示。这样用户可以用内插法获得整数带一位小数位的摄氏温度下的黏度和密度数值，就可以进行实验数据的计算了。
虚拟实验《长度测量实验》
《长度测量实验》操作界面如上页图5所示，包括游标卡尺的使用和千分尺的使用。先练习用游标卡尺测量圆筒的内外径、长度、深度和用千分尺测量圆柱的直径和高，学习游标卡尺和千分尺数据的测读方法。然后进行实验，用千分尺测量长杆圆柱的直径和用游标卡尺测量圆柱的长度，计算圆柱体积，并用测量数据进行误差和不确定度的学习和计算。用两种工具测量时，形成的读数的最后一位会加减一个随机数，使每次测量数据都略有差别。
声速测量篇7
关键词：声波测井技术；岩土工程勘察；应用
Abstract: this paper first discusses the velocity measurement principles of well logging, and then discusses the influence of the main factors rock acoustic velocity, and the third by engineering example, the acoustic logging technology got the evaluation of the parameters of the dynamic characteristics of rock, both correction to explain the lithology and rocks, but also reflect the relative strength of geotechnical layer, for building design provides some reference basis; Finally, the paper also expounds the current acoustic logging technology in geotechnical engineering investigation in existence deficiency, for reference.
Keywords: acoustic logging technology; Geotechnical engineering; application
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
1前言
岩土工程勘察是查明拟建场地内及其附近有无影响场地稳定性的不良地质作用，划分场地土类型和建筑场地类别；查明场地范围内的地层结构及均匀性，提供各岩土层的物理力学指标等。当前，随着数字测井技术的不断发展提高，声速测井作为一种重要的测井方法，在油田勘探和开发、工程物探等许多领域有广泛的应用。采用声速测井技术，可用弹性波纵波速度划分岩体风化带、解释软弱夹层、评价岩体完整性、计算相关的动力学参数；可用弹性波横波速度判别沙土液化，参与计算岩土抗剪强度和相关动力学参数；其他动力学参数可用于评价地层的力学强度和结构特性。
2 声速测井的测试原理
由于不同岩层有不同的声波传播速度，采用声速测井技术（一般测量纵波速度），由仪器发射晶体发射的声波耦合后在地层中传播，经地层传播的声波被仪器接收晶体接收。因为发射晶体和接收晶体的间距是一定的，所测得的声波传播时差与传播速度成反比。根据需要可以把传播时差换算为声波速度，结合其他物理参数，还可以计算出横波速度，从而进行钻孔岩性划分、岩层风化和氧化带的确定、解释裂隙和软弱夹层、弹性参数的计算等。
2.1根据不同的声波传播速度，结合电阻率、自然伽玛等参数，对钻孔岩性进行划分。
2.2由于岩石因风化、氧化，胶结程度会变差，疏松甚至破碎，在测得声波速度后，将其与新鲜完整岩石的声波速度进行比较，波速减小量反映了岩石的疏松、破碎程度，由此可确定岩层风化、氧化带。
2.3如果岩层有裂隙及软弱夹层，当声波传至此时会速度会有所降低，在测试时如声波出现异常，可据此来解释裂隙及软弱夹层。
2.4确定弹性参数。根据弹性力学的知识，可根据介质密度ρ，介质中声波传播的纵波速度Vp与横波速度Vs确定介质的弹性参数：
E=ρVs2（3 Vp2－4 Vs2）/（Vp2－Vs2）
δ= Vp2－2 Vs2/2（Vp2－Vs2）
μ=ρVs2
k=ρ（Vp2－4/3 Vs2）
式中：E为介质的弹性模量；k为体积模量；u为切变模量；δ为泊松比。
声速测井一般提供的是纵波时差 tp，并可换算为纵波速度Vp，而横波速度Vs由经验公式计算：
Vs= Vp[1－1.1.5（1/ρ+1/ρ3）/e1/ρ]3/2
3 影响岩石声波速度的主要因素
岩石的声速指的是声波在岩石中的传播速度。理论和实践证明，岩石的声波速度主要与密度有关，并且是随着岩石密度的增大而增大，其主要影响因素有以下几点：
3.1 岩石的密度对声波速度的影响。在不同岩性的岩石中，由于岩性的岩石密度不同，声波传播速度也会不同。一般，石灰岩砂岩砂质泥岩泥岩的密度依次减小，它们的声波速度也依次减小。
3.2岩石结构。岩石胶结性差、疏松，声波速度低；而岩石胶结性好致密，则声波速度高。岩石中的裂缝、溶洞等均会对声波速度产生较大影响。
3.3岩石孔隙间的储集物。岩石中孔隙间的储集物不同，也会对岩石的声波速度产生影响。
3.4地层埋藏深度及地质时代。地层埋藏的深浅及地层时代的新老均对声波在地层中的传播产生影响。岩性和地质时代相同，地层埋深大、压力大，则声波速度高；反之，地层埋深浅、压力小，由声波速度低。同一岩性，老地层比新地层声波速度高。
3.5 岩石含水率对声波速度的影响。水对岩石的声波速度产生重要影响，随含水量增加，岩石的纵波速度和横波速度增大，但是由于岩性不同，其岩石矿物成分、胶结状况和结晶程度等因素差异很大，因此，随含水量增加，岩石的声波速度增高的速率则不完全相同，水对岩石声波速度的影响经回归分析得到如下关系：
V=V0+kw
式中：V――不同含水量状态下岩石纵波或横波速度，m/s；
V0――干燥状态下岩石纵波或横波速度，m/s；
k――水对岩石声波速度影响系数；
w――含水量。
4 工程应用实例
某工区地形比较平坦开阔，局部有缓丘及冲沟发育。覆盖层主要为黄褐色粘土、粉质粘土和乱石层，而基岩以泥岩为主，局部夹薄层透镜状砂岩，产状平缓，倾角3-5°。应勘察技术要求，用声波测井法判别划分钻孔岩性、确定岩层风化和氧化带以及确定各地层动力学参数。
4.1利用波速法计算岩土的动力参数
根据实测获得的声波传播速度（横波速度 Vs和纵波速度Vp）即可计算岩（土） 体的动弹性力学参数，为工程设计提供参考。计算公式如下：
Ed=（2 Vp2－Vs2）/2（Vp2－Vs2）
Gd= Vs2
式中：Ed为动弹性模量，MPa；Gd为动剪切模量，MPa；d为动泊松比；Vp为纵波速度，m/s；Vs为横波速度，m/s。
根据现场采集数据，处理后计算得各地层动力学参数如表1。
表1 工区各介质勘察钻孔声速测井成果
从表1可以看出，砂岩、泥岩的纵波速度较高，黏土的纵波速度较低，在综合分析解释的基础上，其既可校正地解释岩性和岩层，又可检验其推测精度。
泊松比反映的是岩体弹性性能，即在应力作用下产生纵向相对与横向相对变形量之比的倒数，反映的是岩体“软”“硬”程度。泊松比越小，岩石越坚硬。纵波与横波比值能判定岩石的完整性。波速是岩土物理性质的重要参数，波速大小在一定程度能反映岩土密实度、孔隙度、风化程度和裂隙发育程度。岩石密度小、孔隙大、裂隙多使波在传播中发生绕射，声线“拉”长，旅行时间延长，速度降低。
5声速测井技术在岩土工程勘察中存在的不足
5.1声波在具有裂缝和溶洞的地层中传播时，会因产生多次反射而使能量明显衰减，此时滑行波的幅度亦会减小。要解决这一问题，可以提高探头的发射功率，用以增大滑行波的能量。
5.2 动力学参数虽能评价岩体完整性、软硬程度、风化程度、裂隙发育等，但目前尚缺乏全国性的统一标准和规范对岩石分类，大多是一些某单位或某部分的经验值或推荐公式，因此迫切需要统一的分类标准和规程早日出台。
6结束语
综上所述，声速测井技术作为一种直接的勘察方法，其除了能够计算各种弹性参数外，还能够进行岩性划分、圈定岩体风化带和氧化带、解释岩层的裂隙及软弱夹层等，在岩土工程勘察中发挥了重要作用。实践证明， 声速测井应用效果良好，产生了较好的经济和社会效益。
参考文献：
[1]赵振宇.论声波测井在地质勘察中的应用[J].城市建设理论研究，2011（25）.
[2]刘海涛，任广智.浅层地震反射波法与声波测井在岩土工程中的应用[J].工程地球物理学报，2009（04）.
[3]谢孔金，王霞，刘全峰.声波测井技术在工程岩体围岩分级中的应用[J].建筑科技与管理，2009（02）.谢孔金王霞刘全峰
声速测量篇8
【关键词】混凝土检测 ；试块；测强；
Strength analysis of concrete detection
Zhang Minggai
Fifteen Bureau of China Railway Group Xinjiang company
[ Abstract ] concrete quality indicators to the standard test block strength as the basis, and the concrete strength test and evaluation standards clearly defined standard test cube compressive strength of structure concrete strength.
[ Key words ] concrete test block strength; detection;
中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：
一、试块法对混凝土强度值影响
试块法是目前混凝土检测方法中最基本、应用最多的一种方法，试件在一定程度上直接反映了混凝土实体的强度，通常被拿来作为对混凝土质量进行评定的重要依据。从理论上说，如果试件的制作过程符合相关规范的要求，与构件是在相同条件进行养护的，那么试压测定的结果与构件的实际强度应该是相吻合的，那么试块法测强的误差影响因素有哪些呢？
1、制作混凝土试块时不认真、马虎了事，或是养护不是十分到位，容易出现实际上混凝土实体强度是满足要求的，但是混凝土试块不合格的情况，给工程具体施工制造不必要的麻烦；还有制作试件时为图检验合格而弄虚作假，导致试块的测强误差很大，不能准确反应混凝土实体质量。
2、混凝土的取样没有严格按照规定的数量实施随机抽样，而是仅仅是在搅拌质量好的时侯才取样，如此做法必然导致所取的试块缺乏普适性和代表性，测强误差也就较大，与反映真是的工程质量有偏差。
3、试件本身质量的因素的影响，如试件实际尺寸与公称尺寸的误差；试件承压面与相邻面的垂直度；控制试验时的加荷速率情况等等都对测强结果有影响。
二、回弹法对混凝土强度值影响
回弹法借助回弹仪来测定混凝土的表面硬度，借此推断混凝土的抗压强度。在实践中，人们发现应用该种方法，有着简便，速度快和费用低等优点，同时取样是检测人员一线随机取样，可以直观地看到混凝土的浇筑质量，具有很强的真实性，技术指标的获得也比较全面，不过从实践中的方法对比来看，我们发现其精度相比较而言较差些，这里影响其测强误差的因素主要有以下几个方面：
1、选择回弹法测区的因素
实践证明，回弹法测区的选择对测强结果有较大的影响，相关规定要求在布置测构件的测区时，应严格控制相邻两个测区的间距小于2m；同时应严格控制测区与构件端部或施工缝边缘之间的距离（0.2m≤d≤ 0.5m）；回弹仪最好布设于水平方向检测混凝土浇筑面对称的两个可测面上，在构件的重要部位及薄弱部位必须布置测区，注意有效地避开预埋件。对于薄壁小构件所在处，不要布置测区，薄壁构件受到弹击作用会发生的振动，势必导致回弹能量的耗散，带来检测结果偏低。
2、测试面因素的影响
实践表明，检测时如果遇到麻面或有浮浆的构件，而且在实施回弹前没有用砂轮将测试面磨平，会带来测试结果偏低；如果我们在测试时，仅仅看到测试面达到清洁、平整是不够的，还应该看到混凝土在被水泡过之后其表面硬度会有所降低，潮湿或浸水的混凝土对回弹法检测结果的准确性有较大的影响，遇到这种情况，如果采用热火、电源对其强制干燥，容易导致防混凝土面层被灼伤，对检测精确度的影响更大。
3、碳化深度的测试取值
从技术指标来看，碳化深度值测量的准确性与回弹值一样，对推定混凝土强度的精度直接构成影响。实践中，孔洞内的粉末和碎屑如果没有清除干净就实施了测量，导致已碳化和未碳化的界线难以区分，测试误差较大。此外，采用目测方法没有采用专用测量仪器进行碳化深度值的测量也是导致误差较大的重要原因。
4、混凝土回弹值的修正
从近年来的施工实际来看，城市泵送混凝土的使用已经普及开来，因为泵送混凝土本身所具有的砂率增加，粗骨料粒径较小，流动性大，砂浆包裹层嫌厚，表面硬度较低等等特点，导致使用回弹法来推定的测区结果明显的低于其实际强度值。所以，回弹法在用来检测混凝土强度时，必须对施工单位浇注混凝土的方式有精确的了解， 并给予修正。此外，有时受到一定检测条件的限制，还存在回弹仪为非水平方向且测试面为非混凝土侧面的情况，也必须要先按非水平状态检测时的回弹值实施修正，接着再按角度修正后的回弹值实施不同浇筑面的回弹值进行修正，在进行修正时，顺序一定不能颠倒，更不能将分别修正后的值与原始值直接地进行相加或相减，这些不正确的修正做法必然造成计算错误，对混凝土强度的推定影响很大。
三、超声回弹综合法对混凝土强度值影响
该方法是将超声法和回弹法相综合的一种测强方法，其测量结果的精确度主要由它的几个主要程序完成的具体情况决定：
1、声速测量：对试块实施声速测量时，测试面的选取应取试块浇筑方向的侧面作为测试面，同时用黄油(钙基脂)做耦合剂；选择的声速测量方法上，大多采用的是对测法，即在一个相对测试面上布设3个测点，确保发射和接收探头的轴线位于同一条直线上，以3个测点的平均值作为试块最终的声值，小数点后保留一位小数记录下来，试块边长的测量精确到 1 mm。
2、回弹测试：在测试面的选择上，回弹值测量选用与声速测量不相同的另外一个相对侧面作为测试面，具体的实施是在等声速测量完毕后，将超声测试面的耦合剂擦干净，放置在压力机上下承压板之间，通过压力试验机预加30 kN~60 kN的压力，压力下，在试块相对测试面上各测 8 个回弹数值。
3、试块抗压试验：回弹数值测试完毕后卸荷，将回弹面放置在压力承板间，以(6+4)kN/s的速度连续加荷至破坏，抗压强度值精确到 0.1MPa，同时记录抗压试验结果。
4、碳化深度的测定：试块的碳化深度采用抗压强度试验过后的断面测定，用1%的酚酞酒精溶液立即滴于刚裂开的断面上，未变色(变为红色)的深度即为碳化深度。测试中发现早期高强混凝土抗碳化能力很强，试块几乎未被碳化。从超声回弹综合法测强的环节上看，涉及的程序较为繁琐，每一个环节都要求做到精细，都有可能对误差构成影响，不过从实践经验来看，只要很好地控制每个检测环节的质量其相对误差在非破损测试方法之中是最低的。
结束语
随着建筑事业的发展，对结构质量的要求越来越高，从工程实践经验来看检测混凝土强度值的方法有好多种，其中试块法、回弹法和超声回弹综合法这三种非破损测试方法应用较为频繁，本文就这三种检测方法的测强误差影响因素进行探讨。
参考文献：
[1] 国家建筑工程质量监督检验中心：《混凝土无损检测技术》，中国建材工业出版社 ,1996 年。
[2] 罗勤：《关于混凝土强度检测方法的探讨》，《建筑结构》，2010年。
[3]王端巧、许灵勇：《影响回弹法检测混凝土强度准确度的因素和对策》，《科技创新导报》，2007(32)。
