一種新的聲阻抗值測量方法

陳玉喜　單秉昆

【摘 要】本文設計了一種新的聲阻抗測量方法，該方法是通過獲取待測樣品表面超聲反射回波，并通過計算后得到該表面的聲阻抗值，該方法與傳統測量方法相比，不需要得到待測樣品的密度和聲速，具有明顯優勢。通過實驗驗證，該方法測得的結果是穩定可靠的。

【關鍵詞】聲阻抗；測量；新方法；超聲回波

【Abstract】A new method for testing sound impedance is introduced in this article.This method relies to receive the ultrasonic echo wave from the surface of samples，then we get the sound impedance through calculating the echo wave signal.Compares with the traditional way，the advantages of this method is not needing the density and sound velocity of the samples.The result of this method is proved to be stable and reliable in the experiment.

【Key words】Sound impedance； Testing； New Method； Ultrasonic Echo Wave

1 聲阻抗定義

它反映介質中某位置因聲擾動而引起質點振動的阻尼特性，并影響著介質中的聲場特性[2]。從振動與波的關系看，振動是波動的輻射源，這二者之間是存在相互作用和阻抗匹配的，聲阻抗正是這種相互作用和匹配效果的反映。在聲壓相同時，聲阻抗Z越大，相應的質點振動速度越小。

2 聲阻抗測量方法

傳統的聲阻抗測量方法是利用聲阻抗的定義， 即聲阻抗在數值上等于該種介質的密度與其中聲速的乘積，單位為×106kg/（m2·s）。所以傳統上測量某種介質的聲阻抗時，需要分別測量出該介質的密度與聲速，然后進行相乘便可得出其聲阻抗值，這無疑是較為簡單和有效的。但對于一些比較特殊的材料來說，如果無法測量其密度或者聲速，亦或是想要測量一個內部特性變化材料的某一個截面的聲阻抗值時，這種方法就無法適用了。

本文中設計的聲阻抗測量方法稱為回波測量法，利用的原理是界面兩側介質與超聲波在界面上的反射和透射率的密切關系[2]。當聲波垂直入射到平界面時（如圖1所示），超聲波聲壓反射率rp與界面兩側介質聲阻抗值具有密切關系。

3 結果分析

在驗證實驗中，我們制備了4組共20個試樣用于測試，試樣是由鐵粉與少量樹脂混合燒結形成，圓柱形，直徑30mm，高20mm，待測表面由1200號砂紙仔細研磨后拋光，以保證各樣品具有相同的表面粗糙度。

我們分別利用密度聲速計算法和本文中的回波反射法來分別測量其聲阻抗值，通過比較兩者之間的結果來評價我們所使用的回波反射測聲阻抗方法的準確性和可靠性。

具體測試結果見表1。

由表可見，我們所使用的端面回波發射法與傳統計算法的測試結果是非常一致的。兩種方法中，傳統的計算法要相對穩定，同組內各樣品利用計算法測得的結果之間差值很小，在0.5×106kg/（m2·s）以內，回波法同組樣品間差值相對較大，但均小于1×106kg/（m2·s），數據波動在正常范圍以內。各樣品使用兩種方法的測試結果差值變化見圖3。

圖3 兩種方法測得的聲阻抗值差值

由圖3可見，所有樣品中除第四組2號以外，利用端面回波法測得的值均小于計算法的結果，造成這樣現象的原因我們尚不清楚，但對于各樣品，兩種測量方法測得的聲阻抗值之間的差值絕大多數均在1×106kg/（m2·s）之內，所以我們所使用的端面回波測聲阻抗法是較為準確并且可信的。我們將圖4中各組內樣品的數據平均后得到各組間數據對比，見圖4。

由圖4可見，將各組內數據平均后，兩種方法之間的測量值更加接近，差值縮小，均在1×106kg/（m2·s），進一步說明了利用端面回波方法所測得數據的可信度。

4 結論

綜上所述，本文所設計的聲阻抗測量方法無需得知待測樣品的密度及聲速，僅需獲取待測樣品表面的超聲回波，測量過程簡單，所得結果經驗證是準確可靠的。

【參考文獻】

[1]全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格鑒定考核委員會.超聲波探傷[M].北京：勞動人事出版社，1989.

[2]朱哲民，龔秀芬，杜功煥.聲學基礎[M].南京：南京大學出版社，2001.

[責任編輯：湯靜]