反射式脉冲回波测量装置：原理与优化

直接接触式脉冲回波测量方法是最容易实现测量声速和声衰减的方法，在实际测量过程中，发现在超声波探头前设置一阻抗匹配层，使得超声波在匹配层和被测介质间形成二次反射和投射，即可同时得到被测介质的声速、声衰减以及声阻抗值。

图6.12　反射式脉冲回波示意图

如图6.12所示，一般情况下阻抗匹配层取有机玻璃，超声波垂直入射至有机玻璃与样品界面，一部分超声波产生反射，被换能器接收，即为一次回波A1，一部分超声波产生投射。由于有机玻璃的声阻抗相对较小，因此大部分超声波将在样品池中传播，并经由反射板反射，再次入射至有机玻璃，被换能器接收，记为二次回波A2。利用这两次回波间的时间差∆t以及声程d，可确定声速：

声衰减系数同样可以依据一次回波和二次回波确定，对于回波A1和A2，分别存在如下关系：

式中　A1、A2、Ai——分别为一次、二次回波和原始波的幅值；

αp——有机玻璃中的衰减系数；

dp——有机玻璃的厚度；

Rp，s——有机玻璃和被测介质间的反射系数；

Rs，w——被测介质与反射板之间的反射系数；

α——被测介质的声衰减系数；

d——测量区长度。(www.xing528.com)

将式（6.4）与式（6.5）两式相除，即可得到衰减系数的表达式：

接下来求解Rp，s和Rs，w两个发射系数，一旦Rp，s得到，又因为有机玻璃的声阻抗已知，根据两种界面上的反射系数计算关系式，被测介质的声特性阻抗也将被求出，具体过程如下：

选择纯净的蒸馏水作为标准物质加入测量区，同样产生一次回波和二次回波，一次回波记为Ap，w，加入被测介质后得到的一次回波记为Ap，s，依据反射系数的定义：

将式（6.6）与式（6.7）两式相除，即可得到Rp，s表达式：

蒸馏水和有机玻璃的声阻抗值均可通过查阅相关资料得到，因此反射系数Rp，w可通过反射系数的定义公式求解得到：

式中　Z1、Z2——两接触介质的特性声阻抗。

在求得Rp，w后，依据式（6.6）可以得到Rp，s，被测介质的声阻抗率值由下式给出：

式中　Zp——有机玻璃的特性声阻抗。

利用该方法可以将被测介质的声速、声衰减系数以及声阻抗同时求出。