一种新的声阻抗值测量方法

陈玉喜　单秉昆

【摘 要】本文设计了一种新的声阻抗测量方法，该方法是通过获取待测样品表面超声反射回波，并通过计算后得到该表面的声阻抗值，该方法与传统测量方法相比，不需要得到待测样品的密度和声速，具有明显优势。通过实验验证，该方法测得的结果是稳定可靠的。

【关键词】声阻抗；测量；新方法；超声回波

【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 声阻抗定义

它反映介质中某位置因声扰动而引起质点振动的阻尼特性，并影响着介质中的声场特性[2]。从振动与波的关系看，振动是波动的辐射源，这二者之间是存在相互作用和阻抗匹配的，声阻抗正是这种相互作用和匹配效果的反映。在声压相同时，声阻抗Z越大，相应的质点振动速度越小。

2 声阻抗测量方法

传统的声阻抗测量方法是利用声阻抗的定义， 即声阻抗在数值上等于该种介质的密度与其中声速的乘积，单位为×106kg/（m2·s）。所以传统上测量某种介质的声阻抗时，需要分别测量出该介质的密度与声速，然后进行相乘便可得出其声阻抗值，这无疑是较为简单和有效的。但对于一些比较特殊的材料来说，如果无法测量其密度或者声速，亦或是想要测量一个内部特性变化材料的某一个截面的声阻抗值时，这种方法就无法适用了。

本文中设计的声阻抗测量方法称为回波测量法，利用的原理是界面两侧介质与超声波在界面上的反射和透射率的密切关系[2]。当声波垂直入射到平界面时（如图1所示），超声波声压反射率rp与界面两侧介质声阻抗值具有密切关系。

3 结果分析

在验证实验中，我们制备了4组共20个试样用于测试，试样是由铁粉与少量树脂混合烧结形成，圆柱形，直径30mm，高20mm，待测表面由1200号砂纸仔细研磨后抛光，以保证各样品具有相同的表面粗糙度。

我们分别利用密度声速计算法和本文中的回波反射法来分别测量其声阻抗值，通过比较两者之间的结果来评价我们所使用的回波反射测声阻抗方法的准确性和可靠性。

具体测试结果见表1。

由表可见，我们所使用的端面回波发射法与传统计算法的测试结果是非常一致的。两种方法中，传统的计算法要相对稳定，同组内各样品利用计算法测得的结果之间差值很小，在0.5×106kg/（m2·s）以内，回波法同组样品间差值相对较大，但均小于1×106kg/（m2·s），数据波动在正常范围以内。各样品使用两种方法的测试结果差值变化见图3。

图3 两种方法测得的声阻抗值差值

由图3可见，所有样品中除第四组2号以外，利用端面回波法测得的值均小于计算法的结果，造成这样现象的原因我们尚不清楚，但对于各样品，两种测量方法测得的声阻抗值之间的差值绝大多数均在1×106kg/（m2·s）之内，所以我们所使用的端面回波测声阻抗法是较为准确并且可信的。我们将图4中各组内样品的数据平均后得到各组间数据对比，见图4。

由图4可见，将各组内数据平均后，两种方法之间的测量值更加接近，差值缩小，均在1×106kg/（m2·s），进一步说明了利用端面回波方法所测得数据的可信度。

4 结论

综上所述，本文所设计的声阻抗测量方法无需得知待测样品的密度及声速，仅需获取待测样品表面的超声回波，测量过程简单，所得结果经验证是准确可靠的。

【参考文献】

[1]全国锅炉压力容器无损检测人员资格鉴定考核委员会.超声波探伤[M].北京：劳动人事出版社，1989.

[2]朱哲民，龚秀芬，杜功焕.声学基础[M].南京：南京大学出版社，2001.

[责任编辑：汤静]