同轴电缆中电磁波的传输与⾦属中超声波的传输
同轴电缆中电磁波的传输与⾦属中超声波的传输
⼀．同轴电缆中电磁波的传输
1.实验⽬的
通过脉冲信号的测量，理解波在传输路径上遇到界⾯时的反射和投射特性，理解⼊射波和反射波的相位关系，掌握阻抗匹配概念。 我觉得其实就是搞懂不同阻抗对应什么波形，并且算出长度。 2.实验原理
传输线的等效电路
⼀对相隔均匀距离的平⾏导线或同轴电缆线就是这种定向传送电磁场能量和信号的载体，称为传输线。 ⽤传输线传送瞬态或⾼频信号时，传输线的长度已可与波长相⽐拟，因此在传输线上的电信号存在随长度变化的空间分布，负载不匹配时还有驻波分布。
在负载端电压反射波与⼊射波振幅之⽐，称为负载Z ll的电压反射系数。对于⽆损线Z0=R0，若负载Z ll也为纯电阻性负载，分三种情况讨论：
1、开路 Z ll= R ll= ∞，Γ=1
电压反射系数最⼤，在 z = l 处，电压为最⼤，是驻波波腹；电流为最⼩，是驻波波节2、路Z ll=R ll= 0，Γ= ?1，电压反射系数为负值，表⽰反射波为反相。电压、电流驻波分布与开路情况
相反。
3、负载匹配 Z l=R l =R0，Γ = 0，电压反射系数为零。没有反射波，线路中只有沿+z
⽅向的⾏波。负载不同时，传输线上 z = 0 和 z = l 处信号波形⽰意图见图。
实验中要依靠这⼏个很重要的图来判断观察到波形是否正确，并区分匹配负载、短路负载。但实验中观察到波形并不是规则的凸起，⽽是有阶跃响应⼀样的缓坡。
3.实验仪器
1)数字⽰波器
2)信号发⽣器
3)电阻盒（source⼊cable出）
4)待测长同轴电缆（很容易出问题，换了3条才好使）
5)短同轴电缆连接线（最好把两个同样粗细的线接到⽰波器上，否则本⾝衰减不同会有⼲扰）
6)阻抗元件
4.实验内容
测量同轴电缆的长度和衰减常数，分析传输线终端反射波和⼊射波的相位关系。
已知：u=2.0×108m/s，电缆的特性阻抗Z0=R0=75Ω
将信号发⽣器输出信号通过电阻盒接到传输线输⼊端，信号选择40kHz左右的连续脉冲，信号幅度在2-5V之间，占空⽐约为0.5%。输出端分别接开路、短路和匹配电阻。利⽤⽰波器分别测出传输线输⼊端、输出端之间的信号波形和相对延时τ1、τ2和电压幅值。
测量时，⼀定要分开测量时间、电压。⽅法为：先把⼀条光标标在第⼀个波形上，再移动另⼀条光标
分别⾄形成的驻波波形，然后读出差值；若为电压，先把横线光标对准第⼀个波形前平线，再测量后⾯波形电压差并记录。
五、数据处理
1.计算线长度
短路负载和匹配负载下，延时ττ均为144ns，电缆长度为：µµ×ττ=28.8mm
（1）对于短路负载：
每两项做差，得到延时为：147.5、155
ΔΔtt2=ττ6?ττ2+ττ4?0=151.25nnnn
则标准偏差为5.303
ΔΔττAA=10nnnnΔΔττBB=tt pp(2)×SS√2=16.124nnnn
所以不确定度ΔΔττ=?ΔΔττBB2+ΔΔττAA2=18.97
得到ΔΔll=µµ×ΔΔττ=3.79mm
所以线长为：ll=(28.8±3.79)mm
（2）对于匹配负载：ΔΔtt1=144nnnn
同轴电缆接头
ΔΔττAA=10nnnnΔΔττBB=0
所以不确定度ΔΔττ=?ΔΔττBB2+ΔΔττAA2=10
得到ΔΔll=µµ×ΔΔττ=2.0mm
所以线长为：ll=?28.8±2。?mm0
2.计算吸收系数
先利⽤传播速度乘以时间得到传播距离l，再对应电压幅值进⾏拟合如图：
得到吸收系数为0.006。
⼆．⾦属中超声波的传输
⼀、实验⽬的
掌握超声波波速测量⽅法，观察声波转换及表⾯波，了解超声波探测原理
⼆、实验原理
脉冲波在传播路径上遇到介质界⾯、畸变等不均匀界⾯，部分声波会沿路径反射回去并被晶⽚接收⽽转变为电信号，经电路放⼤后在⽰波器上显⽰出波形实验中仪器的射频输出每次反射波与脉冲波包对应，信号有正有负。检波输出只有正向信号。
超声波在介质中传播可以有不同的形式，通常有纵波、横波、表⾯波三种形式。
1、纵波，即介质中质点振动⽅向与超声波传播⽅向⼀致。
2、横波，即介质中质点振动⽅向与超声波传播⽅向垂直。横波只能在固体介质中传播。
3、表⾯波，可以看成是由平⾏于表⾯的纵波和垂直于表⾯的横波合成，振动质点轨迹为⼀椭圆。
在超声波分析测试中，利⽤超声波探头产⽣脉冲超声波。直探头产⽣纵波，斜探头产⽣横波或表⾯波，及可变⾓探头。实验采⽤单探头⼯作⽅式，即⼀个探头既发出也接受超声。此时必须⽤连通器把实验仪 发射、接受接⼝连接起来。
对探头⽽⾔，波长越⼩，频率越⾼，指向性越好；尺⼨越⼤，指向性越好。
在进⾏缺陷定位时，必须到缺陷反射回波最⼤的位置，使得被测缺陷处于探头的中⼼轴线上，然后利⽤时间、声速计算距离。
具体测量距离原理即为声速乘以时间。
三、实验仪器
1)超声波试验仪，不许接到⽰波器，发射、接受接⼝已并联。
2)超声实验仪衰减器，衰减倍数为：10xx20?，x为⽰数（分贝）。
3)不同模式衰减选择范围不同
四、实验内容
1.声速测量
分别测量横波、纵波，并计算试样块杨⽒模量、泊松⽐。
2.表⾯波实验
移动65°可变⾓度探头，并记录移动距离和表⾯波位移的关系。
3.超声波探伤
分别⽤直探头、斜探头确定不同类型的损伤。
五、数据处理
1.纵波声速：
Δtt=19us
µµ=2HH tt=120×10?3
19×10?6=6.315×103mm/nn
不确定度估计：
标准偏差为：0.23094
Δtt AA=tt pp(2)SS tt/√nn=0.424uunn
Δt BB=1us
Δt=?Δtt AA2+Δtt BB2=?0.4242+12=1.08us
Δµ=µ?Δt/t2+ΔH/H2=6.315×103×?(1.08\19)2+(0.02\60.1)2=0.359×103mm/nn
∴µµ=(6.315±0.359)×103mm/nn
2.横波声速：
Δtt=19.2us
µµ=2(RR2?RR1)tt=60.1×10?3
19.2×10?6=3.125×103mm/nn
不确定度估计:
nn tt=0us
Δtt AA=tt pp(2)SS tt/√3=0uunn
Δt BB=1us
Δt=?Δtt AA2+Δtt BB2=?02+12=1us
Δµ=µ?Δt/t2+ΔR2/R22+ΔΔRR1/RR12=3.125×103×?(1\19.2)2+(0.02\60.1)2+(0.02\30)2
=0.163×103mm/nn∴µµ=(3.109±0.163)×103mm/nn
3.表⾯波波速计算
数据完全为线性，每移动距离10mm，延时7.2微秒
t=7.2us
µµ=2LL=2×10×10?3?6=2.778×103mm/nn
4.杨⽒模量与泊松系数计算
T=c l/c s=6.315/3.125=2.0208
E=ρc s2(3T2?4)
2=2700×(3.125×103)2(3×2.02082?4)
2.02082?1=70.55Gpa
σσ=TT2?2
2(2.02082?1)=0.3378
2(TT2?1)=2.02082?2
这个数据和⽹上查到的铝的数据差不多，符合的较好。
5.直探头探测缺陷深度
已知纵波声速
µµ=(6.315±0.359)×103mm/nn
tt HH=19.1us
tt qq?=16.2us
深度h=µ(t H?t1)/2=6315×(19.1?16.2)/2000000=9.16×10?3m 不确定度估计
SS ttHH=0.1414213
Δtt AAHH=tt pp(1)SS ttHH/√2=1.27uunn
nn ttqq=0.2828427us
Δtt AAqq=tt pp(1)SS ttqq/√2=0.63uunn
Δt H=?Δtt AAHH2+Δtt BB2=?0.52+1.272=1.365us
Δt q=?Δtt AAqq2+Δtt BB2=?0.52+0.632=0.804us
Δh=h?Δt H/t H2+Δt q/t q2+ΔΔµ/µ2=9.16×10?3×?(1.27\19.1)2+(0.63\16.2)2+(0.359\6.315)2 =0.877×10?3mm∴?=(9.16±0.88)×10?3mm 6.斜探头测量缺陷深度
由附录可得AA'=25BB'
所以由图中对应关系应有：µµ(tt AA?tt0)2=25×µµ(tt BB?tt0)2，计算的到延迟tt0=8.67µµnn
对于⼊射点，假设都⽐前缘侧的距离偏离ΔΔΔΔ，则同样由⼏何关系可得：xx AA+ΔΔxx20=xx AA+ΔΔxx50，得到ΔΔΔΔ= 8.7mmmm所以可以计算在铝块中折射⾓为：ββ=arctan(
88+8.7?5050)=43.02°
则依旧按照⽐例关系，得到⼊射点距离D的距离DDDD′=34?8.67
26?8.67×?202+(30+8.7?20)2=39.98mmmm 则D点深度为?DD=DDDD′×cosββ=29.23mmmm，到边缘距离为LL DD=ΔΔDD+ΔΔΔΔ? DDDD′×sinββ=90.39mmmm 三、总结
这个实验做得不太顺利，因为总是遇到电缆质量问题，⽽耽误了很多时间。
最后总结出来对实验有帮助的⼏点：
1.⽰波器多按autoset，横轴⽐例⼀定要调好，避免错过第⼀个峰
2.电缆最好把两个同样粗细的接到⽰波器上，否则本⾝衰减不同会有⼲扰
3.同轴电缆总不好使，要多换⼏条试⼀试才⾏，避免接头处线发⽣较⼤的弯曲。
4.要多涂⽔，有的探头不好使，配合不同的线会有不同的神奇效果
5.接⼝接触不良，经常出问题，可以拧⼀拧牢固⼀些
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