声速测定仪的改进及声速测量方法的研究(精)

第一篇：声速测定仪的改进及声速测量方法的研究(精)

声速测定仪的改进及声速测量方法的研究 摘要:改进声速测定仪,声速测量方法的研究与思考, 关键词:声速测量;测量方法分析;纵所周知 ,振动频率在(20--200O0Hz的声波可以被人耳听到,被称为可闻波,频 率在 20kHz 以 _h的声波称为超声波。声波的波长、强度、传播速度、频率、声压衰 减、相位等是声波的重要特性。对声波特性的测量是声学在应用技术的一个重要内 容,特别是声波波速(简称声速 的测量,在声波定位、探伤、测距等应用中具有重 要意义。

共振干涉法、相位比较法、时差法这三种方法的偶然误差主要来源是读数误 差.在实验过程中,虽然测试的距离值由数显标尺来读数,而且数显标尺可自动读 数.但是位置的确定要从示波器的波形位置来确定.而示波器的波形位置直接决定 了数显标尺觚的值.波形最大或最稳定则是人为认定的.从这个角度来看,它们的 偶然误差也是一样的.以上四个方面比较表明,共振干涉法和相位比较法无论是原 理、仪器、操作,还是误差分析,有更多的共同之处.而时差法则和前两个方法的 不同则更多一些.共振干涉法和相位比较法一直是实验室研究中经常用到的,而时 差法则比较经常出现在工业测量上.【 1】

声速的测量方法有多种,实验室常用方法是利用声速与声波频率,及波长的关 系进行测量.谐振频率,由频率计直接读出,关键是测出声波的波长.由于超声波 波长短、容易测量、不可闻等优点,多数实验室选用超声声速测定仪,调节两换能 器互相平行进行测

量.但在该实验教 学实践中发现,声 速测定仪两换能器 互成某一角度时，接收换能器也能够 接收到交变信号, 是否能够利用这一 交变信号测量声速 呢 ? 1.声速测定仪 的改进 为了实现两换 能器的法向夹角能

成任意角度,从而使接收换能器能在发射换能器的不同方位上测量声波,必须在声

速测定仪的基础上进行简单的改进.声速测定议的结构如图 l 所示, 一换能器固定在 边沿上,另一换能器固定在可移动底座上,但换能器的方向不能自由转动.据此, 用铝合金制成如图 2所示的延长臂 A 和换能器套圈 B.将原声速测定仪的套圈固定螺 丝卸下, 装上延长臂, 并用套圈固定螺丝套紧;延长臂 A 的另一端用螺丝跟 B 套紧后, 在套圈 B 装 J 二压电陶瓷换能器,并旋紧边沿上的三根螺丝.改进后的声速测定仪如 图 3所示.接收换能器与发射换能器的端面可以调节平行或者成任意角度.改装后 的声速测定仪还可以测量声波在液体中的速度,在声测定仪的前侧放置一液体槽, 延伸臂可以很方便地伸入液体内, 测量超声波在液体中的传播速度如图 4所示.声速 测定仪的改进,扩大了仪器的使用范围.【 2】

根据谐振、共振和波的反射、迭加性质,测量波的传播速度的方法,是一种重 要的思想方法,但在测量超声波波速的方法和装置中,存在三个影响测量结果的问 题 :一是振动源的稳定性, 二是观察振动情况的示波器灵敏度, 三是发射器和接收器 的固有频率不相等。

2.信号发生器的输出频率对测量结果的影响

用于产生超声波信号的信号发生器,输出正弦波信号,送至发射器,将电信号 转换为机械振动,发射出超声波,如图 1所示。当信号发生器输出的正弦波频率等 于发生器的固有频率,则产生谐振,发生器的振动最强,产生的超声波能量最大。但当信号发生器输出的正弦波频率不稳定,出现漂移时,必然使发射器的振动频率 和强度也发生变化, 从而使产生的波能量强度也随之减少。因为谐振时, 振动最强, 信号发生器输出信号频率漂移时,使发射器工作在非谐振状态,所以产生的超声波 强度就变小,同时因频率变化而导致波长发生变化,共振干涉点的位置,也发生变 化,接收器就难以找到确切的共振干涉点,测量结果就有更大的误差。

一般的信号发生器输出频率的相对误差为 1%【 3】,发射器的固有频率在 40K 左右,所以绝对误差为 400赫兹左右,可见,产生的影响是较大的。用共振干涉法 或相位比较法测量超声波的速度,均与频率或波长有关,所以要提高测量结果的精 确度,须用性能较好的输出频率稳定的信号发生器。

3.示波器的灵敏度 对测量结果的影响

接收 器接收到的超 声波,转换为电信号后, 送往示波器加在 y 偏转板 上, 从而显示超声波的波 形和幅度,如图 1所示。当接收器接收到超声波

强度的大小发生微小变化时, 示波器能否反映出来, 就取决于示波器 y 偏转的灵敏度 和幅度线性。示波器的灵敏度越高,幅度线性越好,就越能反映超声波强度大小的 微小变化,测量结果也就越精确。但由于波形幅度受示波器显示屏大小及几何尺寸 的制约, 不能超过屏幕的最大尺寸, 否则就无法观察和比较波形和幅度, 所以 Y 偏转 增益不能过大。一般示波器的最高灵敏度为 lmvldiv ,误差为 10%。解决的办法是将

幅度调到刚好在荧光屏的最大值范围内, 可使误差减少到仪器所能达到的最小程度。4.发生器和接收器的固有频率不一致对测量结果的影响

发射器探头与接收器的探头由于都有各自的固有频率,并且很难做到相等,一 般相差几十至几百赫兹。对利用共振干涉法测量波长影响较大,因为共振干涉法比 较的是能量的大小,找的是能量最大值的位置,即共振点,不同的固有频率使得出 现能量最大值的位置增多,范围变宽,能量幅度最大值不再是一个位置,而是一个 区间,从而使测量误差增大。对利用相位比较法测量的结果影响不大,因为相位比 较法,比较的是发射波与人射波的相位差,而不是能量的幅值,只要找到相位相等 的相邻点的位置,即可测量出波长的大小。【 4】可见相位比较法只与频率有关,与 能量无关,而共振干涉法与频率和能量均有关,测量结果没有相位比较法的准确。因此,当发射器与接收器的固有频率相差较大时,宜采用相位比较法,不宜用共振 干涉法。

参考文献

【 1】黄贤群.SW-1型声速测定仪的改进及声速测量方法的研究.韩山师范学院学 报, 2008, 29(06 :49-52 【 2】 毛杰健, 杨建荣.超声波波速测量装置中存在的三个问题.上饶师范学院学报, 2002, 22(06 :38-39 【 3]江苏洪泽瑞特电子设备有限公司.豁 1麟 5型功率函数信号发生器技术说明书 〔 21.江苏洪泽

【 4】邓丽娟.SV4型声速组合测定仪测声速三种方法的比较.宁德师专学报(自 然科学版, 2008, 20(04 :411-413

第二篇：声速的测定教案

大学物理实验教案

实验名称：空气中声速的测定

1、实验目的

（1）学会用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。（2）进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。（3）学会用逐差法处理数据。

2、实验仪器

超声声速测定仪、低频信号发生器DF1027B、示波器ST16B。

3、实验原理

3．1 实验原理

声速V、频率f和波长λ之间的关系式为Vf。如果能用实验方法测量声波的频率f和波长λ，即可求得声速V。常用的测量声速的方法有以下两种。

3．2 实验方法

3．2．1 驻波共振法（简称驻波法）

S1发出的超声波和S2反射的超声波在它们之间的区域内相干涉而形成驻波。当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时，此驻波的振幅才达到最大值，此时的频率为共振频率。

驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关，还取决于边界条件，在声速实验中，S1、S2即为两边界，且必定是波节，其间可以有任意个波节，所以驻波的共振条件为：

Ln,n1,2,32（1）

即当S1和S2之间的距离L等于声波半波长的整数倍时，驻波系统处于共振状态，驻波振幅最大。在示波器上得到的信号幅度最大。当L不满足（1）式时，驻波系统偏离共振状态，驻波振幅随之减小。

移动S2，可以连续地改变L的大小。由式（1）可知，任意两个相邻共振状态之间，即

S2所移过的距离为：

LLn1Lnn12n22（2）

可见，示波器上信号幅度每一次周期性变化，相当于L改变了2。此距离2可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得，频率可由低频信号发生器上的频率计读得，根据Vf，就可求出声速。

3．2．2 两个相互垂直谐振动的合成法（简称相位法）

在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李沙如图形。其轨迹方程为：

XY2XYCos21Sin221A1A2 A1A2（5）

在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。当相位差22210时，由（5）式，得yA2xA1，即轨迹为一条处在于第一和第三象限的直线[参见图16—2(a)]。

2yx121222时，得A1A2当，轨迹为以坐标轴为主轴的椭圆 2当21时，得

yA2xA1，轨迹为处于第二和第四象限的一条直线。

改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接受波之间的相位差（21），荧光屏上的图形也随之变化。显然，L每变化半个波长（即LLn1Ln)2，位相差就变化。随着振动相位差从0→的变化，李沙如图形就按图16——2(a)→（b）→(c)变化。因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线。测得波长和频率f，根据Vf，就可计算出声速。

4、教学内容

（1）熟悉声速测定仪

该仪器由支架、游标卡尺和两只超声压电换能器组成。两只超声压电换能器的位置分别与游标卡尺的主尺和游标相对定位，所以两只换能器相对位置距离的变化量可由游标卡尺直接读出。

两只超声压电换能器，一只为发射声波用（电声转换），一只为接收声波（声电转换），其结构完全相同。发射器的平面端面用以产生平面声波；接收器的平面端面则为声波的接收面和反射面。压电换能器产生的波具有平面性、单色性好以及方向性强的特点。同时可以控制频率在超声波范围内，使一般的音频对它没有干扰。

（2）驻波法测量声速

1）按图接好线路，把换能器S1引线插在低频信号发生器的“功率输出孔”，把换能器S2接到示波器的“Y input”。

2）打开电源开关，把频率倍乘按钮×10K压入，调节幅度电位器，使数码显示屏读数5--8V电压,电压衰减按钮为20dB；波形选择为正弦波（弹出状态）。

3）压入示波器电源开关，把示波器Y衰减开关VOLTS/DIV置0.5v档，Y输入方式置AC位。扫描档TIME/DIV为20us，触发源（触发TRIG）选择“内同步INT”；触发方式为“自动”。

4）移动S2位置，目测S1与S2的距离为3cm左右，调整低频信号发生器的“频率调节”波段开关，调节频率微调电位器，使数码显示屏的频率读数为34.000—36.000KHz范围。观察示波器，当屏幕的波形幅度最大时，说明换能器S1处于共振状态。记下频率f值（实验过程中，频率f不许改变，否则影响实验数据）。

5）示波器荧幕的波形若不在中央，可调节垂直或水平位移电位器；波形太小（可能不稳定）或太大，可调节Y增益电位器VARIABLE，使波形幅度适中。

6）注意：实验过程中不要用手触摸两个换能器，以免影响测量精确性。

7）向右稍移S2，并调整游标卡尺的微调螺丝，同时观察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超过屏幕，可调整Y增益VARIABLE，使波形满屏。记下S2的初始位置L0。8 由近至远慢慢移动接收器S2，逐个记下九个幅度最大的位置（即Li值）。（3）相位法测声速 1）把示波器触发方式选择“外接”。

2）把示波器的“Y input”接超声波测速仪的接收器S2,示波器“X输入”联接到低频信号发生器的电压输出（不能接同步输出）。

3）把S2调回距S1大约3cm，移动接收换能器S2，调节游标卡尺微调螺丝，同时观察示波器的图形变化，使图形为“/”，记下S2初始位置LO。

4）由近至远，慢慢移动S2,并注意观察图形变化，逐下记下每发生一次半周期变化（即图形由“/”直线变到“”直线）接收换能器S2的位置读数Li值，共测十个数据。

5）实验完毕，关掉电源，整理好仪器。

5、实验教学组织及教学要求

（1）教学组织

1）检查学生的预习实验报告，同时给学生5-10分钟时间熟悉仪器，对本实验有一定的感性认识。

2）讲解实验要点及注意事项，同时以提问的方式检查学生的预习情况，加深学生对实验原理的理解。

3）随时注意学生的实验操作过程，及时指导解决学生实验中出现的突发情况。4）检查每个学生的实验数据，记录实验情况。（2）教学要求

1）能够利用以前学过的示波器使用方法设计本实验有关示波器的调节步骤； 2）能够理解驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度的原理； 3）要求能够理解影响声波传播速度的几个因素；准备报道实验结果。

6、实验教学重点及难点

1）重点：掌握用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。进一步熟练掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。

2）难点：独立设计本实验有关示波器的调节步骤；准确判断是否形成驻波。

7、实验中容易出现的问题

1）换能器未达到共振状态就记录声波频率；

2）待测声波在两个换能器之间并未形成驻波，就开始进行测量； 3）记录实验数据时漏掉室温。

8、实验参考数据

1）驻波法测量声速

共振频率f=34.583KHz

表1 驻波法测量波长的测量数据

次序 Li103mm

93.72 98.84 104.02 109.22 114.38 次序

Li103mm

119.54 124.70 129.90 135.02 140.18

Li5Li103mm vLI5Li103mm

25.82 25.86 25.88 25.80 25.80

0.012 0.028 0.048 0.032 0.032 1 2 3 4 5 7 8 9 10 逐差法处理表1数据 标准偏差SLI5Li152vLi5Lin1i1=0.036mm

CnSLi5Li1.650.0360.06vLI5LiuBm30.0230.012mm

合成不确定度为

222222uLI5LIuAuBSLu0.0360.0120.038(mm)LBi5i

3频率f不确定度声速V的相对不确定度

EV(uff)(2ufmf0.34630.2(HZ)

uLI5LiLi5Li)2(0.220.0382)()0.0060.6%34.58325.832

声速的计算

V 22f(Li5Li)34.58325.832357.34(m/s)55

声速V不确定度为

uVVEV357.340.0063(m/s)

室温时声速结果表达式：

VVuV357.340.006(m/s)(p0.683)EV0.6%

2）相位法测量声速

参考驻波法。

9、实验结果检查方法

1）声波的频率值是否与实验中所用换能器的共振频率值相符； 2）形成相邻两个驻波时的接收换能器位置合理；

3）相位法中，图形由“/”直线变到“”直线，或由“”直线变到“/”直线，接收换能器S2的位置读数合理。

10、课堂实验预习检查相关题目

1）如何调节示波器使其能用来观察某电信号的波形？ 2）如何判断换能器是否共振？ 3）如何正确读取换能器的位置？

4）如何利用示波器观察两个相互垂直的电信号的合成图形？

11思考题

1）为什么需要在驻波系统共振状态下进行声速的测量？

2）是否可以用上述方法测量声波在液体或固体中的传播速度？如何进行？

3）用驻波法测量声速时，改变S1和S2之间的距离时，示波器上的波形振幅有时极大有时极小。说明极大或极小时，接收器S2是处于波腹还是波节位置？

第三篇：X-51及高超声速飞行器简介

美国X-51A飞行器及总体设计及其关键技术简介

Xxx

摘要：从计划的背景、飞行器的构造、热防护材料研发测试以及实际飞行试验等方面对X-51A的发展计划作了较为详细的介绍,并据此对美国发展高超声速飞行技术的研究流程和理念有个一定的了解与认识。

关键词：X-51A 高超声速导弹 热防护系统

结构材料 飞行器

引言：美国自二十世纪九十年代启动“全球敏捷打击”计划以来，一直处于低速发展过程中，该计划近期开始迅速升级，从改造“三叉戟”导弹开始，美国正推出一系列先进攻击武器概念，包括飞机、无人机和导弹。其中，X-51高超声速巡航导弹是美国武器库目前速度最快的全球打击武器，可以在一小时内攻击地球上任一目标。项目概况

巡航导弹在美国武器系统中具有特殊的地位，在未来信息化战争中，巡航导弹不要要成为首选的打击武器，也是美军实行远程军事打击的必备武器。

美国于20世纪90年代启动的“全球敏捷打击”计划自推出以来一直处于低速发展过程中,直至近年该计划开始迅速发展。美国从改造三叉戟导弹开始,陆续推出一系列的先进攻击武器概念,包括新一代的飞机、无人机和导弹。

X-51A计划是由美国空军研究试验室(AFRL)、国防高级研究计划局(DARPA)、NASA、波音公司和普惠公司联合实施的旨在验证高超声速飞行能力的计划。终极目标是发展一种马赫数达到5~7的可以在1 h内进行全球打击的武器,包括快速响应的空间飞行器和高超声速巡航导弹。X-51A于2010年2月中旬进行了首次高超声速飞行试验。

X-51A的首飞创造了又一个人类历史记录 — — —超燃冲压发动机推进的历时最长的高超声速飞行,刷新了 X2 43创造的 12 s的记录。X2 51A首飞的成功意味着 , 超燃冲压发动机将提供一种全新的快速全球打击能力。据称,该高超声速导弹将能够在 60 min内实施全球打击。美国国防部 /NASA的 X2 51A项目则是这一新型武器系统方案的关键部分。X2 51A的飞行试验对于空间进入、侦察、打击、全球到达以及商业运输等都有重要意义。X-51A计划的背景

美国空军认为,高超声速推进技术是美国亟须发展的关键领域之一,为了达到这一目的,必须走“阶梯式发展”的道路。1979年首次发射的先进战略空射导弹(ASLAM)是早期的高超声速导弹,它使用高速冲压发动机实现了马赫数为5.5的飞行,虽然达到了高超声速,但由于冲压发动机的燃烧是在亚声速状态下进行,效率非常低。解决这一问题的方法是使用超燃冲压动机,于是X-51A计划应运而生。

20世纪90年代中期,国家空天飞机(NASP,NationalAerospace Plane)计划终止后,美国空军转而投资HyTech(Hypersonic Technology)计划以延续其对高超声速技术的研究。2004年1月, AFRL选择波音公司与普惠公司共同制造SED-WR的验证机,由波音公司制造机身,普惠公司生产发动机。2005年9月,美国空军正式将该计划编号为X-51A。X-51A计划的主要目的之一是对美国空军的HyTech超燃冲压发动机进行飞行试验。这种发动机使用吸热型碳氢燃料,能将飞行器的飞行马赫数从4.5提升到6.5。

但是，高超声速技术有几大难点：新动力装置的制造及新燃料的选择；动力装置和飞行器机体的连接；新型耐高温材料的研制；飞行器各子系统和整体控制系统的研究。X-51A飞行器的整体构造

X-51A飞行器的整体构造如图1所示,它是由巡航体、级间以及助推器三部分组成,整个飞行器长7.62 m,质量1 780 kg,最大宽度为584.2 mm,其中巡航体长4.27 m,质量为671 kg。X-51A的主体部分是在金属材料的基本结构外覆盖着轻质TPS泡沫与陶瓷材料。机体部分的框架板壁等由铝制成。前鼻端内部是金属钨,外部则是二氧化硅隔热层,其作用是承受飞行器头部高强度的气动热载荷,并实现纵向配平,以保证飞行器的纵向稳定性。巡航体与机体的过渡部分采用了铬镍铁合金,目的是阻止热量传导到飞行器的其余部分。巡航体与级间部分的蒙皮,包括助推器的四个全动尾翼均为铝制。此外,为了在推进段保持稳定,助推器上还另外安装了两个铝制的水平尾翼。超燃冲压发动机的舱壁则是用由燃料冷却的薄壁铬镍铁合金板制成,巡航体的四个可动小翼除在前缘采用了碳-碳复合热结构材料外,也均使用铬镍铁合金制成。整个飞行器仅在级间部分的某些结构以及助推器的尾锥上使用了钛合金。助推器的外表面仍由钢制成,不过钢质的尾喷管被加长了以获得更大的膨胀率,从而提高性能。

X-51A SED的主要设计工作是运用经风洞试验数据验证的计算工具来完成的。它用CART3D软件计算所得的欧拉解以及OVERFLOW软件计算得到的Navier-Stokes解建立起了全面的空气动力学数据库,在约80多套网格上运行了近2 000个算例,用以对安全分离、气动加热、飞行器性能、边界层转捩以及尾翼偏转等各个方面进行研究。同时,对整个飞行器及巡航体进行了超过1 700 h、3 200余次风洞试验,利用试验结果验证并完善了数据库。

4超燃冲压发动机

高超声速武器引起速度极大，必然需要有强大动力性能的发动机，美国空军一直致力于超然发动机的研究。X-51验证机的一个重要任务就是对超然发动机的性能参数进行验证。超燃(超声速燃烧)冲压发动机是冲压发动机的一种,它的特征是吸入发动机燃烧室内的空气流的速度为超声速,而普通冲压发动机内气流速度为亚声速。超燃冲压发动机的基本组成包括:进气压缩管(由于飞行器的高速飞行,吸入的空气受到压缩),燃烧室(燃料与压缩空气混合,燃烧),喷嘴(通过它以高于进气口空气流的速度排出燃烧产物,产生推力)。冲压发动机是靠吸入的空气流作为助燃剂工作。进入超燃冲压喷气发动机的空气流的速度是超声速,因而会产生一定的冲击波,如何实现不打乱、不中断吸入的空气流,并保持发动机不熄火连续有序地工作,这正是超燃冲压发动机要解决的难题。在超声速环境下把空气流的速度降低后再进入冲压喷气发动机,将限制发动机最终的运转速度。另一方面,产生的冲击波会压缩空气流,使进入发动机的空气流的速度达到高超声速,经过适当的隔离器调节后挤进燃烧室的气流将获得相对稳定的压力,实现更完全的燃烧。进入燃烧室的压缩气流与注入的燃料混合、点火、燃烧,然后通过喷嘴将燃烧后的产物以高于入口处空气的速度排出,从而产生前进的推力。5.飞行器热防护系统

X-51飞行器首次突破了高超声速飞行热障碍，因加速后可达到马赫数5~7，与大气的摩擦可产生大量的热，如果不采取恰当的热防护措施，飞行器性能必定会受巨大影响甚至烧毁。为此X-51飞行器采取了一系列措施。5.1防护材料

X-51A的主体部分用金属材料制造,基本结构外覆盖烧蚀泡沫FRSI与热障陶瓷BRI-16。为阻止热量传导到飞行器的其余部分,弹头与弹体的过渡部分采用铬镍铁合金制造。巡航弹体部分的框架、板壁以及导弹弹体与级间部分的蒙皮、包括推进器推进器的尾锥上使用钛金属材料,推进器的外表面用钢制造,如图3所示。X-51A飞行器为了承受巡航导弹头部高强度的

气动热载荷,实现纵向配平,以保证导弹的纵向稳定性,飞行器前鼻端使用金属钨制造,外覆二氧化硅(SiO2)隔热涂层。5.2 发动机热防护结构

X-51A飞行器的超燃冲压发动机使用常规燃料JP-7作为冷却剂。发动机进气道入口之前的斜面上涂覆二氧化硅(SiO2)陶瓷瓦,超燃冲压发动机的舱壁用铬镍铁合金板制成,发动机舱内部装有柔性可重复使用的表面隔热(Flexible Reusable Surface Insula-tion, FRSI)材料,以阻隔发动机对弹体的热辐射。5.3 飞行器热防护系统

X-51A飞行器采用被动热防护系统,热防护材料主要为泡沫和陶瓷瓦。陶瓷瓦是波音公司研制的可重复使用隔热陶瓷瓦BRI-16,陶瓷瓦用在机体脊部需要尖锐前缘的部分和进气道斜面上。陶瓷瓦粘贴到变形隔离垫上,变形隔离垫会吸收因陶瓷瓦和下面铝蒙皮膨胀率差异而引起的变形。飞行器的上表面(大面积区域)采用FRSI进行热防护, FRSI上面覆盖着一层由波音公司研制的轻质变厚度烧蚀(BLA-S)泡沫。

6.飞行试验计划

X-51A的飞行试验包括四次飞行,预计自2009年8月开始。X-51A由B-52H轰炸机携带升空,自母机投放后经火箭推进至超燃冲压发动机的工作高度及飞行马赫数,然后超燃冲压发动机点火,将飞行器由马赫数4.5加速到6的巡航速度。X-51A挂载于B-52H的左翼下,投放前与B-52H上的监测设备保持通讯,并通过电缆自母机获得电力供应。在通过各项飞行安全审核后,飞行试验计划于2009年初开始实施。4月至5月进行地面测试,并根据测试结果于5月进行第一次飞行前的审核, 6月进行X-51A的挂载测试, 7月由B-52H携带X-51A做一次彩排飞行。X-51A的第一次自由飞试验安排在2009年8月,第二次计划于8周后进行,第三与第四次飞行则分别于11月和12月进行,后三次飞行试验的间隔时间均为6周,计划将于2010年结束。

7.x-51飞行器前景及对我国国防事业的启示

X-51A代表了航空技术的最前沿，一旦投 入使用，它将实现快速全球打击计划的目标 两 小时到达世界任何地方，虽然目前X-51A离实 战化还有很远的距离，但我们必须对高超声速 飞行器加以足够的重视，必须将发展高超声速 武器纳入武器装备发展的长远目标 具体而言，可从以下方面入手

（1）高超声速技术的研究试验计划是一项复杂的系统工程，我们应该借鉴美国的技术研究方向，同时坚持自主创新，以在将来的信息化战争中不处于劣势；（2）必须进行深入的设计及需求论证以确 立对高超声速武器系统的作战需求，并确定具 体的设计目标；（3）应加强相关技术研究领域的投入和教育的改革，为我国国防事业培养更多的优秀人才，担负未来保卫国家安全的职责 参考文献：

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第四篇：声速的测定实验报告

声速的测定实验报告

1、实验目的

（1）学会用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。（2）进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。（3）学会用逐差法处理数据。

2、实验仪器

超声声速测定仪、低频信号发生器DF1027B、示波器ST16B。

3、实验原理

3．1 实验原理

声速V、频率f和波长λ之间的关系式为Vf。如果能用实验方法测量声波的频率f和波长λ，即可求得声速V。常用的测量声速的方法有以下两种。

3．2 实验方法

3．2．1 驻波共振法（简称驻波法）

S1发出的超声波和S2反射的超声波在它们之间的区域内相干涉而形成驻波。当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时，此驻波的振幅才达到最大值，此时的频率为共振频率。

驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关，还取决于边界条件，在声速实验中，S1、S2即为两边界，且必定是波节，其间可以有任意个波节，所以驻波的共振条件为：

Ln,n1,2,32（1）

即当S1和S2之间的距离L等于声波半波长的整数倍时，驻波系统处于共振状态，驻波振幅最大。在示波器上得到的信号幅度最大。当L不满足（1）式时，驻波系统偏离共振状态，驻波振幅随之减小。

移动S2，可以连续地改变L的大小。由式（1）可知，任意两个相邻共振状态之间，即

S2所移过的距离为：（2）

可见，示波器上信号幅度每一次周期性变化，相当于L改变了2。此距离2可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得，频率可由低频信号发生器上的频率计读得，根据Vf，就可求出声速。

3．2．2 两个相互垂直谐振动的合成法（简称相位法）

在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李沙如图形。其轨迹方程为： LLn1Lnn12n2XY2XYCos21Sin221A1A2 A1A2（5）

在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。当相位差22210时，由（5）式，得yA2xA1，即轨迹为一条处在于第一和第三象限的直线[参见图16—2(a)]。

2yx121222时，得A1A2，轨迹为以坐标轴为主轴的椭圆 当

2当21时，得

yA2xA1，轨迹为处于第二和第四象限的一条直线。

改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接受波之间的相位差（21），荧光屏上的图形也随之变化。显然，L每变化半个波长（即LLn1Ln)2，位相差就变化。随着振动相位差从0→的变化，李沙如图形就按图16——2(a)→（b）→(c)变化。因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线。测得波长和频率f，根据Vf，就可计算出声速。

4、实验内容

（1）熟悉声速测定仪

该仪器由支架、游标卡尺和两只超声压电换能器组成。两只超声压电换能器的位置分别与游标卡尺的主尺和游标相对定位，所以两只换能器相对位置距离的变化量可由游标卡尺直接读出。

两只超声压电换能器，一只为发射声波用（电声转换），一只为接收声波（声电转换），其结构完全相同。发射器的平面端面用以产生平面声波；接收器的平面端面则为声波的接收面和反射面。压电换能器产生的波具有平面性、单色性好以及方向性强的特点。同时可以控制频率在超声波范围内，使一般的音频对它没有干扰。

（2）驻波法测量声速

1）按图接好线路，把换能器S1引线插在低频信号发生器的“功率输出孔”，把换能器S2接到示波器的“Y input”。

2）打开电源开关，把频率倍乘按钮×10K压入，调节幅度电位器，使数码显示屏读数5--8V电压,电压衰减按钮为20dB；波形选择为正弦波（弹出状态）。

3）压入示波器电源开关，把示波器Y衰减开关VOLTS/DIV置0.5v档，Y输入方式置AC位。扫描档TIME/DIV为20us，触发源（触发TRIG）选择“内同步INT”；触发方式为“自动”。

4）移动S2位置，目测S1与S2的距离为3cm左右，调整低频信号发生器的“频率调节”波段开关，调节频率微调电位器，使数码显示屏的频率读数为34.000—36.000KHz范围。观察示波器，当屏幕的波形幅度最大时，说明换能器S1处于共振状态。记下频率f值（实验过程中，频率f不许改变，否则影响实验数据）。

5）示波器荧幕的波形若不在中央，可调节垂直或水平位移电位器；波形太小（可能不稳定）或太大，可调节Y增益电位器VARIABLE，使波形幅度适中。

6）注意：实验过程中不要用手触摸两个换能器，以免影响测量精确性。

7）向右稍移S2，并调整游标卡尺的微调螺丝，同时观察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超过屏幕，可调整Y增益VARIABLE，使波形满屏。记下S2的初始位置L0。8 由近至远慢慢移动接收器S2，逐个记下九个幅度最大的位置（即Li值）。（3）相位法测声速

1）把示波器触发方式选择“外接”。

2）把示波器的“Y input”接超声波测速仪的接收器S2,示波器“X输入”联接到低频信号发生器的电压输出（不能接同步输出）。

3）把S2调回距S1大约3cm，移动接收换能器S2，调节游标卡尺微调螺丝，同时观察示波器的图形变化，使图形为“/”，记下S2初始位置LO。

4）由近至远，慢慢移动S2,并注意观察图形变化，逐下记下每发生一次半周期变化（即图形由“/”直线变到“”直线）接收换能器S2的位置读数Li值，共测十个数据。5）实验完毕，关掉电源，整理好仪器

5、实验参考数据

1）驻波法测量声速

共振频率f=34.583KHz

表1 驻波法测量波长的测量数据

次序 Li103mm

93.72 98.84 104.02 109.22 114.38 次序

Li103mm

119.54 124.70 129.90 135.02 140.18

Li5Li103mm vLI5Li103mm

25.82 25.86 25.88 25.80 25.80

0.012 0.028 0.048 0.032 0.032 1 2 3 4 5 7 8 9 10 逐差法处理表1数据

152SLLvLi5LiI5in1i1标准偏差=0.036mm CnSLi5Li1.650.0360.06vLI5Li

uBm30.0230.012mm

合成不确定度为

222222uLI5LIuAuBSLu0.0360.0120.038(mm)LBi5i

3频率f不确定度声速V的相对不确定度

EV(uff)(2ufmf0.34630.2(HZ)

uLI5LiLi5Li)2(0.220.0382)()0.0060.6%34.58325.832

声速的计算

V 22f(Li5Li)34.58325.832357.34(m/s)55

声速V不确定度为

uVVEV357.340.0063(m/s)

室温时声速结果表达式： VVuV357.340.006(m/s)(p0.683)EV0.6%

2）相位法测量声速

参考驻波法。

6.结论：1)实验测量结果与理论值接近，是误差允许范围。2）相位法测量优于驻波法测量。

7.误差分析：1）共振频率的不稳定。2）换能器的不完全平行。3）示波器上振幅极大值的不稳。4）随着换能器的距离的增加能量会有减弱。5）测量时会含有回程差。

第五篇：关于避雷器阻性电流测量方法改进的研究

关于避雷器阻性电流测量方法改进的研究

摘 要：供电设备试验的模式在由原始的断电测试模式转变为更为先进高效的带电运行模式，带电运行模式的日益普遍提高了供电设备的可靠性。但由于设备带电运行模式测试中避雷器排列方法的差异，常常会出现影响试验结果的阻性电流非正值，使得难以进行正确的判断。笔者以大量的现场试验为基础，提出了一套改进避雷器阻性电流测试的新方法――实际相角法。该方法使得试验结果不再受避雷器安装排列方法差异所影响，更为直观的观测阻性电流的变化趋势，试验结果准确性得到了较大的提升，这对传统的带电测试方法试一次重要的提升，具有实践意义。

【关键词】避雷器 试验 实际相角法 阻性电流

近年来供电设备试验的模式在由原始的断电测试模式转变为更为先进高效的带电运行模式，带电运行模式的供电设备试验可以在不需要断电的情况下，根据其电阻片中阻性电流的变化趋势来了解电阻片的老化以及损坏情况，这是带电运行测试无与伦比的巨大优势，但是对于带电运行测试最难解决的问题就是附近其它带电设备对于测试结果的干扰。设备带电运行模式测试中，常常会由于避雷器安装排列的差异，导致出现影响试验结果的阻性电流非正值，三相阻性电流值差别比较大，和产品出厂时进行测验的值也有很大的差别。很容易得到一个结论就是该方法经过测量试验得到的阻性电流值并不准确。按照理论，阻性泄露电流应当占到总电流的百分之十至百分之二十，很明显会与该带电测量方法得到的测量结果相冲突。对于完善带电运行测试模式很多专家学者做了很多的试验和研究，也作出的不可磨灭的贡献，笔者在这里主要对避雷器阻性电流测量方法改进进行研究，并提出实际相角法的新方法。避雷器阻性电流测量原理与特性

1.1 氧化锌避雷器原理结构与工作特性

氧化锌避雷器是一类先进的保护型电器，它的主要结构阀片是以氧化锌为关键材料，辅以多种金属金属材料高温烧结制造而成。氧化锌避雷器简称MOA，它具有较为不错的非线性性质、残留电压低、通流容量巨大等颇为优异的特性，在正常工作电压下，避雷器阀片的电阻很大，几乎可以视为绝缘体，而在大电压的冲击下可以在很短的时间内调整到低电阻状态下被击穿，大电流得到释放后又可以极快的恢复到高电阻状态，所以在实际中氧化锌避雷器与被保护设备并联，避免线路及设备受到电压危害。由于氧化锌避雷器的种种优点，它被普遍地应用在各个电力系统中并具有非常好好的经济效益。图1为氧化锌避雷器等值电路。

1.2 测量原理

当氧化锌避雷器老化或损坏时，往往会发生其阻性电流增大的现象。所以在实际的运行工作中，测试人员常常根据用电设备在正常电压工作的条件下阻性电流的变化趋势来对氧化锌避雷器的性能进行评估。

近些年RCD-4型阻性电流测量仪是实际工作中使用最为频繁的测量仪器，这种仪器测量氧化锌避雷器阻性电流的测量原理是选取对象（氧化锌避雷器）的电流信号总和，然后再测量一个与被测量氧化锌避雷器两边电压同相的电流信号。总电流信号Ix基波矢量I1在电压基波矢量U1上的投影就可以表示为被测量氧化锌避雷器的阻性电流，如图2。

由于RCD-4型阻性电流测量仪测量回路中输入的电流阻抗相对而言较小，把电流测量仪用于测量的探头连接在放电计数器两端就可以测量出总电流信号I1，这种测量方法十分简便且具有唯一性。

测量电压信号U1的方法大致分为三种：

（1）从标准电压（220V）的电源上测得电压信号U1，这种方法称之为电源法。

（2）在测量现场测得一个感应电压U1，称之为感应法

（3）在电压互感器2次绕组中测得电压U1，这种方法称之为PT法。在这三种方法中最为简单且便于实施的方法是电源法，而且电源法具有危险性低、可靠性高等优点，现已在实际测量中得到了普遍的运用，接线方法见图3。

1.3 三次谐波法的分析及实现

因为在线测试当中，一般要在PT上引用电压的信号作为参考，导致测试试验的结果容易因为PT角差而产生误差。三次谐波法无需引入PT上的电压信号作参考，而且试验方法较为简单便捷，但是三次谐波法也有明显的缺点，使三次谐波法没有得到普遍的应用，主要的缺点：a.不同氧化锌避雷器的阀片，它的阻性电流最大值和三次分量相互间的函数关系互有差异，哪怕相同的阀片在不同的使用阶段也会发生变化，所以测试中结果的准确程度难以得到保证。b.如果母线中也含有三次谐波的分量，这种方法就无法消除这些三次谐波分量对测试的干扰，最终也影响了结果的准确性。

在当前条件下，产生的解决这种问题的方法是三次谐波补偿法，新增了更多的电场探头，使得电网中的三次谐波对于试验结果造成的误差得到了补偿，测试方法也十分的便捷。

图4为三次谐波阻性电流分量测量。传统阻性电流测量方法的弊端

笔者曾在单位管内10千伏石巴贯通线路上对进行氧化锌避雷器不断电测试的试验中出现一些氧化锌避雷器阻性电流产生非正值的特殊现象。在此试验中所采用的仪器是正规的避雷器通电测试仪，所采用的方法是自动边补的测试方法，这种方法已经考虑了氧化锌避雷器三相互相之间的影响，而且对其进行了补偿，但是测试结果中氧化锌避雷器的阻性电流仍然产生了非正值，这表明在进行氧化锌避雷器带电测试中还受到了其他因素的较强影响。

传统阻性电流测量方法主要存在的问题主要是两个方面：

2.1 传统阻性电流测试方法无法直接依据理论进行判断

工作状态正常的氧化锌避雷器阻性泄露电流应当占到总电流的百分之十至百分之二十，当阻性泄露电流占总电流的比例增加并且超出这一范围时，可以判断出该避雷器的工作状态出现了故障。但是传统阻性电流测量方法是分析角度的变化来对避雷器工作状态进行评定的，并没有办法依据理论来对避雷器工作状态进行评定。而且传统测量方法也没有明确的规定角度变化与避雷器工作状态之间的具体变化关系，在实际测试中会有可能会出现判断错误的情况。

2.2 传统阻性电流测量方法的测试结果中可能会产生非正值

避雷器的运行环境十分复杂，存在着非常多的干扰因素，对电压、电流等可能会造成影响。比较重要的干扰因素有：避雷器电压可能会有波动；湿度、锈蚀、表面污垢、温度等对于避雷器阻性泄漏电流的干扰；附近带电体也可能会对测量造成干扰，使得测量结果不准确。当避雷器的带电测量被附近带电体干扰时，哪怕三支氧化锌避雷器的带电特性非常接近，得到的测量结果中阻性电流基波大小也可能存在很大的差异，给判断其工作状态以及劣化成都造成了困难。而且在实际中，近些年来避雷器的排列方式不仅仅只是以“一”字形进行排列，大部分排列方式都是“/”“～”等型进行排列，这使得附近带电体对阻性电流的带电测量影响更为明显，测试结果中可能会产生非正值，使得对避雷器的实际状态更加难以评估，显然用这种传统方法测出的阻性电流值并不是准确的。一种改进测试方法――实际相角法

3.1 原理设计

在现场中氧化锌避雷器的相间相位差由以前的120度变的不确定，我们以提高试验结果的判断更为直接并更为准确为目标，就要想办法清除负值，那么我们采用的校正角就需要用实际相角的差值来进行判断。因为当氧化锌避雷器安装部位确定了后，试验所受到的其他因素的影响也基本确定了下来。实际相角法就是在设备安装运行后假设a，b，c间运行无明显问题，在进行校正后对其阻性电流以及实际的相间相位差进行测量，然后在半年后把上次测量得到的实际相角差作为校正角来更为准确的测量出其阻性电流大小，这样就达成了以阻性电流的变化趋势来评估氧化性避雷器性能得目的，实践中该方法步骤如下：

第一次测试：将各相都用85度来校正，例如测量A相时，测得A相氧化锌避雷器总电流IxA，并测出IA与电压信号的夹角，通过85度校正测出其阻性电流IR1p（A1），通过该方法再分别测出B相、C相阻性电流IR1p（B1）、IR1p（C1），并将实验数据加以保存，将来可以用于判断氧化锌避雷器运行的好坏，通过简单的运算也可以算出A与B的实际相角差和B与C的是实际相角差。

第二次测试：选取B相氧化锌避雷器总电流IxB用于测出IB和电压的夹角φU-I，接着将B相校正角φ0（B）=85°-φU-I引入仪器当中，从而得到了B相阻性电流值IR1p（B）。A相氧化锌避雷器的总电流IxA，通过各相角联系求出A相氧化锌避雷器校正角，引入仪器中可以得出A相阻性电流值IR1P（A），同样方法测出氧化锌避雷器C相阻性电流值IR1P（C），这个时候就可以将IR1P（A）、IR1p（B）、IR1P（C）与原始阻性电流值IR1p（A1）、IR1p（B1）、IR1p（C1）放在一起对比，依据理论可以判断氧化锌避雷器的运行状态。φ0（A）

3.2 实验效果

笔者这两年来将本文所讲的实际相角法运用于许多正常工作的氧化锌避雷器阻性电流不断电测试试验当中，试验结果表明实际相角法的确成功的解决了阻性电流测量结果出现非正值的问题，而且其测量结果也准确的评估了氧化锌避雷器的工作状态，这种测量方法具有安全、高效、准确、便捷等优点。表1为对10kV石巴贯通线路氧化性避雷器与10kV石瓷贯通线路氧化锌避雷器进行现场测试并将实际相角法与原有的电源法测试结果作比较。

2015年9月23日，对10kV瓷乌贯通线路氧化锌避雷器运用了实际相角法进行带电测试，结果很明显的表明C相氧化锌避雷器测得的阻性电流超过了2014年测量的阻性电流值3倍，总电流中的阻性电流占有比例也同样大幅度提高了，通过观察结果运用理论分析得出这个氧化锌避雷器存在着问题，表2为该次现场测试数据。

需要说明的一点是，在做现场测试的过程中必须要考虑到三相电流、三相电压以及接触不良等因素可能对测试结果造成不良的影响，当电源电压每次测试不是同向的时候，因为电源电压相间的相位差是120°，就可以加减120°进行换算，或者也能更换另一相电源。另外，临近线路带电与否也会一定程度上影响到氧化锌避雷器阻性电流的测量准确性，经过笔者多次试验得出，临近线路带电与否对于测量中阻性电流的大小有百分之十五以内的影响，这种大小的误差在实际运行中是可以被允许的，我们依然足以对氧化锌避雷器工作状态进行准确的评估，并且也可以在测量中记录下临近线路带电与否来减小结果误差。结语

传统氧化锌避雷器阻性电流测量方法的弊端严重影响到了其测试结果的准确性，而实际相角法将传统的以相角的不同变化来评估氧化锌避雷器劣化的方法提升为更为直观的利用阻性电流变化趋势来评估氧化锌避雷器的工作状态，真实的表现出氧化锌避雷器的阻性电流值，解决了一直以来传统测试方法中突出的阻性电流负值的问题，使得反映工作中的氧化锌避雷器的工作状态更为准确，并且真实可靠有实际运用的价值。

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神华包神铁路有限责任公司 内蒙古自治区鄂尔多斯市 017000