《流体中低浓度异质物含量的超声检测原理与应用》主要从理论、实验和应用三个方面研究了流体中低浓度异质物含量的超声检测原理及相关应用。在前人研究的基础上，合理简化相关条件，推导出适合于实际工程应用情况的理论公式，进而通过三种实验证明公式对于空气中低浓度六氟化硫的含量、超声水处理中水中低浓度空化泡的含量、变压器油中低浓度水的含量的超声检测方法的可行性。《流体中低浓度异质物含量的超声检测原理与应用》共分6 章，第1 章介绍声学基础知识，第2 章系统介绍超声在含异质物流体中的传播特性，第3 章通过实验对理论进行验证研究，第4~6 章分别介绍三个方面的应用研究成果，《流体中低浓度异质物含量的超声检测原理与应用》紧密结合工程实际开展理论研究，内容简明扼要，实用性强。

第一篇
理论部分第1 章声学基础知识
1.1 引言
声波是物体的振动状态在介质中传播的一种物理现象。当振动经空气介质传入人耳，使人耳的鼓膜振动时，便有声音的感觉。声波的产生必须具有两个条件：一是声源，二是弹性介质。当声源发生振动后，周围的介质质点就随之振动而产生位移，导致介质空间产生介质的疏密，就形成了声波传播。传播振动的介质可以是空气，也可以是液体或固体。发声体的振动状态激发起周围介质的扰动，该扰动由远及近，形成声波在介质中的传播，因此，必须借助介质本身的弹性和惯性，振动状态才能得到传播。
1.2 声波的分类
声波按其频率的高低、波阵面的几何形状以及质点的振动情况有不同的分类。
1.2.1 按频率分
可听声——可听声是频率在人耳听觉高低极限间的声波，一般在20～20 000Hz 。
次声——次声是频率低于人耳听觉低限的声波，一般在20Hz以下。
超声——超声是频率超过人耳听觉高限的声波，一般在20000Hz以上。
现代声学研究的范围已经扩展到10.4 ～1014Hz。
1.2.2 按波阵面的几何形状分
平面声波——平面声波是波阵面为平行平面的声波。球面声波——球面声波是波阵面为同心球面的声波。柱面声波——柱面声波是波阵面为同轴柱面的声波。
1.2.3 按质点振动情况分
纵波(也称压缩波)——纵波是介质中质点振动方向与波的传播方向一致的波。如空气中的声波和海水中的声波。
横波——横波是介质中质点沿y轴方向位移，以波的形式沿x轴方向传播的波。如弦绳的振动波。
1.3 声波的基本物理量
在连续介质中，通常定义一些连续函数来描述声振动，它们分别是声压、位移和振速及密度和压缩量。
1.3.1 声压
若介质未受外力扰动时的静压强为P0，它等于平衡状态下垂直于任意截面的压强。在受到扰动时，若压强改变为P，声压p定义为介质压强的变化量，即p = P . P0 (1-1) 
式中，p为声扰动引起的逾量压强。不同时刻、不同位置的压强P不同，因而，声压p也是坐标和时间的函数，p=p(x，y，z，t)。
存在声波的空间称为声场。声场中某瞬时的声压称为瞬时声压，一定时间间隔内的最大瞬时声压称为峰值声压，当声压随时间按简谐规律变化时，峰值声压即为声压的振幅。瞬时声压在一定时间间隔内的均方
1.3 声波的基本物理量5 
•• 
根值称为有效声压. 1 . pt = P 2dt (1-2)
T T0
式中，T为所取的时间间隔，对于周期振动，它可以是一个周期或者比周期大得多的时间间隔。按简谐规律振动的声波，由上式可得有效声压pt和声压振幅pc的关系，pt=pc/√2。一般电子仪表测得的就是有效声压，因而，习惯上声压就是指有效声压。声压是逾量压强，可正可负，介质压缩时，p>0;介质稀疏时，p<0。
有效声压的大小代表声波的强弱。在CGS单位制中，声压单位是dyn/cm2 ，称微巴(μbar)；在MKSA单位制中，声压单位是N/m2 ，称帕(Pa)；1μbar＝0.1Pa。微风吹动树叶声，声压约为0.001μbar;房间内大声讲话约为1μbar；在距离船舶100m处收到的船舶航行噪声声压为10～100μbar。1.3.2 位移和振速
在声波作用下，介质质点围绕其平衡位置往返振动。质点位移是指介质质点离开其平衡位置的距离，沿坐标轴正向的位移为正；沿坐标轴负向的位移为负，因而，质点位移随坐标和时间改变。同样，质点振速也有正有负，也随坐标和时间改变。位移和振速分别用ξ和u来表示，且u=dξ/dt。
在没有声扰动时，若介质静态流速U0不等于零，在声波作用下流速为U，则介质质点振速u=U. U0。位移的单位是m或cm，振速的单位是m/s或cm/s。
1.3.3 密度和压缩量
若ρ0代表没有扰动时的静态介质密度，ρ代表有声扰动时的介质密度，其改变量ρ. = ρ . ρ0，声学中也常用密度改变量ρ. 来描述运动状态。介质密度的相对变化量s称为压缩，即s=(ρ. ρ0)/ρ0=ρ./ρ0，ρ. 和s 都是坐标和时间的函数。
在描述声场时，通常采用的是各物理量的空间分布函数，即p，u，ρ. 等是空间坐标点的函数，并不是其介质质点的函数，当质点流经其空间点时，就取该空间点的函数值。
1.4 理想流体中的三个基本方程为了定量研究声波在介质中的传播规律，必须首先了解描述介质运动状态的物理量，即压强、振速和密度之间的关系，由此推导出声波波动方程。由波动方程及边界条件就可得到声场[1]。考虑理想介质流体情况，波在介质中传播时没有黏滞损耗。认为小振幅情况下，声压远小于静态声压，即p << P0；质点位移远小于波长，即|ξ|<<λ；质点的振速远小于波传播速度，即|u|<< c，且介质处于宏观静
止状态。流体中各个点的压强p(x，y，z，t)及振速u(x，y，z，t)为位置及时间的函数。从基本的物理概念出发可建立如下三个方程。
1.4.1 运动方程(牛顿第二定律应用)
由牛顿第二定律，
F = m du/dt
取声场中一小体积元，空间尺寸为Δx，Δy，Δz，如图1-1所示。设流体静态密度为ρ0，先看x方向上受力情况。很明显前后两面间的合力为F 1 . F 2 = .Δp • S = x ΔxΔyΔz(1-4)

目录
第一篇理论部分
第1 章声学基础知识 3

1.1 引言  3

1.2 声波的分类 3

1.2.1 按频率分  3

1.2.2 按波阵面的几何形状分  4

1.2.3 按质点振动情况分  4

1.3 声波的基本物理量  4

1.3.1 声压  4

1.3.2 位移和振速  5

1.3.3 密度和压缩量 5

1.4 理想流体中的三个基本方程  6

1.4.1运动方程(牛顿第二定律应用)  6

1.4.2连续性方程(质量守恒定律应用)  7

1.4.3物态方程(热力学定律应用)  8

1.5 本章小结  9

参考文献  10

第2 章超声在含异质物流体中的传播特性  11

2.1 引言  11

2.2 声波在理想流体中的传播特性  11

2.3 弹性各向同性固体中的声波方程及特性  16

2.4 黏滞流体中的声波方程及特性  17

2.5 悬浮液声波形式的一般表示  18

2.6 含异质物流体中的声波波速  18

2.6.1 理想稀疏悬浮液声波传播声速特性分析  19

2.6.2 一般悬浮液声波传播声速特性分析  21

2.7 时间差分与悬浮液波速关系  24

2.7.1 二元混合气体声时差  24

2.7.2 二元混合液固流体声时差 26

2.8 本章小结  28

参考文献  28

第二篇实验部分
第3 章超声检测流体中低浓度异质物的实验研究 31

3.1 引言  31

3.2 时差与悬浮液浓度关系的实验验证  31

3.3 超声水处理系统与检测实验  35

3.3.1 时差法测量空化效应的原理  35

3.3.2 时差法测量空化效应的实验验证  38

3.3.3 结论  45

3.4 变压器油含水超声检测实验  46

3.5 本章小结  53

参考文献  54

第三篇应用部分
第4 章微量六氟化硫浓度超声检测的应用  59

4.1 引言  59

4.2 六氟化硫浓度超声检测研究  60

4.3 六氟化硫气体超声检测方法和技术手段  61

4.4 六氟化硫超声检测集散式系统的实现  63

4.4.1 系统设计  63

4.4.2 检测结果分析  66

4.5 六氟化硫超声检测集中式系统的实现  68

4.5.1 系统设计  68

4.5.2 检测结果分析  76

4.6 六氟化硫超声检测无线传感器节点设计  78

4.6.1 系统设计  79

4.6.2 无线传感器节点的实现  79

4.6.3 无线传感器节点的检测结果分析  81

4.7 本章小结  83

参考文献  83

第5 章超声水处理系统与检测方法研究  87

5.1 引言  87

5.2 水处理超声电源电路频率参数优化的研究  88

5.2.1 水处理超声电源电路频率参数优化的基础实验与理论研究  88 
5.2.2 严格声电条件下超声降解对硝基苯酚的频率效应实验研究  94 
5.2.3 频率参数优化研究小结  99

5.3 超声功率源的宽带匹配方法研究  100

5.3.1 宽带阻抗匹配方法研究 101

5.3.2 宽带调谐匹配的设计  112

5.4 超声水处理换能器声强与声空化效应测量方法的研究  115 
5.4.1 超声水处理换能器声强测量方法的研究  115

5.4.2 换能器空化效应测量方法的研究  119

5.5 本章小结  124

参考文献  125

第6 章变压器油含水量超声检测应用研究  130

6.1 引言 130

6.2 系统总体实现  131

6.2.1 总体设计方案的论证  131

6.2.2 系统工艺流程总体设计 134

6.3 系统主要组成部分  136

6.3.1 超声乳化 136

6.3.2 冷冻部分 136

6.3.3 伺服电路部分  137

6.3.4 CPLD 超声波检测部分  137

6.4 本章小结  139

参考文献  140