随着我国人口增长,耕地流失严重,确保不低于18亿亩耕地的底线是我国粮食安全的重要保证。为保证耕地面积,需要及时开发新耕地或荒置耕地。未经开发及荒置的耕地,可能存在石块、金属、玻璃渣、木桩等硬质异物。这类硬质异物不仅在作业过程中会损坏农机,甚至会危及人畜安全。研究农田硬质异物检测技术,实现主动检测及采集硬质异物,可以避免硬质异物损坏农业作业机械,可以延长农业机械使用寿命。虽然已有诸多关于超声波在土壤媒介传播的研究,但将超声波应用于农田土壤硬质异物检测的研究较少。目前尚不清楚农田土壤中的硬质异物对超声波传播的影响,如何使用超声波检测土壤硬质异物。为将超声波应用于农田硬质异物检测,本文将探索超声波在土石混合体的传播规律。总结超声波在土石混合体传播时的声速、衰减系数及使用超声波回波检测硬质异物时的检测精度。以总结超声波在土壤的传播规律、土壤中的块石对超声波传播的影响。本文的主要创新点在于以下两点:一、研究超声波在农田土壤的应用。这点主要围绕超声波在土壤的传播时,土壤中的块石对超声波传播的影响。通过试验对比超声波在不同土石比例的土石混合体,定量分析土石比例对超声波传播的影响。二、以农田土壤硬质异物检测为研究目的。虽然农田土壤硬质异物会对农业机械作业造成一定影响,但由于目前我国农业机械化程度不高,农田土壤硬质异物的对农业机械并未造成严重危害,故而此前未有对土壤硬质异物检测的研究。随着我国人力成本逐步提升、农业机械的逐步推广,农田硬质异物对农业机械的影响将逐步凸显。本文为首个针对此问题进行系统探索的研究,本研究具有前瞻性。首先,本文介绍了超声波在岩土介质的研究进展,并总结其存在的问题。为检测农田环境的致损性异物,将对超声波无损检测技术应用于土壤环境。并对超声波检测农田环境的致损性异物进行试验分析。针对本研究的需要,设计了两个超声波试验。第一个试验将土壤按颗粒尺寸分为砂土、壤土、黏土,并取砂土、壤土作为试验样土。实际农田的致损性异物包括了块石、金属、玻璃、树桩等硬质、尖锐物体,这些物体则以块石为最常见的,故而块石也是本文主要研究的对象。通过试验分析得到土壤中块石含量对超声波声速、衰减系数的影响。不同的土石成分、土石比例作为变量,探究超声波在岩土混合体的声速、衰减系数等参数。实验以砂土、壤土为试验样土,以白玉石、刚玉圆球作为试验石块。实验结果表明,超声波声速与衰减系数与岩土比例具有较好的相关性。随着土石混合体石块比例上升,声波均出现振幅减弱,声速下降的现象。为实现快速无损检测,本文又进行了基于反射波的无损检测试验。反射波试验为避免超声波在土壤传播引起的衰减,使用水体作为传播介质,并本次实验取以下三个因素:超声波波源移动速度、硬质异物在水中的深度、以及硬质异物体积大小。其中,超声波波源移动速度取1cm/s,3cm/s,5cm/s,7cm/s四个水平;硬质异物假设为球体,球体半径取1cm,3cm,5cm三个水平进行全因素实验。本文主要总结了透射波在土壤环境的传播规律,并验证了反射波在液体媒介的异物检测方案。主要试验了土壤环境超声波的声速与衰减系数。试验结果表明,超声波测试作为一种可靠的无损检测方法,应用于土石混合体可以检测出岩土中的块石密度。在块石密度较高(达到0.63)时,不同土壤、块石类型试样的声速、衰减系数也会有所差异。本文还试验验证了块石密度与声速、衰减系数之间的变化关系,最后理论分析了试验结果。由试验数据计算得到,岩土试样中的块石质量占比与声速呈负相关性,衰减系数成正相关性。并根据试验结果确定了超声波土壤硬质异物检测仪的相关声学、电气参数。水体反射波试验验证了硬质异物与超声波回波信号之间的作用关系。