固體中縱波與橫波速度的測(cè)量

1、A-3固體中縱波和橫波速度的測(cè)量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解固體材料中彈性波的性質(zhì)；2了解固體材料的縱波和橫波播速度的測(cè)量方法?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1. 用多次回波法測(cè)量縱波速度；2 用脈沖重合法測(cè)量橫波速度?！緦?shí)驗(yàn)原理與裝置】一實(shí)驗(yàn)原理1.脈沖回波法測(cè)量固體中縱波速度待測(cè)固體樣品圖1縱波在固體中的多次反射超聲探頭發(fā)射的縱波脈沖進(jìn)入固體后，以縱波速度在固體中傳播，由于聲波在固體 前后兩個(gè)表面會(huì)發(fā)生反射，利用超聲探頭可以接收到多次反射的信號(hào)。假定相鄰兩次反 射信號(hào)的時(shí)間差為t,樣品的厚度為d,則可得到固體中縱波聲速Cl為：CL=2d / to2 利用縱波探頭測(cè)量固體中橫波速度由于橫波探頭的頻率通常比較低，若采用橫

2、波脈沖回波法測(cè)量，測(cè)量的誤差比較大。在本實(shí)驗(yàn)中，將利用縱波沿界面?zhèn)鞑r(shí)的會(huì)產(chǎn)生以臨界角傳播的橫波的性質(zhì)，采用縱波 探頭測(cè)量橫波速度。如圖2所示，把縱波探頭放在樣品的一側(cè)并靠近上表面（L>>d）,入射縱波P1沿上表面?zhèn)鞑r(shí)，由于界面的作用產(chǎn)生以臨界角c傳播的橫波S1（假定橫波的速度為Cs,則sin c= Cs/ Cl），當(dāng)橫波S1到達(dá)下表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱波 PS1和反射波S2, 這樣，通過(guò)接收產(chǎn)生的一系列縱波（P1, PS1, PS2,反射后到達(dá)探頭的時(shí)間，就可以計(jì)算出橫波的速度?？v波探頭d圖2縱波和橫波的轉(zhuǎn)化及在固體中傳播則橫波的速度Cs =2。(請(qǐng)自行推導(dǎo)(Cl /d)兩次縱波(Ps

3、n與 Psn+i)的時(shí)間差=(d/cos c)/Cs (d tan c)/Cl ，Cs的計(jì)算公式)由于需要同時(shí)接收上下兩個(gè)表面產(chǎn)生的聲波，實(shí)驗(yàn)所使用的縱波換能器的發(fā)射面的有效直徑略大于樣品的厚度 d,測(cè)量時(shí)把換能器面放在樣品端面的中心處。實(shí)驗(yàn)裝置1 脈沖發(fā)生器用XC61A型脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電脈沖激勵(lì)超聲換能器產(chǎn)生聲波。電脈沖的觸發(fā)周 期、寬度和幅度可以按需要進(jìn)行調(diào)整，使之與超聲換能器匹配以產(chǎn)生較強(qiáng)的脈沖聲波。2. 示波器本實(shí)驗(yàn)中采用泰克 TDS210型數(shù)字示波器，可以直接讀取信號(hào)的電壓幅度、相對(duì)時(shí) 間間隔等信息，可以保存多組波形用于比較。3. 超聲換能器實(shí)驗(yàn)中采用的超聲換能器由壓電陶瓷片制成，

4、加有后背襯和前匹配層以產(chǎn)生短的超聲脈沖，加上脈沖電壓激勵(lì)可以發(fā)射聲脈沖。同時(shí)又作為接收器使用，接收到的聲波后由壓電效應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào)，可以接到示波器上進(jìn)行觀(guān)測(cè)和記錄。圖4 超聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖測(cè)量時(shí)，換能器面和樣品之間通常需要加少量水或其他耦合劑進(jìn)行耦合，以使聲波 能更好地透射到樣品中?！緦?shí)驗(yàn)要求與步驟】1 .設(shè)備調(diào)節(jié)通過(guò)看說(shuō)明書(shū)了解和熟悉 TDS210型數(shù)字示波器，了解用示波器進(jìn)行時(shí)間測(cè)量、調(diào) 整時(shí)間測(cè)量精度和波形存儲(chǔ)的操作方法。通過(guò)調(diào)整激勵(lì)電信號(hào)的脈沖寬度使接收信號(hào)最強(qiáng)。2用多次回波法測(cè)量縱波速度： 把探頭放在樣品最大平面的中心附近（用少量水作耦合） ，利用示波器測(cè)量回波時(shí)間。要求用第3個(gè)（或

5、以上）回波和第1個(gè)回波的時(shí)間差（要求時(shí)間差值大于10 s）來(lái)計(jì)算回波時(shí)間，可以提高時(shí)間的測(cè)量精度。2*用不同聲程回波的時(shí)間差法測(cè)量縱波速度： 把探頭放在樣品的不同側(cè)面，利用示波器分別測(cè)量各側(cè)面的第一次回波時(shí)間。然后根據(jù)聲波的行程差？L和回波時(shí)間差？t，來(lái)計(jì)算縱波速度 Ci_=?L/?t。由于本方法可以排除換能器的匹配層厚度對(duì)測(cè)量的影響，用此結(jié)果與多次回波法的結(jié)果進(jìn)行比較，就可以看出換能器的匹配層厚度對(duì)測(cè)量是否有影響。3用縱波的轉(zhuǎn)換波測(cè)量橫波速度：把探頭放在樣品較窄側(cè)面的中部，測(cè)量轉(zhuǎn)換縱波脈沖 Psi和PS2或PS3的時(shí)間差來(lái)計(jì)算橫波速度。4要求：（1）實(shí)驗(yàn)中時(shí)間的測(cè)量用數(shù)字示波器的直接讀數(shù)，要求測(cè)量精度為0.01 S（示波器的時(shí)間檔調(diào)到 500ns）。（2）時(shí)間和厚度的數(shù)據(jù)以多組（5組以上）測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，每次測(cè)量時(shí)適當(dāng)改變測(cè)量點(diǎn)的位置。（3）計(jì)算縱波和橫波的速度及測(cè)量誤差，應(yīng)給出計(jì)算