固体声速测定

固体中声速测定
一、实验目的
通过实验了解超声波产生和在介质中传播的基本原理，并掌握利用超声波测速与探伤的基本方法。

二、实验内容
1、通过时差法测量固体中声速
2、利用超声波探测非金属固体样品中缺陷
三．超声波原理
1、声波常识
声波是在弹性介质（固体、液体、气体）中传播的一种机械振动。

频率在20～20000Hz 的声波称为可听声波；频率高于20000Hz 声波称为可超声波；频率低于20Ｈｚ的机械波称为次声波。

在液体、气体中只能传播纵波，在固体中则既能传播纵波，也可以传播横波。

次声波、声波和超声波都是在弹性媒质中传播的机械波。

它们的区别主要在于频率不同。

声波的传播速度几乎与频率无关，但是由于速度与介质的密度有关，所以声波的传播速度对于温度和压强的变化很敏感。

在同一温度下，声波在液体与固体中的速度大于在空气中的速度。

介质对声波的吸收与声波频率有关，对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。

对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最历害，在液体中传播时吸收比较弱，在固体中传播时吸收最小。

传声介质对声波的吸收是声衰减的主要原因之一。

固体介质的结构情况对声波在其中的吸收有很大的影响。

例如，均匀介质对超声波的吸收并不显著，而当介质结构不均匀时，声吸收情况将发生明显变化。

在各向同性的固体材料中，根据应力和应变满足的虎克定律, 可以求得声波传播的特征方程：
22222
1t
p
p ∂∂=∇υ
其中p 为声压，c 为超声波传播速度。

当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时,称为纵波；当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，称为横波。

无论是材料中的纵波还是横波, 其速度可表示为：
t
d
=
υ 其中, d 为 声波传播距离, t 为声波传播时间。

对于同一种材料, 其纵波波速和横波波速的大小一般不一样，但是它们都由弹性介质的密度、杨氏模量和泊松比等弹性参数决定, 即影响这些物理常数的因素都对声速有影响。

相反, 利用测量超声波速度的方法可以测量材料有关的弹性常数。

固体在外力作用下，其长度沿力的方向产生变形。

变形时的应力与应变之比就定义为杨氏模量，一般用Y 表示（在本书杨氏模量测量的实验中有介绍），固体在应力作用下。

沿纵向有一正应变（伸长），沿横向就将有一个负应变（缩短），横向应变与纵向应变之比被定义为泊松比，记做σ，它也是表示材料弹性性质的一个物理量。

在各向同性固体介质中，各种波型的声波声速为： 纵波声速： )
21)(1()
1(σσρσυ-+-=
E L
横波声速： )
1(2σρυ+=
E
S
其中E 为杨氏模量，σ为泊松系数，ρ为材料密度。

相应地，通过测量介质的纵波声速和横波声速，利用以上公式可以计算介质的弹性常数。

计算公式如下：
杨氏模量：
1
)
43(222--=
T T E S ρυ
泊松系数：
)
1(22
22--=
T T σ 其中：S
L
T υυ=
，L υ为介质中纵波声速，S υ为介质中横波声速，ρ为介质的密度。

2．超声波的特性
超声波频率高，超过一般正常人听觉所能接收到的频率上限，不能引起耳感的声波。

虽然人耳听不到超声波，但是某些动物却可以感受到。

例如狗能感受到几万赫兹的超声波，蝙蝠能发出和感受到十几万赫兹的超声波，用来在飞行中探测障碍物或捕食。

超声波频率通常在2×104
～5×108
Hz 范围之间。

它具有与可听声波一样的传播速度。

声波在均匀弹性介质中匀速传播，其传播距离与时间成正比。

声波的频率、波长和声速间的关系是：
νλυ=
式中
——波长；υ——波速；ν——频率。

由公式可见，声波的波长与频率成反比，超
声波则具有很短的波长。

超声波探伤技术，就是利用超声波的高频率和短波长所决定的传播特性。

（1）具有束射性（又叫指向性），如同一束光在介质中是直线传播的，可以定向控制。

（2）具有穿透性，频率越高，波长越短，穿透能力越强，因此可以探测很深（尺寸大）的零件。

穿透的介质超致密，能量衰减越小。

（3）具有界面反射性、折射性，对质量稀疏的空气将发生全反射。

声波频率越高，它的传播特性越和光的传播特性接近。

如超声波的反射、折射规律完全符合光的反射、折射规律。

3、超声波应用
由于超声波在固体和液体中传播时衰减小，因此传播距离相应要远些，一般称为穿透性强；同时超声波频率高，波长短，因此固体中辐射的声场具有方向性强，并且传播过程中遇到障碍物时能够反射等特点，可以用于探测金属和非金属材料内部的缺陷位置、大小和性质。

这就是应用相当广泛的无损检测技术之一——超声检测。

同样原理推广应用于人体上，可以从体外来检查体内的某些疾病、器官动态或生理变化。

超声波容易被会集成一束定向发射，遇到界面又会反射回来，并且在水中能够传播得很远。

于是人们利用它制造出水声仪器---声纳，让它向海下射出一束超声波，依靠回波，可以在船上探测出海洋的深度、鱼群、礁石和敌方的潜艇等
超声波在人体内不同组织的交界面上也会反射，利用“B超”（B型超声仪）在屏幕上生成的声学图像，可以观察到胎儿和脏器，帮助医生做出诊断。

工业上使用超声探伤仪，能够探查出金属零件内部的裂纹等隐患。

利用超声波还可以做很多事。

例如用它使清洗液产生剧烈的振荡，以便把细小物品表面的污物除掉，用它清洗眼镜片更显出优越性。

医生用超声波击碎人体内的胆结石，使之可以顺畅地排出体外。

4、测量声速
时差法测量声速
若以脉冲调制正弦信号输入到发射器，使其发出脉冲声波，经时间t后到达距离L处的接收器。

接收器接收到脉冲信号后，能量逐渐积累，振幅逐渐加大，脉冲信号过后，接收器作衰减振荡。

t可由测量仪自动测量。

测出L后，即可由V=L／t计算声速。

亦可由仪器定性观察。

利用超声波在零件中的匀速传播以及在传播中遇到界面时发生反射、折射等特性，即可以发现工件中的缺陷。

因为缺陷处介质不再连续，缺陷与金属的界面就要发生反射等。

5．超声波探伤仪的工作原理
超声波探伤仪首先是个超声波发生器，它利用交流电源和振荡电路，产生高频电脉冲，并可根据探伤要求调节脉冲的频率及发射能量。

超声波探伤仪还具有将接受到的电脉冲依其能量的大小、时间的先后通过荧光显示屏显示出来的功能。

超声法检测混凝土缺陷，是采用带波形显示的低频超声波检测仪和频率为20—250kHz 的声波换能器，测量混凝土的声速、波幅和主频等声学参数，并根据这些参数及其相对变化分析判断混凝土缺陷的方法。

超声波在介质中传播是有能量衰减的。

走过的距离越长，反射回来的能量也越小，表现在接收回来的脉冲高度要减少。

如果伤较小，少量超声波自伤处反射回来，将有一个矮的伤脉冲，此时大部分能量抵达工件底面，底脉冲仍较高。

如果伤面积很大，则伤脉冲就会高，
声速即超声波在混凝土中传播的速度。

它是混凝土超声检测中一个主要参数。

混凝土
的声速与混凝土的弹性性质有关，也与混凝土内部结构（孔隙、材料组成）有关。

不同组
成的混凝土，其声速各不相同。

一般来说，弹性模量越高，内部越是致密，其声速也越高，
而混凝土的强度也与它的弹性模量、孔隙率（密实性）有密切关系，因此对于同种材料与
配合比的混凝土，强度越高，其声速也越高。

四、实验设备及实验步骤
（1）超声波仪
1、主机
超声波仪系统组成见图。

侧面板为仪器与外接设备连接的平台，见图。

①电源开关
打开、关闭仪器电源。

②电源指示灯
指示仪器工作状态及电池容量。

③显示屏
仪器显示输出。

④ USB口
与打印机相连，可打印数据、波形或分
析处理结果；接U盘或其它计算机还可以
用于数据传输和文件拷贝。

⑤串口
外接键盘或鼠标。

超声波仪系统组
⑥并口
与打印机相连，可打印数据、波形或分析处理结果；接其它计算机还可以用于数据传输。

⑦发射口
连接发射换能器。

用于输出激励换能器的高压脉冲。

⑧触发口
用于接收外部触发信号（同步信号）。

⑨接收1口
与1通道接收换能器相连，接收透过被测介质的超声波信号。

⑩接收2口
与2通道接收换能器相连，接收透过被测介质的超声波
⑾平面（厚度）换能器
用于测强、测缺、测裂缝深度
（2）卷尺
实验步骤
1、测量固体中的声速
（1）布置测区，清理待测构件的两个对称表面，布置好各测区的每对测点，并量取距离d。

（2）检测部位（测点）不平或有粉刷层时要进行打磨清除处理。

测试时换能器必须具备良好的耦合状态。

进行缺陷检测时，要求混凝土处于自然干燥状态。

（3）开机
用仪器专配的连接电缆分别将发射换能
器和接收换能器与主机的“发射”接口和“接
收1”接口相连。

打开主机电源，在操作系统界面中双击
DJUS—05超声仪（即采集系统）图标，进入
测试主界面，点击超声法检测混凝土缺陷按
钮，显示设置采集参数窗口，根据现场测试条
件设置参数。

主要参数列表
参数说明
通道个数仪器内部打开的信号通道数（即接收通道数）
采样点数各道每次采样的总点数
采样间隔各道每采集一个样点到采集下一个样点的时间间隔
采样延时设置从触发到开始采样之间的时间
1道、2道增益设置第1、第2道的增益（放大倍数）
发射电压设置激励发射换能器的发射电压大小
t0声时仪器及发、收换能器系统的声延时（又称零声时）
推荐参数设置：（实验中应根据测试条件适当调整）
通道个数：1；发射电压：500；采样延时：0；重复次数：10
叠加次数：10；自动增益控制：不选择；1道增益：0Db；其它参数默认
采样点数、采样间隔：采样间隔与采样点数的乘积为信号采集记录的时间。

因此采样间隔与采样点数的设置应能保证仪器记录下有效波形。

一般设置见下表
测距(即1通道间距) 采样间隔采样点数
＜500mm 0.1 2048
500mm——2000mm 0.2 4096
2000mm——5000mm 0.5 4096
5000mm——10000mm 0.5 8192 （4）测试
将与仪器连接好的发射与接收换能器直接耦合，即将两个探头相互紧密接触。

按“快采”按钮，仪器开始发射超声波，接收换能器接收信号并在窗口中显示，同时显示所测得的声参量数值。

显示界面如图所示。

按采集监视工具条中的相应选项可调整波形在窗口中的显示、首波控制线的间距大小等（详见下表）。

图标功能图标功能
快采手动快速采集信号波前移查看前部波形
采集 动态采集信号 波后移 查看后部波形 取消 清除最近一次测试结果 幅缩小 波形振幅压缩 参数 参数查看、设置 幅放大 波形振幅放大 阀值增 波形判读线范围增大 波形扩 波形水平拉伸 阀值减
波形判读线范围减小
波形缩
波形水平压缩
用鼠标在首波平衡位置点击，将控制线（判读线）调整至合适位置。

读取to ； 测量10次，求取平均值 （5）测试测量点
将换能器耦合在测点上，两个换能器须垂直于构件的表面且换能器轴心应该在一条直线上，鼠标点击“快采”图标进行采样，仪器接收信号并在窗口中显示，同时以曲线形式显示所测得的声参量结果。

如果某一测点信号质量较差，欲重新测试，点击采集工具条中的取消选项，即可将最近测点的结果删除。

用鼠标在首波平衡位置点击，将控制线（判读线）调整至合适位置。

读取t 1 测量10次，求取平均值 利用0
1t t d
-=
υ计算得到声速 数据记录： 1、声速测量：
表1 固体中声速测量（首波）
样品尺寸：温度
表2 固体中声速测量（利用第一个峰值）
2、探测非金属固体样品中缺陷
换测试点，按照以上5步骤继续测量所有布点，布点时要均匀，间距在1cm左右为好。

比较测点的声时，画出分布图确定固体样品中缺陷。

数据记录
表3 样品中正面缺陷大小的确定样品尺寸：
数据处理
1、声速
1110
d d v t t t -=
=-
()A S u d =
()B u d =
()c u d =
0()A S u t =
0()B u t =A=0.1s μ）
0()c u t =
1()A S u t =
1()B u t =
A=0.1s μ）
1()c u t =
()()c u v E v v =
=
实验结果：
2、样品中缺陷的确定
用坐标纸作出声时和位置关系图进行分析 结论： 思考题：
1、固体的缺陷除了用超声进行探测外，还可用什么方式？
2、探发出的脉冲信号经过介质后，为什么要变形？这给我们判断首波带来了怎样的困难？
3、本实验中测量的主要误差原因是什么？
附：不同介质的声速（参考值）。