钢材料中声速与声衰减系数的测量

ｄ－ ｃｗ
ｄ ｃｓ
＝!ｔ
（ １）
其中 ｄ 是样品的厚度， ｃｓ 是样品中的声速， ｃｗ是水中
的ຫໍສະໝຸດ Baidu速， ｃｗ是由下式决定的 ｃｗ＝１４０２．９＋４．８３５×Ｔ－ ０．０４７０１６×Ｔ ２＋
０．０００１２７２５×Ｔ ３
其中 Ｔ 是水的温度。
由式（ １） 可得到样品中声速的表达式：
ｃｓ＝
ｄ ｄ／ｃｗ－
!ｔ
号做傅氏变换， 然后计算出其幅度谱， 由幅度谱计算
出材料的声衰减系数。
实验证明三种钢材料中铬不锈钢的声速是最小
的， 但其声衰减系数是最大的； 普通碳钢的声速是最
大的， 声衰减系数最小； 而铬镍不锈钢的声速和声衰
减系数均介于上述两种钢之间。这些数据将为无损
检测钢材提供一定的实验参考。
参考文献
［ １］ Ｉｓｈｉｉ Ｔ， Ｏｏｋａ Ｎ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｕｓｉｎｇ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｆｏｒ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｒｒａｄｉａ－ ｔｉｏｎ ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｎｕｃｌｅａｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ［ Ｊ］ ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕ－ ｃｌｅａｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２００２， ３０７－３１１， ２４０－２４４．
［ ３］ Ａ Ｂａｄｉｄｉ Ｂｏｕｄａ， Ｓ Ｌｅｂａｉｌｉ， Ａ Ｂｅｎｃｈａａｌａ． Ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｉｎｆｌｕ－ ｅｎｃｅ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ａｎｄ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ［ Ｊ］ ． ＮＤＴ＆Ｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， ２００３， ３６： １－５．
［ ２］ Ｔ Ｏｈｔａｎｉ， Ｋ Ｎｉｓｈｉｙａｍａ， Ｓ Ｙｏｓｈｉｋａｗａ． Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ａｔｔｅｎｕａ－ ｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ ｔｅｎｓｉｏｎ－ｃｏ－ ｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｏｆ ａ ｌｏｗ－ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ［ Ｊ］ ． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉ－ ｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ， ２００６， ４４２： ４６６－４７０．
ＹＩＮ Ｃｈａｎｇ， ＬＩＵ Ｘｉａｏ－ｚｈｏｕ， ＧＯＮＧ Ｘｉｕ－ｆｅｎ， ＬＩＵ Ｊｉｅ－ｈｕｉ
（ Ｋｅｙ Ｌａ ｂｏｒ ａ ｔｏｒ ｙ ｏｆ Ｍｏｄｅｒ ｎ Ａｃｏｕ ｓｔｉ ｃｓ， Ｍｉ ｎ ｉ ｓｔｒ ｙ ｏｆ Ｅｄｕ ｃａ ｔｉ ｏｎ ， ａ ｎ ｄ Ｉｎ ｓｔｉ ｔｕ ｔｅ ｏｆ Ａｃｏｕ ｓｔｉ ｃｓ， Ｎａ ｎ ｊｉ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖｅｒ ｓｉ ｔｙ， Ｎａ ｎ ｊｉ ｎ ｇ ２１００９３， Ｃｈｉ ｎ ａ ）
０．３
０．２
信号幅值 ／ Ｖ
０．１
－ ０．０
－ ０．１
－ ０．２
０．０００１２８ ０．０００１２９ ０．０００１３０ ０．０００１３１ ０．０００１３２ ０．０００１３３ 时间 ／ ｓ
图 ３ 加入 １ 号钢时接收到的信号 Ｆｉｇ．３ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｗｉｔｈ ｓｔｅｅｌ １
表 １ 三种钢材料中声速与声衰减系数 Ｔａ ｂｌｅ １ Ｖｅ ｌｏｃｉｔ ｙ ａ ｎ ｄ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｕ ａ ｔ ｉｏｎ ｃｏｅ ｆｆｉｃｉｅ ｎ ｔ ｏｆ
第５期
尹昌等： 钢材料中声速与声衰减系数的测量
９７５
在样品中有衰减。则声波在样品中的声衰减系数可
表述为：
ａ （ !） ＝ ２０ｌｇ Ａ０（ !） － ２０ｌｇ Ａｓ（ !）
（ ３）
ｄ
其中 Ａ０（ !） 是未插入样品前角频率对应的幅度 谱的值 ， Ａｓ （ !） 是插入样品前角频率对应的幅度谱 的值， 它们都是频率的函数。
２ 理论计算及实验
本文用脉冲透射插入取代法测量材料的声速和 声衰减系数。实验装置的示意图如图 １ 所示。
发射换能器发射一个脉冲， 插入样品前后分别
收稿日期： ２００７－０７－０６； 修回日期： ２００７－０９－０６ 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ １０６７４０６６） 和 中 国 科 学 院 声 场 声
［ ５］ 冯若等． 超声手册． 南京大学出版社［ Ｍ］ ． １９９９： １０５－１０７． Ｆｅｎｇ Ｒ ｕｏｅｔ ａｌ． Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｍａｎｕａｌ［ Ｍ］ ． Ｐｒｅｓｓ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， １９９９： １０５－１０７．
信息国家重点实验室资助项目。 作者简介： 尹昌（ １９８２－） ， 男， 山东人， 研究生， 研究方向： 超声学。 通信作者： 刘晓宙， Ｅ－ｍａｉｌ： ｘｚｌｉｕ＠ｎｊｕ．ｃｄｕ．ｃｎ
采集一次数据。从采集到的数据中读取脉冲幅值最
大的点对应的时间值， 将这两个时间值相减得到因
插入样品产生的声波传播时间差 !ｔ。
［ ４］ Ｓｈａｎｔ Ｋｅｎｄｅｒｉａｎ， Ｔｏｂｉａｓ Ｐ． Ｂｅｒｎｄｔ， Ｒｏｂｅｒｔ Ｅ． Ｇｒｅｅｎ． Ｕｌ－ ｔｒａｓｏｎｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｄｕｒｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｏｆ ｐｅａ－ ｒｌｉｔｉｃ ｒａｉｌ ｓｔｅｅｌ ［ Ｊ］ ． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ， ２００３， ３４８： ９０－９９．
是计算机来实现的。
３ 实验结果
为 了 表 述 方 便 分 别 将 铬 不 锈 钢 、铬 镍 不 锈 钢 和 普通碳钢分别称为 １ 号钢、２ 号钢和 ３ 号钢。由于篇 幅的限制这里只给出在插入 １ 号钢前后接收到的脉 冲波形， 如图 ２ 和图 ３ 所示。
３
２
１
０
信号幅值 ／ Ｖ
－１
－２
０．０００１３６ ０．０００１３７ ０．０００１３８ ０．０００１３９ ０．０００１４０ ０．０００１４１ 时间 ／ｓ
图 ２ 未加 １ 号钢时接收到的信号 Ｆｉｇ．２ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｗｉｔｈｏｕｔ ｓｔｅｅｌ １
三 种 钢 的 声 速 和 声 衰 减 系 数 （ ４．５ＭＨｚ） 的 实 验 值如表 １ 所示， 实验值表明： 在本文所测的三种钢材 料中 １ 号钢的声速是最小的， 为 ５８２０ｍ／ｓ， 但其对应 的声衰减系数是最大的， 为 １．９ｄＢ／ｃｍ； ２ 号钢的声 速和声衰减系数的值均介于 １ 号钢和 ３ 号钢之间； ３ 号钢的声速是三种材料中最大的， 为 ５９７７ｍ／ｓ， 但其 声衰减是三种材料中最小的， 为 １．１１ｄＢ／ｃｍ。 钢的种类
第 ２６ 卷第 ５ 期 ２００７ 年 １０ 月
声学技术 Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ
Ｖｏｌ．２６， Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．， ２００７
钢材料中声速与声衰减系数的测量
尹 昌， 刘晓宙， 龚秀芬， 刘杰惠
（ 近代声学教育部重点实验室， 南京大学声学研究所， 南京 ２１００９３）
Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｓｔｅｅｌ
１引言
测量钢的声速和声衰减是一件基础但十分有意 义的工作， 因为钢在工业上有着非常广泛的应用。超 声波在钢中传播后声速和声衰减会发生变化， 通过这 种变化便可以了解钢材料的部分特性， 从而对钢的无 损检测提供理论指导。例如钢在受到辐射后其声速 和声衰减都会发生变化， 声速会降低而声衰减则会增 大， 核工业上可以利用这种变化来判断钢的辐射脆变 情况甚至预测其使用 寿 命［１， ２］；透 过 钢 材 料 声 波 的 声 速和声衰减同钢的颗粒大小有紧密的关系， 这可以作 为一种无损检测的方法来得到钢中颗粒的大小， 而 颗粒的大小影响了钢材料的很多机械特性［３， ４］。
目前用于测量固体的声速和声衰减系数的方法 主要有脉冲反射法、直接接触法、脉冲透射插入取代 法［５］等 。 本 文 用 脉 冲 透 射 插 入 取 代 法 测 量 了 频 率 为 ４．５ＭＨｚ 时铬不锈钢、铬镍不锈钢和普通碳钢的声速 和声衰减系数， 但测量方法与文献［ ３］ 中的方法并不 一样， 是将测得的信号做傅氏变换得到幅度谱从而 计算得到声衰减系数。
实验中用的是两个中心频率为 ４．５ＭＨｚ 的换能
器， 为了保证实验的准确性， 样品置于换能器的瑞利
距离之外。实验用水是除气的蒸馏水， 以防止气泡
在换能器表面的附着而对实验产生影响。
实验过程是用发射换能器发射一个脉冲， 声波
经过水中的传播和在样品中的衰减被接收换能器接
收， 通过示波器可以看到接收到的波形， 数据的采集
（ ２）
换能器 样品
换能器
示波器
脉冲发生器
图 １ 实验装置框图输出 Ｆｉｇ．１ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｅｔｕｐ
样品的声衰减系数也是由前面计算声速的两个 采集数据计算得到的， 本文采用的声衰减的计算方 法不同于传统的透射法： 首先对这两个数据做 ＦＦＴ 变换， 可计算出其幅度谱。这样幅度谱就是频率的函 数。由于声波在水中传播的距离很短， 故衰减是很小 的， 所以可以忽略掉声波在水中的衰减， 只认为声波
ｔ ｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ
钢的种类 １号钢 ２号钢 ３号钢
声速／（ ｍ／ｓ） ５８２０ ５９３５ ５９７７
声衰减系数／（ ｄＢ／ｃｍ） １．９ １．２４ １．１１
４总结
本文用脉冲透射插入取代法测量材料的声速和
声衰减系数。采用了不同于传统透射法的计算方法
来计算钢材料中的声衰减系数， 先是对采集到的信