固体中纵波和横波速度的测量.docx

实验目的】1．了解固体材料中弹性波的性质；2．了解固体材料的纵波和横波播速度的测量方法实验内容】1．用多次回波法测量纵波速度2．用脉冲重合法测量横波速度实验原理与装置】一．实验原理1．脉冲回波法测量固体中纵波速度纵波探头d;[ L 一—待测固体样品图 1 纵波在固体中的多次反射超声探头发射的纵波脉冲进入固体后，以纵波速度在固体中传播，由于声波在固体 前后两个表面会发生反射，利用超声探头可以接收到多次反射的信号假定相邻两次反 射信号的时间差为t,样品的厚度为d则可得到固体中纵波声速CL为：CL=2d/12．利用纵波探头测量固体中横波速度 由于横波探头的频率通常比较低,若采用横波脉冲回波法测量,测量的误差比较大在本实验中,将利用纵波沿界面传播时的会产生以临界角传播的横波的性质,采用纵波 探头测量横波速度如图2所示，把纵波探头放在样品的一侧并靠近上表面（L>>d）, 入射纵波P]沿上表面传播时，由于界面的作用产生以临界角0C传播的横波S]（假定横波 的速度为CS，则sin0C= CS/ CL），当横波S1到达下表面时会产生纵波PS1和反射波S2,…… 这样，通过接收产生的一系列纵波（P], PS1, PS2,…）反射后到达探头的时间，就可以计算 出横波的速度。

图 2 纵波和横波的转化及在固体中传播两次纵波(PSn 与 PSn+1)的时间差 T = (d/cosec)/CS - (d tan0C)/CL，则横波的速度CS = C 请自行推导CS的计算公式)S /pl + (C T /d)2 S由于需要同时接收上下两个表面产生的声波，实验所使用的纵波换能器的发射面的有效直径略大于样品的厚度d,测量时把换能器面放在样品端面的中心处二．实验装置1.脉冲发生器用 XC6lA 型脉冲发生器产生的电脉冲激励超声换能器产生声波电脉冲的触发周 期、宽度和幅度可以按需要进行调整,使之与超声换能器匹配以产生较强的脉冲声波2．示波器本实验中采用泰克TDS210型数字示波器，可以直接读取信号的电压幅度、相对时 间间隔等信息,可以保存多组波形用于比较3．超声换能器 实验中采用的超声换能器由压电陶瓷片制成，加有后背衬和前匹配层以产生短的超 声脉冲，加上脉冲电压激励可以发射声脉冲同时又作为接收器使用，接收到的声波后 由压电效应产生电信号，可以接到示波器上进行观测和记录图 4 超声换能器结构示意图测量时，换能器面和样品之间通常需要加少量水或其他耦合剂进行耦合，以使声波 能更好地透射到样品中。

实验要求与步骤】1 ．设备调节通过看说明书了解和熟悉TDS210型数字示波器，了解用示波器进行时间测量、调 整时间测量精度和波形存储的操作方法通过调整激励电信号的脉冲宽度使接收信号最强2．用多次回波法测量纵波速度： 把探头放在样品最大平面的中心附近（用少量水作耦合），利用示波器测量回波时 间要求用第3个（或以上）回波和第1个回波的时间差（要求时间差值大于10阴）来计 算回波时间，可以提高时间的测量精度2*．用不同声程回波的时间差法测量纵波速度： 把探头放在样品的不同侧面，利用示波器分别测量各侧面的第一次回波时间然后 根据声波的行程差AL和回波时间差At，来计算纵波速度CL=AL/Ato由于本方法可以排除换能器的匹配层厚度对测量的影响，用此结果与多次回波法的 结果进行比较，就可以看出换能器的匹配层厚度对测量是否有影响3．用纵波的转换波测量横波速度：把探头放在样品较窄侧面的中部，测量转换纵波脉冲PS1和PS2或PS3的时间差来计 算横波速度4．要求：（1） 实验中时间的测量用数字示波器的直接读数，要求测量精度为0.01阴（示波器的 时间档调到 500ns）o（2） 时间和厚度的数据以多组（5组以上）测量数据进行平均，每次测量时适当改变 测量点的位置。

3） 计算纵波和横波的速度及测量误差，应给出计算公式和相应的测量数据 【思考题】1．换能器的匹配层厚度对测量是否有影响？2•为什么不能用第一次纵波回波P］和转换纵波脉冲PS1、PS2或PS3的时间差来计 算横波速度。