固体中纵波和横波速度的测量.doc

A-3 固体中纵波和横波速度的测量【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 / t。2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（Ld），入射纵波P1沿上表面传播时，由于界面的作用产生以临界角qC传播的横波S1(假定横波的速度为CS，则sinqC= 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(P1, 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/cosqC)/CS - (d tanqC)/CL ，则横波的速度CS = 。(请自行推导CS的计算公式)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XC61A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10ms）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L和回波时间差t，来计算纵波速度CL=L/t。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0.01ms(示波器的时间档调到500ns)。(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