固体中纵波与横波速度的测量

1、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 / to2 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

2、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P1沿上表面传播时，由于界面的作用产生以临界角c传播的横波S1（假定横波的速度为Cs,则sin c= 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。纵波探头d图2纵波和横波的转化及在固体中传播则横波的速度Cs =2。(请自行推导(Cl /d)两次纵波(Ps

3、n与 Psn+i)的时间差=(d/cos c)/Cs (d tan c)/Cl ，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。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，

4、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

5、以上）回波和第1个回波的时间差（要求时间差值大于10 s）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 Ci_=?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 Psi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 S（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