1、固體彈性常數的測量超聲波是一種彈性波，它在所有彈性材料中傳播。其傳播的特性與材料的彈性有關，如果彈性材料發生變化，超聲的傳播就會受到擾動，根據這個擾動，就可了解材料的彈性或彈性變化的特征。超聲波測試就是利用超聲波的傳播特性與彈性材料物理特性之間的關系，通過測量超聲波的傳播特性參量，達到測量彈性材料物理參數的目的。在實際應用中，由于測試的對象和目的不同，具體的技術和措施是不同的，因而產生了一系列的超聲測試項目，例如超聲測厚、超聲測硬度、超聲測應力、超聲測金屬材料的晶粒度、超聲測量彈性常數等。本實驗通過研究固體中超聲波的傳播特性，從而進一步確定固體介質中幾個常用的彈性常參數。實驗目的1 理解超聲波

2、聲速與固體彈性常數的關系；2 掌握超聲波聲速測量的方法；3 了解聲速測量在超聲波應用中的重要性。實驗原理在各向同性的固體材料中，根據應力和應變滿足的虎克定律, 可以求得超聲波傳播的特征方程： （2.1） 其中為勢函數，c為超聲波傳播速度。當介質中質點振動方向與超聲波的傳播方向一致時,稱為縱波；當介質中質點的振動方向與超聲波的傳播方向相垂直時，稱為橫波。在氣體介質中，聲波只是縱波。在固體介質內部, 超聲波可以按縱波或橫波兩種波型傳播。無論是材料中的縱波還是橫波, 其速度可表示為： (2.2) 其中, d為 聲波傳播距離, t為聲波傳播時間。對于同一種材料, 其縱波波速和橫波波速的大小一般不一樣，

3、但是它們都由彈性介質的密度、楊氏模量和泊松比等彈性參數決定, 即影響這些物理常數的因素都對聲速有影響。相反, 利用測量超聲波速度的方法可以測量材料有關的彈性常數。固體在外力作用下，其長度沿力的方向產生變形。變形時的應力與應變之比就定義為楊氏模量，一般用E表示。（在本書楊氏模量測量的實驗中有介紹）固體在應力作用下。沿縱向有一正應變（伸長），沿橫向就將有一個負應變（縮短），橫向應變與縱向應變之比被定義為泊松比，記做，它也是表示材料彈性性質的一個物理量。在各向同性固體介質中，各種波型的超聲波聲速為：縱波聲速：(2.3)橫波聲速：(2.4)其中E為楊氏模量，為泊松系數，r為材料密度。相應地，通過測量介

4、質的縱波聲速和橫波聲速，利用以上公式可以計算介質的彈性常數。計算公式如下：楊氏模量： (2.5)泊松系數： (2.6)其中：，為介質中縱波聲速，為介質中橫波聲速，r為介質的密度。實驗方案1 聲速的直接測量方法根據公式（2.1），當利用確定反射體（界面或人工反射體）測量聲速時，我們只需要測量該反射體的回波時間，就可以計算得到聲速。而對于單個的反射體，得到的反射波如圖2.1所示。能夠直接測量的時間包含了超聲波在探頭內部的傳播時間t0，即探頭的延遲。對于任何一種探頭，其延遲只與探頭本身有關，而與被測的材料無關。因此，首先需要測量探頭的延遲，然后才能利用該探頭直接測量反射體回波時間。圖2.1 縱波延遲

5、測量（1）直探頭延遲測量（參看實驗一）。（2）斜探頭延遲測量參照圖2.2把斜探頭放在試塊上，并使探頭靠近試塊正面，使探頭的斜射聲束能夠同時入射在R1和R2圓弧面上。適當設置超聲波實驗儀衰減器的數值和示波器的電壓范圍與時間范圍。在示波器上同時觀測到兩個弧面的回波B1和B2。測量它們對應的時間t1和t2。由于R2=2R2，因此斜探頭的延遲為：(2.7)（3）斜探頭入射點測量（選做）在確定斜探頭的傳播距離時，通常還要知道斜探頭的入射點，即聲束與被測試塊表面的相交點，用探頭前沿到該點的距離表示，又稱前沿距離。參照圖2.2把斜探頭放在試塊上，并使探頭靠近試塊正面，使探頭的斜射聲束入射在R2圓弧面上，左右

6、移動探頭，使回波幅度最大（聲束通過弧面的圓心）。這時，用鋼板尺測量探頭前沿到試塊左端的距離L，則前沿距離為： (2.8)圖2.2 斜探頭延遲和入射點測量2 聲速的相對測量方法如果被測試塊有兩個確定的反射體，那么通過測量兩個反射體回波對應的時間差，再計算出試塊的聲速。這種方法稱為聲速的相對測量方法。對于直探頭，可以利用均勻厚度底面的多次反射回波中的任意兩個回波進行測量。對于斜探頭，則利用CSK-IB試塊的兩個圓弧面的回波進行測量。實驗內容與要求1 測量直探頭和斜探頭的延遲利用CSK-IB試塊60毫米厚度，采用相對測量方法測量直探頭延遲；多次測量，求平均值。利用R1、R2圓弧面，采用相對測量方法測量斜探頭延遲；多次測量，求平均值。2 利用直探頭測量鋁試塊的縱波聲速分別利用直接法和相對法測量。多次測量，求平均值。3 利用斜探頭測量鋁試塊的橫波聲速分別利用直接法和相對法測量。多次測量，求平均值。4 計算鋁試塊的楊氏模量和泊松系數與理論值比較，分析誤差產生原因。分析與思考1 為什么利用斜探頭入射到圓弧面上后，只看到橫波而沒有縱波？ 2 利用CSK-IB試塊怎樣測量表面波探頭的延遲？能否用測量斜探頭入射點的方